1、第四章第四章 同位素仪器仪表同位素仪器仪表2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表2主要内容主要内容第一节第一节 同位素仪器仪表概况同位素仪器仪表概况第二节第二节 同位素仪器仪表核心部件同位素仪器仪表核心部件第三节第三节 几类同位素仪器仪表及应用几类同位素仪器仪表及应用第四节第四节 同位素仪器仪表发展趋势同位素仪器仪表发展趋势2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表3凡带有放射性核素源或核辐射探测器的检测仪表统称为放凡带有放射性核素源或核辐射探测器的检测仪表统称为放射性核素仪表（也称核仪器仪表或同位素仪器仪表）射性核素仪表（也称核仪器仪表或同位素仪器仪表）引言引言同位素仪表同位
2、素仪表强度测量仪表强度测量仪表密度计、厚度计、料位计、水分密度计、厚度计、料位计、水分计、核子秤等计、核子秤等能谱分析仪表能谱分析仪表X X射线荧光分析仪、核测井和在线射线荧光分析仪、核测井和在线活化分析等仪器仪表活化分析等仪器仪表其他同位素其他同位素仪表仪表放射性同位素火灾报警装置，放放射性同位素火灾报警装置，放射性避雷针、静电消除器等射性避雷针、静电消除器等数字图像处数字图像处理仪表理仪表X X射线探伤、射线探伤、g g探伤、中子照相以探伤、中子照相以及工业及工业CTCT等装置等装置按其基本原理和作用方式分：按其基本原理和作用方式分：2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表4引言引
3、言同位素仪表同位素仪表穿透式仪表穿透式仪表穿透式厚度计、穿透式密度计和穿透式厚度计、穿透式密度计和穿透式液位计等穿透式液位计等散射式仪表散射式仪表散射式厚度计和散射式密度计等散射式厚度计和散射式密度计等同位素同位素x荧光荧光式仪表式仪表同位素同位素x x荧光分析仪、同位素荧光分析仪、同位素X X荧荧光镀层厚度计光镀层厚度计电离式仪表电离式仪表气体压力计、气体流量计、气体气体压力计、气体流量计、气体成份分析仪等成份分析仪等按射线入射到探测器前与物质发生相互作用的类型分：按射线入射到探测器前与物质发生相互作用的类型分：中子式仪表中子式仪表中子湿度计中子湿度计 2022-12-16核技术应用概论同位
4、素仪器仪表5p同位素仪器仪表的特点和应用同位素仪器仪表的特点和应用p国外同位素仪表的发展历史国外同位素仪表的发展历史p我国同位素仪表的发展历史我国同位素仪表的发展历史p强度型同位素仪表的技术水平强度型同位素仪表的技术水平p同位素仪表的技术优势和经济效益同位素仪表的技术优势和经济效益2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表6一、同位素仪器仪表的特点和应用一、同位素仪器仪表的特点和应用不直接接触被检测对象，是一种非破坏性的检测工具；不直接接触被检测对象，是一种非破坏性的检测工具；可在各种苛刻条件如高温、高压、高粘度、高毒性等情况可在各种苛刻条件如高温、高压、高粘度、高毒性等情况下对非密闭和
5、密闭容器内的物料进行非电参数的控制；下对非密闭和密闭容器内的物料进行非电参数的控制；灵敏度高、性能稳定可靠、响应速度快、使用寿命长；灵敏度高、性能稳定可靠、响应速度快、使用寿命长；可连续输出电信号，实现生产过程闭环自动控制；可连续输出电信号，实现生产过程闭环自动控制；体积小、重量轻，便于携带和安装；体积小、重量轻，便于携带和安装；穿透深度视射线种类不同而有所区别，在穿透深度视射线种类不同而有所区别，在0.11m之间。之间。同位素仪表是利用核辐射与物质的相互作用及产生同位素仪表是利用核辐射与物质的相互作用及产生的吸收、散射或电离、激发等效应，获取有关物质的吸收、散射或电离、激发等效应，获取有关物
6、质的宏观、微观信息。的宏观、微观信息。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表7一、同位素仪器仪表的特点和应用一、同位素仪器仪表的特点和应用p农业和林业农业和林业p煤炭煤炭p冶金冶金p石油、化工、造纸、橡胶石油、化工、造纸、橡胶p玻璃、水泥及其它非金属矿物加工业玻璃、水泥及其它非金属矿物加工业p食品食品p轻纺轻纺p土木、水纹土木、水纹p航空、航天航空、航天应应用用领领域域表表4-12022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表8发展大致经历了以下三个阶段：发展大致经历了以下三个阶段：二、国外同位素仪表的发展历史二、国外同位素仪表的发展历史u 起始阶段（起始阶段（20世纪世纪40年代末
