基于γ射线管材壁厚连续测量系统设计(编辑修改稿)

基于γ射线管材壁厚连续测量系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

率变化的超声波 厚度计；有利用涡流原理的电涡流厚度计；还有 x 射线测厚仪 、 电容式厚度计 、 微波 厚度计 和激光 厚度计 等。 其中 在工业上 常用来测量管材壁厚的方法有： x 射线测厚仪 、 超声波 测厚仪 、 γ 射线测厚仪。 x 射线测厚仪 x 射线 是 波长介于紫 外线和 γ 射线间的电磁辐射。 由德国物理学家 1895年发现 ， 故又称伦琴射线。 实验室中 x 射线由 x 射线管产生， x 射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（就称靶极）用高熔点金属制成（一般用钨，用于晶体结构分析的 x 射线管还可用铁、铜、镍等材料）。 用几万伏至几十万伏的高压加速电内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 子，电子束轰击靶极， x 射线从靶极发出。 电子轰击靶极时会产生高 温，故靶极必须用水冷却，有时还将靶极设计成转动式的。 x 射线测厚仪 的测厚原理是： 根据 x 射线穿透被测物时的强度衰减来进行转换测量厚度的， 即测量被测 物 所吸收的 x 射线量，根据该 x 射线的能量值，确定被测件的厚度。 x 射线 测厚仪 的 优 点：透视灵敏度高 ； 设备结构简洁、部件更换快速、简单，便于维护 ；厚度测量 不受材料形状限制 ； 缺点：费用高， 透照厚度较 γ 射线小，有安全防护要求，还需要恒温冷却系统。 超声波测厚仪 利用超声波脉冲反射原理 ， 通过发射的超声波脉冲至涂层 /基材 ， 计算脉冲通过涂层/基材界面反射回发射器所花的时间来计算涂层的厚度。 仪器通过一个发射器发射高频超声波进入涂层 ， 振动波会穿透涂层 ， 遇上不同力学性能的材料 (如基材 )时 ， 振动波会在不同材料的界面部分 反射和传递。 反射部分会被感应器接收 ， 传递的振动波继续传递到底材 ， 同样经历着所有材料界面间的反射、传递过程。 传感器将反射波转换成电信号 ， 这些信号会被仪器数码化 ， 数码化反射波被分析后 ，便得到振荡波所花的确切传递时间。 超 声 波测厚仪 的优点： 超声波测厚仪一般都具有 超轻超薄机身，便于单手操作 ；测量精度高；有背景灯光，使得在 各种环境下清晰可视 ； 低功耗，两节干电池可使用 200小时以上 ；对人体无害； 适合测量所有导声材料，如钢、铁、塑料、陶瓷、有机玻璃等。 缺点： 对工件表面要求高；受到被测物周围温度的影响大；使用时间长了，探头 接触面会有一定程度的磨损。  射线测厚仪 γ射线测厚仪在对 物体 进行厚度测量时，一般有两种方法：一种是透射式γ射线测厚仪，另一类是散射式γ射线测厚仪。 但无论是用哪种方法对物体进行厚度检测，其基内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 本原理都是相同的。 当γ射线穿透物质后由于和被测物发生相互作用，使得入射前后的γ射线强度不同。 通过检测入射后的γ射线强度就可以得出被测物的厚度值。 这就是γ射线测厚仪的基本原理。 工业上广泛采用人工同位素产生 γ 射 线，由于 γ 射 线的波长比 x 射线更短，所以具有更大的穿透能力。 γ 射线 测厚 仪 的优点是： 能量稳定，比 X 射线有更高的能量；作为射线源比 x 射线价廉； 探测厚度大，穿透能力强；体积小，重量轻，特别适用于野外工作和在用设备的检测；可以连续运行， 且不受 压力、磁场等外界条件影响。 缺点：固有不清晰度一般 来说 比 x 射线大；对安全防护要求高，管理严格。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第二章 透射式  射线测厚仪  射线的简述 γ 射线 首先由法国科学家 ，是继 α、 β射线后发现的第三种原子核射线。 γ 射线是因核能级间的跃迁而产生，原子核衰变和核反应 均可产生 γ 射线。 它 具有比 x 射线还要强的穿透能力。 当 γ 射线通过物质并与原子相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和正负电子对三种效应。 γ 射线是一种强电磁波，它的波长比 x 射线还要短，一般波长＜ 0． 001 纳米。 