手機(jī)掃碼，微信咨詢!

技術(shù)文章

您的位置：首頁>>技術(shù)文章詳細(xì)信息

鋼鐵工業(yè)在線X射線測量技術(shù)的應(yīng)用

2011/1/5 11:09:02  (瀏覽次數(shù)：2011/1/5 11:09:02)


1 X 射線產(chǎn)生原理

newmaker.com
圖1 X射線管結(jié)構(gòu)圖

圖中：陰極絲在加熱的情況下，會發(fā)射出熱電子，在射線管的陰極和陽極之間施加高壓，熱電子在電場中被加速并撞擊到陽極靶材料上，輻射出電磁波，產(chǎn)生的光譜為連續(xù)譜并存在著短波限（λmin），相當(dāng)于電子所有能量都轉(zhuǎn)換成X 射線，短波限與陽極材料無關(guān)。

newmaker.com

連續(xù)光譜的強(qiáng)度隨熱電子加速電壓的平方成正比，與電流、陽極元素原子序數(shù)Z 成正比，轉(zhuǎn)換成X 射線的效率與ZV 成正比。當(dāng)管電壓超過靶材料激發(fā)電勢時，連續(xù)光譜上會疊加特征光譜，特征光譜的波長與靶材料有關(guān)。特征譜線的頻率為：

newmaker.com

式中：R 為里德伯常數(shù)（R=109 737.3/cm）；Z 為原子序數(shù)；在Ka 譜系中，σ=1，K=3/4。

由于產(chǎn)生的X 射線是連續(xù)譜，X 射線在穿過射線管窗口材料時，低能部分的射線及低能特征射線容易被吸收，能譜的譜線發(fā)生變化，如圖2 和圖3 所示。

newmaker.com
圖2 X射線光管內(nèi)部的能譜圖

newmaker.com
圖3 X射線光管外部的能譜

2 X 射線與放射性同位素的比較

2.1 X 射線測量技術(shù)的優(yōu)點

2.1.1 測量精度和分辨率高，統(tǒng)計噪聲低

無論射線源采用何種方式，射線的產(chǎn)生都是隨機(jī)的，并服從統(tǒng)計分布，存在統(tǒng)計漲落，根據(jù)射線衰減公式newmaker.com，可以得到：

newmaker.com

式中：μ表示被測物質(zhì)的吸收系數(shù)；τ表示探測器的響應(yīng)時間；Ks 表示探測器特征系數(shù)；I 表示初級X 射線的強(qiáng)度；T 表示被測材料的厚度。

從式（4）可以知道，厚度的影響與射線的強(qiáng)度I 有關(guān)。對于同位素放射源其強(qiáng)度不能無限制地增加，射線源強(qiáng)度的增加會造成輻射防護(hù)難度的增加，電離輻射危險性增大，另一方面放射源本身存在自吸收效應(yīng)，射線源強(qiáng)度越大，自吸收效應(yīng)越大。而根據(jù)公式（2），增加X 射線管的高壓和陰極絲電流就可快速地增加射線的強(qiáng)度，來達(dá)到降低噪聲的目的，對于相同的噪聲等級，X 射線源的響應(yīng)速度也可以提高。

假設(shè)在厚度為0 時的噪聲值為SN0，則厚度為X 時的噪聲為：

newmaker.com

根據(jù)式（5），可以方便地計算出對于任意厚度時的相對統(tǒng)計噪聲，相對統(tǒng)計噪聲與半厚度值（射線強(qiáng)度衰減到一半時的厚度值）之間的關(guān)系如圖4 所示，其最小值時的厚度為2.9 倍半厚度值。對于使用放射性同位素測量的設(shè)備，由于射線的能量是單一的，其最佳測量厚度值是2.8 倍半厚度值，是固有的物理特性；對于X 射線測量設(shè)備通過調(diào)整能量，使設(shè)備在整個量程內(nèi)的統(tǒng)計噪聲保持在較低的水平。

newmaker.com
圖4 相對統(tǒng)計噪聲與半厚度之間關(guān)系

2.1.2 化學(xué)分析更精確

使用X 射線技術(shù)進(jìn)行濃度、化學(xué)成分分析時，射線源的能量和強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)顯得尤為重要。在進(jìn)行化學(xué)分析時，一般是利用X 射線的熒光效應(yīng)，通過對被測化學(xué)元素的原子激發(fā)產(chǎn)生該種元素的特征譜線，但被測元素的激發(fā)譜線容易受到其它元素譜線的影響，從而降低了系統(tǒng)的檢測精度，可以利用X 射線的能量調(diào)節(jié)和濾片技術(shù)，實現(xiàn)對特有元素的譜線激發(fā)，而不激發(fā)或降低其它元素的激發(fā)，從而實現(xiàn)對特有元素的高精度測量。

