CN111678464B - 一种工业仪表测厚源设计与制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业仪表测厚源设计与制备工艺，包括如下步骤：S1.材料选型：通过计算β粒子传输距离以及轫致辐射转化份额确定所需的材料；S2.结构设计：材料选择确定后，进行结构设计以及对应的焊接工艺设计、表面处理设计。本发明通过采用钛金属制备工业仪表源，从材料更新，结构改进，增加表面处理以及变更焊接工艺等方面，重新设计制备了一种新型的工业仪表测厚源，显著避免了早期工业仪表测厚源的缺点。简化了制备流程，提高了工作效率，提高了放射源的使用性能，避免了人员及源使用过程中的危险因素，提高了源使用范围，节约了放射性源材料，从而节约了成本，增加了效益。

Description

一种工业仪表测厚源设计与制备工艺

技术领域

本发明涉及工业仪表测厚领域，尤其是一种工业仪表测厚源设计与制备工艺。

背景技术

工业仪表测厚源主要指采用射线技术进行厚度测量的同位素及射线放射源。测量原理是基于放射源的射线穿过被测材料时，射线强度因材料的吸收而减少，其射线剂量的减少又与材料的厚度成一定的函数关系来实现对被测板材的厚度测量。多用于纸张、塑料、皮革及金属薄膜等制品行业中薄膜厚度或者质量密度(mg/cm2)质量监控。常用的同位素及射线测厚仪主要有：γ射线测厚仪，X射线测厚仪，β射线测厚仪。

γ射线测厚仪：⁶⁰Co,¹³⁷Cs等能量较高、强度稳定的γ射线同位素适合测量较厚或密度较大的材料，广泛应用于钢铁行业各种金属板、管等生产过程中的厚度测量与自动控制。但是，γ射线由于穿透能力强，难以防护，对人体伤害较大，一般对设备和人员防护有比较高的要求。

X射线测厚仪：X射线的能量可调节，测量范围较广。由于X射线测厚仪的故障率高，相对β射线源来讲人造射线稳定性较差，同时备件价格和使用本钱高，对维护要求高，且需要定期更换射线管等。

β射线测厚仪：¹⁴⁷Pm,⁸⁵Kr等同位素的β射线穿透能力较弱，适合测量较薄或低密度的材料，同时，β射线的吸收对材料组成很不敏感，可用于纸张、塑料薄膜、橡胶制品、锂电池电极片等生产过程。

将含一定含量的放射性核素密封在源壳中，衰变产生的射线通过源窗与被检测材料相互作用，进行厚度等参数的测量分析。国内，早期将一定丰度的氪气密封于金属壳中即可制备Kr-85密封放射源，结构如图1所示，Kr-85 密封放射源结构包括源壳1a，设置在源壳1a端部的源窗2a和压环3a，源壳1a连接充气管4a和源盖5a，源壳1a内部带有内衬6a，其中，充气管4a与源壳1a的连接处7a银焊，充气管4a的端头8a冷焊，压环 3a的安装处9a采用冷弧焊。

源壳1a采用金属镍，或者不锈钢材料，由于焊接密封技术不过关，导致产品容易泄露，因此，利用四种焊接技术将放射源密封，实现了测厚源的制备，焊接设备较大，工艺复杂，同时由于采用原子序数较高的镍或不锈钢材质，导致β射线与物质相互作用产生的韧致辐射对人体伤害较大，需要着重进行屏蔽。

本发明针对上述缺点，通过材料选型、结构设计、表面处理以及焊接工艺等改进与创新，提出一种工业仪表测厚源设计与制备工艺，实现了低成本，高性能，高安全性的新型测厚源的制备。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种工业仪表测厚源设计与制备工艺。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种工业仪表测厚源设计与制备工艺，包括如下步骤：

S1.材料选型：通过计算β粒子传输距离以及轫致辐射转化份额确定所需的材料；

S2.结构设计：材料选择确定后，进行结构设计以及对应的焊接工艺设计、表面处理设计；

步骤S1中，利用Kr-85的β放射性，计算β粒子传输距离：

利用Kr-85的β放射性，计算β粒子传输距离：

根据β粒子在各种物质中的传输距离经验公式计算：

R＝0.542E_βmax-0.133传输距离：

；

其中，R为β粒子在物质中的射程，单位为g/cm²；A为β粒子传输距离，单位为cm；ρ_金属为物质的密度，单位为g/cm³；

根据上述公式(1)分别计算分析β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离；

步骤S1中，轫致辐射转化份额的计算为：

根据不同材质轫致辐射转化份额F：

；

其中，Z-原子序数，E_βmax-最大电子能量。

根据上述公式(2)分别计算分析Kr-85的β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额。

进一步，根据上述公式(1)分别计算分析β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离为0.027cm，0.030cm，0.053cm。

进一步，根据上述公式(2)分别计算分析Kr-85的β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额为0.54％，0.60％，0.51％。

