CN1170150C - 校正核辐射计用的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了校正核辐射计以及认证核辐射计校正的方法和设备，它不需要已知密度的多个标准的校正块就可提供多个块校正方法的精确度。本设备具有支承件用以接受带有辐射源和辐射探测器以及可变的辐射过滤器的核辐射计，可变的辐射过滤器与支承件可操作连接以便对来自辐射源的辐射提供可变的衰减。可变的辐射过滤器具辐射衰减材料块，辐射衰减材料块内偏心地设置空腔和定位成围绕空腔的中心轴转动。过滤器还可以具有固定的物质块用以进一步衰减来自辐射源的辐射，这样使过滤器产生的能谱实质上与如标准的校正块之类的材料的整体块的能谱匹配。

Description

校正核辐射计用的设备和方法
技术领域
本发明涉及核辐射计校正和校正认证，以及更具体地说，涉及不使用标准的校准部件来校正这种核辐射计的设备和方法。
背景技术
核辐射计用于测定土壤、沥青和类似材料的密度和/或水分。这些核辐射计的实例在美国专利No.2,781,453和No.3,544,793中已说明。在许多情况下这些核辐射计已成为工业标准，因为它们具有无损检测的能力和耐久性。美国材料试验协会(ASTM)已建立使用核辐射计测量密度和水分含量的试验标准。这些试验标准的代号为D2922-96(密度)和D-3017-88(水分)，这些文件在此列出作为参考。
现在使用的核辐射计，例如Troler3400和4400型系列辐射计是由本发明的代理商制造的，它使用的核辐射源典型地为单能源，它发射γ辐射进入试样和辐射探测器，典型的是盖革-弥勒计数管它测量散射的辐射。γ辐射与试样物质相互作用的方式或者为能量损失和方向改变(Compton相互作用)或中止(光电相互作用)。因此，被辐射探测器探测的γ辐射具有连续的能谱。
这些核辐射计设计为按“背散射”模式和直接透射模式两者工作。辐射源由在核辐射计壳体内滞留的背散射位置至在试样内小孔可插入它的透射位置可垂直地移动。被探测器接收的γ辐射与试验介质的密度相关，可用下列公式表达：
CR＝Aexp(-BD)-C     (公式1)
式中：CR＝计数比(正常化的积累的光子计数与参考的标准光子计数之比，用以消除辐射源衰变和电子漂移的长期作用)，
D＝试样的密度，以及
A，B和C是常数。核辐射计在工厂校正以便对每个核辐射计在每个辐射源深度位置达到常数A，B和C值。工厂校正程序是耗时的重复的过程，它可能需要数小时或者甚至数天来完成。为了确定上述公式的3个校正参数的值，在每个辐射源位置必须使用至少3种不同密度的材料。典型地，这3种材料是铝、镁和镁及铝的叠层的整体的块。在某些情况下，不得不使用多达5种材料校正块，以便计算不同的土壤的不同的物质衰减系数。因此，标准的工厂校正方法通常分为3块或5块校正法，它们需要大量的单独的计数来完成校正，例如，具有12英寸辐射源棒和7个不同的辐射源深度位置的辐射计，使用3块校正法时需要最少21个单独的计数。每个计数取自预定的时间阶段，时间周期越长，获得的精度越高。例如，对于某些型号的核辐射计，校正用的典型的计数时间周期使用直接透射模式的为约4分钟，而使用背散射模式的为约8至20分钟。只要全部计数已积累，就可对每个辐射源位置计算校正参数A，B和C的值。
上述校正方法是耗时的和劳动强度大的，因为它需要大量的计数和移动核辐射计至重叠一组块的位置。核辐射计需要由块至块移动的要求使得校正过程难以自动化。此外，每个标准的校正块占据较大的空间和重量超过300磅，这样使它们笨重和不适合于小型便携用。
此外，在正常的使用中核辐射计经受应力，它可改变核辐射计的辐射源探测器的几何形状。几何形状的改变以及其它因素影响核辐射计的响应，这样，经过一时间阶段后，需要重新校正核辐射计以达到常数A，B和C的新值。在工业中的标准实践是将核辐射计返回工厂或区域的校正中心，在那里重复上述的工厂校正过程。因此，核辐射计的用户在核辐射计的重复校正期内不能使用核辐射计。
曾经试图缩短校正过程，方法是使用较少的标准校正块，例如美国专利No.4,587,623，这些文件在此列出供参考。公开的校正过程仅使用2个校正块。此公开的方法建立在假设上，即对于给定的辐射源位置，常数B在核辐射计的寿命期内不会改变。然而，此2校正块法会牺牲某些精度，因为在核辐射计的寿命期内常数B可能稍稍改变。此外，此2校正块法仍需要大量的计数和在两个重型的标准校正块之间移动核辐射计。
在美国专利No.4,791,656中公开仅使用一个标准校正块的校正方法，该文件此处列出供参考。单校正块法的要点在于由单个校正块收集计数和使用统计导出的两种计数速率之间的关系，一种是由校正块规真实得出的计数速率，一种是由至少两种其它已知密度的不同的校正块过去获得的计数速率。使用这种历史导出的关系可以对其它校正块建立预期的校正计数速率以及用于计算上述公式的参数。虽然单校正块法减少了所取实验计数的数目，但仍需要使用至少一个重型标准校正块。当使用单校正块法时，通常适合于用至少一个实质上不同密度的另一个校正块来试验核辐射计以认证校正。如果核辐射计不能通过质量控制/质量保证试验，仍需要3校正块校正过程。此外，根据历史导出的数据，单校正块法假设在给定的辐射源棒深度，设定了关于镁，镁/铝和铝计数相互的强烈的直线关系。然而，某些辐射计并不能以恒定方式贴合这种关系。这样的辐射计要求完全的3校正块校正过程，才能保证正确的校正。最后，单校正块校正程序仅适用于校正同一结构的辐射计，因为这些辐射计适合产生历史数据。因此，单校正块校正过程不可能用于辐射计的新型号，因为没有历史数据。