2.1.3 使用上更安全和可靠。

X 射線是加速的熱電子碰撞陽極靶產(chǎn)生的，因此在切斷電源后便沒有任何射線，而同位素放射源是密封在源罐中，即使關(guān)閉射線源的快門也存在一定劑量的泄露射線，不利于人身和設(shè)備的安全。

newmaker.com
圖5 穿透物質(zhì)后X射線能譜的變化

2.2 影響X 射線測量的關(guān)鍵因素

2.2.1 高壓范圍限制

X 射線的能量取決于施加的高壓，由于受技術(shù)的限制，高壓不能不受限制地增加。在熱軋生產(chǎn)線上使用的X 射線源高壓一般為160 kV，冷軋使用100 kV 左右，相對于放射性同位素發(fā)射出的γ射線而言如表1 所示，其能量要小得多，因此穿透物質(zhì)的能力不如放射性同位素，目前鋼鐵工業(yè)上的X 射線源的高壓最高在200 kV 左右，如果再增加高壓會帶來制造和維護(hù)成本的增加，因此在寬厚板等工廠，厚度和凸度的測量通常都是采用放射性同位素方法。

表1 常用放射性同位素的射線能量
newmaker.com

2.2.2 X 射線源的冷卻

加速熱電子在碰撞陽極靶過程中，99%的能量轉(zhuǎn)換成熱量，只有1%轉(zhuǎn)換成X 射線，因此在陽極靶上產(chǎn)生的熱量很大，必須對其進(jìn)行冷卻，冷卻效果的好壞直接影響到設(shè)備的測量精度和使用壽命。在實際使用過程中經(jīng)常受到水質(zhì)、管路等影響，使冷卻效率下降。

2.2.3 吸收系數(shù)的變化

由于X 射線的能譜為連續(xù)譜，低能部分很容易被吸收，造成能譜的偏移，即X 射線的硬化現(xiàn)象，如圖6 所示，其結(jié)果是射線能量和強(qiáng)度都發(fā)生變化，不象放射性同位素在穿透物質(zhì)時只是強(qiáng)度發(fā)生變化，而能量不會發(fā)生變化，這種變化的結(jié)果造成在X 射線能量不同時吸收系數(shù)不同。

不同元素吸收系數(shù)與射線能量的關(guān)系如圖7 所示，橫坐標(biāo)為射線能量，縱坐標(biāo)為吸收系數(shù)。

newmaker.com
圖6 射線能量與吸收系統(tǒng)關(guān)系

newmaker.com
圖7 電離室

對于X 射線而言，其能量一般在0.01～0.2 MeV 之間。吸收系數(shù)是被測量物質(zhì)各種化學(xué)成分綜合的結(jié)果，在這一能量區(qū)間，從圖中可以得到成分的細(xì)小變化對吸收系數(shù)的影響很大。因此利用X 射線進(jìn)行物質(zhì)厚度檢測時被測物化學(xué)成分有嚴(yán)格的要求，而對于放射性同位素設(shè)備，吸收系數(shù)基本上不發(fā)生變化。

2.2.4 探測器要求的增加

目前X 射線測量技術(shù)主要采用電離室作為射線檢測部件，其檢測原理是通過射線進(jìn)入電離室產(chǎn)生氣體電離，通過對電離后的離子對加壓，產(chǎn)生弱電流信號（10-9～10-11A），然后將弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理。由于X 射線是連續(xù)譜，要求測量X 射線的電離室對整個能譜范圍內(nèi)的X 射線進(jìn)行有效的檢測，應(yīng)用在傳統(tǒng)放射性同位素測量設(shè)備上的電離室只需要對特定能量的射線進(jìn)行有效檢測。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品檢測和控制精度要求的提高，要求電離室的尺寸減小，而檢測效率提高，對電離室的制造工藝提出了更高的要求。

3 寶鋼X 射線測量設(shè)備的應(yīng)用實績

寶鋼自 1997 年首次在2030 冷軋5 機(jī)架上使用X 射線測量設(shè)備以來，設(shè)備良好的精度和快速響應(yīng)促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量和控制精度的提高，到目前X 射線測量設(shè)備已達(dá)25 套（不包括三期后工程）。對新建設(shè)的主生產(chǎn)線上都配置使用X 射線測量設(shè)備，也逐步將老的主生產(chǎn)線上同位素測量設(shè)備升級或改造成X 射線測量設(shè)備。測量物理量包括厚度、凸度、邊緣降、鋅層厚度、電工鋼膜厚、電解液離子濃度等。在帶鋼厚度測量方面，從以前的單點測量發(fā)展到對帶鋼整個橫斷面的精細(xì)測量（每5 mm 寬度1 個測量點），在鍍層測量方面，可以根據(jù)需要對不同成分層進(jìn)行的實時多層測量。

