JP2008139302A - ガンマ後方散乱による密度測定 - Google Patents

Abstract

【課題】ガンマ線により容器内の流体の密度を測定する。
【解決手段】容器のすぐ近くに配置される少なくとも１つのガンマ線源と、容器のすぐ近くに配置され、少なくとも１つのガンマ線源からの流体により後方散乱されるガンマ線を検出するよう構成される少なくとも１つのガンマ線検出器と、検出されたガンマ線後方散乱を密度値に変換する変換器と、を含む。容器内の流体の特性を決定する方法であって、容器のすぐ近くにガンマ線源を配置することと、容器のすぐ近くにガンマ線検出器を配置することと、ガンマ線源からの流体により後方散乱されたガンマ線をガンマ線検出器により検出することと、ガンマ線検出器により受けられた後方散乱されたガンマ線の強度に基づき、流体の密度を決定することと、を含む。
【選択図】図２

Description

ガンマ線を用いて容器内の流体密度を測定する方法におおむね関連した実施形態が本願明細書中に開示される。特に、本願明細書中に開示される実施形態は、ガンマ線源からの流体により後方散乱されるガンマ線の強度を検出することにより、容器内の流体の濃度を測定することに関する。

ガンマ線検出器の反対側に配置されるガンマ線源を用いて容器内の流体の密度およびレベルを測定すべくガンマ線が用いられてきた。これらの透過ガンマ線密度およびレベル測定は、測定される材料が極めて熱く危険である場合、あるいは、そうしないと直接接触測定が不可能な場合に役立つ。また、線源および検出器は、容器の外に取り付けられ、容器の変更は必要ない。線源により放射されるガンマ線は、容器および容器内の材料により吸収されるかまたは減衰されることもあり得る。線源の反対側の検出器に届くガンマ線の濃度は、線源の強度に基づく容器内の流体の密度またはレベルを示すのに用いられ得る。

例えば、流体レベルを測定するとき、複数のガンマ線エミッタおよび／または検出器が容器の反対側に配置されてよく、ここでの信号の有無（またはわずかばかりの低信号）は、線源と検出器との間のしかるべき位置に流体が存在するか否かを示す。信号／非信号レベル検出器における容器の大きさは、以下に述べるように、ガンマ線が容器内の蒸気によりすぐに吸収または減衰されないとき、ガンマ線密度計のよりかなり大きくなり得る。例えば、流体密度に関し、ガンマ線源と検出器との間を通過する流体は、線源により発せられるガンマ線を吸収または減衰し得る。高い放射線カウントは、低流体密度を示し、一方、低いカウントは、高流体密度を示す。

図１を参照すると、従来技術の透過ガンマ線密度計の一例が示されている。ハウジング（図示せず）は、流体１３を入れる孔１２を有する管状パイプまたは容器１０に装着される。ガンマ線源１４は、孔１２の片側に配置され、ガンマ線検出器１５は、反対側に配置される。線源１４により提供される放射線は、長時間のガンマ線放射にわたり一定の強度（有限期間にわたりランダムな強度）である。ガンマ線は、孔１２を囲む材料、および、孔内の流体１３を通じ、検出器１５へと透過される。検出器１５は、例えば、ナトリウム結晶またはヨウ化セシウム（タリウム活性化）、あるいは、照射下において火花を発することが可能な他の材料であってよく、結晶のシンチレーション（閃光）を電気パルスに変換するための光電子増倍管を含んでよい。

線源１４から放射されて検出器１５に達するガンマ線量に関する主要変数は、容器１０内に入れられた流体１３である。線源１４から放射されるガンマ線のパーセンテージは、流体１３により吸収されるかまたは減衰され、検出器１５には達しない。したがって、検出器１５の光電子増倍管からの出力信号の計数率は、放射線が検出器１５に達するために通過しなければならない流体１３の密度と、線源１４の強度とに関係してよい。

しかしながら、ガンマ線を用いるガンマ透過密度測定は、限られた容器サイズおよび／または流体密度でのみ現実性がある。例えば、より密度の高いより小さい線源では、流体は、ガンマ線をより吸収するので、結果としてガンマ線はほとんど検出器に達しなくなる。同様に、容器のサイズが大きくなるにつれ、ガンマ線は、ガンマ線を吸収するより大きい量の材料（容器および流体）を通過しなければならず、結果として、ガンマ線は、検出器にほとんど達しなくなる。したがって、この方法でのガンマ線密度測定は、現在直径約１メートルまでの容器ならでは現実性がある。

