（检测技术与自动化装置专业论文）气力输送管道中煤粉浓度测量方法研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 删舢删| j f f 舢舢脚m f f f 栅 y 1 7 , , , r n 9 , i l l l l 6 f ip l i l 3 lj i l l l 5 r fr l i l 4 l l l l j j 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文气力输送管道中煤粉浓度测量方 法研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：立陆日 期：燃 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 日期： 日 期： z 班一二- 竹 华北电力大学硕士学位论文 _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 摘要 火力发电厂气力输送管道中的煤粉浓度测量对于锅炉运行的安全性、经济性和 可靠性具有至关重要的作用。煤粉与一次风的混合物属于典型的气固两相流，其相 关参数的检测难度很大。本文提出了一种基于y 射线吸收法的煤粉浓度测量方案， 将y 射线源布置在传感器管段的管壁上，y 光经准直器以1 8 0 。平面出射穿透输送 煤粉的管道，由布置在管壁外的环形探测器阵列测得衰减后的y 光强度，进而推算 出管道内对应煤粉的体积浓度。设计了实验方案并进行验证性实验，证明了该方案 的可行性及准确性。 关键词：风粉两相流，体积浓度，y 射线吸收法 a b s t r a c t i nt h e r m a lp o w e r p l a n t ，t h em e a s u r e m e n to ft h ec o a lp o w d e ri nt h ep r i m a r ya i r p i p e l i n ei si m p o r t a n tt ot h es a f e t y , e c o n o m i c a le f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ep o w e r b o i l e rc o m b u s t i o n t h em i x t u r eo fc o a lp o w d e ra n d p r i m a r ya i rb e l o n g st ot y p i c a l g a s s o l i dt w o p h a s ef l o w , w h o s ep a r a m e t e ri sd i f f i c u l tt od e t e c t t h ep a p e rp r o v i d e sa m e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do n 丫- r a ya b s o r p t i o nla w t h e 丫p o i n ts o u r c ew a su s e da n d f i x e da tt h es h e l lo fp i p eo fs e n s o rd e v i c e ；b yc o l l i m a t i n gd e v i c e ，t h eo u t g o i n gb e a mo f t h e 丫r a y sw a sa s s u m e da tt h ep l a n e3 6 0 。t h r o u g ht h ep i p ew h i c hi s c o n v e y i n gc o a l p o w d e r t h es t r e n g t ho f 丫r a y si sm e a s u r e db yr i n gt y p ed e t e c t o r sa r r a yw h i c hi s d i s t r i b u t e do u t s i d eo fs h e l lo fp i p e a f t e r w a r dt h ev o l u m ec o n c e n t r a t i o no fc o a lp o w d e r c o u l db ec a l c u l a t e d t h ep r o v i n ge x p e r i m e n ti s d e s i g n e da n dc a r r i e do u t ，i tt e s t if i e dt h e f e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h