7、年代末20世纪世纪60年代初）年代初）特点：特点：研制技术还未完全成熟，仪表质量还难于完全满足工研制技术还未完全成熟，仪表质量还难于完全满足工业现场条件的需求，开发带有一定的盲目性，发展比较缓慢，业现场条件的需求，开发带有一定的盲目性，发展比较缓慢，其推广面及其有限。其推广面及其有限。u发展成熟阶段（发展成熟阶段（20世纪世纪60年代末年代末70年代中期）年代中期）特点：特点：逐渐发展成熟，仪表的稳定性与可靠性都大大提高，逐渐发展成熟，仪表的稳定性与可靠性都大大提高，性能得到了明显改善，使用对象逐渐明确，其应用领域也不性能得到了明显改善，使用对象逐渐明确，其应用领域也不断扩大，得到了显著的经济
8、效益。断扩大，得到了显著的经济效益。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表9二、国外同位素仪表的发展历史二、国外同位素仪表的发展历史u高水平发展阶段（高水平发展阶段（20世纪世纪70年代中期至今）年代中期至今）特点：特点：同位素仪表在大量推广、应用的基础上进行更新换代，同位素仪表在大量推广、应用的基础上进行更新换代，朝高水平、高技术方向发展。灵敏度和精度日益提高，可靠朝高水平、高技术方向发展。灵敏度和精度日益提高，可靠性和稳定性也越来越好，功能和应用领域也大大扩展。性和稳定性也越来越好，功能和应用领域也大大扩展。上世纪上世纪6080年代中期美国同位素仪表的发展概况，可年代中期美国同位
9、素仪表的发展概况，可以看到，美国同位素仪表的发展是相当迅猛的。以看到，美国同位素仪表的发展是相当迅猛的。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表10三、我国同位素仪表的发展历史三、我国同位素仪表的发展历史u研制始于研制始于1958年年u大力推广、应用同位素仪表则是从大力推广、应用同位素仪表则是从20世纪世纪80年代开始年代开始 据据1988年的数据统计，我国在各个工业领域使用的同位素年的数据统计，我国在各个工业领域使用的同位素仪表已达到仪表已达到8000多台，其中，应用较为广泛的仪表有料位计、多台，其中，应用较为广泛的仪表有料位计、密度计、湿度计、核子秤、成份分析仪等。密度计、湿度计、
10、核子秤、成份分析仪等。u到到2003年底，我国同位素仪表产值估算大约为年底，我国同位素仪表产值估算大约为35亿元。亿元。常规同位素仪表的使用量已超过常规同位素仪表的使用量已超过2.5万台，核子秤的年产万台，核子秤的年产量接近量接近3000台。台。u客观来说，发展水平同国外相比仍然存在相当大的差距。客观来说，发展水平同国外相比仍然存在相当大的差距。国产的厚度计水平仅相当于日本国产的厚度计水平仅相当于日本20世纪世纪70年代末的水平；年代末的水平；中子水份计的稳定性和可靠性较差，仅相当于国外中子水份计的稳定性和可靠性较差，仅相当于国外80年代初年代初的水平。的水平。2022-12-16核技术应用概
11、论同位素仪器仪表11三、我国同位素仪表的发展历史三、我国同位素仪表的发展历史u有的国产仪表技术水平接近或超过国外。有的国产仪表技术水平接近或超过国外。集装箱辐射成像检测系统、高能加速器驱动的工业集装箱辐射成像检测系统、高能加速器驱动的工业CT、工业塔器伽玛射线扫描设备等工业塔器伽玛射线扫描设备等PB2028TL 集集装货物装货物/车辆检车辆检查系统查系统 我国第一台基于锥束我国第一台基于锥束扫描的高能工业扫描的高能工业CT系统（系统（ICT6000MF）2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表12衡阳镭目科技公司衡阳镭目科技公司田志恒田志恒 镭目公司总经理镭目公司总经理 田陆田陆 执行
12、总裁执行总裁钢铁企业生产钢铁企业生产 2121种产品种产品2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表13衡阳镭目科技公司衡阳镭目科技公司“铯源型铯源型射线钢水液位计射线钢水液位计”以该项技术为主体，田志恒教授创办的衡阳镭钼科技以该项技术为主体，田志恒教授创办的衡阳镭钼科技有限责任公司为衡阳市第一家高科技民营企业，其铯源型有限责任公司为衡阳市第一家高科技民营企业，其铯源型钢水液面控制仪目前占全国市场份额的钢水液面控制仪目前占全国市场份额的9595以上。以上。20072007年年公司总产值公司总产值1.91.9亿元。亿元。p 部科技进步奖二等奖部科技进步奖二等奖2022-12-16核技术应用
13、概论同位素仪器仪表14本院科研产品本院科研产品“氮氮-13监测系统监测系统”p 部科技进步奖二等奖部科技进步奖二等奖p 已装备于核电站和核潜艇已装备于核电站和核潜艇p 核电设备国产化研究典例核电设备国产化研究典例浙浙 江江 秦山核电站秦山核电站2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表15校企联合研制实验教学平台校企联合研制实验教学平台核核技技术术应应用用综综合合实实验验平平台台2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表16四、强度型同位素仪表的技术水平四、强度型同位素仪表的技术水平u密度计密度计其最高运行精度为其最高运行精度为0.0005cm-3，各国的产品，各国的产品基本都能达
