專利名稱:中子水分儀的制作方法
本發(fā)明屬于利用粒子輻射研究或分析材料的領(lǐng)域，具體涉及一種中子水分儀。
在各種水分分析技術(shù)中，中子測(cè)水法以其測(cè)量精度高及干擾因素少而得到廣泛應(yīng)用。目前中子測(cè)水主要采用電離室技術(shù)和閃爍技術(shù)兩種。如美國開端公司生產(chǎn)的中子水分儀多數(shù)就采用電離室技術(shù)，該儀器的主要特點(diǎn)是將中子探頭放在待測(cè)物料的器壁上，密度補(bǔ)償系統(tǒng)采用一套γ密度計(jì)，該計(jì)亦安裝在現(xiàn)場(chǎng)。聯(lián)邦德國柏特毫得公司生產(chǎn)的中子水分儀則采用閃爍技術(shù)，探頭可做成插入式和表面式兩種，主機(jī)亦加一套γ密度補(bǔ)償系統(tǒng)，附有微機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。日本專利JP5763439公開的中子水分儀也采用了閃爍技術(shù)，亦附加了一套γ密度補(bǔ)償系統(tǒng)。以上所述的這些中子水分儀都存在以下不足之處(1)密度補(bǔ)償系統(tǒng)比較復(fù)雜，雖然補(bǔ)償后精度很高，但在測(cè)量要求不很高的情況下，可以設(shè)法采用簡單的方法來實(shí)施。
(2)在中子法測(cè)水的理論和實(shí)踐中都認(rèn)為稀土含量超過10-7就對(duì)中子測(cè)水有不可忽略的影響，目前已有的這些中子水分儀都不能測(cè)定硼砂、含稀土元素的鐵精礦、燒結(jié)礦和稀土礦粉中的水分。
本發(fā)明的目的是提供一種密度補(bǔ)償較為簡單，擴(kuò)大測(cè)量中子能域使其適用于測(cè)量稀土元素物料的水分的中子水分儀。
中子水分儀由探頭和主機(jī)兩部分組成，中間用屏蔽電纜相連接，作供電和傳送信號(hào)用。探頭中裝有中子源和γ射線源。距中子源一定的間隔裝有閃爍體，閃爍體采用對(duì)低能中子，尤其是熱中子很靈敏，對(duì)γ射線也很靈敏的鋰玻璃。緊挨著閃爍體裝有光電倍增管，光電倍增管和前置放大器相連接。主機(jī)中有供給電子學(xué)線路工作的低壓電源和供給探測(cè)器工作的高壓電源。主放大器的輸入端通過屏蔽電纜與探頭中的前置放大器的輸出端相連接，甄別器的輸入端與主放大器的輸出端相連接，甄別器的輸出端與脈沖成形器的輸入端相連接，脈沖成形器的輸出端與率表和微處理機(jī)的輸入端相連接，率表的輸出端與記錄顯示單元相連接。微處理機(jī)的輸出端與打印顯示單元相連接。
本發(fā)明有以下附圖圖1.中子水分儀電氣原理圖;
圖2.探頭結(jié)構(gòu)示意圖;
圖3.鋰玻璃閃爍體對(duì)中子的能量響應(yīng)曲線;
圖4.不同厚度鋰玻璃的探測(cè)效率;
圖5.探測(cè)器與射線源不同距離處水分與計(jì)數(shù)率的關(guān)系;
圖6.鐵精礦粉中水分與積分計(jì)數(shù)率的關(guān)系曲線。
下面通過附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
在待測(cè)物料中放入一個(gè)源強(qiáng)一定的快中子源，它連續(xù)不斷地放出一定能量的快中子。這些快中子在物料中運(yùn)動(dòng)，與原子核碰撞被減速為慢中子，最終慢化為熱中子，在物料中擴(kuò)散直到被吸收。根據(jù)中子減速理論，中子與不同質(zhì)量的原子核進(jìn)行彈性碰撞時(shí)，其能量損失是隨核質(zhì)量的增加而迅速減小。氫核最輕，碰撞時(shí)它使中子損失能量最多，此外，氫核遠(yuǎn)比其它原子核對(duì)中子的散射截面大，尤其是對(duì)低能中子的散射截面更大。在待測(cè)物料中所含水分愈大，氫核就愈多，快中子減速為熱中子的數(shù)目也越多。根據(jù)減速擴(kuò)散理論，可以得出熱中子的密度分布是以中子源為中心的熱中子云球。水分含量越大，熱中子密度分布峰越窄而高，如果在靠近快中子源附近放入一個(gè)熱中子探測(cè)器就可以通過接收的熱中子數(shù)目來確定物料的水分。這就是中子法測(cè)水的基本原理。
