CN109632847A

CN109632847A - 一种利用医用直线加速器的x射线测量煤炭灰分的方法

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Publication number: CN109632847A
Application number: CN201910027364.1A
Authority: CN
Inventors: 杨军; 董胜楠
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-11
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2039-01-11
Also published as: CN109632847B

Abstract

本发明提供了一种利用医用直线加速器X射线测量煤炭堆中煤炭灰分的方法。所述方法包括以下步骤：将医用直线加速器6MV‑10MV的X射线照射在取样煤炭上，采集煤炭反射的射线信息；将采集到的信息转换为电信号；使用比较器和CPLD接收所述电信号并完成反符合，剔除无效脉冲，得有效脉冲；对有效脉冲计数，得计数率x；根据计数率x，得到煤炭中的灰分值y。本发明的有益效果包括：能够快速、准确的测量煤炭中灰分的含量，安全、周期短、测量成本低，有效的利用了医用直线加速器的配套资源。

Description

一种利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法

技术领域

本发明涉及X射线的应用领域。特别地，涉及一种利用医用直线加速器产生的X射线来测量煤炭灰分的方法。

背景技术

煤炭是十八世纪以来人类使用的主要能源之一。煤炭是目前重要的能量和化工原料。我国是世界上规模最大的煤炭生产国，提高煤炭的利用效率对发展我国的国民经济的发展、以及环境的保护十分重要。

煤灰分是煤炭中不可避免的物质，它将直接影响煤的发热量。因此，要严格控制煤产品的灰分，以提高煤碳的利用率。但是，传统的灼烧化验法工作步骤复杂、不能迅速的得到结果，不能适应煤产品质量控制需要，这将阻碍煤资源的充分利用。传统的γ射线的煤质灰分测量方法需要用到137Cs和241Am等放射源，放射源价格昂贵，存储与运输不便，有非常大的辐射安全隐患.

所以，在煤炭加工中需要非常快速、准确的检测煤炭灰分的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一利用医用直线加速器产生的X射线测量煤炭堆中煤炭灰分的方法，以快速、准确的测量煤炭的灰分含量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种利用医用直线加速器X射线测量煤炭堆中煤炭灰分的方法，其特征在于，所述方法可包括以下步骤：将医用直线加速器产生的X射线照射在煤炭上；采集煤炭反射的射线信息；将采集到的信息转换为电信号；利用比较器和CPLD接收所述电信号并完成反符合，剔除无效脉冲，得有效脉冲；对有效脉冲计数，得计数率x；根据y＝-0.95x+31.2，得到煤炭中的灰分值y。其中，可使用放疗标定绝对剂量的30cm*30cm*30cm正方体有机玻璃制小水箱取样煤炭，运输至就近医院放疗科进行测试。

根据本发明的一个示例性实施例，所述X射线的能量可为6～10MV，例如8±1MV。

根据本发明的一个示例性实施例，所述煤炭中灰分的质量分数可为6％～20％，所述煤炭灰分可包括质量比为：(35～45)：(15～27)：(7.5～12)：(12～20)：(0.5～1.5)：(0.5～0.7)：(0.3～0.5)：(3.5～6)的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O和SO₃。

根据本发明的一个示例性实施例，所述煤炭的粒度可不大于30mm。

根据本发明的一个示例性实施例，所述煤炭为自然堆积的取样状态，所述X射线照射点被厚度至少为30cm厚度的煤碳所包围。

根据本发明的一个示例性实施例，根据环境温度对所述计数率x进行修正，所述修正可依据下式进行：x＝0.97+0.0021t，式中，t为温度，x为计数率。

根据本发明的一个示例性实施例，根据本发明的一个示例性实施例，所述对有效脉冲计数的步骤可包括：通过单片机对有效脉冲计数，所述单片机包括MSP430F149主控制单元。

根据本发明的一个示例性实施例，在所述比较器和CPLD接收所述电信号之前，将所述电信号放大。可通过放大电路放大。

根据本发明的一个示例性实施例，可通过放疗科现有闪烁体探测器来采集煤炭反射的射线。

根据本发明的一个示例性实施例，所述方法还可包括步骤：在测量过程用到的设备上增设利用建在地下的放疗科机房屏蔽装置，以减少磁场、震动和噪音的影响。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：安全、方法简便，能够快速、准确的利用现有的直线加速器及其配套探测器测量煤炭中灰分的含量。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例详细地描述根据本发明的利用医用直线加速器X射线测量煤炭灰分的方法。