14、到这一技术指标。以西德基本都能达到这一技术指标。以西德HB公司、美国核子工公司、美国核子工业公司及日本富士产品为最优。业公司及日本富士产品为最优。u物位计物位计采用闪烁探测器，物位测量误差一般在采用闪烁探测器，物位测量误差一般在1%左左右，量程已达到右，量程已达到3m5m。代表性的有西德的。代表性的有西德的HB、Berthold（伯托伯托）、英国的、英国的Nuclear Enterprises corp（NE）等公司的）等公司的产品，它们都有稳峰装置和线性化装置。产品，它们都有稳峰装置和线性化装置。u厚度计厚度计国外产品除轧材厚度计有一部分采用闪烁探测国外产品除轧材厚度计有一部分采用闪烁探测器
15、外，其它大部分采用电离室。金属轧材厚度计精度已达到器外，其它大部分采用电离室。金属轧材厚度计精度已达到15，薄膜厚度计测量精度，薄膜厚度计测量精度0.2gm-20.5gm-2。国际市。国际市场上以西德的场上以西德的HB（Herbalife）、英国的）、英国的NE公司产品最优。公司产品最优。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表17四、强度型同位素仪表的技术水平四、强度型同位素仪表的技术水平u水份计水份计中子测水，相对误差中子测水，相对误差0.5%t，日本和美国采，日本和美国采用了用了252Cf（锎（锎-252）放射源。）放射源。u核子秤核子秤国外大多采用高压电离室，一般都配备微计算国
16、外大多采用高压电离室，一般都配备微计算机，测量精度可达到机，测量精度可达到0.5%。据报道，采用塑料闪烁体的核。据报道，采用塑料闪烁体的核子秤精度可达到子秤精度可达到0.44之间。国外具有代表性的产品是之间。国外具有代表性的产品是美国美国Kay-Ray公司的核子秤。公司的核子秤。上述仪表应用领域最广、技术发展最成熟，其中尤以料上述仪表应用领域最广、技术发展最成熟，其中尤以料位计、密度计和厚度计用量最多，在工业仪表中所占的比例位计、密度计和厚度计用量最多，在工业仪表中所占的比例为为5%10%。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表18五、同位素仪表的技术优势和经济效益五、同位素仪表的技
17、术优势和经济效益同位素仪表在生产中的意义主要表现为：同位素仪表在生产中的意义主要表现为：u满足生产发展与社会需求满足生产发展与社会需求u解决工业生产中的某些重大技术难题解决工业生产中的某些重大技术难题u强化生产过程，加速工业技术进步强化生产过程，加速工业技术进步u具有显著的经济效益具有显著的经济效益 a 节约原料节约原料 b 提高产品质量提高产品质量 c 减少废品和次品减少废品和次品 d 提高机器的运转速度和工作效率提高机器的运转速度和工作效率2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表19p 放射源放射源p 探测器探测器2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表20引言引言 放射源
18、和核辐射探测器共同组成参数变换器。放射源和核辐射探测器共同组成参数变换器。属于同位素仪表的核心部件。属于同位素仪表的核心部件。同位素仪器仪表同位素仪器仪表放射源放射源核辐射探测器核辐射探测器电转换器电转换器二次仪表二次仪表2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表21一、放射源一、放射源 放射性核素虽然有很多种，但能够用于同位素仪表的放放射性核素虽然有很多种，但能够用于同位素仪表的放射源却不多，这是因为对同位素仪表中使用的放射源有以下射源却不多，这是因为对同位素仪表中使用的放射源有以下要求：要求：p半衰期长半衰期长p射线能量和能谱合适射线能量和能谱合适p放射性比活度高放射性比活度高p价格
19、低廉，易得价格低廉，易得137137CsCs所占的份额最大，所占的份额最大，广泛用于核子秤、厚度广泛用于核子秤、厚度计、密度计等常规同位计、密度计等常规同位素仪表。其次是用于探素仪表。其次是用于探伤仪、探井设备的伤仪、探井设备的6060CoCo。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表22二、探测器二、探测器将射入其中的核辐射转变为一个电信号，这个电信号与被测参将射入其中的核辐射转变为一个电信号，这个电信号与被测参量有着函数关系，并传输给下一级电路。用来衡量辐射探测器量有着函数关系，并传输给下一级电路。用来衡量辐射探测器的主要性能指标通常有下面四个：的主要性能指标通常有下面四个：p探测
