测量放射源衰减后的解决方案探讨

1、测量放射源衰减后的解决方案探讨广西南宁凤凰纸业有限公司林丽霞摘要：木文针对放射性检测仪表当放射源强度衰减后，射源检测器无法接收 到有效的信号，从而导致在线仪表测量不准，影响到工艺牛产过程的实时监控。 木文主要阐述的是如何将信号处理单元进行改造，从而实现仪表正常测量。关键词：检测器；放射源；衰减；解决前言在工业自动化测量系统中，对于 某些高温、高压容器、强腐蚀性或爆炸性介质、黏滞性或易结晶介质，以及固体 电介质等物位或密度的测量，应用常规的测量仪表很难实现，往往需要使用核辐 射性这类非接触性的测量仪表才能解决这类难题。然而，每种放射性核素都有一个特有的半衰期，其范围从几百万分之一秒到 几十亿年，

2、每经过一个半衰期，放射源的活度就只剩原来活度的一半。因此，当 放射性测量仪表使用一定年限后，由于放射源的活度减弱，甚至减弱到与大自然 中的射线强度接近后，由于外界的干扰，导致检测器接收到的信号太弱后，引起 测量失准。在此情况下，可通过对放射源、检测器和信号处理单元这三大部份的 改造来实现。木文着重讲述的就是如何改造使放射源复活。1.放射性仪表的应用1.1基木配置放射性测量仪表一般由放射源、检测器 和信号处理单元三大部分组成。在制浆造纸行业中，放射源广泛使用，主要用于 测量蒸煮木片仓、喷放锅的料位或漂白中浓立管的浆位测量，以及蒸发黑液或苛 化白泥、绿液的密度测量等场合。常用的有德国brethol

3、d公司牛产的lb323放 射性液位计和lb367型放射性密度计。1.2计数管的构造和工作原理计数管有圆柱形和钟罩型两种，其共同结构为 圆筒状的阴极和装在轴线上的阳极丝共同密封在玻璃管内而成。管内通常充有约 lokpa的惰性气体及相应的猝熄气体。当带电粒子进入计数管的灵敏区域时，将引起管内气体的电离，电力产生的 电子在电场加速下向阳极运动，一方面因电场加速获得能量，一方面又因与气体 分子碰撞而损失能量。在充有猝熄气体的计数管中，这些光子大部分将被猝熄气 体所吸收，因而达不到阴极，但却会逐步沿铅丝极方向扩展并产生新的电子(光 电作用)，这些电子又会进一步产生雪崩式的放电。当电子到达阳极的时候，因为

4、正离子移动的很慢，基本上没有移动能力，从 而形成了围绕着丝级的正离子鞘。由于放电后电子中和了阳极上的一部分电荷，使得阳极电位降低 随着正粒 子向着阳极运动，高压电源便通过电阻r向计数管充电，使得阳极电位冋复， 在阳极上变得到一个负的脉冲电压。这个负的脉冲电压，便起到了计数的显示作 用。如图1.2所示。1. 3计数管的特性正常的计数管在强度不变的放射源的照射下，测量计数 率随阳极和阴极间外加电压的关系，得到如图131所示的坪曲线。由图中可看出，当电压低于v0i3寸，粒子进入计数管由于电压脉冲高度不足 以触发定标器的阈值未引起计数，v0称为起始电压或阈电压。随着电压的升高， 计数率也迅速增加，图中

5、所示从vi到v2的范围内，计数率几乎不变，这段电 压范围称为坪区，vi到v2的电压值称为坪长。计数管的工作电压应选择到这些 范围内才能有效工作。当计数管两极上所加电压超过v2吋，计数率明显上升， 进入连续放电区，此吋猝灭气体已失去作用，计数管不能正常使用并易损坏。从 图中可见，当放射源的强度减弱后，单纯地提高或降低工作电压对于计数管的正 常工作作用不大。图1.3.1计数管坪特性曲线2.放射源衰减后的解决方案放射源一般选择有 同位素链(cs137)或钻(860)。¥色的半衰期约为30年，一般为点源，钻的半 衰期约为5年，可为点源或棒状源，两者相比，锥的穿透性能比钻差一些。放 射源不可免

6、会产生衰减，用公式来计算,为at=a0exp (-λt)其中a0为 零时刻时的放射源的活度&lambd可为衰减常数t为时间从式子可以看出，放射 源的活度是随时间按指数规律下降的，对同一个放射性核素，每经过相同的时间， 剩余放射性活度的百分数是相等的。这就意味着，假设经过一个半衰期t后， 即 at/at=l/2,则 exp(-λt)=1/2 即&iambda;=ln2/t所以 at = a0exp(-ln2/t*t) =aoexp （-in2） t/t=ao （0.5） t/t可见，放射源经过一个半衰期的活度，剩余 率只能达到原来的50

