放射性同位素在工业中的应用与优化

放射性同位素在工业上的应用非常广泛，利用放射性同位素发出的各种射线与物质相互作用的各种效应可制成各种检测、控制、计量、分析核仪表（如测厚计、料位计、核子秤、核子湿密度仪等）；利用射线与不同物质相互作用的差别可进行地质探矿（测井仪）；利用辐射接枝、交联的方法对高分子材料进行辐射改性；利用射线具有穿透性的特点制成工业射线探伤机，等等。所以放射性同位素可用于工业生产、加工、计量、检测等各个环节。它可使工业生产连续化、自动化，还可提高产品质量、减少原材料消耗、节省能源和时间、提高工作效率、减轻劳动强度。

1.核仪表

利用射线与物质相互作用的特点可制成各种用途的核仪表。它们具有简单、快速、不接触被测介质、不破坏测量对象等优点，广泛用于检测密闭容器内介质的物位；控制连续生产过程中塑料、纸张、金属板等的厚度；测量焦炭、沥青、混凝土、土壤等湿度和密度等。核仪表主要包括放射源、辐射探测器和电子测量装置等。通常将放射源装在防护容器内，利用定向射线束工作。下面介绍几种常用的核仪表。

（1）核子秤

核子秤是根据γ射线穿过物质后，射线强度减弱的原理制造的一种计量设备。其主要由γ射线输出器、γ射线探测器、速度测量装置和工控微机组成。图1.4为核子秤工作原理示意图和应用示例图。

γ射线输出器是一个铅罐，内装有γ放射源（主要是137Cs，活度在30 mCi至130 mCi之间），工作时，γ射线输出器置于“开”位置，γ射线经输出器铅罐下方的准直孔射出，穿过物料达到γ射线探测器，γ射线探测器是一个金属外壳圆柱形的长电离室，其长度取决于输送机传送带的宽度。物料对γ射线具有衰减作用，物料厚处透过的γ射线少，物料薄处透过的γ射线多。γ射线探测器根据所接收到的γ射线的多少给出相应的电信号，经前置放大器放大到并转变为电压信号。由公式可得到疏松的物料的质量厚度。

图1.4　核子秤工作原理示意

式中，U和U0分别为有物料和无物料时，探测器的输出电压信号；μ为物料对γ射线的质量吸收系数；m为输送的物料的质量厚度，即单位面积上的物料重量。如果输送带宽度为H，由测速装置测得T时刻输送带的运行速度为VT，则该时刻dT时间内输送的物料重量为dW=dT×H×VT。在物料传送的过程中，计算机不间断第采集来自探测器的电压信号，经计算机计算后，得到传递的物料重量，供操作人员对生产过程进行监控管理。

核子秤是一种对运输皮带上的固态散装物料进行在线连续称重计量的核仪表，它可以测量负载（kg/m）、质量流量（kg/s）、累积量（t）。由于核子秤性能稳定、工作可靠、结构简单、安装维修方便、动态测量精度较高、非接触式测量、可在高温高粉尘环境下工作。因此广泛应用于水泥、煤炭、化肥、化工、矿山冶金、电力、盐业和港口等行业的在线计量与控制。其适用范围大大超过电子秤，除皮带输送机外，还广泛应用于刮板式、螺旋式、履带式等多种输送机。

（2）料位计

料位计是利用γ射线通过介质后被吸收减弱的程序不同，对各种形态物料的位置进行非接触无损检测式核仪表。它具有安装简单、指示可靠、仪器本身坚固耐用并易实现生产过程自动控制。特别适用于高温、高压、密闭容器、强腐蚀等条件下物料位置的测定及远距离自动测量和控制。料位计主要由放射源、探头、前置放大器和主机组成。图1.5为料位计原理示意图。

图1.5　料位计原理示意图

放射源装在铅罐内，铅罐安装在料仓某一位置，侧面有准直孔。工作时，准直孔打开，γ射线从准直孔射出，穿过料仓物料后，被安装在与铅罐准直孔相对应部位的闪烁探头接受并产生电压脉冲信号，信号经放大、甄别、整形后变为直流电压信号（积分电压），此电压信号经远距离传给主机。当料仓内无料时，探头接收到的信号很强，积分电压达到阈值以上，主机给出料空信号；当料仓内有料时，阻挡射线穿过，探头接收到的信号很弱，积分电压低于阈值，主机给出料满信号。料位计有单点式、双点式（上、下料位）和连续料位多种形式。料位计常用的源为60Co和137Cs，源的活度在10 mCi 至1 Ci之间。一般大口径料仓、壁厚、料层厚选用60Co；小口径料仓、壁薄、料层薄，可选用137Cs。

（3）测厚仪

测厚仪用于测定纸张、胶片、塑料、金属薄膜等的厚度。将测厚仪安装在生产线上，对产品的厚度进行定量自动控制，使产品厚薄均匀，提高了产品质量。测厚仪原理示意图见图1.6，纸张测厚仪现场实拍图见图1.7。

图1.6　测厚仪原理示意图(www.xing528.com)

图1.7　纸张测厚仪现场实拍

使用时，将放射源安装在产品（如纸张）的上面，同时在下部对应部位安装探测器的探头，放射源与探头的距离一般为20～25 cm。射线穿过纸张后的强度由探头接收后转变为电信号，根据信号大小自动调节纸浆的供量，使造出的纸张厚薄均匀，质量准确。测厚仪使用的放射源常为β射线源和γ射线源，一般测量纸张厚度使用β射线能量较低的147Pm；测量塑料薄膜用204Tl或85Kr源；而测量金属薄膜选用β粒子能量较高的90Sr源。其活度在10 mCi至500 mCi之间。测量胶板、木材、钢材则常用241Am、137Cs源，活度为10 mCi。