容器の厚みも透過ガンマ線密度測定の有効性を制限する。容器が流体と同じようにガンマ線を吸収しかつ減衰すると、壁の厚みが増し、結果としてガンマ線は検出器にほとんど達しなくなる。容器の厚みは、ＡＳＭＥなどのコード、あるいは他の容器スペックにより規定されてよく、ここで要求される厚みは、動作圧および流体の性質（腐食性、侵食性、反応性など）に基づいてよい。さらに、容器の厚みに対する現在の安全マージンは増大するかもしれず、透過測定の有効性をさらに制限する可能性がある。

透過測定のためのガンマ線の現在の使用において他に不都合な点は、固定サイズの検出器により立体角の範囲が定められているため、計数率は、四角い容器のサイズとは逆に増減することである。計数率ｎは、以下の方程式により近似されることができる。
ｎ〜Ωｅ^−ｄ／λ〜（ｅ^−ｄ／λ）／ｄ^２ （１）

ｎは、計数率であり、ｄは、容器の直径であり、λは、密度に基づく吸収長である。
同様の大きさの検出器では、計数率が低いほど、エラー率は大きくなり、望ましい精度を維持するためにはより大きい線源が要求されるかもしれない。あるいは、容器が大きくなると、一定の計数率を維持するために検出器は大きくなるかもしれない。とにかく、線源のサイズおよび／または検出器のサイズが大きくなると、コストは必ず増大する。

厚み、サイズ、および、密度の制限を克服すべく、ガンマ線源の強度は、増大でき、その結果、ガンマ線の測定可能な量が検出器に達するようになる。しかしながら、コスト、安全性、マルチユニット効果、および、セキュリティは、用いられ得る線源強度をそれぞれ制限する可能性がある。例えば、放射線源の使用は、人員の安全および環境問題を生み出し、人員を守る鉛またはタングステンシールド、特殊扱い注意事項、および、廃棄および改善手続きはもとより機器も必要になる。さらに、ガンマ線は、方向性線源ではなく点線源から生ずるので、線源のサイズが大きくなるにつれ、容器を介しての方向以外の方向の放射線を含むことが要求される遮蔽量は必ず増加し、したがって、コストはさらに上がる。

マルチユニット効果に関しては、例えば、化学プラントは、複数の容器におけるガンマ線レベルおよび密度計の使用を要求する。しかしながら、サイズ制限を克服すべく計器数が増加するか、または、ガンマ線源の強度が増すにつれ、ガンマ線源と容器に隣接する検出器との間にクロストークが生じ、結果として、効果は減少し、場合によっては誤った指示値を生じる。

セキュリティに関しては、放射性核物質の密輸または他の輸送の拡大および可能性に関する世界的な関心の高まりを受け、州、地方、および、政府は、単一の場所に存在し得る放射性物質の総量に基づいて施設のセキュリティ要件を規定している。例えば、テキサス州では、総キュリー数が２７キュリーを超える施設の追加セキュリティ測定（例えば身元調査、アクセス許容度など）を要求する。ここでの総キュリー数とは、施設における放射線源の合計に基づく。したがって、容器サイズの制限を克服すべく大きい線源を用いることにより、セキュリティに必要な付加コストを増大させることになる。

したがって、大きい容器でも用いられ得るガンマ線密度計が必要である。また、低強度放射線源を必要とする非接触密度計が要求される。

一側面では、本願明細書中に開示される実施形態は、容器内の流体の密度を測定するシステムに関する。システムは、容器のすぐ近くに配置される少なくとも１つのガンマ線源と、容器のすぐ近くに配置され、少なくとも１つの放射線源からの流体により後方散乱されるガンマ線を検出するよう構成される少なくとも１つのガンマ線検出器と、検出されたガンマ線後方散乱を密度値に変換する変換器とを含む。

他の側面では、本願明細書中に開示される実施形態は、容器内の流体の特性を決定する方法に関する。方法は、容器のすぐ近くにガンマ線源を配置することと、容器のすぐ近くにガンマ線検出器を配置することと、ガンマ線源からの流体により後方散乱されたガンマ線をガンマ線検出器により検出することと、ガンマ線検出器により受け取られた後方散乱されたガンマ線の強度に基づき、流体の密度を決定することと、と含む。

他の側面では、本願明細書中に開示される実施形態は、プロセス中に１つの成分を形成する容器内の流体の濃度を制御する方法に関する。方法は、容器のすぐ近くにガンマ線源を配置することと、容器のすぐ近くにガンマ線検出器を配置することと、ガンマ線源からの流体により後方散乱されるガンマ線をガンマ線検出器により検出することと、ガンマ線検出器により受け取られた後方散乱されたガンマ線の強度に基づき、流体の密度を決定することと、密度を操作するために少なくとも１つのプロセス変数を調整することと、を含む。

