CN1055994A

CN1055994A - 低辐射高稳定的皮带核子秤

Info

Publication number: CN1055994A
Application number: CN 91102590
Authority: CN
Inventors: 王泽民; 解苑明; 赵秀明; 许盛奎; 陆双桐; 陈宏宙
Original assignee: BEIJING NUCLEAR INSTRUMENTS FACTORY CHINA NUCLEAR INDUSTRY CORP; Tsinghua University
Current assignee: BEIJING NUCLEAR INSTRUMENTS FACTORY CHINA NUCLEAR INDUSTRY CORP; Tsinghua University
Priority date: 1991-04-25
Filing date: 1991-04-25
Publication date: 1991-11-06
Anticipated expiration: 2006-04-25
Also published as: CN1020165C

Abstract

本发明核子秤用于物料的重量(质量)的在线测量，如生产过程的配料控制或运输计量。

该皮带核子秤采用长正比计数管作探测器。由于测量正比计数管的输出脉冲较测量电离室的输出电流更灵敏，这种核子秤使用的放射源活度较使用电离室低一个量级。

在正比计数管内放置了用于产生标准脉冲的单能α源，二次仪表中使用了稳峰技术，使得该核子秤在探测器和前置放大器不恒温的情况下稳定地工作。

Description

本发明属于核物理领域，涉及一种用于重量或质量测量的核辐射计量设备。

本发明利用射线透射传送皮带及被传送的物料时，射线随皮带载荷（单位皮带长度上被传送物料的重量）减弱的规律测出皮带的载荷。用测长度的传感器（例如测出与皮带磨擦的辊轮转数）测出皮带的运行长度，或测速传感器测出皮带的速度，经模拟或数字计算得到单位时间物料流量和被传送物料的总重量。该秤用于物料的重量或质量计量和生产过程的配料控制。

这种方法也适用于管道内输送物料的计量。

一般核子秤包括：1.放射源;2.A形架或C形架;3.核辐射探测器;4.测速机构;5.二次仪表。

放射源可以是点源也可以是线源。如果使用点源，探测器灵敏区的有效长度必须大于皮带宽度。这样射线可以穿透被传送的全部物料，得到准确的载荷数。如果使用点探测器就必须使用长度大于皮带宽度的均匀的线源，保证射线穿透被传送的全部物料。当然也可以使用线源和长探测器，还可以使用多个点源和点探测器的组合。

因为电离室较其他探测器容易做长，它的寿命长、自身稳定性好，所以使用这种探测器的核子秤最多。但是它的灵敏度差，输出电流小。美国专利3.541.332 Patented Nov.17.1970.发明的核子秤就使用长电离室。为了提高输出电流，美国Kay-Ray公司、清华大学核能所、华海公司制做了多电极充高气压的电离室。尽管如此还要使用3.7×10⁹贝可以上的铯137γ源，其输出电流才能达到10^-10～10^-9安培量级，要测出物料的变化就要测出10^-12安培的电流变化。

测量这样小电流的静电计要使用10⁹欧姆以上的电阻，其温度系数为0.1%/℃到0.2%/℃。就是说环境温度每变化十度，静电计的输出电压将变化1%～2%，这对核子秤来说是不允许的。必须对探测器和静电计恒温。

美国专利3.610.925 Patented Oct.5.1971.清华大学核能所、华海公司、美国Kay-Ray公司均采用温度控制器，将探测器和静电计或只对静电计恒温。一般恒温在140°F左右。

采用多电极高气压电离室的缺点：1.使用的放射源太强，限制了核子秤的推广。2.只有在环境温度低于恒温点才能使用恒温器，环境温度高于恒温点不能使用。3.环境温度过低，也就是加热功率不能抵消散热功率时，恒温器也失去恒温作用，核子秤将有很大误差。

美国专利3.541.332 Patented Nov.17.1970还使用了多个闪烁计数器和多个放射源分别置于传送带上方和下方的布置方法。由于点源和点探测器之间的间隙，有一部分物料未被射线穿过造成误差，光电倍增管本身的疲劳现象和温度不稳定性也会造成核子秤不稳定。使用多个点源较使用一个点源也给防护带来麻烦。

石家庄404厂辐射开发中心使用线源和一个碘化钠闪烁计数器做的核子秤采用对铯137γ射线的光电峰稳峰的办法来提高核子秤的稳定性。这种方法仍有不足之处：第一，使用线铯137源很难制作均匀，也不好防护。第二是透过物料后的γ射线的光电峰的形状随被传送物料的成份和多少变化，当γ射线发生小角度散射时（材料越轻小角度散射越多）光电峰的低能边缘变缓，造成峰位移动。如果靠近探测器放置一个能量较高的源（例如钴源），虽然该光电峰形状不变，但是当几何条件改变时峰计数改变，并且该源的康普顿效应计数和透过物料的铯源计数混杂，降低了数据处理的精度。