i sm e a s u r e m e n tm e t h o d s h ie r g u a n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t ) d i r e c t e db yp r o f d u a nq u a n s h e n g k e yw o r d s ：g a s - s o l i d t w o - p h a s ef l o w , v o l u m ec o n c e n t r a t i o n ，7 - r a y a b s o r p t i o nl a w i j l 1 4 本课题的主要研究工作1 0 第二章y 射线检测技术理论基础及测量原理1 1 2 1y 射线的物理性质及常用y 射线源1 l 2 2y 射线与物质的相互作用1 2 2 3y 射线检测物质浓度的基本原理1 4 2 3 1 窄束、单色y 射线的概念1 4 2 3 2y 射线吸收法测量原理1 5 2 3 3y 射线探测器16 第三章基于y 射线吸收法的煤粉浓度测量系统设计2 l 3 1 概j 苤2 1 3 2y 射线测量装置的基本硬件结构2 1 3 2 1 传感器管段的材料与制作2 4 3 2 2 丫放射源的选取及活度计算一2 4 3 2 3y 射线探测器阵列的设计2 6 3 3 测量过程及浓度计算一2 6 3 4 等效弦长的确定2 7 第四章测量方案的验证实验2 9 4 1 实验方案的确定2 9 4 2 不同煤种的线性吸收系数的测量2 9 4 3 煤粉体积浓度测量实验3 0 4 3 1 测量方案的f 确性验证实验3 2 4 3 2 测量方案的可靠性与稳定性验证实验3 3 4 4 流型及相分布变化对测量结果的影响的实验3 3 4 5 实验总结与分析3 4 第五章总结与展望3 5 5 1 研究工作总结：3 5 5 2 展望3 6 参考文献一3 7 l v 1 1 2 4 华北电力大学硕士学位论文 致 射3 9 在学期间发表学术论文和参加科研情况4 0 v 华北电力人学硕十学位论文 1 1 研究背景 第一章引言 相的概念通常是指具有相同成分和相同性质并均匀存在的物质形态，若在一个 流动系统中存在两种物质的相态，则该系统为两相流，其形式有气固、气液、液 固及互不相溶的液液等各类混合物。若属于两相流动，必须满足两个条件：一是必 须存在相的界面；二是相界面必须是运动的。两相流中气体或液体属于连续介质， 因此又被成为连续相，固相颗粒、液滴、气泡属于离散介质，因此被称为离散相。 气固两相流包括气相和固相两种流体，这两相物质的性质不同但在流动过程中相互 影响，是工业应用中常见的类型之一。 两相流的测量都有很强的工程应用背景，在很多工业领域的生产过程中，都需 要对两相流体的质量流量进行在线监控，以实现过程控制的精确化，这对生产领域 的节能与提高能源利用率也具有极其重要的意义。 两相流系统遍布于工业生产过程，如化工、冶金、能源、环保等领域，煤粉输 送、原油开采、污水排放、浆料输送、粉尘测量、气力输送等生产过程测试均属于 多相流体的测量问题。多相流在工业生产过程中大多以两相流形式出现，目前，两 相流的测量主要围绕相分布、连续相流速、离散相流速、离散相浓度、质量流量等 生产过程参数进行，这些参数的在线测量对生产过程的计量管理、控制和运行的可 靠性具有重要意义。 气固两相流体动力学特性极其复杂，具体表现为：气固两相之间的界面是不确 定的：流动形态多样并且变化迅速，因此无法针对气固两相流建立精确的数学模型。 气固两相流的测量迄今为止在国际上都未得到圆满的解决，因此它成为国内外科技 工作者争相探索的热点课题。两相流系统在工业中的应用广泛，因此对两相流工业 生产过程的计量、节能与控制提出了更高的要求。目前两相流参数检测技术的发展 水平远远不能满足工业发展的要求，发展两相流检测技术是现代工业发展的迫切要 求，研究两相流检测技术对国民经济的发展具有重要意义。 我国的大中型电厂锅炉大多数都是煤粉锅炉。对于燃煤电厂的锅炉，气力输送 管道中的风粉工况对锅炉燃烧的稳定性、安全性、经济性有非常重要的决定性作用。 燃煤火力发电厂中，大型燃煤锅炉大多采用多层四角直流喷射切圆燃烧技术， 假如各层、各角的煤粉浓度差异太大，分布不均匀，则会引起炉膛火焰中心的偏斜、 局部水冷壁超温、结焦的现象，形成安全隐患。假如气力输送管道中煤粉浓度过高 同时风速过低，将引起煤粉着火点离喷嘴出口太近而导致喷嘴烧坏，严重时还会导 华北电力大学硕士学位论文 致送粉管道堵塞、粉管起火等事故，给电厂安全生产和经济运行造成重大影响。因 此，控制各气力输送管道内的煤粉浓度及输粉速度的均匀性，对锅炉的安全运行并 且实现高效低污染运行具有十分重要的意义；如果不能够可靠准确的测量气力输送 管道中煤粉浓度，就无法保证锅炉的热效率，不能优化调整锅炉燃烧，达不到减少 氮氧化物等污染物的排放，实现不了高效低污染运行的目的；此外，当前我国能源 格局的变化要求电厂承担调峰任务。