国际申请PCT/US98/12091公开了一种核辐射计用的确认和较正设备，它具有位于包套内的吸收元件，而此吸收元件可以模拟已知密度材料相关的光子计数。
这里仍保持对新的校正方法和认证核辐射计校正的需要，这种核辐射计较少耗时，较少劳动强度，以及适合在原始工厂校正和由辐射计用户远离工厂区的重复校正。
发明内容
本发明的目的是提供一种校正核辐射计用的方法和设备，它保证多块规校正方法的精度，而又不需要已知密度的多个标准校正块规。使用本发明的设备，核辐射计可以在每个辐射源深度位置校正，而不需要在多个校正块之间移动。代替的方法是，本发明的设备使用可变的辐射过滤器，它可以模拟变化密度的各种材料的辐射衰减。在一个最佳实施例中，可变的辐射过滤器模拟已知密度的多种材料的密度，例如整体的校正块，以及以这种方式衰减入射的γ辐射，使入射在γ射线探测器上的最终的能谱与已知密度材料的能谱实质上匹配。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种核辐射计用的校正设备，所述的核辐射计带有辐射源和辐射探测器，包括：带有横支承表面的支承件，用以接受和支承核辐射计的底面，此种核辐射计具有一个位于可垂直移动的辐射源棒内的辐射源和一个辐射探测器，上述支承件具有开口，用以接受辐射源棒由其中通过；以及辐射过滤器，它能衰减辐射产生能谱入射至辐射探测器，该能谱实质上与至少一个材料的整体的块的能谱匹配，上述过滤器具有：预定形状的辐射衰减材料块，位于上述支承件的下面和定位成相对于上述支承件移动，以便对核辐射计的辐射探测器提供可变程度的辐射衰减，以及固定的物质块，位于邻接辐射探测器处和上述支承件的下面，以进一步衰减来自核辐射计的辐射源的辐射。
本发明的设备适用于校正带有辐射源和辐射探测器的核辐射计。此设备具有支承件，用以接收带有辐射源和辐射探测器的这种核辐射计。优选地，支承件具有横表面，用于接收和支承核辐射计的底面以及开口，用于接收可通过它垂直移动的辐射源棒。支承件还具有导向件，用于使核辐射计导向进入上述辐射源棒与上述空腔重叠的位置。
设备还具有可变的辐射过滤器，它与支承件工作连接以及处于相对于支承件上接收的核辐射计的位置，使可以衰减来自辐射源的辐射。辐射过滤器提供可变程度的辐射衰减以及可以模拟具有不同密度的各种材料的辐射散射。优选地，可变的辐射过滤器具有基本均匀密度的辐射衰减材料块，它的安装可使相对于支承件移动，以便使可变程度的辐射衰减作用于核辐射计的辐射探测器。在一个实施例中，可移动的辐射衰减材料块具有预定形状的块规，例如圆柱形，它安装成可相对于支承件转动。辐射衰减材料块具有空腔，位于支承件开口的下面和用以接收核辐射计的辐射源棒。空腔处于块规内的偏心位置以及辐射衰减材料块的位置可使其绕空腔的中心轴转动，转动轴实质上垂直于平的横向支承面。在一个实施例中，电动机驱动器与辐射衰减材料块协作，使辐射衰减材料块绕空腔的中心轴转动。
可变的辐射过滤器优选地还具有固定的物质块，位于邻接辐射探测器处，以进一步衰减来自核辐射计的辐射源的辐射。固定的物质块优选地具有至少一个板材，其制造材料选自下组：铝、镁、铅、聚乙烯、镉、钨、石墨和它们的组合。
优选地，可变的辐射过滤器产生的能谱与具有不同密度的一组材料的能谱实质上匹配。在一个实施例中，可变的辐射过滤器具有的调节可以模拟镁的密度，使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量时，调节产生计数比率(探测的总计数/超过300keV能量的计数之比)至少为约4.0，在辐射源深度为2英寸。更优选地，此比率至少为约4.5。使用同样的镁调节，在辐射源深度为8英寸时，使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量，调节产生的计数比(探测的总计数/超过300keV能量的计数之比)至少为约3.5。最优选地，此比率至少为约4.0。
在一个实施例中，使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量，可变的辐射过滤器具有的调节可以模拟已知的密度以及产生探测的总计数/超过300keV能量的计数之比至少为用已知密度的整体材料块产生的同样比率的70％。优选地，此比率为用已知密度材料的整体的块产生的同样比率的约80％。例如，整体的材料块可以是镁或铝校正块。
本发明还提供一种校正核辐射密度计的方法，包括下列步骤：提供带有辐射探测器和位于可垂直移动的辐射源棒内的辐射源的核辐射计；提供校正设备，它具有横支承面以接受和支承核辐射计的底面，以及辐射过滤器，位于支承表面的下面，过滤器可以衰减辐射产生能谱，入射至辐射探测器，该能谱实质上匹配至少一个材料的整体的块的能谱，以及具有预定形状的辐射衰减材料块，位于上述支承件的下面以及安装成相对于上述支承件移动，以便对核辐射计的辐射探测器提供可变程度的辐射衰减，以及固定的物质块，定位于邻接辐射探测器处，以进一步衰减来自核辐射计辐射源的辐射；在横支承表面上放置核辐射计；在预定的辐射源深度定位辐射源；以及在核辐射计处于设备上时核辐射计获得散射的辐射的积累的计数。
当这种核辐射计的辐射源位于可垂直移动的辐射源棒内时，辐射源棒可以在不同的辐射源位置重新定位，而辐射计保持在校正台上的位置。以这种方式，核辐射计可以借助在每个辐射源深度位置获得散射辐射的积累的计数来校正。使用本发明的方法，核辐射计可借助调节可变的辐射过滤器在每个辐射源深度位置校正，以提供一种或多种不同程度的辐射衰减和获得散射辐射的相应的积累的计数，而不需要由横向支承表面移动核辐射计。
