1、第 11 卷 第 3 期1998 年 8 月同 位 素Journal of Iso topesV o l. 11 N o. 3A ug. 1998长棒辐射源配长探测器型核子秤的静态实验研究冯跟胜 杜鸿善 李贵群 李桂花 李书深(中国原子能科学研究院同位素研究所 , 北京 102413)根据核子秤的基本原理和计量物料的实际情况 , 对采用长棒辐射源 (下称长棒源 ) 和长电离室可以减小核子秤的辐射源活度这一方法进行了理论分析和静态比较实验。实验结果表明 : 在不降低计量精度、使用长电离室的情况下 , 这一方法可以把核子秤的辐射源活度由原来的 310 317 GBq 减小到 370 M Bq 左右
2、。关键词 核子秤 点状辐射源 长棒辐射源 静态实验研究中图分类号 TL 812 TH 715核子秤是一种对输送机上的散装固体物料进行动态计量的器具。由于核子秤对物料的计量是在不接触物料和物料动态情况下完成 , 因此不受物料的温度、腐蚀性以及输送机震动等因素影响 , 能在高粉尘的场所长期稳定、可靠地运行 , 并且使用、维修方便 , 适用范围广。我国从1986 年开始研制 1 , 至今已经有上万台 (套 ) 在水泥、冶金、化工、热电、矿山等行业投入使用。现在每年的需求量约 2 000 多台 (以探头计 ) , 其中 95% 以上为国产秤。根据使用的探头不同 ,核子秤可以分为两类 , 一类是 N a
3、 I(T l) 闪烁探头 + 长棒源 , 长棒源的活度一般为 370 M Bq 的60Co或 111 GBq 的 137C s。另一类是长充气电离室 (以下简称电离室 ) + 点状辐射源 (以下简称点源 ) , 点源的活度一般为 310 317 GBq 的 137C s (现在有些厂商开始试用 119 GBq 的点源 )。由于充气电离室性能稳定可靠、经久耐用 , 能在环境恶劣的情况下正常工作并且故障率很低 , 因此电离室 + 点源这种核子秤用量较大 , 约占总用量的 95% 以上。这两类核子秤的探头部分安装示于图 1。图 1 中 L 1、 L 2 的长度随物料输送机皮带的宽度 (以皮带输送机为
4、例 )不同而不同。以电离室 + 点源这类秤为例 , 在核子秤空载的情况下 , 为了使到达探测器单位有效灵敏体积内C光子份额的差别对核子秤计量精度产生的影响达到可以忽略的水平 , 要求点源与电离室收集极两端点的夹角 , 即图 1 中 A 42 (一般是 42 )。因此 , H 1 随 L 1 的变化而变化。点源外任何一点的 C光子通量与这一点到点源之间的距离的平方成反比 , 这样 , H 1 越大 , 要保证一定的计量精度 , 则需要更强的辐射源。在实际使用中 , 大多数情况下输送机皮带上物料的最大厚度不超过 30 cm。如果使用长棒源代替点源 , 则不需要考虑点源与电离室收集极两端点之间的夹角
5、这个问题 , 辐射源与电离室之间的距离 H 1 可以减小 , 从而大大减小使用的辐射源活度 , 提高使用安全性。本文拟就此进行探讨。冯跟胜 : 男 , 43 岁 , 高级工程师 , 实验核物理专业收稿日期 : 1997207208 修改稿收到日期 : 1997209209图 1 两类核子秤的探头部分安装示意图1 核子秤的数学模型C射线穿过输送皮带上的物料后 , 一部分被物料吸收 , 强度减弱的变化规律可用下列关系式 2 表示 :I = I 0e- LmdQ (1)(1)式中 : I 为 C射线穿过物料后到达电离室灵敏区的强度 ; I 0 为输送机空载时 C射线到达电离室灵敏区的强度 ; Lm
6、为物料对 C射线的质量吸收系数 ; d 为物料厚度 ; Q为物料密度。由此可以推导出在某一段时间里传输的物料总质量 2 为 :W = 6ni= 1k U 1i ln U iU0 $ t (2)(2) 式中 : $ t 为采样周期 ; i 为采样次数 ; n 为这段时间包含的 $ t 数 ; U 1 为速度传感器输出电压 ; U 0、 U 分别为空载时、有负载时电离室前置放大器的输出电压 ; k 为常数 , 可通过标定得到。由此可知 , 只要计算机不断对探头输出信号和速度传感器的输出信号进行采样、计算 , 就可以求出瞬时负荷和某一段时间内的累积量。从以上的算式可以看出 : 如果把核子秤的点源换成
7、长棒源 , 并且根据物料的厚度适当减小辐射源与探测器之间的距离 H , 只要使 (1)式中 I 0 与I 不变 , 则 (2)式中 W 不会变 , 核子秤的计量精度也不会变。当然 , 要求长棒源的均匀性要达到一定要求。根据以上分析 , 按照无屏蔽时线源外不同点的 C通量计算方法 3 , 对核子秤使用长电离室配长棒源这种模式进行了棒源的活度估算 , 从而在此基础上进行长棒源研究和物料称量实验。2 实验方法与结果211 长棒源的研制为了验证这一方法的可行性 , 首先研制了一根长 300 mm , 活性区直径为 6 mm , 活度为 41M Bq 的 137C s 长棒源 ; 而后又制做了一根几何尺