因此，这些燃煤电厂的机组必须满足负荷循环中 良好的动态条件。对于燃烧煤粉的锅炉，为了控制好磨煤机出口煤量，其内部控制旁 路通道必须有快速动态反应的良好性能，并保证煤粉流量值能很好地接近理想值， 只有通过合理测量每个磨煤机煤粉的浓度及质量，才能达到这个要求【l 】。 在这样的背景下，准确地测量煤粉输送管道中风粉两相流的煤粉浓度成为研究 电站锅炉的重要课题之一。 气力输送管道中，空气一煤粉混合物的流动是典型的气固两相流，其固有的复 杂性使得测量技术面临着不少的难题，这些问题主要表现在： 一、固相浓度沿管道截面和管道长度的分布并不均匀，因此，要知道某个时刻 某个截面或者整个流场浓度分布的话就须使用一定的测量技术与仪器，单一传感器 不能给出固相浓度分布的准确测量结果。 二、气固两相流不仅流型多样，而且多种流型会同时存在或互相转化，且不同 流型之间的转化无明显过渡，这就增加了气固两相流的测量难度。 三、侵入式测量会干扰流场，引起测量偏差，并且接触式测量元件容易发生堵 塞及磨损，妨碍仪器正常工作，减少仪器使用寿命。 目前，在锅炉的运行中，只有热平衡法应用于煤粉浓度测量，这种方法没有足 够的准确性。其它方法尚处于研究阶段，并且不能满足工程测量的可靠性、准确性、 长期稳定性要求。因此在不能准确测量煤粉浓度的情况下，电厂锅炉一般是通过对 风机开度和给粉机转速的调节，来调整进入炉膛燃烧的煤量，然而由于给粉机转速 与给粉量之问的非线性，往往导致燃烧调整中炉内空气动力场组织不好、燃烧不稳 定、局部结焦、燃烧效率低下等恶劣工况，直接导致发电煤耗增加。若能实现对一 次风风速和煤粉浓度的在线监测，及时准确的判断锅炉燃烧状况，协调二次风量， 则可以达到优化燃烧过程，提高锅炉效率，达到节约能源的目的【2 】。 1 2 气固两相流中的主要参数 描述气固两相流的特征参数除了与单相流相同的流速、温度、压力等参数之外， 还有其它特殊的参数，如流型、相含率等等【3 1 。 流型 流型是两相流的基本特征参数之一，它表征的是在流动过程中两相物质的界面 和传质性能。 图1 - 1 气力输送管道中町能出现的流型 事实上，两相流的流动状态几乎有无穷多，除了图1 1 所列的几种典型的流型 外，还有许多可能的流动形态。对这些形态的分类在很大程度上带有主观成分，对 于某些典型流型的定义也没有完全统一，甚至同一各种的流型在定义上也不一致。 相含率 在气固两相流中，某相流的体积占两相流总体积的比例称为该相的相含率。例 如在某气固两相流中，固相的体积相含率可定义如下： 截取流管中容积为v 的一段管道，其中固相所占体积为v s ，气相所占体积为 v g ，则固相的体积相含率为： 屈广告 若固相的密度为风，气相的密度为纯，则固相的质量相含率可定义为： 肛老 一正匾麓噩隧函鬻 华北电力人学硕+ 学位论文 流量 单位时间内通过管道截面的流体总量称为流量，根据采用的单位不同，流量分 为体积流量和质量流量。多相流流量测量的目的是为了获得各单相的体积流量或质 量流量。 除上述基本参数外，压力降、温度、传热系数、传质系数、多相流中的气泡、 液滴、颗粒的大小、分布及相互作用等也都是描述多相流的特征参数。 1 3 国内外研究动态 目前，气力输送管道中的煤粉流量测量方法可以分为两大类；即直接测量法与 间接测量法。 直接测量法是直接感应管道中的固体，确定其固体流量，如电容层析成像法、 相关法、激光法、微波法、光电检测法、超声波法等。 间接测量法的测量原理大多基于能量守恒定律、连续性方程、动量定理等，并 在一定假设基础上进行简化，建立相应数学模型，实际工程中，通常以风粉混合物 中煤粉的质量分数来反映煤粉的浓度，主要有压差法，热平衡法、以及动量法等【4 】。 电容层析成像 电容层析成像( e c t ) 技术【5 】是利用一组电极从外部环绕被测区域，利用被测区域 内物质分布而导致的各电极之间的电容关系，并由测得的电容值重现被测区域内的 物质分布。 传感电屏蔽罩 图1 2 电容传感器结构图 图1 2 是一个圆形8 电极电容层析传感器示意图。其中框架包围着被测区域， 由仪器巡回测量各个电极板之间的电容。电容法测量煤粉浓度的基本原理是当电容 传感器的结构参数固定时，传感器的输出电容c 与管道内介质的相对介电常数e 成 正比，而相对介电常数e 又和颗粒的浓度有关。所以通过测量电容的变化就可以得 到相应的浓度。 由于物质分布的变化导致测量区域内电势分布的变化，进而导致各个测量电极 之间电容信号的相应变化。通过数学的方法，可以将此信号的变化反推出物质的分 布情况。最终得出煤粉的浓度。同时，利用信号相关法可以测量出煤粉的流速，结 4 华北电力人学硕十学位论文 合e c t 方法测出的煤粉浓度，可计算出煤粉的流量【6 1 。原理图1 3 如下： l 电容i i 传感器1i 流 图1 3 电容法测量煤粉流量原理图 电容法相对于其他测量技术的优点在于可以检测出煤粉的相分布，而且不会对 流场产生干扰，不受固体浓度、加速度、透明度的限制，是一种非侵入式、快速测 量技术。