1 引言
放射源在塑料薄膜、无纺布等材料的厚度在线测量和纸张灰份测量中有广泛的应用,它具有不与被测物体接触、可进行无损测量、可在恶劣条件下监测等优点,但作为同位素仪表的一种,
放射源本身存在辐射防护安全措施复杂、使用寿命短(受半衰期影响)和维修维护成本高等放射性同位素应用所面临的共有弊端[1]。本工作旨在利用低能X射线装置替代
放射源研制一款新型测厚仪,较传统
测厚仪具有:射线可控、防护简单、无半衰期、能量范围可调、测量精度高、使用寿命长、维护简单等优点。
2 X射线与55Fe测厚对比分析
X射线测厚原理与γ射线类似,是根据射线穿过被测物质后,射线的衰减与被测物的厚度呈现一定关系的原理而设计。射线的衰减幅度与被测物的厚度呈幂指数关系。其数学表达式[2]为:
由于质量吸收系数对一定的放射源和被测物来说,它近似为一常数。因此当被测物的质量厚度发生变化时,会引起射线强度的变化,通过测得射线强度的变化便能得出的变化,即
虽然X射线与γ射线在测量原理上十分相似,但在具体应用中依然存在一定差别,如使用寿命、防护措施、操作性和稳定性等方面。如下表1所示。
从以上分析可以看出,X射线在测量原理、射线能量等方面完全具备替代
放射源的条件,且X射线易于控制,可操作性强,不受半衰期的影响,在测量精度方面也略优于放射源,价格与放射源相比也相对便宜,在购买和运输方面也省去了繁琐的审批过程,目前已经广泛被各行业所接受。
3 X射线装置的实现
低能X射线测厚仪由X射线管、X射线管电源、能谱准直及硬化装置、射线探测器和采集控制单元等五部分组成[3]。整体结构如图1所示。
3.1 X射线管
目前市场上各类的X射线管很多,根据
放射源的能量为5.96KeV,且其测量对象包括纸张、塑料薄膜、无纺布等多种材料,因此,将X射线能量范围确定在3～10KeV。又因为能量范围可调,所以要求X射线光谱为连续谱,确定灯丝靶材均为钨元素。考虑到装置的应用场合,选用无铍的窗口,X射线直接通过玻璃封装发射出去。
3.2 X光管电源及灯丝电源
X光管电源的作用是在射线管的阴、阳极之间形成足够的电势差,使灯丝发射出的电子束有足够的能量打到靶上,产生X射线。通过外部供给直流24V电压转换成可调的0～10KV高压。为保证的X射线稳定性,必须要有一个高精度的灯丝电源调节电路,以稳定电子束的大小。X射线的发生主要由管电压和管电流决定的,与管电压的立方或平方及管电流成正比。若换算到厚度上,对于管电压的波动来说要增大4～10倍,对于管电流的波动要增大1～4倍。所以要求X射线电源有很高的稳定性。在高压调节电路中,采用以下方法保证精度:
(1) 把加到X射线管上的电压整流成直流,检测并控制此电压,采用高压测反馈,从而达到高稳定度;
(2) 高压电压,高压电流,灯丝电流可以通过可变电阻实现无级调整,使射线管可以根据实际的要求来调整工作环境,可以延长射线管寿命和保证测量精度;
(3) 高压变压的初级采用高频激励,使控制高速化和外型小巧化;
(4) 采用高稳定度的电压检测电阻及低漂移运算放大器。
3.3 X射线能谱硬化装置
连续能谱的X射线透过不同厚度的吸收物质时,随着吸收物质厚度的增加,不但X射线的总强度会减小,而且平均波长向短的方向移动,也就是高能粒子所占的比例将加大,这是由于低能粒子容易被吸收的缘故。本文所使用的X射线管产生的X射线并不是单能X射线,而是宽能谱的连续X射线,因此需要考虑能谱的硬化。通过对不同物质的吸收实验,在X射线管发射窗口前加上不同厚度的低能滤片和准直栅以达到X能谱的硬化处理。