8、寸与第一根长棒源相同 , 总活度为 555 M Bq 的长棒源。测量了这两根长棒源的轴向辐射均匀性。具体测量方法 : 把长棒源放在铅屏蔽体后边451 同 位 素 第 11 卷 图 2 长棒源轴向均匀性测量曲线1 41 M Bq 的 137C s 长棒源 ;2 555 M Bq 的 137C s 长棒源的源固定架上 , 并把长棒源的左端与准直孔对齐 , 在准直孔的另一侧固定一个闪烁探头 , 使探头中心对准准直孔并调好距离 , 探头信号电缆接到脉冲记录器。把长棒源从右向左间断移动 ,每移动 5 mm 测量一次。这两根长棒源的轴向辐射均匀性测量曲线示于图 2。由图 2 可以算出 , 长棒源的非均匀性
9、好于 3%。212 点源和长棒源的比较实验(1) 无物料时 : 把一个 317 GBq 的点源和一个收集极长为 900 mm 的电离室按核子秤的实际使用条件安装好 , 点源中心与电离室收集极轴向中心线距 11712 cm。电离室的本底为0101 0103 V。打开点源屏蔽容器窗口 , 测量这时电离室前置放大器的输出电压为 6163 V。用长棒源代替点源安装在可调节高度的支架上 , 记录长棒源距电离室轴向中心线不同高度时前置放大器输出的电压信号。实验数据列于表1。表 1 长棒源与电离室在不同距离时前置放大器的输出电压距离 cm输出电压 V41 M Bq 源 555 M Bq 源40 115750
10、 0181 1016660 0156 716170 0144 517380 417490 3173(2)有物料时 : 在一个为此实验而制做的能覆盖电离室有效灵敏区的容器内分别随意放入一定厚度的土、砂石、黑煤和灰渣 , 用 317 GBq 的点源和 555 M Bq 的棒源进行比较实验。实验时 , 一种物料在容器内分别堆两种形状。对于一种形状的物料 , 分别用点源和长棒源进行测量。点源和长棒源与电离室收集极之间的距离分别为 11712 cm 和 60 cm。实验数据列于表 2。551 第 3 期 冯跟胜等 : 长棒辐射源配长探测器型核子秤的静态实验研究表 2 不同物料时点源和长棒源的实验比较物料
11、 堆料方法点 源U V K棒 源U V K无料 6. 630 1. 000 7. 612 1. 000土 1 5. 043 0. 2394 5. 787 0. 23982 4. 921 0. 2578 5. 648 0. 2580砂石 1 3. 730 0. 4374 4. 281 0. 43762 3. 546 0. 4652 4. 074 0. 4648黑碳 1 5. 892 0. 1113 6. 690 0. 12112 5. 531 0. 1658 6. 349 0. 1569灰渣 1 6. 182 0. 0676 7. 095 0. 06792 5. 833 0. 1202 6. 6
12、90 0. 1211注 : 1、 2 指一种物料堆积的两种形状 ; U 是电离室前置放大器的输出电压 ; K 是有料时与无料时相比电离室前置放大器输出电压的减弱倍数 , 即 K = (U 0- U ) U 0, U 0 是无料时的电离室前置放大器的输出电压3 结论与讨论从图 2 可以看出 , 137C s 长棒源的轴向非均匀性好于 3%。由表 1 中数据可以算出 , 如果距离为 50 cm 时 , 长棒源活度只需要约 370 M Bq; 如果距离 60 cm 时 , 长棒源活度也只需要约481 M Bq。如果使用长闪烁探测器或其它长棒形、探测效率比电离室高的探测器 , 则配用的辐射源活度可以更
13、小。在大多数的情况下 , 例如水泥配料、热电厂的黑煤运送等 , 这一距离有50 60 cm 就已足够。由表 2 中数据可以看出 , 在物料静态情况下 , 点源和棒源的 K 只是在小数点后第三位数字有差别 , 所以 , 这种棒源完全能满足核子秤计量精度的要求。因此 , 如果把核子秤的辐射源由点源改为长棒源 , 可以减小辐射源与电离室之间的距离 (这一距离可以根据输送机皮带上物料的高度确定 ) , 从而使核子秤的辐射源活度减小几倍。而且 , 这并不影响核子秤的计量精度。长棒源长度 , 要根据长棒源的制造工艺难易程度和进一步的现场动态试验而定。考虑到棒源端效应的问题 , 棒源的长度应大于物料输送带的