在鋼鐵工業(yè)上，在線X 射線測量技術(shù)也需要一個不斷完善和發(fā)展的過程，在現(xiàn)場實際應(yīng)用過程中仍然存在不少問題，主要是設(shè)計上的缺陷和沒有充分考慮到現(xiàn)場環(huán)境因素的影響。經(jīng)過我們多年的努力，成功地解決了X 射線源的冷卻問題，提高了X 射線源的使用壽命；解決了化學(xué)成分對厚度測量結(jié)果的影響，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度；成功地完成了X 射線源、探測器、標(biāo)樣箱等關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化。

4 結(jié)束語

① 在線X 射線測量設(shè)備精度、可靠性比傳統(tǒng)的放射性同位素設(shè)備高，而且其功能在不斷地增加，對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行少量的改進(jìn)即可實現(xiàn)多物理量的同時測量。比如X 射線凸度儀進(jìn)行適當(dāng)升級就可以實現(xiàn)帶鋼溫度的測量、寬度測量、平直度測量、凸度邊降測量、局部高點測量等，從而能完成過去需要多臺測量設(shè)備才能完成的任務(wù)；

② 在線X 射線測量設(shè)備具備完善的自我診斷功能，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性；

③ 隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在測量現(xiàn)場就完成測量信號的快速采集和數(shù)字化處理，通過系統(tǒng)內(nèi)部總線及部件之間的網(wǎng)絡(luò)連接，測量設(shè)備不但能提供各種工藝所需要的信號，而且通過集成在測量系統(tǒng)內(nèi)部的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件，可以為生產(chǎn)技術(shù)人員對可能出現(xiàn)的問題提供指導(dǎo)。

　來源：機(jī)械專家網(wǎng)

返 回

相關(guān)輻射防護(hù)儀器與設(shè)備：

  • 產(chǎn)品名稱：REN500T長桿x－γ劑量率儀

    產(chǎn)品型號：REN500T

    產(chǎn)品價格：請咨詢 >> 021-69515711

    產(chǎn)品描述：      REN500T是手持式儀表可用來監(jiān)測X、γ輻射劑量率。用于各種γ輻射場或環(huán)境γ輻射的監(jiān)測工作。儀器配有伸縮長桿，可用于測量人員不易到達(dá)或有較強(qiáng)放射性存在的場所，為使用人員提供有效保護(hù)。此外通過配套的RenRiRate劑量率管理軟件可將存儲的數(shù)據(jù)讀出后分析。儀器采用雙GM管，適用于環(huán)保部門、疾控、冶金、石油化工、化工、衛(wèi)生防疫、進(jìn)出口商檢、核工業(yè)場所對放射源進(jìn)行監(jiān)控、搜尋和測量。      &

    產(chǎn)品關(guān)鍵字：環(huán)境級長桿γ劑量率儀,REN500T,環(huán)境級,γ長桿,Xγ劑量率儀,放射源搜尋

  • 產(chǎn)品名稱：REN600A型α、β、γ射線表面污染檢測儀

    產(chǎn)品型號：REN600A

    產(chǎn)品價格：請咨詢 >> 021-69515711

    產(chǎn)品描述：REN600A型α、β、γ射線表面污染檢測儀即可檢測α、β、γ射線，也能檢測到X射線,它采用高速嵌入式微處器作為數(shù)據(jù)處理單元，點陣式大屏幕LCD液晶顯示，讀數(shù)清晰、操作方便，具有400條超大容量數(shù)據(jù)存儲。儀器采用進(jìn)口的大面積MICA蓋革探測器，具有較高探測效率，可進(jìn)行α、β輻射表面污染檢測和X、γ輻射劑量率的監(jiān)測。此外通過配套的RenriCont表面污染管理軟件可將存儲的數(shù)據(jù)讀出后分析�？蓮V泛用在制藥廠、實驗室、發(fā)電廠、進(jìn)出口商檢、采石場、環(huán)境實驗室、環(huán)境污染調(diào)查、核安全應(yīng)急、緊急狀況營救站、金