中子水分儀的探頭[1]由中子源[21]、γ射線源[19]、閃爍體[17]、光電倍增管[16]和前置放大器[14]組成。中子源[21]采用100毫居的镅-鈹源，其半衰期為458年，在儀表的有效使用期內(nèi)，可以視此中子源強(qiáng)不變，其γ劑量不高，中子產(chǎn)額為2.2×105中子/秒，外形尺寸為φ16×19。γ源[19]采用30毫居的銫-137源，其半衰期為33年，外形尺寸φ5×5。中子源[21]和γ射線源[19]外部有一層鉛屏蔽，中子源[21]裝在底座[22]上，γ射線源[19]裝在中子源[21]的前部。閃爍體[17]采用鋰玻璃，鋰玻璃是一種對(duì)低能中子和γ射線都靈敏的材料，性能穩(wěn)定，探測(cè)效率高，且具有不怕潮濕，使用壽命長的特點(diǎn)。鋰玻璃對(duì)低能中子有較大的反應(yīng)截面，熱中子截面最大為954巴。圖3給出了鋰玻璃閃爍體對(duì)中子的能量響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，可測(cè)量中子的能量范圍可到幾百千電子伏特。一般認(rèn)為，費(fèi)米連續(xù)減速模型理論不適于含氫介質(zhì)。但是當(dāng)物質(zhì)中含氫不多，而且當(dāng)中子能量低到一定程度時(shí)，可以認(rèn)為是連續(xù)減速。從熱中子、超熱中子、慢中子、低能中子到中能中子，在任何一個(gè)能量間隔區(qū)內(nèi)，中子數(shù)目基本上相等。因?yàn)殇嚥Ａ綔y(cè)器可以接收寬范圍的中子，所以即使很大一部分熱中子被吸收，也只占接收中子數(shù)目的很小一部分，在測(cè)量誤差允許范圍之內(nèi)，可以用中子法測(cè)量含熱中子吸收截面很大的元素的物料中的水分。從而突破了關(guān)于稀土元素(主要是釤、銪、釓)含量超過10-7就對(duì)中子測(cè)水有不可忽視的影響的結(jié)論。鋰玻璃的直徑與厚度對(duì)熱中子探測(cè)效率有很大影響。由于探頭結(jié)構(gòu)所限，鋰玻璃直徑最大可選用40毫米。圖4給出了不同厚度鋰玻璃的探測(cè)效率。由圖可見，3毫米的探測(cè)效率為85%，5毫米的探測(cè)效率為95%，超過5毫米后探測(cè)效率變化不大，故可選用5毫米厚的鋰玻璃。根據(jù)理論與實(shí)驗(yàn)表明，適當(dāng)?shù)剡x擇射線源與探測(cè)器間的距離，可以獲得較高的熱中子計(jì)數(shù)，又可以在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)使熱中子計(jì)數(shù)與水分間有良好的線性關(guān)系。圖5是探測(cè)器與射線源不同距離處水分與計(jì)數(shù)率的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)射線源與探測(cè)器距離較近時(shí)，熱中子計(jì)數(shù)率很高，但曲線上各點(diǎn)離散性很大，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，計(jì)數(shù)率低而且斜率也小，因此最好是6～10厘米。為了防止镅的γ射線和銫的γ射線直接照射鋰玻璃，必須在γ射線源[19]和閃爍體[17]鋰玻璃之間填充鉛作為屏蔽。[16]為低噪聲光電倍增管，前置放大器[14]采用電流前置放大器。閃爍體[17]、光電倍增管[16]和前置放大器[14]密封裝入用鋁制成的圓柱形探頭外殼[15]中。中子源[21]和γ射線源[19]裝入用鋁制成的圓柱形源殼[18]中，源殼[18]和探頭外殼[15]用螺紋結(jié)構(gòu)固定在一起。
