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鋼(gāng)鐵(tiě)工(gōng)業在(zài)綫X射綫測(cè)量技術的(dí)應(yīng)用-中(zhōng)子測量儀|中子監測儀|中子報警儀(yí)|中子檢測儀|中子劑(jì)量率(shuài)儀|中子劑量當量儀(yí)-上海仁日輻射防護設(shè)備有限公司

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技(jì)術文章

鋼(gāng)鐵工業在綫X射綫測量技術(shù)的應用

2011/1/5 11:09:02


1 X 射綫產(chǎn)生原理

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圖1 X射綫管結構圖

圖中:陰極絲在加熱的情況下,會(huì)發射出熱電子,在射綫管(guǎn)的陰極和陽極之間施加高壓(yā),熱電子在電場中被(bèi)加速並撞擊(jī)到陽極靶(bǎ)材(cái)料(liào)上,輻(fú)射出電(diàn)磁波,產(chǎn)生的光譜為連續譜並存在(zài)著短波限(λmin),相(xiāng)當於電子所有能量都轉換成X 射綫,短波限與陽極無關🍩。

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連(lián)續光譜的強度隨熱(rè)電子加速電壓的平(píng)方(fāng)成正比(bǐ),與電流,陽極元(yuán)素原子序數Z 成正比,轉換成X 射綫(xiàn)的效率與ZV 成正比。當管電壓(yā)超過靶材料激發電勢(shì)時(shí),連續光譜(pǔ)上會疊加特征光譜👫,特征光譜的(dí)波長與靶材料(liào)有關。特(tè)征譜綫的(dí)頻率為(wéi):

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式(shì)中:R 為裏德伯常數(R=109 737.3/cm);Z 為原子序數🔴;在Ka 譜係中,σ=1,K=3/4🧥。

由於產(chǎn)生的X 射綫(xiàn)是連(lián)續譜,X 射綫(xiàn)在穿過射綫管窗口材料時,低能部(bù)分的射綫及低能特征射綫容易被吸收,能譜的譜綫發生(shēng)變(biàn)化,如圖2 和圖3 所示。

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圖(tú)2 X射(shè)綫(xiàn)光管內部的能譜圖

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圖3 X射綫光管外部的能譜

2 X 射綫與放射性同(tóng)位素的比較

2.1 X 射綫
的優(yōu)點

2.1.1 測量精度和分辨(biàn)率高(gāo),統計噪聲低

無(wú)論射綫源采用何種方式,射綫的產(chǎn)生都是(shì)隨機(jī)的(dí),並(bìng)服從(cóng)統計(jì)分布,存在統計漲落,根據(jù)射綫衰減公式newmaker.com,可(kě)以得到📣:

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式中🧶:μ表示被測物質的吸收係數;τ表示探測器的響應時間;Ks 表示探測器特(tè)征係(xì)數;I 表(biǎo)示(shì)初級X 射綫的強度;T 表示被(bèi)測材料的厚度💎。

從(cóng)式(4)可以知道,厚度的影響與射綫的強(qiáng)度I 有關。對於同位素放射源其強(qiáng)度不能無限(xiàn)製(zhì)地增加🗕,射綫源強度的增加會造成輻射防護(hù)難度的增加,電離(lí)輻射危(wēi)險性增(zēng)大,另一方麵放射源本身(shēn)存在自吸收效應(yīng),射綫源強度越大,自吸收效(xiào)應越大。而根據(jù)公式(2),增加X 射(shè)綫管的高壓和陰極絲電流就可快速(sù)地(dì)增加射綫的強度,來達(dá)到降低噪聲的目的😭,對於相同的噪(zào)聲等級🐜,X 射綫(xiàn)源的響應速度也(yě)可以提高🎬。

假設在(zài)厚度為0 時的噪聲值為SN0,則厚度(dù)為X 時(shí)的噪聲(shēng)為🚡:

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根據(jù)式(5),可以方便(biàn)地計算(suàn)出對於任意厚度時的(dí)相(xiāng)對統計噪聲🚽,相對統(tǒng)計噪(zào)聲與半(bàn)厚度值(射綫強度衰減到一半時(shí)的(dí)厚度(dù)值)之間的關(guān)係如(rú)圖4 所示,其最小值時(shí)的厚度為2.9 倍半厚度(dù)值。對於(yú)使用放射性(xìng)同(tóng)位素測量的設備,由於射綫的能量是單一的,其最佳測量厚度(dù)值是2.8 倍半厚度值,是固有(yǒu)的物理特性🍏;對於X 射綫(xiàn)測量(liáng)設(shè)備通過調整能量(liáng),使設備在整個(gè)量程內的統計噪聲保持在較低(dī)的水平。

