伽瑪射線在密度測量中的應用

高彥祥

摘 要：分析了常用密度計在密度測量中的優缺點，詳細介紹了伽瑪射線密度計的測量原理及銫-137放射源射線的安全防護。

關鍵詞：γ射線；銫-137；密度測量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.116

1 伽瑪放射源

（1）伽瑪射線簡述。γ射線是一種高能電磁波，其波長小于0.001ns。由于它不帶電，因此其與物質的相互作用機制不同于帶電粒子。帶電粒子與物質的相互作用機制是通過與介質原子核和核外電子的庫侖相互作用，在沿其運動路徑上經過多次碰撞而逐漸損失能量。γ光子則是通過與介質原子或核外電子的單次作用，損失很大一部分能量或完全被吸收。在原子核反應中，生成的子核往往處于激發態。處于激發態的原子核往往是不穩定的，其會通過發射γ射線從高激發態向低激發態或基態躍遷。

（2）銫-137伽瑪放射源。常用于制備γ源的放射源有60Co、134，137Cs

、133Ba、152Eu、74Se、124Sb和192Ir等。60Co經β-衰變到60Ni的激發態，處于激發態的60Ni躍遷到低能態時，就會放出γ光子，對于60Co的衰變，兩光子的能量分別為1.17MeV和1.33MeV。半衰期大約為5.27年。137Cs為β-衰變，發射兩種β-粒子，其能量分別為0.51MeV（94%）和1.18MeV（6%），半衰期為30.17年。137Cs發射0.51MeV的射線后，轉變為137Bam。137Bam作同質異能躍遷衰變，其γ射線能量為0.66MeV，半衰期為2.55min。由上可知，137Cs其主要能量為0.66MeV。由于其具有較低的能量，因此具有比60Co更好的測量效果，而且其屏蔽容易，所以一般γ射線密度計使用的放射源均為137Cs。

2 伽瑪射線密度計的優點

目前國內外常用的液體密度計有浮子式密度計、振動式密度計和差壓式密度計和γ射線密度計。浮子式密度計是基于物體在流體內受到的浮力與流體密度有關，流體密度越大浮力越大這樣的原理設計的。這種密度計容易受到介質擾動的影響，誤差比較大。振動式密度計是利用機械振動原理制成的。密度變送器的檢測元件是一對振動管，體積一定而質量不同的液體流過振動管時，就會改變振動管的諧振頻率，當流體密度增大時，振動頻率減小；反之當流體密度減小時，振動頻率增大。在實際應用中，振動式密度計在測量一些有節垢或有顆粒的介質時其測量誤差特別大。差壓式密度計的設計原理非常簡單，使用方便，相比其它密度計價格非常便宜。其測量原理依據于?P=ρgh此公式，當h一定時，差壓變送器測出的?P值與重力加速度g和長度h乘積的比值即為所測介質的密度值。 差壓式密度計雖然使用簡單，但是實際工業生產中卻不常使用差壓式密度計，原因是其在測量過程中是不穩定的，因此會給測量結果帶來很大的誤差。γ射線密度計的原理是γ射線在物質中傳播時，由于射線光子的能量被物質吸收以及隨著距離的增加而使射線的強度不斷減弱而發生衰變。當放射源的放置位置固定后，射線在傳播時的衰減就僅取決于介質的密度和傳播的距離。而傳播的距離即為通道的寬度，其也是一定的。因此，衰減就僅取決于物質的密度。γ射線密度計的優點在于其可以在高溫、高壓、高腐蝕性的環境下正常工作。

3 伽瑪射線密度計的結構

伽瑪射線密度計主要由放射源及鋁屏蔽罐、探測器、信號處理機構成的。

（1）放射源。核放射源137Cs放置在雙層不銹鋼容器中，其不會泄漏出來污染需測量的物質。（2）探測器。伽瑪射線密度計所使用的是閃爍探測器。射線探測器由閃爍檢測器和前置放大器組成，其主要作用是接收和轉換輻射脈沖，每一個進入檢測器的γ光子產生一個輸出的脈沖，它的電壓與入射光子的能量成正比。這些脈沖被放大后，經屏蔽電纜傳輸到信號處理機。（3）信號處理機。信號處理機主要包括：CPU，存儲器，分頻器，A/D和D/A轉換輸入輸出接口等。

4 伽瑪射線密度計的測量原理

γ射線是一種強電磁波。當γ射線與物質相互作用主要有三種機制，即光電效應、康普頓散射和電子對效應。（1）光電效應：當γ射線與介質原子發生相互作用，吸收一個γ光子并將光子的全部能量傳遞給一個束縛電子，這個電子脫離原子對它的束縛后發射出來，γ射線被吸收。釋放出的電子稱為光電子其具有確定的能量，這種效應稱為光電效應。當入射γ射線能量大于2MeV時，光電效應可忽略不計。（2）散射效應：能量比較高的γ射線，能夠忽略原子殼層電子的結合能而將它們視作自由電子，γ光子可與自由電子發生彈性碰撞，碰撞后，γ射線將部分能量交給被碰撞的電子，導致射線強度的減弱，這就是散射效應。（3）電子對效應：γ光子的能量大于電子靜止能量的2倍時，會在介質原子核的庫倫場中轉換為一對正負電子。光子能量為正電子的靜止能量，負電子的靜止能量，和它們的動能之和。以放射性同位素137Cs為輻射源的核子密度計。在對介質進行密度測量時，主要考慮散射效應。γ射線透過介質后其強度與介質的密度和厚度有關。當γ射線穿過吸收介質時，其強度服從指數衰減規律：

式中：I：射線通過介質后的強度；Io：無干擾介質時的初始射線強度；u：介質的吸收系數僅與所測介質有關；d：吸收物質及介質的厚度；ρ：吸收物質及介質的密度。

對于特定的伽瑪射線密度計，K，IO為常量，因此可通過測量I而求得密度ρ。采用閃爍探測器檢驗穿過介質后的剩余γ射線，將其轉換為電量的變化，并通過電子電路的處理，就可得到所測物質的密度。

5 伽瑪射線密度計的防護措施

伽瑪射線有殺傷生物細胞的作用，其對人體的危害是客觀存在的。因此伽馬射線的安全防護工作應引起高度重視。核密度計中常用到的γ放射源為137Cs，在實際使用中有嚴格的防護措施，其安全性是有保障的。有關輻射安全的防護安全需要注意以下幾點。

（1）在安裝γ射線密度計的地方，要有明顯的禁示牌，提醒人們不要在附近逗留。（2）γ射線密度計檢修時，務必要將放射源裝置關閉后才能進入安裝有放射性儀表的容器內部作業。（3）定期對γ射線密度計放射源裝置的放射泄漏情況進行測量。（4）核輻射指定專職人員應持證上崗，做到熟悉操作減少操作時間，從而減少所受到的劑量。并例行身體檢查。（5）根據輻射防護規則，在劑量率>3000uSV/h的區域，嚴禁人員進入。

參考文獻：

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