但它在实际应用中存在许多问题：实际的风粉流动过程中，检测场内固相 颗粒分布不均匀，流型变化很快；电容传感器有检测场灵敏度分布不均匀性问题， 电容测量的灵敏度分布易受被测煤粉浓度分布不均匀的影响，即存在所谓的“软场” 特性问题，使得测量结果不仅与煤粉浓度有关，而且受煤粉颗粒分布及流型变化的 影响很大，测量误差较大；煤粉浓度的变化而引起的电容量的变化十分微小，若使 电容传感器具有很高的检测分辨率，传感器必须具有较强的抗杂散电容的能力；上 述原因使得电容传感器在煤粉浓度测量中的应用受到限制，现场应用的难度较大， 因此对于这种方法的研究仍处于实验室阶段，至今也未见有成熟的产品在工业上应 用，所以电容法有待进一步完善。 热平衡法 目前，在火力发电厂特别是中间储仓式热风送粉锅炉多采用热平衡法计算煤粉 浓度。热平衡法是依据能量守恒原理，认为煤粉混合器的热风的热量与煤粉的热量 之和等于流出煤粉混合器的风粉混合物的总热量。利用空气和煤粉的比热及二者在 混合前后的温度值等参数建立煤粉浓度的模型【7 】。 热平衡法的应用前提是假设混合后煤粉颗粒与热风温度相同、煤粉的比热不受 其成分变化的影响、忽略散热的影响。实际上根据传热学的理论，煤粉颗粒温度与 气流温度达到基本一致需要较长的换热时问，颗粒表面与气流通过对流换热，颗粒 内部温度的升高要依靠颗粒自身的传导作用。而且因为颗粒的大小不同，其流动与 换热的情况也有很大差别，大颗粒的比表面积小，温度变化较为缓慢。另一方面， 混合后的热风温度在混合点后一段管长范围内是不断降低的，之后逐步趋于稳定， 因此所测温度将受到颗粒的影响。而且在电厂的生产过程中，煤质难免会发生一些 变化，如灰粉、水分等受运输、堆放、天气等条件的影响会产生波动。这些变化将 华北电力大学硕士学位论文 影响到煤粉的比热。应用热平衡法测量煤粉浓度时，将煤粉的比热考虑为固定的经 验值，这将会影响到测量的精度。混合后混合物的温度均匀一致，并且在一定范围 内，煤粉的比热不受其成分变化影响，实际情况则很难达到这种要求，对热平衡测 量结果有很大影响。而且此种方法应用面比较狭窄，不大适用于直吹式制粉系统。 文丘里管法 文f i z _ 里( v e n t u r i ) 管测量气固两相流属于差压式测量技术【8 1 。其基本原理如图1 4 所示： 图1 4 文丘里管差压测量原理图 设文丘晕管入口到喉部的差压为ap l ，喉部到出口的差压的绝对值为ap 2 ，下 标m 、g 分别表示混合物和气体，则有： a p l m ：4 + 最z ( 1 - 1 ) 塑：- 乞i - i i - 垦l jz a 一= 。 p 2 9 2 ( 1 2 ) a p l g ：k ( 1 3 ) z ：竺二a ：! ( 竺a p 型l m )( 1 - 4 ) b 。l ( 卸a p 2 l m 磊 一k b t a p l g = 篇 ( 1 - 5 ) 6 华北电力人学硕+ 学位论文 于是，固体颗粒的质量流量为： k a 一a ，f a p l m 1 卟g g z 琊。厮础 7 ) t a p 2 m ) 通过实验测定a i 、b l 、a 2 、b 2 的值，就可以由差压信号来测量固体质量流量。 文丘里流量计对流动的干扰非常敏感，对应用条件要求较为苛刻，应用于工业 现场还需作进一步的研究。 微波法 在输粉管道装接一段测量管，沿煤粉流动方向按一定角度( 大于9 0 度) 对应倾斜 布置微波发生器和微波接收器。微波在波导管内传播，由于气固两相流的存在，微波 在测量管内与煤粉管颗粒碰撞时会引起波束衰减。通过测量其衰减值即可反应煤粉 的浓度，从而获得正确的固相浓度值【9 1 。 本方法设备安装精度要求高，管内不可避免地存在死区，测量装置处于研制阶 段，暂时还无法推广使用。 超声波法 超声波法是利用超声波在不同固相浓度条件下具有不同的衰减程度来完成的。 在输送煤粉管道的两个对应表面上装设超声波传感器，第一对传感器用来测定超声 波脉冲沿两个方向( 与计算流速的流向约成4 5 度) 的传输时间，平装的第二对传感器 用来测定垂直于流向传输的超声波衰减。最终可从测量煤粉的流速和浓度推导出煤 粉的质量流量【1 0 】。超声波衰减受空气紊流和煤粉浓度两者影响。为了测量煤粉的浓 度，需要对紊流效应进行校j 下。在实际测量中，可用p 射线透射计予以校正。由于 传感器价格低廉，可靠置多对传感器而取其平均值。 超生波测量的缺点是在两相流在低速时的灵敏度较差。 激光法 激光法测量原理为激光通过煤粉和空气混合流动体系时，将同时受到空气分子 和煤粉粒子的散射与吸收。对于煤粉这种特殊颗粒，其吸收率近似于黑体，它们对 光波衰减相当强，其等效直径要比气体分子直径大若干数量级，而空气分子的散射 和吸收作用相对而言可忽略不计。因此，测量激光穿过煤粉管道的透过率，即可测 得煤粉相应的浓度。