14、宽度。核子秤采用低活度的辐射源无论是对运输和使用都是有益的。参 考 文 献1 李书明 , 李富荣 , 王泽民 1Q H 2200A 型核子皮带秤 1 见 : 中国核学会 1 全国同位素工业应用会议论文集(二 ) 1 全国同位素工业应用会 1 临潼 119891 西安 : 中国核学会 , 198911012 邢振华 , 邱生才 , 史印球 , 等 1HCS 型多功能微机核子秤 1 见 : 中国核学会 1 全国同位素工业应用会议论文集 (二 ) 1 全国同位素工业应用会 1 临潼 119891 西安 : 中国核学会 , 198911213 Jaeger R G, B lizard EP, Ch i
15、lton AB , et al. Engineering Compendiumon on R adiation Sh ielding. V o l. .Sh ielding Fundam entals and M ethods. N ew Yo rk: Sp ringer2V erlag Berlin H eidelberg, 1968. 244- 246.651 同 位 素 第 11 卷 STAT IC EXPER IM ENT RESEARCH ON A TY PE OF NUCL EARW E IGH SCAL E F ITTED W ITH LONG ROD RAD IAT IONSO
16、URCE AND LONG D ETECTORFeng Gen sheng D u Hongshan L i Gu iqun L i Gu ihua L i Shu shen(D ep artm ent of Isotop e, Ch ina Institu te of A tom ic E nergy , B eij ing 102413)ABSTRA CTT he w ay u sing a long rod radiation sou rce and a long ion ization cham ber to decrease theactivity of radiation sou
17、rce fo r the nuclear w eigh scale is analysed in term s of theo ry and thestatic com parison experim en t is carried ou t, acco rding to the basic p rincip le and the actualsituation. T he experim en t resu lts show that the activity of 137C s radiation sou rce fo r the nu2clear w eigh scale can be
18、decreased from o riginal 3. 0- 3. 7 GBq to 370M Bq w h ile the m easu r2ing p recision is no t reduced.Key words nuclear w eigh scale po in t radiation sou rce long rod radiation sou rce static experim en t research书刊简介 :核化学与放射化学Nuclear and Rad iochem istry著者 : L ieser K. H. 。 1997 年 V CH 出版。本书全面扼要地
19、介绍了最新的核化学与放射化学知识以及它们在各个科学领域中的应用。主要目次如下 : 11 自然界中的放射性 ; 21 放射性元素和放射性核素 ; 31 原子核与基本粒子的物理特性 ;41 放射性衰变 ; 51 衰变模型 ; 61 核辐射 ; 71 核辐射测量 ; 81 核反应 ; 91 核反应的化学效应 ; 101 化学键对核特性的影响 ; 111 核能、核反应堆、核燃料与燃料循环 ; 121 放射性核素与标记化合物的生产 ; 131 放射性核素化学的特殊问题 ; 141 放射性元素 ; 151 地球化学和宇宙化学中的放射性核素 ; 161 应用核方法的测年法 ; 171 放射分析 ; 181 化学中的放射性示踪 ; 191 生命科学中的放射性核素 ; 201 放射性核素和核辐射的技术应用与工业应用 ; 211 地圈与生物圈中的放射性核素 ; 221 剂量与辐射防护。同位素编辑部摘自科技信息 1998 年第 2 期751 第 3 期 冯跟胜等 : 长棒辐射源配长探测器型核子秤的静态实验研究