20、量子效率：产生的光子事件数和入射光子数之比。探测量子效率：产生的光子事件数和入射光子数之比。(1)(1)p响应度：输出信号和入射辐射功率之比。响应度：输出信号和入射辐射功率之比。(线性、非线性）线性、非线性）p分光响应：分光响应：对不同波长辐射的响应特性。对不同波长辐射的响应特性。(选择性、非选择性、非选择性选择性）p探测率：能探测的最小辐射功率的倒数。（探测率：能探测的最小辐射功率的倒数。（等效噪声功率）等效噪声功率）常用的探测器有：常用的探测器有：p闪烁探测器：碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、闪烁探测器：碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、液体闪烁计数器液体闪烁计数器p气体探测器：
21、电离室、正比计数器、盖革计数器等气体探测器：电离室、正比计数器、盖革计数器等p半导体探测器：半导体探测器：HPGeHPGe（高纯锗探测器）等（高纯锗探测器）等2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表23p 强度型同位素仪表强度型同位素仪表p 数字图像处理型仪表数字图像处理型仪表p 能谱型的核分析仪器能谱型的核分析仪器p 其它同位素仪表其它同位素仪表2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表24强度型同位素仪表强度型同位素仪表强度型同位素仪表都服从下面这个指数衰减规律：强度型同位素仪表都服从下面这个指数衰减规律：deII0对于给定的放射源，对于给定的放射源，可以认为是常数。如果放射
22、源及射线吸可以认为是常数。如果放射源及射线吸收的路径不变，那么测量值仅和单位物料内的密度、厚度有关，收的路径不变，那么测量值仅和单位物料内的密度、厚度有关，所有其它物理性质如压力、温度、粘度、颜色等均不影响测量所有其它物理性质如压力、温度、粘度、颜色等均不影响测量值、因此辐射测量方法是十分可靠的。值、因此辐射测量方法是十分可靠的。I I穿过物料后射线的强度；穿过物料后射线的强度；I I0 0穿过物料前射线的强度；穿过物料前射线的强度；物料的密度；物料的密度；d d射线穿过物料的厚度；射线穿过物料的厚度；物料的质量吸收系数。物料的质量吸收系数。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表25
23、（一）料位计（一）料位计当液面下降到放射源和探当液面下降到放射源和探测器组成的水平面那一刻测器组成的水平面那一刻时，探测器的计数会突然时，探测器的计数会突然发生变化（一般情况下增发生变化（一般情况下增大），表示液体下降到要大），表示液体下降到要求的高度。求的高度。在实际应用中，可以使放在实际应用中，可以使放射源和探测器组成的系统射源和探测器组成的系统上下水平移动，也可以让上下水平移动，也可以让容器上下水平移动达到测容器上下水平移动达到测量料位的目的。量料位的目的。火车车皮装煤量火车车皮装煤量油罐车装油量油罐车装油量炼钢炉钢水量炼钢炉钢水量煤气罐气量煤气罐气量2022-12-16核技术应用概论同
24、位素仪器仪表26（一）料位计（一）料位计测量测量设备设备探测器探测器源源原理示意图原理示意图2 2放射源通常采用以下两种：放射源通常采用以下两种：p6060CoCo具有相对高的能量，主要用于设备壁较厚的情况。具有相对高的能量，主要用于设备壁较厚的情况。p137Cs137Cs具有较低的能量，具有比具有较低的能量，具有比60Co60Co更好的测量效果，并且更好的测量效果，并且屏蔽容易，常用于设备壁厚较薄的情形。屏蔽容易，常用于设备壁厚较薄的情形。常用的探测器：常用的探测器：n电离室具有较高的牢固电离室具有较高的牢固性和可靠性，测量范围较性和可靠性，测量范围较宽。宽。n闪烁探测器灵敏度较高，闪烁探测
25、器灵敏度较高，辐射源剂量较小。辐射源剂量较小。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表27（一）料位计（一）料位计p主要由放射源、探测器、容器及主机三部分组成。主要由放射源、探测器、容器及主机三部分组成。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表28（二）厚度计（二）厚度计利用对射线的吸收或反射而测量物质厚利用对射线的吸收或反射而测量物质厚度，可分为透射式厚度，可分为透射式厚度计、反射式厚度计。反射式厚度计的原理比较复杂。度计、反射式厚度计。反射式厚度计的原理比较复杂。透射式厚度计原理：透射式厚度计原理：001lnmu dmIII eduI2022-12-16核技术应用概论同位素