激光法比较容易受工作环境及设备造价等因素影响，而且激光 探头容易被煤粉污染，并且因为磨损程度较高造成传感器使用寿命有限。 管路压降法 压降法是根据两相流压降与颗粒浓度具有确定的线性关系，先测量压降，再计 算出浓度值的方法】。根据两相流理论，两相流压降a p t 由纯空气流动阻力a p 。与 输送颗粒的附加流动阻力a p d 组成： 华北电力大学硕士学位论文 a p t 2 a p f a + a p f p + a p j a + a p j p = a p f + a p j ( 1 - 8 ) 其中，a p f a 和p f p 分别为p 。和p p 的沿程阻力损失；a p j 。和p j p 分别为 p a 和p p 的空气局部损失( 其他形式的损失由于极其微小忽略不计) ，则有： a p f = 九五l 了p a “：+ 旯p 五l 了p p “，2 = 丸吉譬c t + 乏乞2 = 屯石l 了p a “沁0 “) ( 1 - 9 ) p j = 考4 i p au 2 。坞鼍弘2 p 2 六譬以2 - + 妻鲁专2 ， = 六譬“：( 1 + 七“) ( 1 1 0 ) 式中，入。、入p 空气和颗粒引起的沿程摩擦系数 毛。、毛p - - - 空气和颗粒引起的局部摩擦系数 p 。、pp 空气密度和颗粒的视在密度( k g m 3 ) u 。、u p - - - 空气和颗粒的平均流动速度( m s ) l 、d 管道的长度和内径( m ) 对于稀相流，颗粒浓度( 固气质量流量比) ： “：p ，u p a ：生生= c p 生 p a u 。a岛u 。岛 ( 1 11 ) 式中，a 管道流通截面积 则两相流总压降可表示： 卸r = 无去譬“：( 1 r + 删+ 色譬“：( 1 + 七 = f 冬“：( 1 + 妇) ( 1 1 2 ) 式中，毛纯空气产生的总阻力系数 孝= 九云+ 六 1 - 13 ) 浓度修正系数： ( 1 1 4 ) k 值是固定的。 ，则由式( 1 1 2 ) ( 1 15 ) ( 1 1 6 ) 由标定试验事先确定毛1 、毛2 和k l 、k 2 ，测量出a p t l 和x p r 2 ，联系方程( 1 1 5 ) 和( 1 1 6 ) ，即可求出u ( 固气质量流量比) 值。 静电法 煤粉颗粒随气流在管道内移动时，由于颗粒与管壁间的碰撞、摩擦、分离时， 引起电荷的转移，导致颗粒和输送管道上积累大量的静电荷。颗粒荷电包含了颗粒 速度、浓度及颗粒尺寸等大量信息，因此，可以通过静电传感器测量出颗粒静电量 以获得煤粉浓度信息【陀】。 静电传感器分为两部分：接口电路和内置式探头，探头由若干电极组成。用于 速度测量及浓度测量，两者结合给出颗粒质量流量。 带电颗粒分布在管道内时，由于静电感应将在坏状电极上产生感应电荷q ，由 探头测量出来。而感应电量可以看作是管道内不同局部区域内颗粒“净电荷”在电 极上感应电荷的叠加，则用数学积分公式可以推算出感应电量。 静电传感器的接口电路将探头所测得的感应电荷信号转化为电压输出，可见电 压输出信号就是电极上感应电量的变化，对这个信号加以适当的信息处理方法，即 可实现颗粒流动参数测量。 该方法在测量煤粉浓度时，由于颗粒静电化的影响因素非常多，所以很难建立 颗粒浓度和静电流信号之间的模型，因此，静电传感器上电荷的变化仅可以作为颗 粒浓度和颗粒流量的一种相对指示，基于颗粒荷电理论的流量计往往用于定性的比 较分析。 在上述各种煤粉浓度的测量方法中，光学( 激光、微波) 方法在国外己有工业应 用，而在国内基本只应用了热平衡法。气力输送管道中煤粉浓度的测量问题是关系 到锅炉设备安全运行和精确控制以提高设备安全性、经济性的重要环节，其本身又 是复杂的气固两相流问题，无论是在理论上还是实践中都值得进一步研究与完善， 为煤粉燃烧技术的应用和改进提供可靠的依据，使锅炉参数的测量控制水平不断向 9 华北电力大学硕+ 学位论文 现代化、自动化迈进。 1 4 本课题的主要研究工作 本论文提出利用y 射线吸收法原理测量气力输送管道中煤粉的浓度，主要的研 究工作包括以下几个方面。 l 、从核物理学原理出发，阐述基于y 射线吸收法的测量煤粉体积浓度方案的 理论基础与测量原理。 2 、提出基于y 射线吸收法的煤粉浓度测量方案，鉴于该方案的特殊性，重点 对装置本体的硬件结构进行说明。 3 、根据现有的实验设备，设计出合理可行的实验方案，对所提出的测量系统 进行验证性实验，实验完成后进行数据分析并总结，并证明该测量方案的可行性、 有效性及准确性。 l o 华北电力人学硕十学位论文 第二章y 射线检测技术理论基础及测量原理 2 1y 射线的物理性质及常用y 射线源 y 射线是原子核从能量较高的状态( 激发态) 过渡到能量较低的状态( 基态) 时所发出的电磁辐射，y 射线的发射对原子核的原子序数和质量没有影响。y 射线 通常是c 1 衰变或1 3 衰变的产物【13 1 。 