进一步，通过对比β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离，β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额，确定钛金属作为源壳材质，既增大了Kr-85 的β粒子在物质中的传输距离，又减少了轫致辐射份额。

进一步，材料选择确定后，需要进行Kr-85气体封装的结构设计以及对应的焊接工艺设计、表面处理设计，Kr-85气体封装在工业源结构内，工业源结构包括壳体，安装在壳体一侧的源窗，源窗的顶部压装工艺衬环，壳体的内部带有储气腔，壳体上设有与储气腔连通的充气口，充气口处连接充气管，充气口的外侧设有源盖。

进一步，所述壳体、源窗、工艺衬环以及源盖的材质为钛金属。

进一步，所述源窗的厚度为20μm-60μm。

进一步，壳体与充气管通过钎焊焊接，源窗与工艺衬环通过激光焊焊接，源盖采用激光焊的方式与壳体焊接固定，壳体表面镀镍。

进一步，所述储气腔在壳体内前置并靠近源窗。

本发明的有益效果为：本发明通过采用钛金属制备工业仪表源，从材料更新，结构改进，增加表面处理以及变更焊接工艺等方面，重新设计制备了一种工业仪表测厚源，显著避免了早期工业仪表测厚源的缺点。简化了制备流程，提高了工作效率，提高了放射源的使用性能，避免了人员及源使用过程中的危险因素，提高了源使用范围，节约了放射性源材料，从而节约了成本，增加了效益。

附图说明

图1为背景技术中传统Kr-85密封放射源的结构示意图；

图2为本发明改进后工业源结构的示意图。

具体实施方式

本发明的目的是利用Kr-85的β放射性，设计一种工艺仪表测厚源以及制备工艺，通过计算分析，材料选择，结构设计,表面处理以及制备工艺更新等途径，提高测厚源的性能，节省放射性原材料，提高安全性，简化生产流程，从而节约成本，增加效益。

本发明具体实施方案如下：

S1.材料选型：通过计算β粒子传输距离以及轫致辐射转化份额确定所需的材料；

S2.结构设计：材料选择确定后，进行结构设计以及对应的焊接工艺设计、表面处理设计；

步骤S1中，利用Kr-85的β放射性，计算β粒子传输距离：

根据β粒子在各种物质中的传输距离经验公式计算：

R＝0.542E_βmax-0.133传输距离：

；

其中，R为β粒子在物质中的射程，单位为g/cm²；A为β粒子传输距离，单位为cm；ρ_金属为物质的密度，单位为g/cm³；

根据上述公式(1)分别计算分析β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离为0.027cm，0.030cm，0.053cm；

步骤S1中，轫致辐射转化份额的计算为：

根据不同材质轫致辐射转化份额F：

；

其中，Z-原子序数，E_βmax-最大电子能量。

根据上述公式(2)分别计算分析Kr-85的β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额为0.54％，0.60％，0.51％。

通过对比β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离，β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额，确定钛金属作为源壳材质，既增大了Kr-85的β粒子在物质中的传输距离，又减少了轫致辐射份额。

进一步，材料选择确定后，需要进行Kr-85气体封装的结构设计以及对应的焊接工艺设计、表面处理设计，Kr-85气体封装在工业源结构内，如图2所示，工业源结构包括壳体1，安装在壳体1一侧的源窗2，源窗2的顶部压装工艺衬环3，壳体1的内部带有储气腔4，壳体1上设有与储气腔4连通的充气口5，充气口5处连接充气管6，充气口5的外侧设有源盖7。

进一步，壳体1、源窗2、工艺衬环3以及源盖7的材质为钛金属。

以生产过程实际为例，Kr-85气体工业源结构焊接组装过程如下：

(1)、清洗干燥的壳体1与充气管6在接触位置8通过钎焊焊接；

(2)、焊接好充气管6后，源窗2与工艺衬环3在接触位置9通过激光焊焊接；

(3)、焊接完成后，采用氦质谱检漏仪进行检漏，实际漏率小于5*10^-10 Pa·m^-3·s^-1；

(4)、对焊接好的源壳充气；

(5)、充气完成，用压力钳挤扁充气管6，在充气管6的端头10处冷焊，冷焊后端12增加一道锡焊工艺；

(6)、源盖7组装好，采用激光焊将源盖7和壳体1的接触位置11处焊接。

进一步，本发明工业源结构的具体设计细节如下：

1、源窗：

根据β粒子传输距离计算分析结果，采用钛金属，将源窗厚度设置为20 μm-60μm之间，增大了源窗厚度范围，增大了源制备活度，增加产品的多样性，满足更多厂家的多种需求。

2、活性区：

活性区(储气腔4)前置，储气腔4即为源壳活性区(源壳内充入Kr-85 气体的区域)，减小活性区高度至原有高度的1/3-1/2，活性区前置可显著减小β粒子由于自吸收导致的能量及输出效率的损失，进而提高放射源的输出性能。