26、仪器仪表29（二）厚度计（二）厚度计 X X射线荧光方法较射线测厚法射线荧光方法较射线测厚法,具有干扰少，量具有干扰少，量程宽，精度高等优点程宽，精度高等优点，得到，得到广泛使用。可采用三种广泛使用。可采用三种方法：方法：p发射法：发射法：放射源可以激发表层的放射源可以激发表层的X X射线荧光，该射线荧光，该X X射线直接被探测器记录；射线直接被探测器记录；p吸收法：吸收法：源激发底层的源激发底层的X X射线荧光，该射线荧光，该X X射线荧光射线荧光被表层吸收后再被探测器记录；被表层吸收后再被探测器记录；p反射法：反射法：直接记录放射源源初级射线的散射射线。直接记录放射源源初级射线的散射射线。
27、2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表30特征荧光吸收法特征荧光吸收法 轻元素（轻元素（C C、H H、O O、SiSi、AlAl等）的特等）的特征征X X射线不易被激发射线不易被激发和探测，不会对中高和探测，不会对中高能能X X射线产生特征吸射线产生特征吸收作用，因而可利用收作用，因而可利用X X射线穿过薄层的吸射线穿过薄层的吸收情况来测定轻物质收情况来测定轻物质薄层（如纸张）的厚薄层（如纸张）的厚度。度。辐射体可选择含辐射体可选择含FeFe或或ZnZn的合金的合金2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表31特征荧光吸收法特征荧光吸收法基本公式：基本公式：dAAeCKII)
28、sinsin(220202101sinsinI IA A探测器记录到的特征荧光计数率；探测器记录到的特征荧光计数率；K K比例常数；比例常数；I I0 0源初级射线在薄层样品表面的计数率；源初级射线在薄层样品表面的计数率；C CA A特征特征X X荧光的目标元素含量；荧光的目标元素含量；d d所测量物质的厚度；所测量物质的厚度；0101薄层对入射辐射的线吸收系数；薄层对入射辐射的线吸收系数；0202辐射体对入射辐射的线吸收系数；辐射体对入射辐射的线吸收系数；2121薄层对辐射体中目标元素的特征荧光的线吸收系数；薄层对辐射体中目标元素的特征荧光的线吸收系数；2222辐射体对辐射体中目标元素的特征
29、荧光的线吸收系数；辐射体对辐射体中目标元素的特征荧光的线吸收系数；源初级射线的入射角；源初级射线的入射角；特征荧光出射角。特征荧光出射角。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表32反散射法反散射法1 sinsin)sinsin(000dssSseIKII Is s探测器记录到的散射线探测器记录到的散射线计数率；计数率；K Ks s比例常数；比例常数；被测样品对源初级射线被测样品对源初级射线的散射总截面；的散射总截面；0 0薄层对入射辐射的线吸薄层对入射辐射的线吸收系数；收系数；s s散射线的线衰减系数；散射线的线衰减系数；初级射线的入射角；初级射线的入射角；散射线的出射角；散射线的出
30、射角；2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表33（三）核子秤（三）核子秤 核子秤称量各物料的核子秤称量各物料的最大特点是最大特点是“非接触性非接触性”，测控精，测控精度高，长期稳定性好。度高，长期稳定性好。世界上技术领先的核子秤：世界上技术领先的核子秤：p美国美国KayrayKayray公司采用公司采用点状射源发射点状射源发射，高压充气长电离室接收；，高压充气长电离室接收；p德国德国BertholdBerthold公司采用公司采用线状射源发射线状射源发射，由闪烁探测器接收。，由闪烁探测器接收。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表34核子秤的工作原理核子秤的工作原理 通过对
31、通过对载有物料时的射线强度载有物料时的射线强度进行连续测量，并与进行连续测量，并与空皮空皮带（或其它传送设备）时的射线强度带（或其它传送设备）时的射线强度测量比较，同时，对测量比较，同时，对皮皮带的运行速度带的运行速度加以测量，然后通过计算机系统计算，直接在加以测量，然后通过计算机系统计算，直接在线显示单位载荷、瞬时流量、累积量等工艺参数。线显示单位载荷、瞬时流量、累积量等工艺参数。基于基于射线穿过被测介质时，其强度的衰减服从指数规律。射线穿过被测介质时，其强度的衰减服从指数规律。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表35核子秤的工作原理核子秤的工作原理基本公式：基本公式：001ln