3.4 射线探测器
X射线测厚通常采用气体电离室作为射线探测器,它具有灵敏度较高、性能可靠和工作寿命长等优点,适合在线测量的要求。但传统的电离室大都采用胶粘密封的方式,在现场环境恶劣的情况下极易破损漏气。本文采用高性能焊封电离室,采用全新密封工艺,具有耐高温抗腐蚀的特性,比传统胶粘电离室性能更好、寿命更长,更能适应现场的恶劣环境。
3.5 采集控制单元
该部分主要实现对气体电离室探测到的X射线信号进行放大整形处理,同时对X射线电源进行接通和断开控制。从上述测量原理的分析可以看出,对射线强度变化的准确测量是系统设计的关键。与55Fe放射源测量相比,X射线方式测量需要更多的考虑高压防护和抗干扰。因此,在X射线测量方式的输出信号采集放大处理上,增加了必要的防护、隔离和滤波措施。信号的采集放大电路如图2所示。
在图2中,放大器U1选用高输入阻抗、高增益、低偏置电流和低漂移的放大器,采用正负电源供电,在电源的输入端分别采用多种滤波措施防止干扰的串入。由于探测器的输出信号一般为μA、nA级信号,因此,采集的信号需经屏蔽线直接引至放大器输入端,以防止其他噪声等的干扰。另外,电路中的反馈电阻R3应选用精度高、温漂低的电阻,阻值的大小应根据输入信号的范围确定,在实际应用中其阻值一般选在几百兆欧为宜,过大或过小对信号的测量都存在影响。积分电容C11与反馈电阻并联,起到抑制瞬间电磁干扰的作用,考虑到在线测量的需要,该电容容值也不宜选择过大。
4 实验结果分析
本文采用XH9450型X射线管、焊封电离室进行实验分析,X射线管的最大工作电压为25kV,管电流1.0mA,灯丝2.5～3V(1.7A);焦点尺寸:0.6×0.6mm。实验首先对X射线管的特性做了测试,分别对不同的X射线管电流进行实验,测量X射线管的电压随X射线经焊封电离室产生电流的关系,图3为管电流为0.5mA和1mA情况下测得的电压与电流曲线图。从图中我们可以看出,X射线管电流为1mA时,电离室输出电流的分辨率明显优于0.5mA。因此,在实际应用中将X射线管电流调为1mA。
在选定X射线管的工作电流后,对采用X射线的测厚仪与
放射源测厚仪的进行24小时连续测量对比,图4为X射线测厚仪与
测厚仪数据对比图。被测物选用的是标称厚度为80μm的薄膜,测量数据每分钟采集一次。从图中我们可以看出,两组曲线在整体的变化趋势上基本相同,但将所得数据通过Origin软件分析得出,X射线测厚所得最大平均标准误差为0.00293,
放射源测厚的最大平均标准误差为0.00383,即在相同条件下X射线测厚的效果略好于
放射源测厚。
5 结束语
X射线替代
放射源的测厚仪,在仪器的性能指标上还要略优于
,而且不需要像使用放射源那样办理繁琐的审批手续,使用低能X射线装置只需在环保部门备案即可。同时,用X射线替代
放射源,减少了用户更换放射源的成本。X射线测厚仪较
测厚仪更加安全,减少了用户的管理难度和成本,更大大降低了核事故的发生几率,为社会的安全和稳定等方面带来巨大的社会效益。
参考文献:
[1] 田世锋,桂卫华.几种测厚仪器的研究现状及其应用[J].中南工业大学学报(自然科学版),2003,(7):130-132.
[2] 刘伟.低能量X-RAY测厚仪与β-RAY测厚仪在薄膜生产中的应用比较[J].电力电容器,2000,26(2):108-136.
[3] 郎华威.同位素测厚仪监控系统的设计和标定方法的研究[P].大连:大连理工大学,2005.
作者简介:侯跃新(1960-),男,研究员,核物理专业。