在原子核反应中，当原子核发生 α、 β衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是 γ 射线。 γ 射线具有极强的穿透本领。 当 人体受到 γ 射线照射时， γ 射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生 作用， 破坏人体内部的正常生理过程。 所以当运用 γ 射线时，必须做好防护工作。  射线与物质相互作用的形式 在理解 γ 射线测厚仪的工作原理之前，必须了解 γ 光子与物质相互作用的多种形式，对于 γ 射线测厚仪所用的γ放射源因其能量最高不超过 2MeV（兆电子伏特），则其形式主要有以下三种： 光电效应 原子吸收了 γ 光子的全部能量，当光子的能量大于壳层电子的束缚能时，电子发射出去，在壳层上形成电子空位，光子本身消失，原子处于激发态，在退激的过程中发射出壳层电子叫光电子，这一过程叫光电 效应。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 光电效应作用几率用光电截面表示。 作用截面的大小与 γ 射线的能量和吸收物质的原子序数有关，即 20Er m c当 时 ，  75 21/k Z Er  (21) 0 2Er m c当 时 ，  5 1/k Z Er  (22) Er 为光子能量， k 为 k 壳层光电效应截面， Z 为物质原子序数， 0m 、 c 分别为电子静止质量和光速。 总光电截面 ph 的计算公式为： 54ph k (23) 康普顿效应 γ 光子与原子的核外电子发生非弹性散射的过程称为康普顿效应，在此过程中 γ 光子的一部 分 能量转移给电子，使之脱离原子，散射光子的能量和运 动 方向都发生变化。 康普顿效应与光电效应不同，光电效应中， γ光子本身消失，能量完全转移给电子，主要发生在原子核的内层电子，而康普顿效应总是发生在外层电子，且光子只是失去一部分能量。 散射光子能量 rE， 的计算公式为：  ,2 0/ 1 / 1 c o sE r E r E r m c    (24) 其中  为散射光子的散射角。 康普顿散射截面当 20Er mc 时与原子序数 Z 成正比，与入射光子能量 Er 无关；当0 2Er mc时截面与原子序数 Z 成正比而近似地与 Er 成反比。 电子对效应 据能量守恒定律，只有 20r2mEc即 MeV 时才能发生光电效应，入射光子的内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 能量除一部分转变为正、负电子对的静止能量（小于 ）外，其余的作为它们的动能。 在电子 对 运动 过程中产生的正电子与负电子一样在物质中通过电离损失和辐射损失消耗动能被慢化，最后一个正电子与吸收体中的电子相互作用转化为能量相同、方向相反的两个 γ 光子，这一过程称为电子 对湮没。 电子对效应截面 σ p 与光子能量 Er 的关系： 当 Er 稍大于 2 20mc 时， 2p Z Er  (25) 当0 22Er mc时 ， 2 lnp Z Er  (26) 由以上可以得出 ： 1) 对于低能 γ 射线和高 Z 的吸收物质，光电效应占优势 ； 2) 对于中能 γ 射线和低 Z 的吸收物质，康普顿散射占优势 ； 3) 对于高能 γ 射线和高 Z 的吸收物质，电子对效应占优势。  射线测厚仪 γ 射线测厚仪按照测量的方法可以分成两类：其中一类是透射式γ射线测厚仪，另一类是散射式 γ 射线测厚仪。 透射式  射线测厚仪 透射式 γ 射线测厚仪是直接测量射线穿透物质后强 度变化的仪表。 其特点是放射源和探测器分别置于被测物体的两侧。 由于物质的吸收射线穿透物质后强度要降低，降低的程度与物体的厚度、密度及成分有关。 因此，在其中一个因素发生改变而其他条件不变时，探测器测得的射线强度便仅和变化的因素有关，可用于测量与之有关的参数。 透射式厚度计应用十分广泛，可以无接触、迅速、精确、连续的自动检测和控制纸内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 张、塑料、各种金属板材、电影胶片或其他板状材料的厚度。 散射式  射线测厚仪 散射式 γ 射线测厚仪是测量被物质散射或反射的射线强度的仪表。 其特点 是放射源和探测器置于被测物体的同一侧。 由于射入物质的射线与被测物体的相互作用，其中一部分射线被散射。 射入探测器的射线强度与放射源至被测物体的距离以及被测物体的成分、密度、厚度、表面状态等因素有关。 