32、mu dmIII eduId d表示单位面积的质量表示单位面积的质量若测量对象为皮带上的物料，求出一定时间间隔内探测器所若测量对象为皮带上的物料，求出一定时间间隔内探测器所扫描的面积的积分及相应的探测器信号，即可求出这段时间扫描的面积的积分及相应的探测器信号，即可求出这段时间间隔内的总质量。间隔内的总质量。单位长度的物料质量：单位长度的物料质量：0()ln()mIagLdacmuIa a 为皮带宽度为皮带宽度2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表36核子秤的工作原理核子秤的工作原理若皮带传输速度为若皮带传输速度为v(cm/s),v(cm/s),则则单位时间内通过物料的质量单位时间内通
33、过物料的质量：0()ln()mIavgFLvdavcmuI则则t t2 2-t-t1 1时间内，时间内，皮带运输的总质量皮带运输的总质量：2211ttttMFdtLvdt速度计的输出信号速度计的输出信号 （k k为一与速度有关的常数）。为一与速度有关的常数）。u u 是电压信号或是电流信号是电压信号或是电流信号,则则:ukv210lnttmIaMudtkuI2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表37核子秤的组成核子秤的组成p放射源：一般采用放射源：一般采用137137CsCs，源强一般在源强一般在3.73.710109 9BqBq左右。左右。p支架：将支架：将放射源与秤体放射源与秤体
34、牢固地连在一起，一般采用牢固地连在一起，一般采用A A型架。型架。p电离室：把电离室：把射线强度转射线强度转换成与之成正比的电信号。换成与之成正比的电信号。核心部件。核心部件。p速度传感器：把皮带的速速度传感器：把皮带的速度转换成电压信号送入主机。度转换成电压信号送入主机。p主机：采集来自电离室和主机：采集来自电离室和速度传感器的信号进行运算速度传感器的信号进行运算处理，显示及输出控制信号。处理，显示及输出控制信号。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表38核子秤的应用举例核子秤的应用举例由于不同的物料由于不同的物料对对射线的吸收射线的吸收系数不同，因此系数不同，因此理论上核子秤只理
35、论上核子秤只适用于对同一种适用于对同一种物料的计量，但物料的计量，但在实际生产中，在实际生产中，核子秤也有其特核子秤也有其特殊应用，比如可殊应用，比如可以以用核子秤进行用核子秤进行混合物料配比的混合物料配比的自动控制自动控制。SY-5500核子秤核子秤 2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表39核子秤的应用举例核子秤的应用举例以水泥厂水泥磨配料，控制熟料、矿渣、石膏的比例为例。以水泥厂水泥磨配料，控制熟料、矿渣、石膏的比例为例。通过通过1#1#秤的为物料秤的为物料A A，通过，通过2#2#秤的为物料秤的为物料A A和物料和物料B B，物料，物料A A和和物料物料B B是两种不同的物料
36、，且两种物料的流量和比例是变化是两种不同的物料，且两种物料的流量和比例是变化的。的。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表40核子秤的应用举例核子秤的应用举例对于物料对于物料A A的瞬时负荷的瞬时负荷F FA A的计量由的计量由l l#秤完成：秤完成：111lnoAAAUUKF K KB2B22 2#秤对物料秤对物料B B的负载常数；的负载常数；K KA2A22 2#秤物料秤物料A A的负载常数；的负载常数；U U2 2加物料加物料A A和物料和物料B B后后2 2#秤信号电压；秤信号电压；U Uo2o22 2#秤空带电压；秤空带电压；U UA1A1t tt t之前之前l l#秤信号
37、电压；秤信号电压；t t物料从物料从l l#秤到秤到2 2#秤所用时间。秤所用时间。对物料对物料B B的瞬时负荷的瞬时负荷F FB B的计量由的计量由l l#秤和秤和2 2#秤共同完成：秤共同完成：)ln(ln2121222otAAAoBBUUKKUUKFKAll#秤物料秤物料A的负载常数的负载常数UAl加物料加物料A后后l#秤的信号电压；秤的信号电压；Uoll#秤的空带电压。秤的空带电压。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表41（四）密（浓）度计（四）密（浓）度计采用采用射线透射原理，非接触在线测控密封罐、槽管道内液射线透射原理，非接触在线测控密封罐、槽管道内液体的密度、浓度、介