y 射线的波长较短，为1 0 一1 0 1 1 c m ，它具有以下性质： ( 1 ) 在空中以光速直线传播，且在传播过程中不受电场和磁场的影响； ( 2 ) y 射线能够穿透可见光不能穿透的物质，在穿透物质过程中，会与物质发生 复杂的物理作用，例如光电效应，康普顿效应，电子对效应等等。 由于y 辐射在物质中的穿透能力比较强，它在气体中的射程为几百米，并且能 穿透几十厘米的固体物质，因此y 辐射广泛应用各种测量仪表中。工业领域常用的 y 源有c 0 6 0 、c s l 3 7 、a m 2 4 1 。 c 0 6 0 人工放射性同位素c 0 6 0 ，是由稳定同位素c 0 5 9 被中子照射后形成的。中子进入 c 0 5 9 原子核内的过剩能量，在中子俘获的瞬间以y 射线发射出来，可以用图2 1 柬 表示它的衰变。 c 0 6 0 n i 6 0 激发态 n i 6 0 基态 图2 1c 0 6 0 衰变图 由上图可知，c 0 6 0 在衰变过程中先放出一个1 3 粒子变为激发态的2 8 n i 6 0 ，然后 激发念的2 8 n i 6 0 依次放出两个y 光子，而变为基态的2 8 n i 6 0 。c 0 6 0 半衰期为4 7 年； k r 放射常数为1 3 2 伦厘米2 时毫居罩；实际比活度约为5 0 居罩克( 8 5 0 x 1 0 9 贝 可克) 。钴具有铁磁性，故可借助磁工具实现远距离操作。在应用过程中，y 放射 源一般做成丝状，圆柱状或圆片状 c s l 3 7 放射性同位素c s l 3 7 是u 2 3 5 ( 铀) 分裂时的一种产物，当u 2 3 5 核分裂时，约有6 3 的裂变产物为c s l 3 7 ，在1 3 蜕变过程中，约有9 2 限jc s l 3 7 核转变为受激状态的 华北电力大学硕+ 学位论文 b a l 3 7 ( 钡) ；约有8 的c s l 3 7 核转变为稳定状态的b a l 3 7 ，受激状态的钡转变为稳定状 态时，放出能量为0 6 6 1 兆电子伏的y 射线。c s l 3 7 衰变过程如图2 - 2 所示： a 1 3 7 激发态 a i 3 7 基态 图2 - 2c s ”7 衰变示意图 c s l 37 的半衰期约为3 3 年，k r 放射常数为3 2 8 伦厘米2 时毫居里；实际比活 度约为2 5 居里克( 9 2 5 x 1 0 9 贝可克) 。实际使用的放射源是c s l 3 7 的盐氯化铯 ( c s c l ) ，液化温度约2 8 ，为防止液体泄漏造成污染，通常使用双层不锈钢壳将铯 源严格地密封起来。 a m 2 4 l 这是一种人工合成的金属元素，由p u 2 3 9 ( 钚2 3 9 ) 受中子轰击产生a m 2 4 1 ，并发 生口衰变转化为镎2 3 7 ( n p 2 3 7 ) 原子，释放口粒子及y 射线。a m 2 4 1 的半衰期为4 3 3 年， 它广为人知的用途是用于烟雾探测，工业上广泛用于同位素测厚仪和同位素荧光仪 等的放射源。a m 2 4 1 衰变时释放出能量为5 9 5 k e v 的y 光子，与其它放射源释放的 y 光子能量相比要低的多，故称其为低能或软y 射线源。 核辐射中粒子或量子的能量的单位是电子伏特e v ，其大小是一个电子在1 v 电 压作用下被加速所获得能量。y 射线的能量是由放射性同位素的种类所决定的。一 种放射性同位素可能放出多种能量的y 射线，对此取其所辐射出的所有能量的平均 值作为该同位素的辐射能量。例如c 0 6 0 的平均能为( 1 1 7 + 1 3 3 ) 2 = 1 2 5 m e v 。 2 2y 射线与物质的相互作用 y 射线与物质的作用不像带电粒子和物质的作用那样逐渐损失自己的能量，而 是整个y 光子的丢失。y 射线穿透物质时，主要是发生光电效应、康普顿效应、电 子对效应等三种效应【限14 1 。 光电效应 y 光子穿过物质时同原子中的束缚电子相互作用，光子把全部能量交给这一束 缚电子，使之克服在原子壳层中的结合能( 电离能) 而发射出去，这就是光电效应。 光电效应发射出的电子叫做光电子，其过程如图2 3 所示： 原子吸收了光子的能量，其中一部分用于消耗电子脱离原子的束缚所需的电离 ( 电子在原子中的结合能) ，另一部分就转化为光电子的动能。这就是浼光子的能 量必须大于电子的结合能j 能发生光电效应。释放出来的光电子能量e e 和光子的 能量j l ，与电子的结合能e i 的关系为： e e = h v e i( 2 1 ) 光电效应截面以一种复杂的方式随入射光子能量和吸收体原子序数而改变，但 总的趋势是随光子能量增加而减小，随原子序数增加而增加。在光子能量小于l m e v 时，光电效应在三种主要效应中占优势，光电截面在总截面中占主要部分。 康普顿效应 当入射光子能量逐渐增大到1 m e v 时，y 射线同物质相互作用逐渐由光电效应 过渡到康普顿效应。 康普顿效应是y 光子同电子之间的散射。