低能X射線替代55Fe測厚的研究

1、低能X射線替代55Fe測厚的研究*X射線/低能/55Fe/測厚1  引言放射源在塑料薄膜、無紡布等材料的厚度在線測量和紙張灰份測量中有廣泛的應(yīng)用,它具有不與被測物體接觸、可進(jìn)行無損測量、可在惡劣條件下監(jiān)測等優(yōu)點,但作為同位素儀表的一種,放射源本身存在輻射防護(hù)安全措施復(fù)雜、使用壽命短(受半衰期影響)和維修維護(hù)成本高等放射性同位素應(yīng)用所面臨的共有弊端1。本工作旨在利用低能X射線裝置替代放射源研制一款新型測厚儀,較傳統(tǒng)測厚儀具有:射線可控、防護(hù)簡單、無半衰期、能量范圍可調(diào)、測量精度高、使用壽命長、維護(hù)簡單等優(yōu)點。2  X射線與55Fe測厚對比分析X射線測厚原理與射線類似,是根據(jù)射

2、線穿過被測物質(zhì)后,射線的衰減與被測物的厚度呈現(xiàn)一定關(guān)系的原理而設(shè)計。射線的衰減幅度與被測物的厚度呈冪指數(shù)關(guān)系。其數(shù)學(xué)表達(dá)式2為:由于質(zhì)量吸收系數(shù)對一定的放射源和被測物來說,它近似為一常數(shù)。因此當(dāng)被測物的質(zhì)量厚度發(fā)生變化時,會引起射線強(qiáng)度的變化,通過測得射線強(qiáng)度的變化便能得出的變化,即雖然X射線與射線在測量原理上十分相似,但在具體應(yīng)用中依然存在一定差別,如使用壽命、防護(hù)措施、操作性和穩(wěn)定性等方面。如下表1所示。 從以上分析可以看出,X射線在測量原理、射線能量等方面完全具備替代放射源的條件,且X射線易于控制,可操作性強(qiáng),不受半衰期的影響,在測量精度方面也略優(yōu)于放射源,價格與放射源相比也相對便宜,在

3、購買和運輸方面也省去了繁瑣的審批過程,目前已經(jīng)廣泛被各行業(yè)所接受。3  X射線裝置的實現(xiàn)低能X射線測厚儀由X射線管、X射線管電源、能譜準(zhǔn)直及硬化裝置、射線探測器和采集控制單元等五部分組成3。整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 3.1  X射線管目前市場上各類的X射線管很多,根據(jù)放射源的能量為5.96KeV,且其測量對象包括紙張、塑料薄膜、無紡布等多種材料,因此,將X射線能量范圍確定在310KeV。又因為能量范圍可調(diào),所以要求X射線光譜為連續(xù)譜,確定燈絲靶材均為鎢元素?？紤]到裝置的應(yīng)用場合,選用無鈹?shù)拇翱?X射線直接通過玻璃封裝發(fā)射出去。3.2  X光管電源及燈絲電源X

4、光管電源的作用是在射線管的陰、陽極之間形成足夠的電勢差,使燈絲發(fā)射出的電子束有足夠的能量打到靶上,產(chǎn)生X射線。通過外部供給直流24V電壓轉(zhuǎn)換成可調(diào)的010KV高壓。為保證的X射線穩(wěn)定性,必須要有一個高精度的燈絲電源調(diào)節(jié)電路,以穩(wěn)定電子束的大小。X射線的發(fā)生主要由管電壓和管電流決定的,與管電壓的立方或平方及管電流成正比。若換算到厚度上,對于管電壓的波動來說要增大410倍,對于管電流的波動要增大14倍。所以要求X射線電源有很高的穩(wěn)定性。在高壓調(diào)節(jié)電路中,采用以下方法保證精度:(1)  把加到X射線管上的電壓整流成直流,檢測并控制此電壓,采用高壓測反饋,從而達(dá)到高穩(wěn)定度;(2) 

5、 高壓電壓,高壓電流,燈絲電流可以通過可變電阻實現(xiàn)無級調(diào)整,使射線管可以根據(jù)實際的要求來調(diào)整工作環(huán)境,可以延長射線管壽命和保證測量精度;(3)  高壓變壓的初級采用高頻激勵,使控制高速化和外型小巧化;(4)  采用高穩(wěn)定度的電壓檢測電阻及低漂移運算放大器。3.3  X射線能譜硬化裝置連續(xù)能譜的X射線透過不同厚度的吸收物質(zhì)時,隨著吸收物質(zhì)厚度的增加,不但X射線的總強(qiáng)度會減小,而且平均波長向短的方向移動,也就是高能粒子所占的比例將加大,這是由于低能粒子容易被吸收的緣故。本文所使用的X射線管產(chǎn)生的X射線并不是單能X射線,而是寬能譜的連續(xù)X射線,因此需要考慮能譜的硬化。通

6、過對不同物質(zhì)的吸收實驗,在X射線管發(fā)射窗口前加上不同厚度的低能濾片和準(zhǔn)直柵以達(dá)到X能譜的硬化處理。3.4  射線探測器X射線測厚通常采用氣體電離室作為射線探測器,它具有靈敏度較高、性能可靠和工作壽命長等優(yōu)點,適合在線測量的要求。但傳統(tǒng)的電離室大都采用膠粘密封的方式,在現(xiàn)場環(huán)境惡劣的情況下極易破損漏氣。本文采用高性能焊封電離室,采用全新密封工藝,具有耐高溫抗腐蝕的特性,比傳統(tǒng)膠粘電離室性能更好、壽命更長,更能適應(yīng)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。3.5  采集控制單元該部分主要實現(xiàn)對氣體電離室探測到的X射線信號進(jìn)行放大整形處理,同時對X射線電源進(jìn)行接通和斷開控制。從上述測量原理的分析可以看出,

7、對射線強(qiáng)度變化的準(zhǔn)確測量是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。與55Fe放射源測量相比,X射線方式測量需要更多的考慮高壓防護(hù)和抗干擾。因此,在X射線測量方式的輸出信號采集放大處理上,增加了必要的防護(hù)、隔離和濾波措施。信號的采集放大電路如圖2所示。在圖2中,放大器U1選用高輸入阻抗、高增益、低偏置電流和低漂移的放大器,采用正負(fù)電源供電,在電源的輸入端分別采用多種濾波措施防止干擾的串入。由于探測器的輸出信號一般為A、nA級信號,因此,采集的信號需經(jīng)屏蔽線直接引至放大器輸入端,以防止其他噪聲等的干擾。另外,電路中的反饋電阻R3應(yīng)選用精度高、溫漂低的電阻,阻值的大小應(yīng)根據(jù)輸入信號的范圍確定,在實際應(yīng)用中其阻值一般選在幾百

8、兆歐為宜,過大或過小對信號的測量都存在影響。積分電容C11與反饋電阻并聯(lián),起到抑制瞬間電磁干擾的作用,考慮到在線測量的需要,該電容容值也不宜選擇過大。4  實驗結(jié)果分析本文采用XH9450型X射線管、焊封電離室進(jìn)行實驗分析,X射線管的最大工作電壓為25kV,管電流1.0mA,燈絲2.53V(1.7A);焦點尺寸:0.6×0.6mm。實驗首先對X射線管的特性做了測試,分別對不同的X射線管電流進(jìn)行實驗,測量X射線管的電壓隨X射線經(jīng)焊封電離室產(chǎn)生電流的關(guān)系,圖3為管電流為0.5mA和1mA情況下測得的電壓與電流曲線圖。從圖中我們可以看出,X射線管電流為1mA時,電離室輸出電流的分

9、辨率明顯優(yōu)于0.5mA。因此,在實際應(yīng)用中將X射線管電流調(diào)為1mA。在選定X射線管的工作電流后,對采用X射線的測厚儀與放射源測厚儀的進(jìn)行24小時連續(xù)測量對比,圖4為X射線測厚儀與測厚儀數(shù)據(jù)對比圖。被測物選用的是標(biāo)稱厚度為80m的薄膜,測量數(shù)據(jù)每分鐘采集一次。從圖中我們可以看出,兩組曲線在整體的變化趨勢上基本相同,但將所得數(shù)據(jù)通過Origin軟件分析得出,X射線測厚所得最大平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.00293,放射源測厚的最大平均標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.00383,即在相同條件下X射線測厚的效果略好于放射源測厚。5  結(jié)束語X射線替代放射源的測厚儀,在儀器的性能指標(biāo)上還要略優(yōu)于,而且不需要像使用放射源那樣辦理繁瑣的