主機(jī)[2]采用國際電工協(xié)會(huì)規(guī)定的國際標(biāo)準(zhǔn)通用機(jī)箱及插件(NIM)。高壓電源[3]是1.5keV高壓電源，該高壓電源[3]與光電倍增管[16]相連接。低壓電源[4]采用了三端穩(wěn)壓器，主放大器[7]是線性脈沖放大器，主放大器[7]的輸入端通過選擇開關(guān)[6]可以與自檢線路[5]相接，也可以與探頭[1]中的前置放大器[14]相連接，輸出端與甄別器[8]的輸入端相連接，甄別器[8]的閾值在0.5～5.5伏范圍內(nèi)可調(diào)。甄別器[8]的輸出端與率表[10]和微處理機(jī)[12]相連接，率表[10]和記錄顯示單元[11]相連接，微處理機(jī)[12]和打印機(jī)[13]相連接。微處理機(jī)[12]有鍵盤可供修改計(jì)數(shù)方程的系數(shù)及其它程序功能。在微處理機(jī)軟件系統(tǒng)中加入一套加權(quán)平均的程序，給連續(xù)十次計(jì)數(shù)率以不同的權(quán)(1/2、1/4、1/8、1/16、1/32、1/64、1/128、1/256、1/512、1/1024)，然后加起來成為一次計(jì)數(shù)率，使統(tǒng)計(jì)漲落造成的測(cè)量誤差減小了一倍，在保證同一測(cè)量精度的條件下，使測(cè)量時(shí)間減少一半，從而加快了響應(yīng)時(shí)間，相當(dāng)于使源強(qiáng)增加了一倍。
根據(jù)中子測(cè)水原理，中子法測(cè)定的是物料水分的體積百分含量FV，而生產(chǎn)上要求給出水分的重量百分含量FW，兩者的關(guān)系是FW＝FV/ρ，此處ρ是物料堆積密度，如果密度變化不大，可視ρ為常數(shù)，雖然測(cè)出的仍是體積百分含量，但適當(dāng)?shù)刈兓潭染涂梢燥@示出重量百分含量。在密度變化較大的場(chǎng)合，就必須進(jìn)行密度補(bǔ)償。中子水分儀一般采用γ密度補(bǔ)償，通常的做法是增加一臺(tái)γ密度計(jì)，將測(cè)出的密度信號(hào)送入微處歷，與水分信號(hào)一起進(jìn)行處理。本發(fā)明采用一種新的γ密度補(bǔ)償技術(shù)。鑒于鋰玻璃具有對(duì)中子和γ射線都靈敏的特點(diǎn)，將中子源[21]和γ射線源[19]一起放入同一個(gè)探頭[1]中，用同一塊閃爍體[17]接收中子和散射γ射線，經(jīng)光電倍增管[16]接收后送前置放大器[14]，然后再送入主放大器[7]，由于中子與γ射線在能譜圖上是相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)峰，既可以分別計(jì)數(shù)，也可以一起計(jì)數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)選擇放射源與探測(cè)器的幾何位置，使γ射線的反散射密度隨物料堆積密度的增加而減小，而中子計(jì)數(shù)則隨密度的增加而增加，同時(shí)選擇好甄別器[8]的閾值，使γ散射計(jì)數(shù)減小的數(shù)目與中子計(jì)數(shù)增加的數(shù)目近似相等。這種密度補(bǔ)償方法比目前通行的密度補(bǔ)償方法大為簡化。
應(yīng)用舉例含稀土元素的鐵精礦粉中水分的測(cè)定。