3、源尺寸：

由于本发明采用新型金属钛作为源壳材质，可使用尺寸更小的源盖结构设计，取消内衬层，简化了源壳结构，提高了安全性，从而提高了工业源制备的工作效率；

4、表面处理：

本发明在源壳表面镀镍，显著改善了钎焊工艺，提高了焊料与源壳的焊接密封性能。表面镀镍后，焊料选择范围增大，可采用低温钎焊料，比对原来采用的银焊，焊接温度显著降低，防止了源壳材料在高温条件的氧化及材料力学性能的变化；同时，改善了工业源外观；

5、焊接工艺：

由于钛金属具有低热导率和对红外光高吸收率的特性，同时，本发明采用尺寸更小的源盖结构，全部采用钛金属，源盖与源窗可统一采用激光焊接方式，与等离子焊接、氩弧焊接比较，激光焊接工艺设备简单，大气环境作业，无需添加填充材料和活性剂，焊缝成型质量好，工件变形小，焊缝圆滑，局部焊接，可显著减小焊接过程中整体源壳的氧化风险，改善了源壳的外观。

另外，为进一步减小泄露风险，在放射源制备流程中，在冷焊后端，增加了一道锡焊工艺，操作简单，安全性能进一步提升。

通过采用钛金属制备工业仪表源，从材料更新，结构改进，增加表面处理以及变更焊接工艺等方面，重新设计制备了一种新型的工业仪表测厚源，显著避免了早期工业仪表测厚源的缺点。简化了制备流程，提高了工作效率，提高了放射源的使用性能，避免了人员及源使用过程中的危险因素，提高了源使用范围，节约了放射性源材料，从而节约了成本，增加了效益。

采用新设计的测厚源结构及制备工艺，利用Kr-85充气系统，制备了钛金属的Kr-85工业仪表测厚源。与相同结构的不锈钢Kr-85测厚源比较，本发明实测数据性能，显著高于不锈钢源，具体数据如下：

钛源在漏率、输出电压参数上，显著优于早期使用的不锈钢源；在γ射线计数上，由于钛合金的韧致辐射转换份额较小，导致计数低于不锈钢源，提高了人员的安全使用性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种工业仪表测厚源设计与制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：

S1.材料选型：通过计算β粒子传输距离以及轫致辐射转化份额确定所需的材料；

S2.结构设计：材料选择确定后，进行结构设计以及对应的焊接工艺设计、表面处理设计；

步骤S1中，利用Kr-85的β放射性，计算β粒子传输距离：

根据β粒子在各种物质中的传输距离经验公式计算：

R＝0.542E_βmax-0.133传输距离：

其中，R为β粒子在物质中的射程，单位为g/cm²；A为β粒子传输距离，单位为cm；ρ_金属为物质的密度，单位为g/cm³；

根据上述公式(1)分别计算分析β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离；

步骤S1中，轫致辐射转化份额的计算为：

根据不同材质轫致辐射转化份额F：

其中，Z-原子序数，E_βmax-最大电子能量

根据上述公式(2)分别计算分析Kr-85的β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额；

根据上述公式(1)分别计算分析β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离为0.027cm，0.030cm，0.053cm；

根据上述公式(2)分别计算分析Kr-85的β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额为0.54％，0.60％，0.51％；

Kr-85气体封装在工业源结构内，工业源结构包括壳体，安装在壳体一侧的源窗，源窗的顶部压装工艺衬环，壳体的内部带有储气腔，壳体上设有与储气腔连通的充气口，充气口处连接充气管，充气口的外侧设有源盖；

Kr-85气体工业源结构焊接组装过程如下：

第一步，清洗干燥的壳体与充气管在接触位置通过钎焊焊接；

第二步，焊接好充气管后，源窗与工艺衬环在接触位置通过激光焊焊接；

第三步，焊接完成后，采用氦质谱检漏仪进行检漏，实际漏率小于5*10^-10Pa·m^-3·s^-1；

第四步，对焊接好的源壳充气；

第五步，充气完成，用压力钳挤扁充气管，在充气管的端头处冷焊，冷焊后端增加一道锡焊工艺；

第六步，源盖组装好，采用激光焊将源盖和壳体的接触位置处焊接；

通过对比β粒子在镍、不锈钢，钛金属的传输距离，β粒子在镍、不锈钢，钛金属的转化份额，确定钛金属作为源壳材质，既增大了Kr-85的β粒子在物质中的传输距离，又减少了轫致辐射份额；

所述源窗的厚度为20μm-60μm。

2.根据权利要求1所述的一种工业仪表测厚源设计与制备工艺，其特征在于，所述壳体、源窗、工艺衬环以及源盖的材质为钛金属。

3.根据权利要求2所述的一种工业仪表测厚源设计与制备工艺，其特征在于，壳体与充气管通过钎焊焊接，源窗与工艺衬环通过激光焊焊接，源盖采用激光焊的方式与壳体焊接固定，壳体表面镀镍。

4.根据权利要求2所述的一种工业仪表测厚源设计与制备工艺，其特征在于，所述储气腔在壳体内前置并靠近源窗。

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