煤炭是成分复杂的混合物，可把煤炭看成是由两种物质组成的混合物。一种是可以燃烧的有机物，即煤质，主要元素包括C、H、O、N、S等，以C为主，其等效原子序数Z≈6；另一种是不可燃的无机物，也叫矿物质，主要成分包括Si、Al、Ca、Mg、Fe等，以Si为主，其等效原子序数Z≈12。

光子线可包括X射线和γ射线，煤炭灰分测量的基础是光子射线和物质相互作用与原子序数的依赖关系。中低能光子线射线和物质相互作用主要是光电效应和康普顿效应。光电效应占主导地位，当煤炭灰分低时，即高原子序数物质占的比重较小而低原子序数物质占的比重较大时，光电效应较弱，而散射线强度较强；当煤炭中灰分高时，即高原子序数物质占的比重较大而低原子序数物质占的比重较小时，光电效应较强，而散射线强度较弱。散射线一定的空间范围内均匀分布，采用探测器探测散射线的强度，反散射线的强度大小就能反映出煤炭中灰分的含量大小。

核技术方法测量煤灰方法主要依据γ射线或X射线与原子序数的依赖关系，煤灰分的有效原子序数大于煤质的有效原子序数。

传统的γ射线的煤质灰分测量方法需要用到137Cs和241Am放射源，放射源价格昂贵，存储与运输不便，有非常大的辐射安全隐患。

X射线可由医用直线加速器产生。医用直线加速器是医学上的一种用来对肿瘤进行放射治疗的射线装置，利用加速电场把电子加速到亚光速，然后与大功率微波电场相互作用，使高能电子打击重金属靶，产生韧致辐射，发射X射线，作X线治疗，用直线加速器按照微波传输的特点分为行波和驻波两类，其基本结构和系统，它包括电子枪、微波功率源(磁控管或者速调管)、波导管〔隔离器、RF(射频微波源)监测器、移相器、RF吸收负载、RF窗等〕、DC直流电源(射频发生器、脉冲调制器、电子枪发射延时电路等)、真空系统〔真空泵(钛泵)〕、伺服系统(聚焦线圈、对中线圈)、偏转系统(偏转室、偏转磁铁)、剂量监测系统、均整系统、射野形成系统等，分别安装于治疗头、固定机架、旋转机架、治疗床、控制台等处，医用直线加速器可包括瑞典医科达和美国瓦里安，以及国产新华等6MV以上的加速器。

医用直线加速器及其配套的剂量测量设备已经普及到每个县医院，且机房屏蔽措施十分安全。本发明可直接利用医院的直线加速器来进行煤炭灰分的测试，可有效利用了医用直线加速器的配套资源。

因此，本发明提供了一种利用医用直线加速器X射线测量煤炭灰分的方法。

在本发明的一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：

将医用直线加速器产生的X射线照射在煤炭上。所述X射线的能量可为6～10MV。

采集煤炭反射的射线。可通过闪烁体来采集煤炭反射的射线(例如γ射线)。闪烁体可包括透明单晶NaI(Tl)，其密度为3.67g/cm³，有效原子序数为50。NaI中的激活剂时(0.1～0.5)％的Tl。NaI(Tl)闪烁体的密度大，原子序数高，X射线探测效率高。另外它的发光效率高，能量分辨率较好。

将采集到的信息转换为电信号。可通过光电倍增管来实现信号的转换。闪烁体产生的闪烁光子经光导可传输到光电倍增管的光阴极上，可按一定概率转换成光电子；光阴极上产生的电子经光电倍增管打拿极系统的多次倍增可产生足够大小的输出信号。

比较器和CPLD接收所述电信号并完成反符合，剔除无效脉冲，得有效脉冲。其中，CPLD为Complex Programmable Logic Device复杂可编程逻辑器件。

对有效脉冲计数，得计数率x；可通过单片机能够读取计数结果，所述单片机包括MSP430F149主控制单元。单片机使能CPLD中的计数器，对测量时间内的有效脉冲计数，并在计数结束后，读取计数结果。

根据y＝-0.95x+31.2，得到煤炭中的灰分值y。

在本实施例中，所述煤炭中灰分的质量分数为6％～20％，进一步地，可为6～15％，再进一步地，可为7～11％。灰分可包括按照质量百分比计的如下成分：包括质量比为：35～45％SiO₂、15～27％Al₂O₃、7.5～12％Fe₂O₃、12～20％CaO、0.5～1.5％MgO、0.5～0.7％K₂O、0.3～0.5％Na₂O和3.5～6％SO₃。

在本实施例中，煤炭的粒度不大于30mm。因为过大的煤炭粒度会造成测量范围内可能存在大的空隙，将会导致反射线逃逸及较大的信号波动，为了尽量减少这种影响，应尽量选择粒径较小的煤。因此，煤炭堆中取样颗粒应混合均匀至空隙较小。进一步地，所述煤炭的粒度为10～15mm。

在实施例中，煤炭堆要求既没有明显空隙也没有人为用力压实。因为灰分值会随压紧度而显上升，所以测量时应尽量保持煤炭自然堆积状态。

在本实施例中，测量时煤质均匀，放射源的周围有一定厚度至少为30cm厚度的煤碳所包围，提供足够的介质厚度，以形成比较均匀的反射线辐射场，并使经过散射线能够被探测到，厚度也不能太厚，如果太厚需要的射线能量也越高。

在本实施例中，煤炭可为洗精煤。

在本实施例中，由于铁元素原子序数高，密度大，质量吸收系数也很大，其产生误差的影响最大。因此，可同时测量铁的6.4KeV的X射线的强度来对灰分进行补偿修正。

在本实施例中，所述方法还可包括步骤：根据下式修正环境温度对所述计数率x的影响。下式为：x＝0.97+0.0021t，式中，t为温度，x为计数率。

在本实施例中，所述煤炭可处于恒温恒湿的环境。

在本实施例中，在所述比较器和CPLD接收所述电信号之前，将所述电信号放大。即可通过放大电路来放大信号。其可将光电倍增管输出电信号经放大。

在本实施例中，所述测量过程可在医院的放疗科中进行，在测量过程用利用放疗科机房屏蔽装置，以减少磁场、震动和噪音的影响。

表1示出了通过本发明的方法测量出的结果，并将测量结果与实验室里的缓慢灰化法测量结果进行比对。由此，可知，本发明的测量结果准确。

表1某洗精煤的灰分测试结果

序号	计数率x	测得灰分值y/％	复测值Y/％	误差/％
					1	25.5	6.98	6.95	0.03
2	24.2	8.21	8.17	0.04
					3	23.8	8.59	8.52	0.07
4	22.5	9.83	9.75	0.08

综上所述，本发明的安全、周期短、测量成本低；能够有效利用医用直线加速器的配套资源；能够快速、准确的测量煤炭中灰分的含量；能够减少温度、震动、宇宙本底辐射对测量的影响；且测量成本低。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims

1.一种利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

将医用直线加速器产生的X射线照射在煤炭上；

采集煤炭反射的射线信息；

将采集到的信息转换为电信号；

利用比较器和CPLD接收所述电信号并完成反符合，剔除无效脉冲，得有效脉冲；

对有效脉冲计数，得计数率x；

根据y＝-0.95x+31.2，得到煤炭中的灰分值y。

2.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述X射线的能量为6～10MV。

3.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述煤炭中灰分的质量分数为6％～20％，所述煤炭灰分中包括质量比为：(35～45)：(15～27)：(7.5～12)：(12～20)：(0.5～1.5)：(0.5～0.7)：(0.3～0.5)：(3.5～6)的SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、CaO、MgO、K₂O、Na₂O和SO₃。

4.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述煤炭的粒度不大于30mm。

5.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述煤炭为自然堆积的取样状态，所述X射线照射点被厚度至少为30cm厚度的煤碳所包围周围。

6.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：根据环境温度对所述计数率x进行修正，所述修正依据下式进行：

x＝0.97+0.0021t，式中，t为温度，x为计数率。

7.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述对有效脉冲计数的步骤包括：

通过单片机对有效脉冲计数，所述单片机包括MSP430F149主控制单元。

8.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，在所述比较器和CPLD接收所述电信号之前，将所述电信号放大。

9.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述采集煤炭反射的射线的步骤包括：通过放疗科现有闪烁体探测器来采集煤炭反射的射线。

10.根据权利要求1所述的利用医用直线加速器的X射线测量煤炭灰分的方法，其特征在于，所述测量过程在医院的放疗科中进行，在测量过程用利用放疗科机房屏蔽装置，以减少磁场、震动和噪音的影响。