附图说明
在叙述本发明的通用术语之后，现参见附图，它们不是按比例绘制的，附图中：
图1是带有核辐射计的本发明的校正设备一个实施例的透视图；
图2是带有核辐射计的本发明的校正设备一个实施例的侧视横剖面图；
图3A-3C是校正设备的可变的辐射过滤器的不同的位置图；以及
图4是由校正块规和本发明的设备的两个实施例产生的γ射线能谱的比较图。
具体实施方式
现在将更加充分地参见示出本发明的最佳实施例的附图详细说明本发明。然而，本发明可以用许多不同的方式实施，不应局限于按照上述的实施例建造，反之，提供这些实施例是为了使公开的内容更完整，以及可向技术熟练人员充分地传达本发明的范围。在图中相类似的元件标以类似的标号。
图1是本发明的校正设备10的透视图，它具有放置在其上的核辐射计12。如图2所示，核辐射计12具有辐射源20和辐射探测器22。本发明的校正设备10可以用于以背散射模式和直接透射模式两者校正核辐射计12。核辐射计的具体的类型和形状对于本发明并不重要。因此校正设备10可以用于一系列不同的核辐射计12。在一种通用形状的核辐射计中，辐射源20安装在可垂直移动的辐射源棒24内，如图1和2所示。核辐射计12也可以具有测量水分含量的能力。这种类型的辐射计(如图2所示)也可以具有中子源46和中子探测器48，它们位于核子辐射计壳体50内。
本发明的校正设备10具有支承件14，用于接收核辐射计12。支承件14具有横表面15，用以接收和支承核辐射计12的底面。支承件14具有开口18，它可使可移动的辐射源棒24自由下降。支承件14具有导向件17，呈支座或导轨的形式，它可以把核辐射计12导向至支承件上正确的位置。
在支承件14开口18的下面设置可变的辐射过滤器16。可变的辐射过滤器16与支承件14工作连接，以及它相对于核辐射计12的定位可以衰减来自辐射源20的辐射。本发明的可变的辐射过滤器16可以改变辐射衰减程度，从而模拟具有不同密度的一系列材料的辐射散射。在一个最佳实施例中，可变的辐射过滤器16包括基本均匀密度的辐射衰减材料块，安装成可相对于支承件14移动，以便使可变程度的辐射衰减作用于核辐射计12的辐射探测器22。在不背离本发明的条件下，辐射过滤器16可以用各种方式移动，以提供可变程度的辐射衰减。作为不受限制的实例，辐射过滤器16可以在辐射源20和辐射探测器22之间沿纵向或横向直线移动。在所示的实施例中，可移动的辐射衰减材料块是预定形状的块，该辐射衰减材料块安装成可相对于支承件14转动。辐射衰减材料块26的预定的形状优选地是圆柱形，但在不背离本发明的条件下也可使用其它形状。在一个实施例中，辐射衰减材料块26为圆柱形，其直径约2至4英寸。
借助提供可变程度的辐射衰减，辐射衰减材料块26可以模拟许多材料的密度，其中包括传统的校正块，例如镁或铝块。辐射衰减材料块26借助产生与被模拟材料在给定的辐射源20深度产生的计数速率大致相同的计数速率来模拟密度。辐射衰减材料块26还可保护使用者避免暴露于过量的辐射。
优选地，辐射衰减材料块26具有空腔28，位于支承件14的开口18的下面。空腔28在辐射衰减材料块26内偏心设置，用以接收可垂直移动的辐射源棒24。优选地，空腔28具有足够的深度以容纳标准长度的辐射源棒24。例如，空腔28的深度优选地足够容纳辐射源棒24，使它可以下降至深度12英寸。代替的方案是辐射衰减材料块26的尺寸可以减小，方法是使辐射衰减材料块与辐射源棒24一起垂直移动，这样使物质块仅围绕辐射源棒含有辐射源20的那一部分。辐射衰减材料块26的转动轴与空腔28的转动轴重合。如图3A-3C所示，由于空腔28在辐射衰减材料块26内偏心放置，物质块围绕空腔中心轴的转动改变了处于辐射源棒24内的辐射源20和处于核辐射计12壳体50内的辐射探测器22之间的物质块的材料量。处于辐射源20和辐射探测器22之间材料量的改变引起可变的辐射过滤器16提供的辐射衰减程度的改变。
在一个实施例中，辐射衰减材料块26具有外空心的铝筒40和内空心铝筒42。内空心铝筒42限定辐射衰减材料块26的空腔28。内筒42和外筒40之间的空隙填充辐射衰减材料，例如铅或钨。在所示的实施例中，辐射衰减材料块16包着辐射源20，从而保护使用者避免暴露于过量的辐射。
优选地，辐射衰减材料块26安装在底板36上，底板36具有环形的铅防护层54，该防护层54包着辐射衰减材料块26内的空腔28。此外，优选地在底板36内空腔28的末端设置铅塞52。铅环54和铅塞52可以在辐射源棒24进入空腔28时提供防护，避免通过校正设备10的底部过量的辐射发射。
在一个最佳实施例中，底板36安装在转动台32上。转动台32使物质块26/底板36组件转动。转动台32安装在支座38上，可以手动或由电动机驱动器62带动。
在一个实施例中，在邻接转动台32处设置磁性开关33。磁铁35位于转动台32的外表面。磁性开关33与电动机驱动器62可操作地连接，使得当磁性开关探察到接近磁铁35时，辐射衰减材料块26/底板36组件的转动停止。这样一来，在本发明的电动机驱动实施例中，磁性开关33可使物质块26取向在原始的开始点。这样就可以使用已知的参考点测量物质块26的转动角度。
可变的辐射过滤器16优选地还具有固定的物质块44。固定的物质块44位于邻接辐射探测器22以便进一步衰减来自辐射计的辐射源20的辐射。当辐射是散射通过时，任何给定的材料产生一致的能谱。当辐射被引入材料时，即使具有大致相同密度的异种材料将产生不同的能谱。固定的物质块44的存在有助于把可变的辐射过滤器16的能谱与固体的材料块产生的能谱匹配起来，这种材料例如是校正块或外场试验材料，例如沥青，这种就可以更精确地模拟已知密度的传统的校正块，例如铝或镁块产生的辐射散射作用。固定的物质块44还可保护使用者避免暴露于过量的辐射。