入射y 光子把一部分能量传递给电 子，光子本身能量减少并向不同的方向散射，散射效应中获得能量的电子叫反冲电 子，如图2 - 4 所示： 图2 4 康普顿效应示意图 0 是入射光子与散射光子之间的夹角，称为散射角。康普顿效应总是发生于自 由电子或原子的束缚最松的外层电子上，入射光子的能量和动量由反冲电子和散射 光子两者之问进行分配，散射角越大，散射光子的能量越小。能够发生散射效应的 电子既可以是自由电子，也可以是束缚于原子之中的电子。康普顿效应的发生几率 大致与物质原子序数成f 比，与光子能量成反比。 华北电力大学硕十学位论文 电子对效应 当y 光子经过原子核旁边时，由于原子核的库仑场作用下，光子转化为一个正 电子和一个负电子，这个过程称为电子对效应。入射光子同原子核电场或电子电场 相互作用都可以产生电子对效应，发生这个效应的阈能是1 0 2 m e v 。在电子对效应 中，入射光子的能量除了转化为正负电子对的静止质量外，其余的能量就成为它们 的动能。 与光电效应相似，电子对效应除涉及入射光子和电子对外，必须有原子核参加， 才能满足动量和能量守恒。 电子对效应的截面也是入射光子能量和吸收物质原子序数的函数。当入射光子 能量稍大于1 0 2 m e v 时，电子对效应的截面随光子能量线性增加；在高能时，其截 面正比于l n e ；能量很高时，其截面趋近于一个常数。然而不论在高能或低能，截 面都正比于吸收体原子序数的二次方。 瑞利散射 除上述主要的三种效应外，y 射线同物质的相互作用还有其他的效应，如相干 散射。在低能( 1 0 0 k e v ) 时，相干散射是很重要的，尤其是重元素中束缚得比较紧的 电子有利于这种散射，这种散射长期以来一直是x 射线晶体学的基础。另外在入射 光子能量较高时还有光核反应等。 瑞利散射是相干散射的一种，所谓相干散射，是指散射线与入射线具有相同波 长，从而能够发生干涉的散射过程。 瑞利散射是入射光子和束缚较牢固的内层轨道电子发生的弹性散射( 也称为电 子的共振散射) 。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又 放出一个能量约等于入射子能量的散射光子，由于束缚电子未脱离原子，故反冲体 是整个原子，从而光子的能量损失可忽略不计。 发生瑞利散射的几率和物质的原子序数及入射光子的能量有关，大致与物质原 子序数z 的平方成j 下比，并随入射光子的能量增大而急剧减小。当入射光子能量在 2 0 0 k e v 以下时，瑞利散射的影响不可忽略，所以对射线检测产生的影响较小。 2 3y 射线检测物质浓度的基本原理 2 3 1 窄束、单色y 射线的概念 y 射线穿透物质时，部分光子将与物质发生相互作用。如果光子与物质发生的 相互作用是光电效应和电子对效应，则光子被物质吸收；如果光子与物质发生康普 顿效应，则光子被散射。散射光子也可能穿过物质层，则最终通过物质层的射线通 常有两部分组成，一部分是未与物质发生相互作用的光子，其能量和方向均末变化， 1 4 华北电力人学硕十学位论文 称为透射射线；另一部分是发生过一次或多次康普顿效应的光子，其能量和方向都 发生了改变，称为散射线。 所谓窄束射线是指穿透过物质且不包括散射成份的射线束( 仅由未与物质发生 相互作用的光子组成) 。“窄柬 一词是指实验时，通过准直器得到细小的辐射束流 而取名，并不含有几何学“细小”的意义，即使射束有一定宽度，只要其中没有散 射成份，便可称其“窄束”。 所谓“单色”是指由单一波长电磁波组成的射线或是由相同能量光子组成的辐 射束流，“单色”又称为“单能辐射”。 获取窄束射线的装置如图2 5 所示： 放 被测物体 准直器准直器 霜囫 囫瀚 探测器 口 图2 5 获取窄束射线的装置示意图 在单能y 辐射源与探测器之间放置两个准直器，放射源所发射出的y 射线中， 散射的光束将被准直器所吸收，而始终沿直线向前传播的y 射线光束将穿过两个准 直器，最终被探测器接收，这一部分光束即为所获得的窄束y 射线，在两个准直器 之问放置被测物质，便可通过试验测出窄束单色y 射线的强度衰减情况【1 4 】。 2 3 2y 射线吸收法测量原理 y 射线吸收法测量物质厚度装置原理如图2 6 所示， 放 探测器 口 图2 - 6y 射线吸收法测量原理 位于发射端的准直器与位于接收端的准直器构成准直系统，放射源与准直系统 配合，为测量过程提供了窄束y 射线，将y 射线未穿过任何物质时的辐射强度而定 义为原始强度。当y 射线穿过被测物质后发生了衰减，y 射线辐射强度变为，假设 1 5 华北电力大学硕士学位论文 辐射强度的变化量为，一驴，则，的大小与被测物质的性质和厚度有关，试验 证明，y 射线穿透物质后，其辐射强度衰减程度符合以下指数衰减规律： i = 厶p 一 ( 2 - 2 ) 式( 2 2 ) 中，d 是被测物质的厚度，z 是y 射线穿透被测物质时的衰减系数， 前文已提出，y 射线穿过物质时将发生光电效应、康普顿效应、电子对效应及瑞利 散射，衰减系数z 反映了这四种效应的综合作用对y 射线辐射强度的衰减效果。 