本发明的目的在于降低核子秤使用的放射性活度，并且提供一种更好的消除环境温度影响和提高核子秤长期稳定性的方法。

本发明的要点是设计一种孪生的长γ和α射线正比计数管。正比管一端放置一个准直的α源，产生高斯分布的单能α粒子脉冲，作为提高核子秤稳定性的参考信号。增加α正比管阳极丝直径，限制α粒子的射程，使得α脉冲大于γ射线的脉冲幅度，又比较接近。两正比管的气体相通，阳极丝相连，用同一高压供电，共用前放和主放。二次仪表设二个等宽单道，置于α微分谱的二个边缘。比较通过二个单道的计数率，控制正比管的供电高压，得到稳定的微分谱分布，从而保证γ脉冲计数率不受温漂和元件老化的影响只随皮带载荷变化。

附图说明：

图1：核子皮带秤示意图

[1] 放射源 [2] A形架或C型架

[3] 探测器 [4] 测速机构

[5] 二次仪表或微处理器

图2：核子皮带秤方框图

[6] 正比计数管 [7] 测速机构

[8] 前置放大器 [9] 主放大器

[10] 单道脉冲分析器，允许通过H_α到H_α+△H_α幅度的脉冲。

[11] 计数器或计数率计，记录通过单道[10]的脉冲。

[12] 单道幅度分析器，允许通过H_α-△H_α到H_α幅度的脉冲。

[13] 计数器或计数率计，记录通过单道[12]的脉冲。

[14] 比较器，可以是数字比较器也可以是模拟电压比较器（模拟电压比较器即差分放大器）。比较计数器[11]和[13]的计数率。

[15] 低压电源

[16] 高压电源

[17] 单道脉冲分析器，允许通过幅度H_γ1到H_γ2的γ脉冲。

[18] 处理器，接收单道[17]的计数和测速机构的输出信号，计算出载荷，皮带速度，单位时间流量和总重量。

图3：正比计数管结构图

[19] γ正比计数管阴极（管壁）

[20] α正比计数管阴极

[21]、[22]、[23] 绝缘子

[24] 阳极丝 [25] 阳极丝

[26] α源

图4：主放大器输出脉冲的微分谱

图4的横轴为脉冲幅度，纵轴为单位脉冲幅度内的脉冲计数或计数/道。

Ⅰ区为正比计数管的噪声区

Ⅱ区为正比计数管的γ射线计数区

Ⅲ区为正比计数管的α射线计数区

为了便于防护，本发明采用点源。探测器采用大于传送皮带宽度的长正比计数管。正比计数管工作在气体放电曲线的正比放大区。γ射线在正比计数管管壁及充的气体中产生次级电子，次级电子在管内气体中损失能量产生电离。正比计数管的阳极丝收集的电子电荷量正比于次级电子在管内气体中损失的能量。如果使用铯137源，γ射线的次级电子能量在几百Kev量级。一个大气压下，空气中的射程为米量级，在直径为几个厘米的正比计数管内次级电子只损失一部分能量。由于次级电子产生的位置和方向不同，次级电子在计数管内的射程就不同，产生的正负离子对的数量不同，阳极丝收集的电子电荷就不同。前置放大器[8]和主放大器[9]放大后得到的脉冲幅度不同。因此图4中脉冲微分谱的Ⅱ区（γ区）是一条向下斜的γ射线的脉冲微分分布曲线。这说明正比计数管的供电高压[16]、前置放大器[8]、主放大器[9]和单道[17]的任何变化都会引起通过单道[17]的γ射线计数率变化，经处理器[18]处理后得到的载荷量就会有很大的误差。

如果把正比计数管分为两部分，但气体是相通的，一部分测量γ射线，而另一部分放置一个准直的α源。其办法是在阴极上打一小孔，将α源固定在阴极的外表面上，阴极的小孔对α源起准直作用。因为α粒子的能量是一定的，为几Mev，在一个大气压的气体中射程为几个厘米。α粒子的能量能够全部损失在正比计数管的气体内。但是为了减小α脉冲幅度和γ射线脉冲幅度的差距，可以用减小正比计数管α部分的直径或平板形正比计数管阴极间距离的方法限制α粒子在气体中的射程的办法来减小α脉冲的幅度。由于α粒子单能，射程相等，α微分谱始终保持着高斯分布。

当高压、前置放大器、主放大器发生温度漂移或元件老化时，α粒子脉冲幅度和γ射线的脉冲幅度同时变化，发生微分谱沿脉冲幅度轴即横轴的拉伸或压缩。通过记录γ射线脉冲的单道[17]的γ射线脉冲数就变化。因而处理器[18]计算的皮带载荷就有误差。