辐射衰减材料块26可以模拟已知密度的块提供的计数速率；然而，在某些实施例中，材料块没有含以模拟已知密度的固体块的能谱的正确的材料和体积每个辐射探测器22，例如盖革-弥勒计数管具有不同的能量依从关系效率函数。例如，给定的探测器22在能量范围200keV(千电子伏)至300keV内可以显示强的探测灵敏度，以及在能量范围50keV至150keV内显示弱的探测灵敏度。探测器22的能量探测效率影响核辐射计12的校正精度。如果核辐射计12使用的校正设备模拟计数速率，而不是传统的校正块的能谱，则核辐射计可能没有接受精确的校正，因为在用以准备校正设备10的密度调节的“主辐射计”和被校正的辐射计之间效率不同。使用固定的物质块44，校正设备10就能够模拟传统的校正块的计数速率和能谱两者，这样使设备能可靠地校正任何辐射计，而与能量探测效率无关。
固定的物质块44比校正本发明设想类型的核辐射计12使用的传统的固体块轻得多。因此，本发明的整个校正设备10也轻得多和更容易运输。校正设备10的重量可以是镁制的标准的校正块的重量的1/3至1/10。
在最佳实施例中，固定的物质块44包括至少一个板材，其制造材料选自下组：铝、镁、铅、聚乙烯、石墨、镉、钨和它们的组合，包括复合材料或层叠结构。例如，固定的物质块44可以是一组固定到一起的镁板和聚乙烯板以形成块状的物质。在一种形状中，固定的物质块44是由聚乙烯板和镁板面对面堆积组成，其顺序如下：聚乙烯，镁，镁，镁，镁，和聚乙烯。聚乙烯块优选地是约3英寸厚，约9英寸宽和约11.5英寸高。镁块规优选地是约1英寸厚，约10英寸宽和约11.5英寸高。在一个实施例中，固定的物质块44还具有镉板(图中未示出)位于镁板和聚乙烯板的上面，在辐射探测器22区附近的辐射支承件14的下面。然而，固定的物质块44可以具有许多不同的形状，例如，如果要求实质上匹配希望的能谱，板材的数目、制造用材料、板材的形状以及每个板材相对于另一板材的位置都可以调节。
为了达到固定的物质块44的可工作形状，可以使用能谱分析仪，例如从闪烁探测器为基础的多通道分析仪(MCA)用以绘制给定材料的单一的能谱。例如将NaI闪烁器与Canberra公司制造的光电倍增管结合用于测量标准的校正块的能谱。只要能谱已知，固定的物质块44就可以调节以实质上匹配校正块的能谱。
能谱的实质上的匹配取决于探测的总计数(C1)/能量超过300keV的计数(C2)之比率，或者探测的总计数(C1)/能量峰值662keV时的计数(C3)之比率。这些比率假设使用662keV的辐射源(即Cs-137)。此外，这些比率典型地依赖于测量能谱用的探测器的几何形状和类型。此处所用的比率是基于使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器。
在辐射源20深度为2英寸以及密度调节相当于镁块时，比率C1/C2应至少为约4.0，优选地至少为约4.5，以及更优选地至少为约4.75。在辐射源20深度为4英寸以及密度调节相当于镁块规时，比率C1/C2应至少为约3.5，优选地至少为约4.0，以及更优选地至少为约4.4。在辐射源20深度为8英寸以及密度调节相当于镁块时，比率C1/C2应至少为约3.5，优选地至少为约4.0，以及更优选地至少为约4.2。
对于校正设备10的给定的辐射源20深度和密度调节计算的比率C1/C2也可以与使用具有同样密度的校正块计算的比率C1/C2比较。优选地，使用校正设备10计算的比率C1/C2(在任何辐射源20深度)应至少为使用具有同样密度的校正块规计算的比率C1/C2的70％。更优选地，使用校正设备10计算的比率C1/C2应至少为使用同样密度的校正块计算的比率C1/C2的80％。例如，如果材料块26的调节模拟镁的密度，在任何辐射源20深度对于该调节计算的比率C1/C2应至少为使用镁校正块计算的同样比率的70％。
如图1所示，在一个实施例中，本发明的校正设备10支承在下平台60上。本发明的校正设备10还具有车轮58以增加设备的运输能力，或具有手柄(图中未示出)以便提升设备。
工作中，首先按照辐射计制造商的建议使用核辐射计12获得标准的计数。核辐射计12随后放置在校正设备10上，并使辐射源棒24暴露在支承件14的开口18。使用导向件17使核辐射计12精确定位，导向件可使辐射源棒24和辐射衰减材料块26内的空腔28精确对准。辐射源棒24随后放置到要求的校正深度，或者按背散射模式，使辐射源棒保持在辐射衰减材料块26的上面，或者按透射模式，使辐射源棒进入辐射衰减材料块26的空腔28内，辐射衰减材料块26随后使用转动台32转动至预定的位置，以提供相当于已知密度的辐射衰减。转动可以手动进行或借助电动机驱动器62。如果手动调节，可在设备上，如台支板38上做标记，例如精确的凹坑。这样，辐射衰减材料块26可以精确地转动至预定的调节点。如果使用电动机驱动器，可将计算机64连接至电动机驱动器62，以及用于输入校正设备10准备模拟的特定的密度。计算机64随后操作电动机驱动器62和转动辐射衰减材料块26至已知的位置或调节点以便模拟要求的密度。
散射辐射的一个或多个积累的计数随后可用核辐射计12的制造商建议的过程测量。每个计数测量后，辐射衰减材料块26转动至相当于另外已知密度的另外的预定调节。如果使用单材料块校正法，则使用辐射衰减材料块26的单独的预定的调节取得散射辐射的单独的积累的计数，足够在此辐射源深度校正核辐射计12。与此类似，使用辐射衰减材料块26的两个预定的调节可收集散射辐射的两个积累的计数，以及使用两材料块校正法与已知的常数B值相结合，以便在给定的辐射源深度校正核辐射计12。最后，也可以测量散射辐射的3个或更多个积累的计数，用于计算公式1内的3个常数。由此可见，本发明的校正设备10可用于进行单材料块校正，两材料块校正以及任何其它多材料块校正方法。如果使用单材料块校正方法，优选地使用辐射衰减材料块26的至少一个附加的预定的调节获得至少一个附加的积累的计数以认证校正的精确性。例如，下述的一个认证过程可用于认证校正的精确性。每个计数可以取自辐射计制造商建议的时间周期，典型地情况是，对于校正，使用直接透射模式时计数取自超过4分钟周期，以及使用背散射模式时在8至20分钟之间。
优选地将积累的计数输入曲线配合程序，按它来计算公式1的校正常数。这些数据可以手工或通过RS-232界面录入计算装置中。计算装置的实现方式可以是手持计算器，与校正设备10集成的计算机或核辐射计12的微处理器。新的常数随后载入核辐射计12，例如，如果使用计算机64，则可以使用计算机通过接口27将常数输入核辐射计12。
根据使用的校正方法，可以在每个附加的辐射源深度获得散射辐射的需要数目的积累的计数。因此，上述整个程序可以在辐射源20的每个深度调节重复。例如，上述程序可以用背散射模式，2英寸直接透射模式，4英寸直接透射模式和类似模式中重复。由于材料块26有限的范围，在使用同样调节或取向的不同辐射源深度之间可以觉察出密度测量中微小的差异。这种差异可归因于对于每个块规调节的每个辐射源深度位置分配了微小差异的密度。这种简化的方法要求仅准备3个材料块调节就可使校正设备10进行三材料块校正方法，以及特别适合于本发明的人工操作，这里可由用户调节块规至每个调节点。
代替的方案是，如果要求校正设备10在所有辐射源深度模拟特定的密度值，密度测量可以借助对每个辐射源深度分配微小差别的材料块取向或位置获得预定的值而平衡。例如，如果校正设备10计划模拟镁校正块，铝校正块和镁/铝夹层校正块的密度值，可对每个要求的密度用的每个辐射源深度分配单独的材料块取向或位置，从而使校正设备10可模拟在每个辐射源深度的相同的3个密度值。由于需要较大数目的材料块取向，本方法特别适合于本发明的自动化操作，这里对每次设定使用计算机控制的电动机驱动器62调节材料块。
校正设备10也可用于在一定时间阶段认证或验证核辐射计12的校正精确性，以便迅速判定辐射计是否可在预定的质量控制范围内继续工作。校正的认证/验证方法与上述校正方法相同。校正的认证通常根据核辐射计12在使用中涉及的密度范围，使用1，2或3点。如果核辐射计12仅使用狭窄的密度范围，则1点认证方法是适当的。需要较宽广的密度范围的核辐射计应用可能需要2点认证方法。如果核辐射计12的程序测量密度范围跨越核辐射计整个动态范围，则要求3点认证方法。
在1点认证方法中，核辐射计12放置在本发明的校正设备10上以及辐射源棒24下降至要求的辐射源深度。材料块26转动至预定的调节点，相当于用核辐射计12测量的狭窄的密度范围内或接近此范围。在预定的计数周期内取积累的计数。典型地，计数周期为约1分钟至约4分钟用于校正认证。用核辐射计12测量的密度随后与材料块26的预定的调节接受的密度值比较以及差异用质量控制/质量保证极限评价。例如，典型的质量控制极限为约1.0磅/英尺3。如果测量的和接受的密度值之间的差异大于质量控制极限，则辐射计12的校正认证失败和应重复校正。如果差异在质量控制极限之内，则辐射计12的工作合格和不需要校正。
在2点认证方法中，使用辐射衰减材料块26的两个预定的调节和取两个积累的计数测量。优选地，使用相当于最高密度值的调节以及相当于最低密度值的调节。与1点校正方法相同，接受的密度与测量的密度之间的差异用质量控制极限评价。
3点认证方法使用材料块的3个预定的调节。3个调节优选地跨越原始的核辐射计校正的整个动态范围分布。与1点和2点认证方法相同，在每个调节取积累的计数，以及相应的密度与每个调节的接受的密度值比较。测量的密度和接受的密度之间的差异使用上述质量控制极限评价。
为了准备校正设备10，必须确定相当于至少3个已知密度的至少3个调节。这样校正设备就可使用1，2或3材料块校正方法。为了确定相当于校正设备10调节的密度，使用一个“主核辐射计”。主核辐射计应使用传统的3材料块校正方法中采用的标准的校正材料块进行校正。优选地，主核辐射计是将使用校正设备10校正的同样类型的核辐射计。优选地，主核辐射计使用较长的计数周期和较严格的质量控制/质量保证极限校正。例如，在校正主核辐射计时，在直接透射模式中使用的计数周期为约20分钟，而不是约4分钟。此外，测量的密度值优选地使用严格的质量控制极限评价。例如，质量控制极限可能要求主核辐射计必须处于每个标准的校正材料块接受的密度值的0.2％内。
为了确定每个校正设备10的调节，辐射衰减材料块26转动至第一位置。主核辐射计放置在校正设备10上。使用核辐射计制造商建议的程序测量散射辐射的积累的计数。辐射衰减材料块26随后可转动至第二位置以模拟第二程度的辐射衰减。主核辐射计随后用于取散射辐射读数的第二积累的计数。上述步骤可以重复要求次数的调节。优选地，为每个校正设备10准备至少3个调节。
由于主核辐射计的校正常数是已知的，相当于积累的计数读数的密度可以计算。以这种方式，辐射衰减材料块26的每个转动调节可与已知的密度相关连。应注意优选地，选择辐射衰减材料块26的调节的方式应可以提供宽广范围的已知密度。使用宽广范围的密度，校正设备10提供的校正精确性改善。例如，当使用3材料块方法时，经常使用标准的镁块、铝块和夹层的镁和铝块。同时使用镁和铝保证了良好的密度范围。因此，虽然不需要严格地匹配辐射衰减材料块26的调节至已知校正材料块的密度，例如镁校正块，但是优选地复制使用铝和镁块提供的大致的密度范围。
此外，如上所述，当固定的物质块44被用于实质上模拟通过整体材料块辐射散射产生的能谱。由于传统的校正块，如镁和铝块是易获得的以及使用能谱分析仪易于绘制与这种材料块相关的能谱。可行的方法是使校正设备10模拟的密度与具有已知能谱的块规的密度大致匹配，然后调节固定的物质块44至实质上与校正设备10模拟的密度相同的密度的材料的已知的能谱匹配。因此，每个预定的调节的模拟的计数速率和能谱将实质上与通常用于核辐射计校正的已知的材料的计数速率和能谱匹配，导致更好的校正精确性和精度。
由于主核辐射计是用这样的材料块校正的。即材料块的重力密度是用经NIST标准校正的仪器测量的，与辐射衰减材料块26的调节相关的密度的扫描性实质上等于普通使用标准的校正块规分配的密度的扫描性。因此，使用本发明的校正设备10不会有校正精确性的损失。
核辐射计12也可测量水分含量，校正设备10也可用于校正核辐射仪的水分含量测量。水分含量与热中子计数速率之间的关系可按下列公式给出：
R＝E+FM                        (公式2)
式中R是中子计数比率(真实的计数与标准的计数之比率)，
M是试样的水分含量，以及
E和F是常数。
为了获得两个常数值，需要两个积累的计数读数。校正时，核辐射计12首先放置在支承件14上。当辐射计12位于支承件14上时，取第一积累的计数读数。水分板(图中未示出)随后放置在辐射计12和支承件14之间，以提供不同的水分含量读数。水分板用能模拟水分含量的任何适当的材料制造，例如聚乙烯。当辐射计12位于水分板上时，取第二积累的计数读数。相当于两个积累的计数的水分含量值可以这样确定，首先使用已用传统的水分校正块规预先校正过的“主”核辐射计获得积累的计数。例如，可以使用美国专利No.4,152,600公开的校正标准来校正主核辐射计，这些文件在此处列出供参考。使用被校正的核辐射计收集的两个积累的计数随后用于计算求解公式2的常数E和F的新值。
代替的方法是，不使用水分板实现校正，这时假设积累的中子计数相当于水分含量为0。对于任何给定的辐射计类型或设计，相当于水分含量0的积量的中子计数是相对地恒定的。当核辐射计12位于支承件14上时取第二积累的计数。使用假设的计数和积累的计数，按公式2计算两个常数的新值。
实例1
使用M3440型主核辐射计(制造商为美国的Troxler ElectronicLaboratories of Research Triangle Park，NC)，把密度分配至3个校正设备的取向O1，O2和O3。在使用主核辐射计前，核辐射计的校正和稳定性经认证。对于4英寸辐射源位置的3个取向分配的密度为109.9(01)，135.5(02)和162.9磅/英尺3(03)。
对试验的核辐射计3430型(制造商Troxler Electronic Laboratories)取标准的计数。标准的计数是2725。试验的核辐射计放置在本发明的校正设备上，使用4英寸模式的辐射源棒。对于每个设备取向01，02，03积累计数。每个计数取自4分钟周期。对于3个取向获得的3个积累的计数是4398(01)，2620(02)和1552(03)。同样的核辐射计也使用标准的校正块规校正。使用校正设备确定的校正常数与使用表1内标准的校正材料块确定的校正常数比较。
为了确定两个校正之间的差异，使用校正块计算A，B和C的值，以及标准的计数用于确定给定的密度的比率R(计数/标准的计数)。与用本发明校正设备进行的校正相等的密度随后使用相同的R以及使用校正设备计算的A，B和C值来求出。两个校正之间的密度差(dρ)等于(ρcb-ρca)的绝对值，式中ρcb是使用由校正材料块计算的常数确定的密度，以及ρca是使用校正设备计算的常数确定的密度。如果对于两个校正方法A、B和C值相等，则密度差应为零。在125磅/英尺3下两个校正之间的密度差是0.10磅/英尺3。在110至165磅/英尺3范围内级距5磅/英尺3时的密度差以同样方式计算，在整个范围内的平均密度差dρ是0.27磅/英尺3，表明本发明的校正设备可以实质上与校正材料块提供的校正精确性匹配。
                   表1
方法 A  B*1000 C
校正设备 16.8349  1.3651 -0.0920
校正块 17.0467  1.3776 -0.1084
实例2
用核辐射密度/水分计的盖革-密勒计数管接收的γ射线能谱在背散射和直接透射γ射线辐射源位置对各种材料分析。能谱是使用1英寸×1英寸NaI闪烁探测器与光电倍增管连接获得的。使用没有中子辐射源的Troxler3430型核辐射计、3He探测器、盖革-弥勒计数管和核辐射计电子器件。探测器的有效体积，即1英寸×1英寸NaI晶体，放置在核辐射计底板的中部区，该处垂直放置两个盖革-弥勒计数管，2英寸厚的铅板放置在NaI探测器的下面，以防止γ射线直接射向晶体。发现，每个材料深度位置具有一致的γ射线能谱。
图4对比了镁校正材料块产生的能谱(辐射源20深度4英寸)与本发明两个实施例产生的能谱。对于每个实施例，材料块26的调节模拟在辐射源深度4英寸时的镁的密度值(～110磅/英尺3)。实线表示镁校正材料块的能谱，双点划线表示本发明的校正设备10没有带固定的物质块44产生的能谱，以及单点划线表示本发明的校正设备10带有固定的物质块44产生的能谱。如果校正设备10的可变的过滤器16不能实质上与本设备模拟的已知密度材料的能谱匹配，则两个核辐射计可以读出同样辐射衰减材料块26调节的不同的密度(相距2至8磅/英尺3)。用实验方法确定，能谱与两个核辐射计密度读数差别之间的关系来源于这样的事实，两个盖革-弥勒计数管可以具有不同的能量-γ射线探测效率依赖关系。如图4所示，带有固定的物质44的校正设备10更接近镁块的能谱。
表2-10列出使用1英寸×1英寸NaI闪烁探测器连接光电倍增管获得的能谱数据。表中列出的数据为2英寸模式(表2-4)，4英寸模式(表5-7)和8英寸模式(表8-10)。在每种情况下，计数读数是使用镁校正块和使用模拟镁密度的校正设备10的调节取得的。对于每个深度模式，各表示出低能量时的峰值高度，662keV时的峰值高度，总计数和超过300keV时的计数，以及总计数和在662keV峰值时的计数之间的关系。这些数据指出，带有固定的物质块44的校正设备10可以产生能谱，实质上与校正块产生的能谱匹配。
表2(2英寸辐射源深度)
设备 在低能量的峰值高度(H1)  在662keV的峰值高度(H2)  比率(H1/H2)
校正块 62,244在110keV  1,869  33,3
带固定的物质块的校正设备 52,707在120keV 2,568 20,5
不带固定的物质块 44,421在190keV  6,371  6,9
的校正设备
表3(2英寸辐射源深度)
设备 总计数(C1) 能量＞300keV的计数(C2)  比率(C1/C2)
校正块 2,182,002 366,214  6.0
带固定的物质块的校正设备 2,135,249 439,588 4.9
不带固定物质块的校正设备 1,948,889 548,740 3.6
表4(2英寸辐射源深度)
设备 总计数(C1)  在662keV峰值的计数(C3)  比率(C1/C3)
校正块 2,182,002  7,488  291.7
带固定的物质块的校正设备 2,135,249 11,873 180.9
不带固定的物质块的校正设备 1,948,889 52,174 37.4
表5(4英寸辐射源深度)
设备 在低能量的峰值高度(H1)  在662keV的峰值高度(H2)  比率(H1/H2)
校正块 60,960在110keV  3,719  16.4
带固定的物质块的校正设备 47,900在120keV 4,362 11.0
不带固定的物质块的校正设备 34,553在190keV 13,709 2.5
表6(4英寸辐射源深度)
设备 总计数(C1) 能量＞300keV的计数(C2)  比率(C1/C2)
校正块 2,278,909 454,481  5.0
带固定的物质块的校正设备 1,991,407 455,658 4.4
不带固定的物质块的校正设备 1,880,130 701,194 2.7
表7(4英寸辐射源深度)
设备 总计数(C1)  在662keV峰值的计数(C3)  比率(C1/C3)
校正块 2,278,909  21,427  106.5
带固定的物质块的校正设备 1,991,407 27,461 72.5
不带固定的物质块的校正设备 1,880,130 124,125 15.1
表8(8英寸辐射源深度)
设备 在低能量的峰值高度(H1)  在662keV的峰值高度(H2)  比率(H1/H2)
校正块 35,583在110keV  2,025  17.6
带固定的物质块的校正设备 29,234在120keV  2,756  10.6
不带固定的物质块的校正设备 22,840在190keV 9,248 2.5
表9(8英寸辐射源深度)
设备 总计数(C1) 能量＞300keV的计数(C2)  比率(C1/C2)
校正块 1,294,769 266,185  4.9
带固定的物质块的校正设备 1,186,617 282,955 4.2
不带固定的物质块的校正设备 1,211,977 453,537 2.7
表10(8英寸辐射源深度)
设备 总计数(C1)  在662keV的峰值的计数(C3)  比率(C1/C3)
校正块 1,294,769  13,448  96.6
带固定的物质块的校正设备 1,186,617 15,179 78.1
不带固定的物质块的校正设备 1,211,977 91,028 13.3
通过上述说明和附图中的教导，本专业技术熟练人员可明白本发明的许多改型和其它实施例。应该理解，本发明不应局限于公开的特定的实施例，而对本发明的改型和其它实施例也有意包括在所附的权利要求的范围内。虽然，这里使用了专门的术语，它们仅用于一般的和说明的概念，而不是为了限制的目的。

Claims (25)

1.一种核辐射计用的校正设备，包括：
带有横支承表面的支承件，用以接受和支承核辐射计的底面，此种核辐射计具有一个位于可垂直移动的辐射源棒内的辐射源和一个辐射探测器，上述支承件具有开口，用以接受辐射源棒由其中通过；以及
辐射过滤器，它能衰减辐射产生能谱入射至辐射探测器，该能谱与至少一个材料的整体的块的能谱匹配，上述过滤器具有：
预定形状的辐射衰减材料块，位于上述支承件的下面和定位成相对于上述支承件移动，以便对核辐射计的辐射探测器提供可变程度的辐射衰减，以及
固定的物质块，位于邻接辐射探测器处和上述支承件的下面，以进一步衰减来自核辐射计的辐射源的辐射。
2.按照权利要求1的设备，其特征在于上述辐射衰减材料块具有垂直的空腔，位于上述支承件的上述开口的下面和用以接受核辐射计的辐射源棒，上述空腔偏心地设置在上述预定形状的辐射衰减材料块内。
3.按照权利要求2的设备，其特征在于上述辐射衰减材料块安装成相对于上述支承件转动。
4.按照权利要求3的设备，其特征在于上述辐射衰减材料块定位成围绕上述空腔的中心轴线转动。
5.按照权利要求4的设备，其特征在于还包括电动机驱动器，与上述辐射衰减材料块配合，使辐射衰减材料块围绕上述轴线转动。
6.按照权利要求1的设备，其特征在于上述辐射衰减材料块的预定的形状是圆柱形。
7.按照权利要求1的设备，其特征在于包括可转动的平台，位于上述辐射衰减材料块的下面，用于使其转动，这样当辐射衰减材料块转动时，上述辐射衰减材料块对辐射探测器提供可变程度的辐射衰减。
8.按照权利要求1的设备，其特征在于上述支承件还具有导向件，可操作定位以把核辐射计导向进入上述核辐射计的上述辐射源棒与上述空腔重叠的位置。
9.按照权利要求1的设备，其特征在于上述固定的物质块具有至少一个板材，其制造材料选自下组中之一：铝、镁、铅、聚乙烯、镉、钨、石墨、及它们的组合。
10.按照权利要求1的设备，其特征在于上述固定的物质块具有多个板材，其中各板材的制造材料选自下组中之一：铝、镁、铅、聚乙烯、镉、钨、石墨及它们的组合。
11.按照权利要求1的设备，其特征在于上述辐射过滤器可产生可与具有不同密度的一系列材料的能谱匹配的能谱。
12.按照权利要求1的设备，其特征在于上述辐射过滤器具有模拟暴露在662kev辐射源时镁的密度的调节，上述调节产生在辐射源深度2英寸，使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量得到的探测的总计数/能量超过300keV的计数的比率至少为约4.0。
13.按照权利要求12的设备，其特征在于上述比率至少为约4.5。
14.按照权利要求1的设备，其特征在于上述辐射过滤器具有模拟暴露在662kev辐射源时的镁的密度的调节，上述调节产生在辐射源深度8英寸，使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量得到的探测的总计数/能量超过300keV的计数的比率至少为约3.5。
15.按照权利要求14的设备，其特征在于上述比率至少为约4.0。
16.按照权利要求1的设备，其特征在于上述可变的辐射过滤器具有模拟暴露在662kev辐射源的已知的密度的调节，上述调节产生使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量时，探测的总计数/能量超过300keV的计数的比率至少为已知密度的材料的整体的块规产生的同样比率的70％。
17.按照权利要求16的设备，其特征在于上述比率是已知密度的材料的整体的块规产生的同样比率的约80％。
18.一种校正核辐射密度计的方法，包括下列步骤：
提供带有辐射探测器和位于可垂直移动的辐射源棒内的辐射源的核辐射计；
提供校正设备，它具有横向的支承表面以接受和支承核辐射计的底面，以及一个辐射过滤器设在位于所述的横向的支承表面的下面，过滤器可以衰减辐射产生能谱，入射至辐射探测器，该能谱匹配至少一个材料的整体的块的能谱，以及具有
预定形状的辐射衰减材料块，位于上述横向的支承表面的下面以及安装成相对于上述横向的支承表面移动，以便对核辐射计的辐射探测器提供可变程度的辐射衰减，以及
固定的物质块，定位于邻接辐射探测器处，以进一步衰减来自核辐射计辐射源的辐射；
在所述的横向的支承表面上放置核辐射计；
在预定的辐射源深度定位辐射源；以及
在核辐射计处于设备上时核辐射计获得散射的辐射的第一积累的计数。
19.按照权利要求18的方法，其特征在于还包括调节可变的辐射过滤器以提供不同程度的辐射衰减以及在核辐射计处于设备上的上述位置时获得散射的辐射的第二积累的计数的步骤。
20.按照权利要求19的方法，其特征在于所述的辐射衰减材料块是圆柱形的和安装成可转动的，以及调节辐射过滤器的步骤包括转动圆柱形辐射衰减材料块，以便对核辐射计的辐射探测器提供不同程度的辐射衰减。
21.按照权利要求19的方法，其特征在于还包括调节辐射过滤器以提供另一个不同程度的辐射衰减以及在核辐射计处于设备上的上述位置时获得散射的辐射的第三积累的计数的步骤。
22.按照权利要求18的方法，其特征在于上述方法还包括在核辐射计保持在设备上上述位置时重新定位辐射源棒在不同的辐射源位置，以及使用核辐射计获得散射的辐射的另外的积累的计数的步骤。
23.按照权利要求18的方法，它还包括调节辐射过滤器至模拟暴露在662kev的辐射源的镁的密度的调节点的步骤，在辐射源深度2英寸，1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量时，上述调节产生的探测的总计数/能量超过300keV的计数的比率至少为约4.0。
24.按照权利要求18的方法，它还包括调节辐射过滤器至可模拟暴露在662kev辐射源的镁的密度的调节点的步骤，在辐射源深度8英寸，用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量时，上述调节产生的探测的总计数/能量超过300keV的计数的比率至少为约3.5。
25.按照权利要求18的方法，它还包括调节辐射过滤器至可模拟暴露在662kev的辐射源的已知的密度的调节点的步骤，使用1英寸×1英寸的NaI闪烁探测器测量时，上述调节产生的探测的总计数/能量超过300keV的计数的比率至少为已知密度材料的整体的块产生的同样比率的70％。
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