CN109632850A - 一种基于正电子湮没技术测量液体中杂质粒径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于正电子湮没技术测量液体中杂质粒径的方法，包括如下步骤：步骤1，将γ光子探测器安装在待测液体的管道上，同时将一定活度的核素与含有杂质的待测液体充分混合后注入管道中；步骤2，核素产生β衰变放出正电子，正电子与待测液体中的电子碰撞发生湮没反应，产生γ光子对，此时γ光子探测器记录接收到的γ光子；步骤3，设置能量窗的长度，确保未发生散射的γ光子和发生散射的γ光子均能被检测到；步骤4，计算颗粒散射比，进而得到杂质颗粒平均粒径。此种方法可实现高温高压强腐蚀的密闭环境下液体中不可溶杂质颗粒的平均粒径的实时非接触式测量。

Description

一种基于正电子湮没技术测量液体中杂质粒径的方法

技术领域

本发明属于溶液不可溶杂质颗粒粒径检测的领域，特别涉及一种通过正电子湮没技术来测量液体中不可溶杂质颗粒的平均粒径。

背景技术

无论是在日常生活中还是在工业生产中，液体中不可溶杂质颗粒粒径都是一项十分重要的检测指标。目前常用的测量液体中杂质颗粒粒径的方法并不统一，不同的杂质有不同的检测方法。对于液体中杂质颗粒粒径的检测，经常使用的几种主要检测方法有Coulter(库尔特)颗粒分析计数法和基于光阻塞原理的HIAC颗粒分析计数法以及悬浊液透光率脉动检测技术等等。这些检测技术都可以用来定量地检测水中颗粒粒径分布的变化，从而提供有价值的数据。但是，以上方法均具有一定的局限性。例如，针对不同液体中的不同杂质，需要采取不同的方法测量杂质颗粒粒径，既繁琐，代价又昂贵。同时，目前使用的测量液体中杂质颗粒粒径的方法大多基于光电检测原理，无法应用于密闭不透光的容器中。

正电子湮没技术是通过核素的β+衰变放出正电子，正电子再与电子湮灭产生γ光子这一原理来实现的。由于γ光子的穿透能力极强，穿过2mm厚度的铝合金只衰减了4％，所以可以利用正电子湮没技术针对密闭容器内部进行无损检测，获取容器内部的信息。自从1929年狄拉克从理论上预言正电子的存在到1933年Blackett和Occhian Line从实验上观测到正电子的存在，截止目前，正电子湮没技术取得了巨大的发展，被广泛的应用在各个领域，其中最具有代表性的就是应用于医学的CT。现在，正电子湮没技术已经成为一种研究物质微观结构和形态的新手段，但其在工业领域的应用仍较少，在管道内溶液不可溶杂质颗粒粒径检测领域未见报道。

杂质颗粒粒径作为液体检测的重要指标，对其的精确测量具有尤为重要的意义。在工业领域经常会循环使用冷却水，例如炼钢，其对循环使用的冷却水的水质要求很高，具有多项水质标准；例如发动机内部循环使用的润滑油，它可以减小工作零件的摩擦、降低功率损耗，但是工作零件工作时总会产生一些金属碎屑或其它颗粒碎屑，它们随着润滑油一起循环，当积累到一定程度就会对发动机产生严重影响。同时，由于工业领域的环境都是高温高压强腐蚀，所以无法实时测量，而利用正电子湮没技术就可以实现实时的非接触式测量。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于正电子湮没技术测量液体中杂质粒径的方法，其可实现高温高压强腐蚀的环境下液体中不可溶杂质颗粒的平均粒径的实时非接触式测量。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于正电子湮没技术测量液体中杂质粒径的方法，包括如下步骤：

步骤1，将γ光子探测器安装在待测液体的管道上，同时根据待测液体的种类和管道的材质选择核素的种类和活度，将核素与含有杂质的待测液体充分混合后注入管道中；

步骤2，核素产生β衰变放出正电子，正电子与待测液体中的电子碰撞发生湮没反应，产生γ光子对，此时γ光子探测器记录接收到的γ光子；

步骤3，设置能量窗的长度，确保未发生散射的γ光子和发生散射的γ光子均能被检测到；

步骤4，计算颗粒散射比，进而得到杂质颗粒平均粒径。

上述步骤1中，γ光子探测器设置一个，且垂直安装在管道外壁上。

上述步骤3中，能量窗的设置方法是：

当485KeV≤E_γ≤537KeV时，该γ光子为未发生散射的γ光子，其数量记为N_r；

当5KeV≤E_γ≤485KeV时，该γ光子为发生散射的γ光子，其数量记为N_s；

其中，γ光子总数N_m＝N_s+N_r，E_γ为γ光子的能量。

上述步骤4中，颗粒散射比H指发生散射的γ光子数N_s占γ光子总数N_m的比值。

上述步骤4中，根据颗粒散射比H计算得到杂质颗粒平均粒径D的公式是：

其中，k₁是入射γ光子在杂质颗粒中的线性衰减系数，在0到1内取值；

其中，n_e为杂质颗粒的电子密度；e_c表示光子对单个电子的积分散射截面；

其中，n为均匀分布在液体中的体素点个数，L_ij为第i个体素点到第j个杂质颗粒中心的距离，P为单位长度的管道中均匀分布粒径为D的杂质颗粒的个数。

由于核素活度会衰减，因此在测量过程中，当核素衰变导致活度下降到下限值时，要重新补充核素。

采用上述方案后，本发明使用正电子核素对含有杂质的液体进行标记，根据正电子湮没技术的原理使用γ光子探测器测量混合液体，设定能量窗口，其大小满足可以采集具有一定能量的散射γ光子和未发生散射的γ光子的要求，由于散射光子数既和颗粒大小有关，也和核素活度有关，将发生散射的γ光子数与γ光子总数相除得到颗粒散射比，该比值消除了核素活度衰减的影响，并反映了颗粒粒径的大小。本发明可以在线检测、可测量密闭不透明容器、可在恶劣条件下测量、对待测液体影响很小，能够在各种复杂环境中实时在线测量金属管道内液体中杂质颗粒的平均粒径，实现非接触式测量。

附图说明

图1是γ光子探测器在管道上的安装示意图；

其中，(a)是侧视图，(b)是正视图；

图2是核素β+衰变产生正电子原理图；

图3是体素点和杂质颗粒的关系示意图；

其中，(a)是单位长度管道内体素点和杂质颗粒的关系示意图，(b)是某一体素点和某一杂质颗粒形成的立体角示意图；

图4是P个大小均匀的杂质颗粒在单位长度管道中的分布图；

图5是γ光子在不可溶杂质中发生散射的物理模型；

图6是本发明的测量流程示意图。

图中，1-电子层，2-原子核，3-发生湮没位置，4-电子，5-γ光子对，6-正电子，7-第i个体素点，8-第j个杂质颗粒。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

根据图2所示，电子层中包含有原子核，核素衰变产生的正电子和电子碰撞会发生湮没反应，释放出一个互成180°的γ光子对，同时该γ光子对反映了一定的位置信息和能量信息，而正电子湮没技术正是一种通过γ光子探测器获取γ光子对的信息来达成某种测量目的的技术。

因此配合图6所示，本发明提供一种基于正电子湮没技术测量液体中杂质粒径的方法，包括如下步骤：

步骤1，将γ光子探测器安装在管道上，同时将一定活度的核素与含有杂质的液体充分混合后注入管道内；

步骤2，核素产生β衰变放出正电子，正电子与待测液体中的电子碰撞发生湮没反应，产生γ光子对，此时γ光子探测器记录接收到的γ光子；

步骤3，设置能量窗的长度，确保能够检测到没有发生散射的γ光子数和具有一定能量的发生散射的γ光子数。由于湮没反应放出一对能量为511KeV的光子且γ光子探测器的能量分辨率一般为10％，因此能量窗的长度具体设置如下：