由式( 2 - 2 ) 可得： d ：三一1 1 1 生( 2 3 ) i 则根据( 2 3 ) 式可看出，被测物质的厚度d 与穿过该物质的y 射线强度存在对 数函数关系，因此，通过测量y 射线强度的衰减值即可得到被测物质的厚度值【15 1 。 与应当指出的是，对于不同能量的y 射线，物质具有不同的衰减系数。在实际 应用中，一些常见材料的衰减系数已经由试验测定出，如表2 1 所示： 表2 1 不同材料对应的衰减系数 射线能量( m e v )水碳铝铁铜 铅 0 2 5o 1 2 lo 2 6o 2 90 8 0o 9 l2 7 o 5 00 0 9 5o 2 0o 2 20 6 6 50 7 01 8 i o0 0 6 9o 1 5o 1 60 4 6 9o 5 00 8 1 50 0 5 80 1 2o 1 3 20 3 7 0o 4 l0 5 8 2 o 0 0 5 0o 1 0o 1 5 00 3 1 30 3 5o 4 8 3 o0 0 4 l0 0 8 30 1 0 00 2 7 00 3 20 4 2 5 o0 0 3 00 0 6 70 0 7 60 2 4 40 2 70 4 8 7 o0 0 2 50 0 6 l0 0 6 8 0 2 3 3 o 3 00 5 3 1 0 o0 0 2 20 0 5 4o 0 6 l0 2 1 4o 3 l0 6 2 3 3y 射线探测器 核辐射探测器和y 放射源共同组成y 射线测量系统。探测器的作用在于，将穿 过被测物质并且与被测参数有函数关系的y 射线转变为电信号，这个电信号仍然与 被测参数有函数关系，并且输给下一级电路。 工业应用及医疗应用中，常用的探测器有电离室、闪烁计数器和半导体探测器 等等。此文重点介绍前两种探测器【1 6 】。 电离室测量y 射线强度 1 6 华北电力大学硕士学位论文 图2 7 电离室结构示意图 图2 - 7 为电离室的典型结构。在一个密封的容器内充满惰性气体，并安装一对 绝缘电极。存在一个外加电压，使两个电极之间产生电场。y 射线进入电离室内灵 敏区时将部分气体电离产生离子对，所产生的正、负离子在电场作用下分别向负电 极和正电极漂移，因此在外电路中形成电流，该电流即为电离电流。 若n 为电离室中的体积元d t 内单位体积中离子对的产生率，n 为灵敏体积v 内 产生的离子对总数，e 为电子电荷。电离室平均电离电流i i 可以由下式表示： = p 工，z d t = e n ( 2 4 ) 电离室所输出的电离电流与内部离子对的生成速度成讵比，而电子与y 射线的 辐射强度成正比，因此电离电流，即电离室的输出电流，正比于y 射线辐射强度。 需要注意的是，这种电离电流并是反映单个y 光子的能量，而是代表了大量y 光子的总的平均电离效应。 电离室的伏安特性 当入射y 射线强度保持不变时，电离室所输出的电流与其工作电压的关系称为 电离室的伏安特性曲线。一般情况下，所测得的电离室的伏安特性曲线如图2 8 所 示： d 巧圪 巧电压v 图2 8 电离搴的伏安特性曲线 在电压从0 至n 的范围内，电流随电压线性增加，这是因为电压不大，一部分 华北电力大学硕士学位论文 正负离子由于复合不能达到电极。随着电压的增加，即图中乃到场的范围内，离 子定向漂移速度加大，复合机会减少，因而电流逐渐增加。在图中乃到乃的范围 内，电流为一常数，这是因为所加电压足以使复合现象消除，所有离子全部被电极 收集。因为射线所产生的离子对的数目与外加电压无关，因此再增加电压时，电流 并不增加。因此乃到巧的范围内所对应的电流称为饱和电流，理论上，该电离电 流等于： l = n e ( 2 - 5 ) 式中n 为射线每秒钟在电离室中产生的离子对的数目，e 为电子的电荷。在电 压大于巧以后，电流随电压的加大而加大，这是因为离子在强的电场中运动，获得 大的速度，碰撞其他气体分子或原子产生新的离子对，这就是碰撞电离。 通常情况下，电离室的工作电压需保持在0 至乃或巧到巧的区域内，分别称 为伏安特性曲线的线性区域或饱和区域。工作在线性区域的电离室要求电源具有很 高的稳定性。需要注意的是，除了外加电压、射线的种类、强度以外，电离室的大 小、形状、所充气体的温度、压强和成分也影响着电离电流，所以对于不同的电离 室，其伏安特性是不同的。 对于测量y 射线的电离室，室壁对电离电流起着决定性的作用，这是因为y 射 线的电离本领很差，因此，测量y 射线的电离室通常是充有惰性气体的电离室，或 是多极板的电离室。电离室的形状、大小、电离室的材料、室壁的厚度、所充气体 的成分和压强都影响着生产的离子对的数目，因而探测效率也会随这些因素而变 化。 闪烁计数器测量y 射线强度 闪烁计数器由闪烁晶体、光电倍增管和输出电路组成。闪烁晶体是一种能够将 射线的能量转变为光能的物质， 闪烁计数器的工作原理如下图2 - 9 所示： 图2 - 9 闪烁计数器丁作原理示意图 当射线进