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圖4 相對統計噪(zào)聲(shēng)與半厚度之(zhī)間關係

2.1.2 化(huà)學分析(xī)更精確

使用X 射綫技術進行濃度,化學成分分(fēn)析時,射綫源的能(néng)量和強度可(kě)以調節顯得尤為重要。在進行(háng)化學分析時,一般是利用(yòng)X 射(shè)綫的熒光效(xiào)應👊,通過對被測化學元(yuán)素(sù)的原子激發產生該種元素(sù)的特(tè)征譜綫,但(dàn)被測元素(sù)的激發譜綫容易受到其(qí)它元素譜綫(xiàn)的影響,從而(ér)降低了(liǎo)係統(tǒng)的檢(jiǎn)測精度🛙,可以利用X 射(shè)綫(xiàn)的能(néng)量(liáng)調節(jié)和(hé)濾片技術(shù),實現對(duì)特有(yǒu)元素的譜綫激發,而不激發或降低其它元素的激發(fā),從而實現對特(tè)有元素的高精度測量。

2.1.3 使用上更安全和可靠。

X 射綫是加(jiā)速的熱電子碰撞陽極靶產生的🌳,因此在切斷電源後便沒(méi)有任(rèn)何射綫,而同位素放射源是密封在源罐中,即(jí)使關閉射(shè)綫源的快門也存在一(yī)定劑量的泄露射綫,不利於人身和設備的安全。

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圖5 穿透(tòu)物質後(hòu)X射綫能譜的變化

2.2 影響X 射綫測量的關鍵因素

2.2.1 高壓範圍限製

X 射綫的能(néng)量取決於施加(jiā)的高壓,由於受技術的限製,高壓不能不受限製地增加。在熱軋生產綫上使用(yòng)的X 射綫源高壓一(yī)般為160 kV,冷軋使用100 kV 左右,相對於放射性同位素發射(shè)出的γ射綫而言如表1 所示,其(qí)能量要小得多(duō),因此穿透物(wù)質的能力不如放射性同位素,目前鋼鐵工(gōng)業(yè)上的X 射綫源的高(gāo)壓最高(gāo)在(zài)200 kV 左右(yòu),如果再增加高壓會帶來製造和維護成本的增加,因此在寬厚板等工廠🧏,厚度(dù)和(hé)凸(tū)度(dù)的(dí)測量(liáng)通常都是采(cǎi)用放射性同位(wèi)素方法。

表1 常用(yòng)放射性同(tóng)位素(sù)的射綫能量
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2.2.2 X 射綫源(yuán)的冷卻

加速熱電子(zǐ)在碰撞陽極靶過程中,99%的能(néng)量轉換成熱量,隻有1%轉換成X 射綫,因此(cǐ)在陽極靶上產(chǎn)生(shēng)的(dí)熱(rè)量很大,必須對其進行冷卻(què),冷卻效果的好壞直接(jiē)影響到(dào)設備的(dí)測量精度和使用壽命。在(zài)實際(jì)使用過程(chéng)中經常受(shòu)到水質🐰,管路(lù)等影響,使冷卻效率下降。

2.2.3 吸收係數(shù)的(dí)變化

由(yóu)於X 射(shè)綫的(dí)能譜為連續譜,低能部分很容易被吸收,造成能譜的(dí)偏移(yí),即X 射綫的硬化(huà)現象,如圖6 所示🗛,其結果是射綫能量(liáng)和強度都發(fā)生(shēng)變化🗷,不象(xiàng)放射性同位素在穿透物質時隻是強度發生變化,而能量不會發生變化,這種變化的結果造成在X 射綫能量不同時吸收係數(shù)不(bù)同。

不同元素吸收(shōu)係數(shù)與射(shè)綫(xiàn)能量的(dí)關係(xì)如圖7 所示,橫(héng)坐標為射綫能量🏌,縱(zòng)坐標為吸收係數。

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圖6 射綫能量與吸收係統關係(xì)

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圖(tú)7 電離室(shì)

對於X 射綫而言,其能量一般在0.01~0.2 MeV 之間。吸收係(xì)數是被測量物質各種化學成分綜合的結果,在這(zhè)一能量區間,從圖中(zhōng)可(kě)以得到成分的細小變化對吸收係數的影響很大🦛。因(yīn)此利用(yòng)X 射綫進(jìn)行物(wù)質厚(hòu)度(dù)檢測時被測物化學成分有(yǒu)嚴格(gé)的要求,而對(duì)於放(fàng)射性同位素設(shè)備,吸收(shōu)係(xì)數基本(běn)上不發生變化(huà)。