当485KeV≤E_γ≤537KeV时，该γ光子为未发生散射的γ光子，其数量记为N_T；

当5KeV≤E_γ≤485KeV时，该γ光子为发生散射的γ光子，其数量记为N_S；

其中，γ光子总数N_m＝N_S+N_T，E_γ为γ光子的能量。

步骤4，计算得到发生散射的γ光子数N_S与γ光子总数N_m的比值H--颗粒散射比，该比值消除了核素活度衰减的影响，并与液体中杂质颗粒的平均粒径有对应关系，由此比值可以得到液体中杂质颗粒的平均粒径D。

所述测量必须已知液体中的杂质浓度。此种方法仅可以测量液体中不可溶杂质颗粒的平均粒径，并可以在高温、低温、高压、强腐蚀的恶劣条件下使用。

下面以测量发动机内部润滑油的不可溶杂质颗粒的平均粒径D为例来描述本发明的原理步骤，同时结合说明书附图解释本发明包含的理论依据和计算公式。为了分析方便，假设所考虑的颗粒是大小均匀的近似球体。

(1)杂质颗粒平均粒径D的测量原理

如图1所示，当单位长度管道内的液体中的核素和杂质颗粒均匀分布时，管道内部向外释放的γ光子在各个方向的数量均相等，各个方向上发生散射的γ光子数也应该相等。因此只需要一个γ光子探测器在单位长度管道的任意一个方向上进行测量，其测得的数据便可以反映整个单位长度管道所有方向上γ光子的数据。

如图3(a)所示，假设在单位长度的管道中，含有杂质的液体与具有λ活度的核素充分混合，其中杂质颗粒的半径为R。将与液体充分混合的核素用n个均匀分布在液体中的体素点去近似，且第i个体素点到第j个杂质颗粒的中心的距离为L_ij。此时由第i个体素点的衰变放出的γ光子射入第j个杂质颗粒的概率P_ij可以等效为第i个体素点与第j个杂质颗粒形成的空间立体角Ω_ij和整个立体角4π的比值。Ω_ij的公式为：

其中α_ij为第i个体素点与第j个杂质颗粒形成圆锥的平面顶角。

根据图3(b)可知代入公式(1)可得：

其中，由于L_ij>>R，所以P_ij为第i个体素点发出的γ光子射入到第j个杂质颗粒中的概率。

由于单位长度管道中核素活度为λ，所以每个体素点的活度为λ/n,则单位时间内每个体素点放出的γ光子数为2λ/n。因此，第i个体素点射入第j个杂质颗粒的γ光子数N_ij为：

则n个体素点(管道内所有核素)射入第j个杂质颗粒的γ光子数为N_j：

如图4所示，在单位长度的管道中均匀分布P个半径为R的球型杂质颗粒且每个杂质颗粒的表面积均为4πR²，体积为4/3πR³，由公式(4可得单位长度的管道在单位时间内P个杂质颗粒中入射的γ光子总数N₀：

其中，在单位长度管道中，当杂质浓度一定时，k₀为常数。

如图5所示，根据清华大学核能技术设计研究院的研究，511KeV的γ光子入射到直径为2R的杂质颗粒中，发生散射的γ光子数N_S和入射的γ光子数N₀存在以下关系：

其中，k₁是入射γ光子在杂质颗粒中的线性衰减系数，在0到1内取值；n_e为杂质颗粒的电子密度；e_c表示光子对单个电子的积分散射截面；2R为杂质颗粒的直径。

将公式(5)代入公式(6)可得：

其中，2R可用平均粒径D表示，即D＝2R，单位为cm；是一个常数。

由于单位长度管道内核素活度为λ，则单位长度管道中的所有核素在单位时间内释放出的γ光子总数N_m＝2λ。因此N_S和N_m的比值H为

由公式(8)可知，核素活度λ被消去，表明活度λ对D的求解没有影响，即采用比值H来计算杂质平均粒径D可有效消除核素活度衰减的影响。当已知液体中杂质浓度时，只需知道液体中发生散射的γ光子数N_S与γ光子总数N_m的比值H即得到对应的杂质平均粒径D。