    產(chǎn)品關(guān)鍵字：α、β、γ射線表面污染檢測儀,REN600A型α、β、γ射線表面污染檢測儀；碘125,I-125,I125

  • 產(chǎn)品名稱：REN300A型在線輻射安全報警儀

    產(chǎn)品型號：REN300A

    產(chǎn)品價格：請咨詢 >> 021-69515711

    產(chǎn)品描述：  REN300A在線輻射安全報警儀是一種新型的x-γ輻射連續(xù)監(jiān)測報警裝置，它采用特殊設(shè)計的前置放大電路，具有靈敏度高、操作方便、自動顯示和超閾值報警等特點，能實時給出xγ輻射劑量率；儀器內(nèi)置海量數(shù)據(jù)存儲功能，能存儲10年的歷史數(shù)據(jù)且標(biāo)配提供強(qiáng)大的RenLocal輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)分析軟件�？紤]到現(xiàn)場操作、應(yīng)急快速響應(yīng)的需要，主機(jī)安裝在輻射現(xiàn)場,實現(xiàn)實時監(jiān)測與就地報警，通過RS485通訊實現(xiàn)總控制室自動監(jiān)控�？筛鶕�(jù)現(xiàn)場要求，可選配RenriArea輻射區(qū)域監(jiān)測軟件，該軟件可連續(xù)存儲5個探頭5

    產(chǎn)品關(guān)鍵字：固定式輻射報警儀,射線報警儀,輻射報警儀,固定式輻射報警儀,多路監(jiān)控報警儀

  • 產(chǎn)品名稱：REN300B型在線輻射安全報警儀

    產(chǎn)品型號：REN300B

    產(chǎn)品價格：請咨詢 >> 021-69515711

    產(chǎn)品描述：REN300B在線輻射安全報警儀是一種新型的x-γ輻射連續(xù)監(jiān)測報警裝置，它采用特殊設(shè)計的前置放大電路，具有靈敏度高、操作方便、自動顯示和超閾值報警等特點，能實時給出xγ輻射劑量率�？紤]到現(xiàn)場操作、應(yīng)急快速響應(yīng)的需要，主機(jī)安裝在輻射現(xiàn)場,實現(xiàn)實時監(jiān)測與就地報警，通過RS485通訊實現(xiàn)總控制室自動監(jiān)控�？筛鶕�(jù)現(xiàn)場要求，選配RenRiArea輻射區(qū)域監(jiān)測軟件，該軟件可連續(xù)存儲30個探頭5年以上的歷史數(shù)據(jù),提供實時數(shù)據(jù)采集和圖譜等。    該儀器廣泛應(yīng)用于放射性廢物庫、工業(yè)無損探傷

    產(chǎn)品關(guān)鍵字：固定式射線報警儀,REN300B,固定式,射線報警儀,輻射報警儀

  • 產(chǎn)品名稱：REN500L型環(huán)境監(jiān)測用X、γ輻射空氣比釋動能率儀

    產(chǎn)品型號：REN500L

    產(chǎn)品價格：請咨詢 >> 021-69515711

    產(chǎn)品描述：REN500L環(huán)境監(jiān)測用X、γ輻射空氣比釋動能率儀采用超大尺寸、高靈敏的閃爍晶體作為探測器,反應(yīng)速度快。主機(jī)內(nèi)置探測器使得整機(jī)有更寬的測量范圍。儀器滿足《環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范》中低劑量部分的要求。該儀器除能測高能、低能γ射線外，還能對低能X射線進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，具有良好的能量響應(yīng)特性。此外通過配套的RenRiRate劑量率管理軟件可將存儲的數(shù)據(jù)讀出后分析。該儀器廣泛用于環(huán)保、冶金、石油化工、化工、衛(wèi)生防疫、進(jìn)出口商檢、放射性試驗室、廢鋼鐵、Xray裝置、加速器、商檢、各種放射性工作場所等需

    產(chǎn)品關(guān)鍵字：環(huán)境級輻射儀,環(huán)境級輻射儀、巡測儀

  • 產(chǎn)品名稱：REN610型傷口污染檢測儀

    產(chǎn)品型號：REN610

    產(chǎn)品價格：請咨詢 >> 021-69515711

    產(chǎn)品描述：REN610型傷口污染檢測儀采用靈敏的閃爍體雙探測器，主要用于人體傷口表面低水平α或β(γ) 放射性污染檢測，還可選配GM管探頭來測量人體傷口受到核素污染后的外照射γ劑量率水平。具有良好的探測效率 、較高的可靠性和方便的操作特性 。該儀器可連續(xù)進(jìn)行測量數(shù)據(jù)的記錄存儲，并通過配套的RenRiCont表面污染管理軟件通訊獲取 。該設(shè)備可用于核電站、疾控、軍工、核醫(yī)學(xué)、核應(yīng)急、核燃料（生產(chǎn) 、運輸 、儲存）等諸多領(lǐng)域。       &nb

    產(chǎn)品關(guān)鍵字：傷口污染檢測儀,傷口污染檢測儀,傷口污染測量儀