2.2.4 探測器要求的增加(jiā)

目前X 射(shè)綫測量技術主要采用電離室作為射綫檢(jiǎn)測部件,其檢(jiǎn)測原理是通過射綫進入電離室產(chǎn)生氣體電離🌂,通過對電離後的離子(zǐ)對加壓,產生弱電流(liú)信號(10-9~10-11A),然後將弱(ruò)電流信號轉換成電壓信號,並進行數據的轉換和處理。由(yóu)於X 射綫(xiàn)是連續譜,要求測量X 射綫(xiàn)的電離室對整個能譜(pǔ)範圍內的X 射綫進行有效的(dí)檢測,應用在傳統放射性同位素測(cè)量設備上(shàng)的電(diàn)離室(shì)隻需要對(duì)特定(dìng)能量的射(shè)綫進行有效檢測。隨(suí)著現(xiàn)代生產工藝對產品檢測和控製精(jīng)度要求的提高🀋,要求電離室的尺寸減(jiǎn)小,而檢(jiǎn)測效率(shuài)提高,對電離室的製造工藝提出了更高的要求🥑。

3 寶鋼(gāng)X 射(shè)綫測量設備的應用實績(jì)

寶鋼自 1997 年(nián)首次在2030 冷軋5 機(jī)架上使用(yòng)X 射綫測量設備以來,設備良好的精度(dù)和快(kuài)速響應(yīng)促(cù)進了產品質量和控(kòng)製精度的(dí)提高,到目前X 射綫測量(liáng)設備已達25 套(不包括三(sān)期後工程)。對新建設的主生產綫上(shàng)都配置使用X 射綫測量設備(bèi),也逐步將老的主(zhǔ)生產綫上同位素測量設備升級或改造成(chéng)X 射綫測量設備。測量物理量包括(kuò)厚(hòu)度(dù),凸度,邊緣(yuán)降,鋅層厚度,電工鋼膜厚,電解液離子(zǐ)濃度(dù)等。在帶鋼厚度測量方麵,從(cóng)以前的單點測量發展到對帶鋼整個(gè)橫斷麵的精細測量(每5 mm 寬(kuān)度1 個測量點),在鍍層測量方麵,可以根(gēn)據需(xū)要對不(bù)同成(chéng)分(fēn)層進(jìn)行的實時多層測量。

在鋼鐵工業上(shàng),在綫X 射綫測量技術也需要一個(gè)不斷完善和發展的過程,在(zài)現場實際應用過程中仍然存在不少問題,主要(yào)是設計上的缺陷和沒有充分考慮到現(xiàn)場環境(jìng)因素的影(yǐng)響(xiǎng)。經過我們多年的(dí)努力,成功地(dì)解決了X 射綫源的冷(lěng)卻問題,提高了X 射綫(xiàn)源(yuán)的使用壽命;解決了化學成分(fēn)對厚度測量結果的影響,提高了產品的質量和(hé)精度;成功地完(wán)成了X 射綫源,探測器,標樣箱等關鍵部件的國產化🏤。

4 結束語

① 在綫X 射(shè)綫測量設備精度,可靠(kào)性比傳統的放射(shè)性(xìng)同位素設備高,而且其功能在不斷(duàn)地增加,對現(xiàn)有係統進行少(shǎo)量(liáng)的改進即可(kě)實現(xiàn)多(duō)物理(lǐ)量(liáng)的同時測量。比如X 射(shè)綫凸度儀進行適當升級就可(kě)以實現帶(dài)鋼溫(wēn)度(dù)的測量,寬度測(cè)量,平直度測量🀃,凸(tū)度邊降(jiàng)測量,局部高點測(cè)量等(děng),從而能(néng)完(wán)成(chéng)過去(qù)需要多台測量設備才能完(wán)成的任務;

② 在綫X 射綫測量設備具(jù)備完善的自我診斷功(gōng)能,提高(gāo)了係統(tǒng)的可維護性;

③ 隨著(zhuó)計(jì)算機技術的發展🃸,在測量現場就完成測(cè)量信號的(dí)快(kuài)速采集和數字化處理,通過係(xì)統內部總綫及部件之間的網絡連(lián)接🌃,測量設備不但能提供各種工藝所需要的信號(hào),而且通過集成在測量(liáng)係統內部的(dí)歷史數據統(tǒng)計(jì)分析軟件,可以(yǐ)為生產(chǎn)技術人員對可能出現(xiàn)的問題提供指導。

 來(lái)源:機械專家網
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