(2)γ光子探测器的安装

γ光子探测器用于对发动机润滑油中杂质颗粒的平均粒径的检测。如图1所示，本实施例中只需一个γ光子探测器。由于发动机运行产生大量热，润滑油处于高温状态，管道温度急剧上升，因此γ光子探测器需要与管道保持一定距离，在其他测量场合，根据实际情况靠近管壁安装。为了更好地接收γ光子，γ光子探测器建议垂直于管道安装。

(3)检测流程

下面以检测发动机内部润滑油中杂质颗粒的平均粒径为例，阐述整个检测流程。

首先，将一定活度的正电子核素与要测量的润滑油充分混合，得到被核素标记的润滑油。

然后，将γ光子探测器安装在发动机润滑油系统的回油管上。润滑油流经回油管时，γ光子探测器开始记录接收到的γ光子。

接着设置能量窗的长度确保γ光子探测器能够检测到没有发生散射的γ光子数N_T和具有一定能量的发生散射的γ光子数N_S。

最后，对测得的数据进行计算得出发生散射的γ光子数N_S占γ光子总数N_m的比值H，代入推导出来的公式H(D)中即可得到杂质颗粒平均粒径D。

但在实际检测中，尽管不需要考虑核素活度衰减带来的影响，但是当核素活度衰减到很小时仍会对测量结果造成影响。因此发动机工作、润滑油开始循环后，当核素衰变导致活度下降到一个下限值时，需要重新补充核素。同时，由于润滑油是循环使用的，所以可以每次记录一个时间范围(5s-10s)内γ光子的数量和能量。

综上所述，以检测工作的发动机内部润滑油中杂质颗粒的平均粒径为例详细说明了本发明具体实施措施，上述所示只是一个事例，本发明可以应用于绝大多数液体中不可溶杂质颗粒平均粒径的测量。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于正电子湮没技术测量液体中杂质粒径的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，将γ光子探测器安装在待测液体的管道上，同时根据待测液体的种类和管道的材质选择核素的种类和活度，将核素与含有杂质的待测液体充分混合后注入管道中；

步骤2，核素产生β衰变放出正电子，正电子与待测液体中的电子碰撞发生湮没反应，产生γ光子对，此时γ光子探测器记录接收到的γ光子；

步骤3，设置能量窗的长度，确保未发生散射的γ光子和发生散射的γ光子均能被检测到；

步骤4，计算颗粒散射比，进而得到杂质颗粒平均粒径。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，γ光子探测器设置一个，且垂直安装在管道外壁上。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3中，能量窗的设置方法是：

当485KeV≤E_γ≤537KeV时，该γ光子为未发生散射的γ光子，其数量记为N_r；

当5KeV≤E_γ≤485KeV时，该γ光子为发生散射的γ光子，其数量记为N_s；

其中，γ光子总数N_m＝N_s+N_r，E_γ为γ光子的能量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，颗粒散射比H指发生散射的γ光子数N_s占γ光子总数N_m的比值。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4中，根据颗粒散射比H计算得到杂质颗粒平均粒径D的公式是：

其中，k₁是入射γ光子在杂质颗粒中的线性衰减系数，在0到1内取值；

其中，n_e为杂质颗粒的电子密度；e_c表示光子对单个电子的积分散射截面；

其中，n为均匀分布在液体中的体素点个数，L_ij为第i个体素点到第j个杂质颗粒中心的距离，P为单位长度的管道中均匀分布粒径为D的杂质颗粒的个数。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：由于核素活度会衰减，因此在测量过程中，当核素衰变导致活度下降到下限值时，要重新补充核素。