为了把各种因素造成的γ计数率的漂移自动地调整回来，设置了甄别阈为H_α，道宽为△H_α的单道脉冲分析器[10]和甄别阈为H_α-△H_α，道宽为△H_α的单道脉冲分析器[12]。H_α对应α脉冲微分谱的峰值。△H_α近似于α脉冲微分谱单能峰的二分之一半宽度。

当发生漂移时，例如向上漂移。单道[10]后面的计数器[11]的计数率增加，单道[12]后面的计数器[13]的计数率减少。经过比较器[14]比较计数器[12]和[13]计数率的大小，控制低压电源[15]的输出电压降低，高压电源[16]的输出高压也就降低，从而减小了正比计数管的输出脉冲幅度，使上漂的微分谱拉回来。反过来，发生脉冲幅度减小，微分谱向下漂移的情况，计数器[11]的计数率减少，计数器[13]的计数率增加，经过[14]比较，提高低压电源[15]和高压电源[16]的输出电压，也就增加了正比计数管[6]的供电电压，使正比计数管[6]的输出幅度增加。这样把压缩的谱分布又拉伸了。通过以上的稳谱措施，保证整个微分谱形状不变，也就保证了通过单道[17]的γ计数率不变。这就消除了核子秤的温度和元件老化等因素造成的不稳定性，得到稳定的载荷量。

由于α粒子的能量为几Mev左右，γ射线的次级电子在计数管的气体内只损失部分能量，大约为几十kev到100kev。必须增加α正比计数管的阳极丝直径，提高α计数管的工作电压，同时减小正比计数管阴极的直径，对平板形正比计数管减小阴极板之间距离以减小α粒子在气体内的射程。从而降低α粒子的脉冲幅度，使两部分计数管用同一高压电源供电时，α粒子的脉冲幅度大于γ射线的脉冲幅度，但是比较接近。这样才有较好的稳峰效果。

本发明中两部分正比计数管的气体相通，保证二部分的气体状态相同。两部分计数管的阳极丝相连，保证用同一高压供电，输出信号输入同一前置放大器。

按本发明制做的核子皮带秤使用的放射源活度比电离室作探测器的核子秤使用的放射源活度降低一个量级，较上面提到的用碘化钠闪烁计数器的核子秤使用的放射源活度降低三倍。并且在对探测器和前置放大器不恒温的情况下有很高的温度稳定性和长期稳定性。

实施例：由清华大学核能技术设计研究院和北京核仪器厂研制的BNW型核子皮带秤，采用直径为50毫米，长度为650毫米的正比计数管，α粒子正比计数管采用平板型，阴极距离为20毫米、长度为100毫米，α源采用镅241α源，活度为3.7×10⁴贝可。选用3.7×10⁸贝可的铯137γ源，在皮带空载时得到12000计数/秒。采用北京核仪器厂制造的稳峰高压电源，前置放大器和主放大器，用8031做成单片机处理器。该核子秤探测器在-10℃到+50℃的环境中工作，不使用恒温器达到好于1%的总精度。

Claims

1、一种核子秤由放射源[1]、A形架(或C形架)[2]、核辐射探测器[3]、测速机构[4]和二次仪表(或微处理器)[5]构成，其特征在于：

(1)所说的核辐射探测器[3]采用长正比计数管，该正比计数管分为二部分，一部分用来测量穿过运输皮带及运输物料的γ射线，另一部分管内放置了准直的α源，产生幅度一定的α粒子脉冲，两部分正比计数管充的气体相通，α正比计数管的阳极丝[25]较γ计数管的阳极丝[24]粗，同时减小α正比计数管的直径或减小平板正比管阴极间的距离，限制α粒子射程，保证α粒子脉冲幅度大于γ射线的脉冲幅度，但是幅度比较接近，两根阳极丝相连接，用同一高压电源[16]供电，产生的脉冲信号输入同一前置放大器[8]和主放大器[9]，

(2)所说的二次仪表采用了稳定正比计数管内安装的α源的单能峰的稳峰方法，改善温度和其他各种因素引起的核子秤的不稳定性，二个等宽单道[10]和[12]分别置于微分谱的α单能峰的两个边缘，高能边的脉冲通过单道[10]，由计数器(或计数率计)[11]计数，低能边的脉冲通过单道[10]，由计数器(或计数率计)[11]计数，低能边的脉冲通过单道[11]，由计数器(或计数率计)[13]计数，通过比较器[14](数字比较器或模拟电压比较器即差分放大器)比较[11]和[13]的计数率，其结果用来调整低压电源[15]的输出电压，控制给正比计数管供电的高压电源[16]的输出高压，把任何原因引起的单能α峰的峰位移动拉回到微公谱横轴的H_α点上，消除正比计数管[6]经过前置放大器[8]，再经过主放大器[9]放大后的所有输出脉冲幅度的变化，保证通过单道[17]的幅度从H_γ1到H_γ2的γ脉冲的计数率不受温度和元件变化的影响，只随运输皮带的载荷变化。