7、%,而原仪表的可调整范围（以lb323为例）是有限的。 根据对应的高压控制电压的计数率作出的坪曲线（如图2.1）可以看出，当高压 控制电压的计数率低于500后，输出曲线急剧下降，说明闪烁计数器不能正常 工作，应进行更换。2.1改变测量方式传统的料位测量方式如差压式、电容式、超声波、雷达、 浮球式、重锤式等，都需要直接或间接与测量介质接触，而对于某些高温、高压 容器、强腐蚀性或爆炸性介质、黏滞性或易结晶介质，以及固体电介质等，直接 与介质接触容易造成传感器接触面的腐蚀损坏或被覆盖，非但达不到测量的目的, 仪表的使用寿命也短，在维修资金方面更是一项比较大的投入。因此，当放射源 衰减后，改变测量方式

8、的可取性不大。2.2更换放射源放射源衰减后，最直接的维修办法是更换放射源，但放射源 的购置流程以及辐射安全许可证的中领等工作非常繁琐。根据放射性同位素与 射线装置安全和防护条例（国务院令第449号）的文件要求，必须首先向国家 环保总局提交审批表后进行逐级审查、审批等程序，审批通过后才能按规定购置。 另外，更换下来的放射源的保管和处置也是一个较麻烦的事情。如果能充分利用 放射源剩余的活度，使其变废为宝才为上策。2.3改造放射源接收器2.3.1对计数器的改造的各种方案计数器的电路主要 包括几个部分：计数管接收到信号信号波形的整形信号输出。计数器接收到的信号除了放射源的辐射信号外，还有来自周围环境中

9、的微量 放射性物质和宇宙射线的本底信号，改造的目的是提高信噪比，一方面提高接收 正常辐射信号的能力，一方面降低外界辐射信号对接收计数器的干扰，以达到信 号的正常输出。2.3.2对变送器的计数部份进行改造为了保证信号的准确度，考虑到外界信 号对正常信号的干扰，-般的变送器对接收器送来的信号都有个信号下限接收值, 以保证一定的信噪比。对变送器的计数部份进行改造，是指一方面改变信号的传 输方式，采用一种更不容易受到干扰的信号传输模式进行传输；另一方面，扩展 信号的读取下限，以保证在信号减弱后仍然能正确地读出信号值。3.我们的推荐方案3.1改造接收头辐射信号的吸收强度与计数管的管径和 长度有关。将计数

10、管的管径增人或长度加长，接收到辐射信号的能力将有可能增 强，但同吋接收到大自然的辐射信号的能力也会增强。增大管径意味着会扩大计 数管的体积，加长计数管可以增强灵敏度，提高计数率。但是计数器的扩大或加 长受到安装位置的局限性控制，不可能无限制地加长，最多扩大到原来的23倍。 然而，接收到的外界干扰信号也同样会增大到原来的23倍。当放射源的强度经 过几个半衰期后，其计数率大约衰减到原来的十分之一左右，与外界并未衰减的 自然界辐射信号相比，仪表的信噪比将会降低，因此将影响到测量精度。为了降 低本底信号的干扰，可以通过对接收计数器接收缝以外的部份增加铅屏蔽，以降 低接收缝位置以外的外界幅射对计数器的干

11、扰。3.2改变信号传输方式原信号传输方式是脉冲传输方式，易受外界的干扰。 在正常传输时，计数器接收到的波形图如图3-2-1所示。当传输受到外界信号干 扰时，会产生一些干扰脉冲，如图3-2-2中窄小的波形所示。这些脉冲强度也许 没有信号强，但经过变送器对波形整形削波后，一些强度较强的干扰信号将被作 为正常信号进行计数，如图3-2-3所示。变送器的计数率将会增加，引起信号的 计数误差。在传输过程中，由于干扰信号只会对信号的振幅产生叠加干扰，不会改变信 号的频率，因此，采用移频键控码的信号传输方式（如图3-3-4所示），就能克 服振幅干扰信号的影响。移频码具有适用频带宽、抗干扰能力强、解调无需相干 载波等优点，可更有效地解决信号传输中外界干扰的问题。3.3改造变送器由于原来的信号是脉冲信号，为了抗干扰，当接收的信号改 成移频信号后，为了和接收头配对，变送器的信号接口也必须相应地改变为移频 码信号。原信号经过提高信噪比，变送器的计数门槛可降低，以保证信号减弱还 能正常计数，据现场测定，变送器的计数门槛，经过扩展，信号的读取下限可从 300降到20左右。3.4评估改造后能续用的年限实践证明，改造完成后，经过笔者在蒸煮木片 仓应用放射源为co60的现场测试，本底计数率为2