38、面变化等，可用于高温、高压、有害气体的密度、浓度、介面变化等，可用于高温、高压、有害气体、易然易爆、高粉尘等环境，比常规仪表有明显优势。体、易然易爆、高粉尘等环境，比常规仪表有明显优势。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表42（四）密（浓）度计（四）密（浓）度计工作原理：工作原理：137137CsCs和和6060CoCo发射的发射的射线通过核子数是射线通过核子数是230的材料，的材料，u um m为一常数。为一常数。001lnmu dmIII eduI通过测量吸收前后强度变化便可得到被测物质密度。通过测量吸收前后强度变化便可得到被测物质密度。可用于：可用于：p测量酸，碱，盐和有机物
39、的密度；测量酸，碱，盐和有机物的密度；p控制化学过程，如合成材料的聚合；控制化学过程，如合成材料的聚合；p测量溶液中固体物质的含量；测量溶液中固体物质的含量；p测量物体毛重和气体密度。测量物体毛重和气体密度。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表43（五）中子水分计（五）中子水分计工作原理：工作原理：氢核与中子质量几乎相等，中子与它碰撞一次，大氢核与中子质量几乎相等，中子与它碰撞一次，大约损失一半动能，所以氢是快中子的最佳减速剂。利用中子与约损失一半动能，所以氢是快中子的最佳减速剂。利用中子与氢核碰撞损失能量这一特点进行材料含水量的在线测量，如硅氢核碰撞损失能量这一特点进行材料含水量
40、的在线测量，如硅砂、砂岩粉、焦炭、矿粉、陶瓷块等物料水分量。砂、砂岩粉、焦炭、矿粉、陶瓷块等物料水分量。根据中子源，被测物，和探测器的几何位置分布可分：根据中子源，被测物，和探测器的几何位置分布可分：插插入式入式、透射式透射式和和散射式散射式。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表44（五）中子水分计（五）中子水分计常用插入型常用插入型，探测，探测效率最大，可用较效率最大，可用较弱中子源。弱中子源。p快中子源快中子源241241Am-Am-BeBe，活度为，活度为4 10 GBqGBq。p探测器为锂玻璃探测器为锂玻璃探测器（对慢中子探测器（对慢中子灵敏）。灵敏）。p探头装有中子源探头
41、装有中子源和探测器。和探测器。插入式中子慢化水分计插入式中子慢化水分计2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表45（六）煤灰分仪（六）煤灰分仪煤灰分（煤灰分（所含不能燃烧的成分所含不能燃烧的成分）煤完全灼烧后，氧化物残渣煤完全灼烧后，氧化物残渣(主要由主要由SiOSiO2 2,Al,Al2 2O O3 3组成组成)所占灼烧所占灼烧前煤的质量分数。煤灰分与煤的前煤的质量分数。煤灰分与煤的发热量密切相关。发热量密切相关。化学检验法，缺点是存在着比化学检验法，缺点是存在着比较大的滞后性，无法在线检验。较大的滞后性，无法在线检验。基于核辐射技术的独基于核辐射技术的独特优势又是如何实现特优势又是
42、如何实现煤灰分测量的？煤灰分测量的？2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表46（六）煤灰分仪（六）煤灰分仪基于核辐射技术的煤灰分测量方法：基于核辐射技术的煤灰分测量方法：p射线反散射仪。缺点：射线反散射仪。缺点：射线穿透能力差，只适合颗粒射线穿透能力差，只适合颗粒小于小于0.2mm煤粉。煤粉。p低能低能反散射仪。缺点：易受高反散射仪。缺点：易受高Z元素影响。元素影响。p高能高能湮灭辐射方法。缺点：难以屏蔽，几何条件复杂。湮灭辐射方法。缺点：难以屏蔽，几何条件复杂。p天然天然放射性的煤灰份测量法。缺点：含量低，易受环境影放射性的煤灰份测量法。缺点：含量低，易受环境影响，难以准确测量。响
43、，难以准确测量。p中子与各元素的非弹性散射和（中子与各元素的非弹性散射和（n,)反应。缺点：设备复反应。缺点：设备复杂，价格昂贵，难以屏蔽。杂，价格昂贵，难以屏蔽。p双能量双能量射线透射方法射线透射方法。将测量低能。将测量低能射线与中能射线与中能射线结射线结合起来，实现煤灰分的在线测量。合起来，实现煤灰分的在线测量。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表47双能量双能量射线透射方法射线透射方法n能量能量E200keV 的低能的低能对对不同元素的质量衰减系数不同元素的质量衰减系数m不一样，利用这一性质可得到不一样，利用这一性质可得到煤的灰分；煤的灰分；n200keVE2MeV的中能的中
44、能对不同元素的质量衰减系数对不同元素的质量衰减系数m差不多。利用这一特性可差不多。利用这一特性可得煤的质量厚度变化。例如：得煤的质量厚度变化。例如：662keV的的对对C、Si、Fe 的的质量衰减系数分别为质量衰减系数分别为0.0773,0.0777,0.0758 cm2g-1。*241241AmAm（59.5keV59.5keV）137137CsCs（662keV662keV）2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表48双能量双能量射线透射方法原理射线透射方法原理设近似按窄束平行设近似按窄束平行射线考虑，又设探测器是线性响应。则射线考虑，又设探测器是线性响应。则探测器的输出信号：探测