在選礦廠中，送入燒結(jié)廠的鐵精礦粉的水分含量是最關(guān)鍵的參數(shù)之一。為了能夠及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)出產(chǎn)品物料的水分，在傳送帶換接處裝一臺(tái)圓盤給料機(jī)，從上面?zhèn)魉蛶聛淼奈锪下淙雸A盤給料機(jī)中，再從底部流到下面的傳送帶上。中子水分儀就裝在給料機(jī)中，從而可以連續(xù)給出礦粉的水分?jǐn)?shù)值。測(cè)定結(jié)果表明，精度可在±0.5%以內(nèi)。由圖6可看出稀土含量變化和水分變化對(duì)中子計(jì)數(shù)率的影響，稀土元素含量波動(dòng)±1%時(shí)，對(duì)中子計(jì)數(shù)率的影響相當(dāng)于水分波動(dòng)0.2～0.3%的影響。結(jié)果表明，對(duì)稀土元素含量在10-2范圍內(nèi)、含量波動(dòng)小于1%的物料，該中子水分儀完全可以使用。
該中子水分儀能夠測(cè)量稀土元素含量在10-2范圍內(nèi)的物料的水分，密度補(bǔ)償方法簡單，配有以加權(quán)平均降低統(tǒng)計(jì)漲落引起的測(cè)量誤差的軟件系統(tǒng)，因此它可在科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行在線水分分析。該水分儀的測(cè)量范圍為0～20%，測(cè)量精度為0.1～0.2%(砂、砂巖、堿的水分)。
權(quán)利要求
1.中子水分儀由探頭[1]和主機(jī)[2]兩部分組成，中間用屏蔽電纜相連接，探頭[1]中裝有中子源[21]和γ射線源[19]，放射源[21，19]的一側(cè)裝有閃爍體[17]，緊接著閃爍體[17]裝有光電倍增管[16]，光電倍增管[16]和前置放大器[14]相連接，主機(jī)[2]中有供給電子學(xué)線路工作的低壓電源[4]，供給光電倍增管[16]工作的高壓電源[3]，主放大器[7]的輸入端與前置放大器[14]的輸出端相連，本發(fā)明的特征是閃爍體[17]選用對(duì)低能中子尤其是熱中子很靈敏，對(duì)γ射線也很靈敏的鋰玻璃，主放大器[7]的輸出端與甄別器[8]相連接，甄別器[8]的輸出端與脈沖成形器[9]的輸入端相連接，脈沖成形器[9]的輸出端與率表[10]和微處理機(jī)[12]的輸入端相連接。
2.如權(quán)利要求
1所述的中子水分儀，其特征是中子源[21]和閃爍體[17]之間的距離為6至10厘米，中子源[21]緊挨著γ射線源[19]，在放射源[19，21]和閃爍體[17]之間填充鉛。
3.如權(quán)利要求
1或2所述的中子水分儀，其特征是中子源[21]是100毫居的镅-鈹源，γ射線源是30毫居的137Cs源，閃爍體[17]的厚度不小于4毫米。
專利摘要
一種中子水分儀，它將镅-鍍中子源和銫γ射線源同時(shí)裝入一個(gè)探頭內(nèi)，用鋰玻璃閃爍體和低噪聲光電倍增管測(cè)量中子和γ射線。該水分儀可以測(cè)量稀土元素含量較高的物料中的水分。γ密度補(bǔ)償系統(tǒng)采用通過改變接收信號(hào)閾值來改變?chǔ)蒙渚€計(jì)數(shù)以補(bǔ)償由于密度變化而使中子計(jì)數(shù)的變化，從而使系統(tǒng)大大簡化。在微機(jī)智能化系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了降低因放射源衰變統(tǒng)計(jì)漲落而造成的測(cè)量誤差的軟件。
文檔編號(hào)G01N23/00GK87102356SQ87102356
公開日1988年11月2日 申請(qǐng)日期1987年3月30日
發(fā)明者劉元襄, 陳祥, 潘殿福, 秦培友 申請(qǐng)人:核工業(yè)部大連應(yīng)用技術(shù)研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan