FI84941C - AVSTAONDSMAETNINGSFOERFARANDE OCH -ANORDNING. SIIRRETTY PAEIVAEMAEAERAE-FOERSKJUTET DATUM PL 14 ç 16.01.90 - Google Patents

Description

1 84941

Etäisyydenmittausmenetelmä ja -laite - Avständsmätningsför-farande och -anordning 5 Esillä oleva keksintö koskee menetelmää ja laitetta etäisyyden mittaamiseksi perustuen gammasäteilyn kulkuajan mittaamiseen.

Metalliteollisuudessa on malmin pelkistysuuneissa pinnan-10 korkeuteen liittyviä etäisyyden mittauksen ongelmia, joita vaikeuttavat mittaustilassa esiintyvät syövyttävät ja kuumat savukaasut. Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on poistaa nämä ongelmat.

15 Nykyisin teollisuuden käytössä olevista mittausmenetelmistä esillä olevan keksinnön mukainen menetelmä on periaatteeltaan samanlainen kuin pulssitettu puolijohde-laser-etäisyys-mittaus (pulsed time-of-flight laser rangefinding), jossa valon kulkuaikaa käytetään etäisyyden määrittämiseen. Lase-20 rin käyttöön liittyvien rajoitusten vuoksi sitä ei voida käyttää kaikissa mittaussovellutuksissa. Rajoituksista ehkä merkittävin on laserin vaatima näköyhteys mitattavaan kohteeseen. Tästä johtuen esimerkiksi savu, kaasut, pöly jne. estävät etäisyyden mittaamisen tai haittaavat sitä. Toinen 25 vaikeus laserin käytössä esiintyy mitattaessa kohteita, joiden lämpötila on korkea, mikä lisää kohinaa mittavas-taanottimessa ja kasvattaa siten mittausepätarkkuutta. Toisaalta epätarkkuus kasvaa, koska valon etenemisnopeus muuttuu väliaineen lämpötilan muuttuessa. Edellä mainitun 30 kaltaisia etäisyyden mittauskohteita on kuitenkin teollisuudessa paljon, minkä vuoksi on tarpeen kehittää muita mahdollisia mittausmenetelmiä.

Nyt on yllättäen havaittu, että gammasäteilyä voidaan käyt-35 tää hyväksi etäisyyksiä mitattaessa. Gammakvantit kulkevat ilmassa valon tyhjiönopeudella riippumatta ilman paineesta, kosteudesta tai lämpötilasta. Lisäksi ne suuren energiansa vuoksi läpäisevät väliaineita (1-10 g/cm3), joten näköyh- 2 84941 teyttä kohteeseen ei tarvita. Keksinnön mukainen menetelmä ja laite soveltuvat siten metalliteollisuuden pinnankorkeus-mittauksiin, kuten terästeollisuuden konverttereissa ja kupariteollisuuden liekkisulatusuuneissa. Keksinnöllä on 5 lisäksi käyttöä myös muissa metalliteollisuuden prosesseissa, joissa käytetään valokaariuuneja, joissa panoksen sulamista ja pelkistymistä ei kyetä seuraamaan nykyisillä pin-nankorkeusmittareilla. Mitattava pinta voi olla metallia, mineraalia tai kuonan peitossa olevaa metallia. Keksinnön 10 mukaisella menetelmällä ja laitteella voidaan mitata myös metallin päällä olevan kuonakerroksen tai keramiikan paksuus. Keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen etuna on lisäksi se, että ne säästävät energiaa parantamalla prosessin säätöä. Lähteenä voidaan käyttää jotain positroneja 15 säteilevää radioisotooppia, kuten esimerkiksi Na-22-isotoop-pia.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä lähetetään kollimoitu gammasäteily mitattavaan kohteeseen, josta palaava sironnut 20 gammasäteily ilmaistaan ilmaisimella. Keksintö perustuu P^-annihilaatioon. Käytettäessä säteilylähteenä esimerkiksi Na-22-radioisotooppia ytimen radioaktiivisen hajoamisen tuloksena syntyy 1,28 MeV gammakvantti ja positroni. Syntyneen positronin elinaika on lyhyt, minkä jälkeen se an-25 nihiloituu elektronin kanssa. Annihilaatiossa positronin ja elektronin massat muuttuvat sähkömagneettiseksi säteilyener-giaksi. Näin syntyy kaksi mittauksessa hyväksikäytettävää tarkalleen vastakkaisiin suuntiin lähtevää 0,5 MeV:n gammakvanttia .

30 Säteilylähteestä emittoituva toinen kvantti havaitaan ALKU-ilmaisimella ja ajan mittaus käynnistyy. Toinen kvantti kulkee lähteen ja ilmaisimen yhdistävää suoraa pitkin poispäin. Näin muodostunut gammasuihku suunnataan kohteeseen, 35 jonka etäisyys halutaan mitata. Gammasäteilyn osuessa metal-lipintaan tapahtuu Compton-sironta. Kohteesta sironnut kvantti lähtee avaruuskulmaa vastaavalla todennäköisyydellä LOPPU-ilmaisinta kohti ja siihen osuessaan pysäyttää ajan 3 84941 mittauksen. LOPPU-ilmaisimena voidaan myös käyttää LÄHTÖ-ilmaisinta, jos mittausetäisyys on niin pitkä, että ALKU-ja LOPPU-pulssit voidaan erottaa samalla ilmaisimella toisistaan. Koska gammasäteilyn tiedetään kulkevan valon tyh-5 jiönopeudella, saadaan kummankin gammakvantin kulkuajasta lasketuksi haluttu etäisyys ilmaisimien ja metallipinnan välillä. Gammakvantit havaitaan tuikekiteillä, joihin osuessaan ne aiheuttavat valopulssin. Valopulssin voimakkuus riippuu tuikemateriaalista ja kiteeseen osuneen kvantin 10 energiasta. Syntynyt valopulssi vahvistetaan ja muutetaan sähköiseen muotoon valomonistinputkella (PMT). Putkilta saadut pulssit viedään aika-amplitudi-muuntimelle (TAC), joka muuttaa ALKU- ja LOPPU-ilmaisimelle osuneiden gammakvanttien välisen aikaeron lähtöpulssin amplitudiksi. Saatu 15 mittaustulos talletetaan pulssinkorkeusanalysaattoriin.

Mittaussysteemin periaatteellinen kaavio on esitetty kuvassa 1. Laitteessa tulee käyttää mahdollisimman nopeita ilmaisimia, jollaisia ovat tällä hetkellä tuikekideilmaisimet. Tuikemateriaalina voidaan käyttää mm. bariumfluoridia (BaF2) 20 tai tuikemuovia (esim. NE 104).

Keksinnön mukaisen laitteen elektroniikka sisältää varsinaisen aikavälinmittauselektroniikan, joka optimoidaan gammailmaisimina käytettäville BaF-tuikekideilmaisimille, 25 ja PC-pohjäisen tulostenkeräyslaitteen. BaF-ilmaisimien etuna on hyvä ilmaisuefektiivisyys. Ilmaisimelta saatavissa valopulsseissa on kuitenkin pitkän aikavakion (noin 600 ns) omaava komponentti, joka saattaa suurilla taajuuksilla heikentää mittauselektroniikan suorituskykyä, ellei elek-30 troniikkaa ole suunniteltu nimenomaan BaF-ilmaisimien pulsseille. Aikavälinmittauselektroniikan lähtönä on analoginen pulssi, jonka korkeus on verrannollinen mitattavaan aikaväliin. Pulssi AD-muunnetaan ja syötetään PC:lie tulosten keräystä ja analysointia varten. Laitteisto sijoitetaan 35 esimerkiksi konvertterin yläpuolelle siten, että sillä voidaan tehdä konvertterissa olevan sulan teräksen pinnan-korkeuden mittauksia. Teräs on noin 1500°C:n lämpötilassa, joten laitteiston on kyettävä kestämään huomattavaa lämpö- 4 84941 säteilyä. Tämä on aikaansaatu lämpösuojauksella ja jäähdytyksellä.

Keksinnön oleelliset tunnusmerkit on esitetty oheisissa 5 patenttivaatimuksissa.

Kunkin kvanttiparin kulkuajassa esiintyy satunnaisvirhe, joka vastaa etäisyydessä noin ±5 cm. Virhe pienenee havaintomäärän neliöjuurilain perusteella, eli havaintomäärän 10 kasvaessa satakertaiseksi virhe pienenee kymmenenteen osaan. Jos havaintojen määrä on N, on satunnaisvirhe pienentynyt 1/VN -osaan. Havaittujen gammaparien määrää rajoittaa se, että Compton-sironneet kvantit lähtevät lähes tasaisesti kaikkiin suuntiin, joten LOPPU-ilmaisimen havaitsemat paluu-15 kvantit vähenevät kääntäen verrannollisesti etäisyyden neliöön. Lähteen voimakkuutta ei voi rajatta lisätä, koska ALKU-ilmaisin kyllästyy.

Toisaalta, kun lähteen aktiivisuutta kasvatetaan, todennä-20 köisyys sille, että ALKU- ja LOPPU-signaalin aiheuttavat kvantit ovat lähtöisin eri annihilaatioista, kasvaa. Todennäköisyys on kuitenkin pieni, koska TAC:n kuollut aika on lyhyempi kuin ALKU-ilmaisimen keilaan osuvan uuden kvantin keskimääräinen väliaika. Sitäpaitsi satunnaiset mittaustu-25 lokset eivät kerry mittauskohteen etäisyyttä vastaavan viiveen kohdalle.

Mittaustahtiin vaikuttavia tekijöitä ovat systeemin geometria, lähteen aktiivisuus, tuikekiteiden efektiivisyydet ja 30 kohteen materiaali. Myös kohteessa tapahtuvalla Compton- sironnalla on osuutensa mittaustahtiin, mutta tähän tekijään ei voi vaikuttaa. Kuvassa 2 on esitetty mittauksen geometria. Kuvasta 2 nähdään, että ALKU-ilmaisimen avaruuskulma määrää mittauksessa käytettävien gammakvanttien suunnan.

35 Siitä johtuen ilmaisimen keskimääräinen pulssitahti Teucu voidaan laskea avaruuskulman määräämänä osuutena aktiivisuudesta: |.

5 84941 Γ Ί 2 Q Γι

Talku = βι·—· (1)

2 L lx -I

5 jossa βι = ALKU:n efektiivisyys rί = ALKU:n säde Q = lähteen aktiivisuus [Bq] li = ALKU:n ja lähteen välinen etäisyys 10

Aktiivisuus otetaan kaksinkertaisena, koska jokaista radioaktiivista hajoamista kohti syntyy kaksi annihilaatiogamma-kvanttia.

15 Kohteessa sironta tapahtuu elektroneista, joiden määrä N« saadaan aineen ominaisuuksien, alan A2 ja sironneiden kvanttien tunkeutumissyvyyden s perusteella:

ρ· Z

20 N® = -· Na· A2 · s (2)

M

jossa p = kohteen tiheys Z = kohteen atomien järjestysluku 25 M kohteen massaluku [g/mol]

Na = Avogadron vakio 6,202 E23 [1/mol] s = keskimääräinen gammakvanttien tunkeutumi s syvyys A2 = geometrian määräämä ala kohteessa 30

Tiettyyn avaruuskulmaan sironneiden kvanttien suhde alalle A2 osuneisiin kvantteihin on d*oT 1 1 35 -·— = 4,902 E-27 cm2/(elektr»sr)·— (3) dfi A2 A2

40 daoT

jossa - = elektronin vaikutusala takaisin tapahtuvassa dfi Compton-sironnassa 6 84941

Kohteesta LOPPU-ilmaisinta kohti lähteneiden kvanttien todennäköisyys määräytyy ilmaisimen avaruuskulman perusteella : 5 r Ί2

deOt 1 p·Z r3 de^T

piippu = N®·-· — · Ω 2 = -· Na* s · π · — ·- (4) 0Ω Az M L13J dfi 10 jossa Ω2 = LOPPU:n avaruuskulma kohteessa r3 = LOPPU:n säde 13 = LOPPU:n ja kohteen välinen etäisyys 15

Kun otetaan vielä huomioon LOPPU-ilmaisimen efektiivisyys e3/ saadaan mittaustahdille kaava: T = Ta 1JC\1 · P loppu · e3 eli 20 Q ri 2 o · Z doo? r3 2 T = βι ·—· — ·-· Na. · s ·-·β3·ττ· — (5)

2 [lij M dΩ |_13J

25 Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu käyttökohteisiin, joissa ei tarvita suurta mittaustahtia. Tahtia voidaan lisätä lisäämällä lähteen aktiivisuutta ja käyttämällä efektiivisempiä tuikekiteitä. Tahdin lisäämisen rajana on tällä hetkellä suurin mahdollinen ALKU-pulssien tahti, joka 30 on luokkaa 100 000 - 200 000 1/s. Kun käytetään halkaisijaltaan noin 5 cm:n tuikekiteitä, raja aiheuttaa sen, että tuloksia kertyy noin 10 kpl minuutissa kuuden metrin etäisyydeltä. Käytettäessä 100 tuloksen keskiarvoistusta tuloksia saadaan noin kuuden minuutin välein ja etäisyyden epä-35 tarkkuus on tällöin + 0,5 cm.

Resoluutio riippuu pulssinkorkeusanalysaattorin A/D-muunti-men resoluution lisäksi TAC:n resoluutiosta, tuikekiteiden valon syntymisen erilaisista viiveistä, lähteen koosta ja 40 valomonistinputkien kulkuaikaeroista putken linssin eri kohdissa. Näistä lähde huonontaa kertamittausresoluutiota suoraan kokonsa mukaisesti. Myös mittauksen geometrialla 7 84941 on oma vaikutuksensa resoluutioon johtuen kohteen eri kohdista tapahtuvan sironnan aiheuttamasta matkaerosta. Tyypillisesti mittauslaitteistosta johtuva tulos jakauman puoliar-voleveys on noin 0,3 ns, mikä vastaa etäisyysmittauksessa 5 4,5 cm:ä. Esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän ja laitteen puoliarvoleveyden mukaan saaduksi kertamittaus-resoluutioksi tulee 10 cm. Resoluutiota voidaan parantaa keskiarvoistamalla mittaustuloksia. Riippuen tulosten määrästä N resoluutio paranee kertoimella l/VN.

10

Taustasäteilyn, ajallisesti peräkkäisten annihilaatioiden ja lähteessä syntyvien 1,28 MeV gammakvanttien aiheuttamien kaksoiskoinsidenssien seurauksena syntyy satunnaisia mittaustuloksia, jotka ovat jakautuneet melko tasaisesti koko 15 alueelle (0 - 60 ns eli 0 - 9 m). Kaksoiskoinsidensseistä tulevien tulosten jakauma riippuu ALKU- ja LOPPU-ilmaisimien paikoista. Näiden lisäksi tuloksia saadaan systeemin ympäriltä tulevista satunnaisista siroamisista. Ylimääräisten mittaustulosten vähentämiseksi lähde ja ilmaisimet on suo-20 jättävä mahdollisimman hyvin ympäröimällä ne muualta paitsi kohteen suunnalta esimerkiksi lyijyllä.

Seuraavassa keksintöä valaistaan esimerkkien avulla. Mittauksissa on käytetty kuvien 1 ja 2 mukaista geometriaa, 25 jossa seuraavat mitat pidettiin vakioina: li = 40 cm d = 24,6 cm I2-I3 = 10 cm 30 Käytettyjen materiaalien ominaisuudet olivat seuraavat:

Kohde: rauta p = 7,83 g/cm3 Z = 26 35 M = 55,8 g/mol s ~ 2,3 cm (kokeellisesti saatu ohuin raudan paksuus, jolla sironta on 100 %) 8 84941

Tuikekiteet: NE 104 βι = e3 = 0,2 ri = r3 = 2,5 cm Lähde: Na-22 Q = 0,3 mCi = 11,1 E6 Bq 5

Esimerkki 1

Edellä mainituilla arvoilla ja geometrialla tutkittiin taustan vaikutusta. Satunnaiset tulokset jakaantuivat 3200 diskreetille etäisyysarvolle siten, että keskimääräinen 10 tahti kanavaa kohti oli 0,4 1/h. Taustan pienentäminen lyijysuojien avulla vähensi taustan 0,1 l/h:hon. Näin puo-liarvoleveyden alueelle kertyneiden tulosten osuus kaikista mittaustuloksista nousi 15 %:sta 32 %:iin etäisyyden ollessa 120 cm.

15

Kuvassa 3 on esitetty esimerkki etäisyysspektristä. Käytetyillä ADC:n asetuksilla kanava 2803 vastasi etäisyyttä 0 ja kanava 2000 etäisyyttä 226.9 cm. Kuvasta näkyy, että tulos jakauman huippu on kanavalla 2307, vastaten etäisyyttä 20 140 cm. Kuvassa näkyvä ylimääräinen kertymä kanavien 2500 ja 2800 välissä johtuu kaksioiskoinsidensseistä sekä lyijy-suojista tapahtuvista satunnaisista siroamisista.

Esimerkki 2 25 Mitattiin väliainekerroksen vaikutusta kohteen edessä. Lähteen ja kohteen välissä käytettiin 2 cm:n paksuista lastulevyä, eri paksuisia kerroksia hiekkaa, tiiliä ja kuonalevyjä.

30 Lastulevyllä tarkistettiin, voidaanko etäisyysmittaus suorittaa esteen läpi. Mittauksessa 20 mm paksu lastulevy asetettiin lähteen ja kohteen välille etäisyydelle 75 cm lähteestä teräskohteen etäisyyden ollessa 140 cm. Teräksestä saatujen mittaustulosten määrä väheni 30 % ja lastulevy 35 aiheutti oman, hieman pienemmän kertymän. Kuitenkin teräksen aiheuttama tulosten kertymä oli selvästi havaittavissa. Etäisyysspektri on esitetty kuvassa 4.

9 84941

Kohteen edessä oleva hiekkakerros aiheutti mittausten perusteella tulosjakauman puoliarvoleveyden kasvun riippuen hiekkakerroksen paksuudesta. Kuvassa 5 on esitetty 2,2 ja 6,2 cm hiekkakerrosten vaikutus etäisyysspektriin. Mittauk-5 sissa hiekka laitettiin pleksistä tehtyyn laatikkoon, minkä vuoksi väliainekerroksen paksuus oli 0,6 cm suurempi kuin hiekkakerroksen. Tuloksista havaittiin puoliarvoleveyden kasvavan noin 1,7 mm yhtä cm hiekkakerrosta kohden. Kuvassa 5 kanava 2626 vastaa etäisyyttä 50 cm ja kanavaväli on 10 2,83 mm. Kuonalla ja tiilillä tulokset olivat samankaltaisia kuin hiekalla. Todettiin, että haluttaessa tarkkoja tuloksia kerrospaksuuksista tulee etäisyysspektrin muotoa analysoida tarkemmin ja kiinnittää huomio spektrin leveyteen. Tämä edellyttää luonnollisesti huomattavasti pidempiä mittaus-15 aikoja kuin pelkässä etäisyyden mittauksessa.

Claims (10)

10 84 941

1. Menetelmä kohteen etäisyyden mittaamiseksi, tunnettu siitä, että (i) radioaktiivisesta lähteestä β^-annihilaatiossa syntyneistä vastakkaisiin suuntiin kulke- 5 vista gammakvanteista toinen kulkee kohteeseen ja toinen ilmaisimeen, joka havaitsee sen ja ajanmittaus käynnistyy; (ii) kohteesta Compton-sironnut kvantti havaitaan samalla tai erillisellä ilmaisimella ja ajanmittaus pysähtyy; (iii) kohtien (i) ja (ii) aikaerosta lasketaan kohteen etäisyys. 10

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohde on terästä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n - 15. e t t u siitä, että radioaktiivisena lähteenä käytetään Na-22-radioisotooppia tai muuta positronisäteilijää.

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteen ja lähteen välissä on väli- 20 ainekerros.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteen päällä on väliainekerros.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tun nettu siitä, että kohteen päällä oleva väliainekerros on kuonaa.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että kohteen päällä olevan väli-ainekerroksen paksuus mitataan etäisyysspektrin leveyden perusteella.

8. Laite kohteen etäisyyden mittaamiseksi, t u n -35 n e t t u siitä, että se käsittää: (a) radioaktiivisen lähteen, jossa syntyy kaksi vastakkaisiin suuntiin kulkevaa gammakvanttia; n 84941 (b) ensimmäisen gammakvantin havaitsevan ensimmäisen, radioaktiivisen lähteen kohteeseen nähden vastakkaisella puolella sijaitsevan tuikekideilmaisimen; (c) kohteeseen kulkevan ja siitä Compton-sironneen toisen 5 gammakvantin havaitsevan toisen tuikekideilmaisimen, joka voi olla sama kuin ensimmäisen gammakvantin havaitseva ilmaisin tai toinen erillinen ilmaisin; (d) aika-amplitudi-muuntimen, johon pulssit ensimmäiseltä ja toiselta valomonistinputkelta viedään, ja joka muuttaa 10 havaittujen ensimmäisen ja toisen gammakvantin välisen aikaeron lähtöpulssin amplitudiksi; (e) pulssinkorkeusanalysaattorin, johon mittaustulos talletetaan ja tulostetaan.

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnet- t u siitä, että kohde on metallia, edullisesti terästä.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laite, tunnet-t u siitä, että radioaktiivinen lähde on Na-22-radioiso-20 tooppi tai muu positronisäteilijä. 12 84941