（4）核子湿度/密度仪

核子湿度密度仪用于快速、准确地测量各种土、沥青混凝土等建筑材料的密度和含水量，还可测量铁路和公路路基的湿密度。

核子湿度密度仪内装有两个放射源，一个是137Cs γ放射源，活度为10 mCi，用于测量密度；另一个是Am-Be中子源，活度为150 mCi，用于测量水分。γ源装在辐射源金属杆底部内，随测量深度改变；中子源安置在机壳底部位置不变。测量密度时，137Cs源发出的γ射线进入被测材料，穿过被测材料的γ射线被装在仪器内的探测器（G-M计数管）接收并给出计数。然后，微处理机将计数进行数据处理，得到被测材料的密度。如果材料的密度较低，穿过材料的γ射线就较强，探测器在单位时间内的计数就较高。反之，如果材料的密度较高，高密度材料对γ射线的屏蔽较强，探测器在单位时间内的计数就较低；测量水分时，中子源发射的中子进入被测材料，高能中子与被测材料水分中的氢原子相互作用而降低能量成为慢中子，慢中子被仪器内的氦-3探测器接收。被测材料含水量大，慢中子数就多，探测器的计数就高。反之就低。然后，微处理机把接收到的计数通过数据处理，得到被测材料的水分量。核子湿度密度仪经常用于沥青路面测量，以确定混合料的压实率。一般是在铺复路面时，跟在铺路车后面进行测量。压路机每走一次，就在路面进行一次测量，直到把沥青材料压实到设计要求的程度。

（5）密度测量仪

密度测量仪主要快速在线测量管道中各种液体的密度，主要用于重介选煤厂选煤液管道中选煤液密度测量。通过探测器测量接收穿过选煤液射线量的变化，来确定选煤液的密度。密度测量仪所用放射源主要为137Cs，活度为10～30 mCi。密度测量仪原理示意图见图1.8，现场实拍图见图1.9。

图1.8　密度测量仪原理示意图

图1.9　密度测量仪现场实拍图

（6）放射性测井

放射性测井是利用γ射线和中子与钻井周围岩石和井内介质发生作用，研究钻井剖面的特性，寻找有用矿藏及研究油井工程质量的一种矿场地球物理方法。在地质勘探中，特别在石油的地质勘探中得到了广泛的应用。根据使用射线的不同可分为γ射线测井和中子测井。此处仅介绍中子测井的基本原理和方法。

当中子源放出的快中子与物质作用时，发生散射而损失能量变成慢中子和热中子。由于中子与轻核（如氢核）的作用，所以中子损失的能量多。这样，中子在含有大量氢的含水岩层和含油岩层就容易减速，能量降低的热中子容易被岩石中的原子核俘获，发生（γ，n）反应，同时发射γ射线。因此，在含氢的岩层里中子被俘获并产生γ射线的地点较在不含氢的岩层里离中子源更近。如果离中子源稍远的地方（如60～65 cm），安装一个测量γ射线的探测器，则γ射线必须穿过较厚的岩层才能到达探测器，因此，此时测得的γ射线强度就较弱；反之，在不含氢或含氢少的岩层里，测得的γ射线强度就较强。所以，从测量到的射线的强弱，就可以了解到岩层中含氢量的多少，进而用它来划分多孔岩层，测定孔隙度，鉴定岩性等。这种测量由中子与岩层作用产生的γ射线的测井等，成为中子—γ测井法。此外还有中子—中子测井法、中子寿命测井、能谱测井、缓发中子测井，等等。

放射性测井法与其他方法相结合，可用于确定岩层的孔隙度、含油层、含油量，寻找和划分气层，划分岩性，等等。所以在石油、天然气和煤田等勘探部门得到了广泛的应用。放射性测井法中目前常用的γ放射源为137Cs，活度一般为0.2～2 Ci；常用的中子源为241Am-Be 中子源，活度为5～20 Ci。

（7）γ射线照相（探伤）机

γ射线照相（探伤）机是利用放射性同位素发出的射线具有穿透性这一特性，来检验大型铸件或管道焊接的质量。因为不需要电源、搬运方便，所以特别适合在野外和施工现场使用。

γ射线照相（探伤）机其一般由工作容器、挠性源导管、遥控器和其他附件组成。工作容器有贫铀或铅屏蔽体、快门、源辫子及锁定装置、放射源、连接器、保护盖等构成。不工作时，工作容器关闭，放射源定位在源通道内被充分屏蔽。工作时，转动快门环操作偏心轮，使偏心轮中曝光通道和源通道对直。用快速接头把源导管和工作容器连接起来。源导管的另一端部构成照射头，定位移出工作容器的放射源。操作遥控器（长度大于10 m）使放射源移出工作容器，通过源导管进入工作位置进行曝光照相检测。如果铸件或管道焊接处有裂缝或气泡，γ射线穿透得较多，在照相底片上就会出现黑色图像。工作结束后，操作遥控器，将放射源返回工作容器内。

工业照相常用的γ放射源为60Co、137Cs、192Ir等，因为192Ir的γ射线能量低，容易屏蔽，所以目前用得最多。其活度一般为100 Ci左右。