45、器的输出信号：0tuxII e I0：皮带空载（无煤）时的信号。：皮带空载（无煤）时的信号。t ：煤对某种能量：煤对某种能量射线总的质量吸收系数。射线总的质量吸收系数。x x：射线所穿透煤层的质量厚度。射线所穿透煤层的质量厚度。低能低能射线及中能射线及中能射线穿过煤被闪烁探测器接受，利用能谱射线穿过煤被闪烁探测器接受，利用能谱分析，分析，在闪烁探测器输出信号中区分低能在闪烁探测器输出信号中区分低能射线产生的信号射线产生的信号I及由中能及由中能射线产生的信号射线产生的信号I。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表49双能量双能量射线透射方法原理射线透射方法原理w：灰分的质量吸收系数：灰
46、分的质量吸收系数Cw：灰分的含量（百分重量）：灰分的含量（百分重量）m：基体碳的质量吸收系数：基体碳的质量吸收系数Cm：基体碳的含量（百分重量）：基体碳的含量（百分重量）复合材料质量吸收系数的计算规则：复合材料质量吸收系数的计算规则：twwmmuu Cu C对中能对中能射线射线，煤的质量吸收系数：，煤的质量吸收系数：)II(xo ln1皮带空载时探测器的输出信号皮带空载时探测器的输出信号皮带有煤时探测器的输出信号皮带有煤时探测器的输出信号对低对低射线射线，煤的质量吸收系数：，煤的质量吸收系数：)II(xoln1皮带空载时探测器的输出信号皮带空载时探测器的输出信号皮带有煤时探测器的输出信号皮带有
47、煤时探测器的输出信号2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表50双能量双能量射线透射方法原理射线透射方法原理：碳对低能碳对低能射线的质量吸收系数，是已知的。射线的质量吸收系数，是已知的。：碳对中能：碳对中能射线的质量吸收系数，也是已知的。射线的质量吸收系数，也是已知的。：灰分物质对低能：灰分物质对低能射线的质量吸收系数。只要灰分的射线的质量吸收系数。只要灰分的组成已知，或是固定不变的，组成已知，或是固定不变的，w w就可求。就可求。wumumu00ln12ln(I/I)w(I/I)Ckkmwmk 1mwmk2通过推导最后得到通过推导最后得到其中其中中能中能对不同元素的质量衰减系数对不同
48、元素的质量衰减系数m差不多差不多mwuu2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表51双能量双能量射线透射方法原理射线透射方法原理为求得为求得I 0、I、I0、I，采用采用NaINaI闪烁探测器，得到下面的能闪烁探测器，得到下面的能谱图。相应有谱图。相应有2 2个能量区间，分别得到相应的记数率。个能量区间，分别得到相应的记数率。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表52数字图像处理型仪表数字图像处理型仪表 由于由于辐射成像技术能实时、直观地反映被测物体，对缺辐射成像技术能实时、直观地反映被测物体，对缺陷的判断与识别比较容易陷的判断与识别比较容易，因此在核技术、航空与航天、冶，因
49、此在核技术、航空与航天、冶金和机械制造等工业中得到越来越广泛的应用和推广，并成金和机械制造等工业中得到越来越广泛的应用和推广，并成为无损检测研究的热点。为无损检测研究的热点。被检测物体的辐射投影图像被检测物体的辐射投影图像平移扫描平移扫描图像处理图像处理+辐射成像技术有辐射成像技术有透射透射和和反散射反散射两种方式：两种方式：p透射方式透射方式：放射源和探测器在工件两侧的布置方式，得到：放射源和探测器在工件两侧的布置方式，得到的是在的是在射线行进路线上的射线行进路线上的物质密度物质密度信息信息。p反散射方式反散射方式：放射源和探测器在工件的同侧，测量从工件：放射源和探测器在工件的同侧，测量从工
50、件物体中散射出来的康普顿散射线，得到工件物体中散射出来的康普顿散射线，得到工件物体内部物质的物体内部物质的电子分布电子分布的图像。的图像。2022-12-16核技术应用概论同位素仪器仪表53X射线探伤仪射线探伤仪 数字图象处理型仪表主要是无损检验（射线探伤）装置，数字图象处理型仪表主要是无损检验（射线探伤）装置，如如X X射线探伤仪、加速器探伤装置、中子照相、工业射线探伤仪、加速器探伤装置、中子照相、工业CTCT等。等。某种型号的便携式超薄某种型号的便携式超薄X X射线探伤仪射线探伤仪 便携式便携式X X射线探伤仪主要用于射线探伤仪主要用于现场射线照相，管电压一般现场射线照相，管电压一般小于小