与透射式 γ 射线测厚仪一样，在其 它 条件不变的情况下，只改变其中一个参数时，测得的反散射射线强度就仅随着这个参数变化了。 散射式 γ 射线测厚仪主要用于透射式 γ 射线测厚仪不能运用的场合，例如，被测材料很宽、很大、很厚或另一侧不可能安装仪表或者不易接近的情况下。 散射式 γ 射线测厚仪也具有非破坏、无接触的特点。 但比起透射式 γ 射线 测厚仪，在同样的放射源强度及探测器情况下，信号要小一至两个信号级，同时对几何位置更加敏感，同样精度要求下比透射式 γ 射线测厚仪更难达到要求。 上述分别对两种类型的 γ 射线测厚仪进行了介绍，通过比较 本 设计 采 用透射式 γ 射线测厚仪。 透射式  射线测厚仪的组成 本 设计 是基于 γ 射线的管材壁厚连续测量系统，所以需要先设计一个 γ 射线测厚仪。 根据本 设计 的要求，设计出透 射式 γ 射线测厚仪的基本结构如下图 所示： 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 探测器待测物γ放射源d信号处理部分 图 透射式γ射线测厚仪结构图 透射式 γ 射线测厚仪的组成包括：放射源、探测器和信号处理这三大部分。 放射源 产生射线的装置或物质叫放射源。 γ 射线与 α、 β射线相比较，穿透力最强，它常用于对较硬的物质诸如钢、铝、塑料等材料的厚度测量。 目前在国内外使用的几种 γ 射线源有 137Cs（铯 137）、 60Co（钴 60）、 241Am（镅 241）等几种放射性同位素。 探测器 探 测器可分为两类： ① 计数器。 有 电离 室、正比计数器 、盖革 米勒计数器 、闪烁计数器、切伦科夫计数器、半导体探测器等。 它的目的主要是用来记录粒子的数目。 一般要求计数器具有一定的时间 分辨率 ，即先后两个粒子射入计数器可分辨的时间。 通常计数器常与定标电路和符合电路联合使用。 定标电路是一种将 脉冲 计数进制的电路，通过计数器与定标电路的联用，可对粒子快速计数 ；符合电路是将两个或两个以上的计数管同电子线路配合而成，它可以专门只记录那些使计数管协同动作的粒子，而对于只使一个计数管动作的粒子不作反应，从而记录所需寻找的 粒子。 ② 径迹探测器。 有云室、气泡室、流光室、火花室、多丝正比室、 核乳胶 等。 它可内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 以显示粒子穿行的径迹。 径迹探测器配以适当的 磁场 ，可根据径迹的长短、粗细、弯曲的方向和弯曲的 曲率 半径推测出粒子的 电荷 、质量和能量。 透射式  射线测厚仪的工作原理 射线在通过物质时，由于光电效应、康普顿效应、电子对效应的作用而被吸收。 然而 γ 射线在通过物质时，只是强度逐渐减弱，没有与物质发生过相互作用的 γ 光子穿过吸收层时其能量保持不变，因此没有射程的概念。 γ 射线通过物质后强度的变化是按指数 衰减的关系式： 0 uxI Ie (27) 0I —— γ 射线入射被测物质前的射线强度； I —— γ 射线入射被测物质后的射线强度； x—— 被测物质的厚度； u—— 被测物质的吸收系数； e—— 自然对数底数； 在上式中吸收系数是光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用之总和，若分别考虑每种作用的影响则总吸收系数 u 可以用下式表达： ph c pu u u u   (28) phu —— 光电吸收系数； cu —— 康普顿吸收系数； pu —— 电子对吸收系数； 探测器测得的射线强度 I 与吸收体厚度 x 的关系为： * * *0 0 0i i iu p x u xuxI I e I e I e   (29) iu —— 被测材料对射线的质量吸收系数； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） ix —— 被测材料的质量厚度； p —— 被测材料的密度； 经过简单的推导可以得到： 0 /ln *iIIx up (210) 对一定材料即可以确定 iu 和 p ，只要测得 0I 和 I 即可以计算出材料的厚度 x ，这就是透射式 γ 射线测厚仪的基本原理。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 基于  射线连续测厚系统的硬件设计 硬件基本结 构 透射式 γ 射线连续测厚系统的基本硬件方框图如下图 所示： 电流离室信号放大电路PC。