本発明の他の側面および利点は、以下の説明および添付の請求項から明らかになるであろう。

一側面では、本願明細書中に開示される実施形態は、ガンマ線を用いて容器内の流体密度を測定することに関する。他の側面では、本願明細書中に開示される実施形態は、直径が１メートルより大きい容器内の流体の密度を、ガンマ線を用いて測定することに関する。特に、本願明細書中に開示される実施形態は、ガンマ線からの流体により後方散乱されるガンマ線の強度を検出することにより、容器内の流体の密度を測定することに関する。

本願明細書中に用いられる「後方散乱」とは、ガンマ線の本来の方向からの偏向を指す。いくつかの実施形態では、後方散乱は、ガンマ線が様々な方向にランダムに散乱するような等方性であってよい。後方散乱は、コンプトン散乱が原因で起きる。

本願明細書中に用いられる「流体」は、容器内に収容され得る気体、液体、および、固体を指す。流体は、水性液体、有機液体、単層系、および、泡、エマルジョン、流動粒子などの多層系を含み得る。

本願明細書中に記載される「直径」は、パイプまたは容器の有効径を指し、容器またはパイプの幾何学的配列は問わない。明細書ならびに図面は、円筒形容器を示すが、当業者であれば、本願明細書中に開示されるガンマ線後方散乱測定システムは、他の幾何学的配列の容器およびパイプと共に用いられてもよいことは理解できよう。

図２を参照すると、ガンマ線密度計の一例が示されている。管状パイプまたは容器１００は、流体１０３を流すための孔１０２を有し得る。ガンマ線１０４の少なくとも１つの線源は、パイプまたは容器１００のすぐ近くに配置されてよく、ガンマ線検出器１０５は、少なくとも１つのガンマ線源１０４から後方散乱されるガンマ線を検出するよう配置されてよい。

ガンマ線源１０４により発せられるガンマ線のパーセンテージは、容器１００および流体１０３により吸収されるかまたは減衰される可能性があり、ガンマ線検出器１０５には達しない。例えば、ガンマ線は、経路１０６に従い、原子内分子の１つまたはそれ以上の散乱を経て、最終的にはエネルギーが吸収されるかまたは消散し、検出器１０５までは届かない。

線源１０４から放射されるガンマ線の一部は減衰してもしなくても偏向されることができ、したがって、検出器１０５に到達する。例えば、ガンマ線は、経路１０７に従い、１つまたはそれ以上の散乱を経て、最終的に検出器１０５に到達する。ガンマ線が検出器１０５に到達する率は、ガンマ線が検出器１０５に到達するために通過しなければならない流体１０３の密度と線源１０４の強度とに関係する。

図３から６を参照すると、ガンマ線は様々な機構を介し検出器に達することができる。ガンマ線は、以下に大まかに分類され得る様々な経路１５０を進むことができる。流体における散乱（図３）、容器壁における散乱（図４）、容器の外側の散乱（図５）、反対側の壁からの散乱（図６）。図６に示すような反対側の壁からの散乱は、例えば、空中の流体密度が非常に低い時のみ通常起こる。

図５に示すような容器の外側からの散乱は、高密度流体（砂）のガンマ線カウント総数の有意部分でありえ、また、中間密度流体としても考慮すべきであろう。
図４に示すような壁内の散乱は、低密度流体に対して起こり得るが、高密度流体に対しては一般的にありえない。
図３に示すような材料内の散乱は、主に中間密度流体（０．２から０．８ｇ／ｃｃ）に対するものである。

検出器により測定されるガンマ線後方散乱は、上述のいくつかの実施形態における後方散乱事象のそれぞれを含み得る。他の実施形態では、流体からの散乱以外の１つまたはそれ以上の事象からの後方散乱を防ぐかあるいは後方散乱量を最小にすべく、シールドを用いてよい。例えば、線源、検出器、または、両方は、容器の外側からの散乱が検出器に到達しないよう適切に遮蔽され得る。

図７を参照すると、コンピュータまたはデジタル制御システム（ＤＣＳ）に結合されるガンマ線後方散乱密度計が示される。１つまたはそれ以上のガンマ線源２００は、容器またはパイプ２１０の周囲に沿うか、あるいは、容器またはパイプ２１０の高さに軸方向に沿って分散されてよい。１つまたはそれ以上のガンマ検出器２２０は、対応する線源から後方散乱されるガンマ線を検出すべく線源２００に対し配置されてよい。複数の線源および／または検出器の使用は、以下に説明するような流体密度のより正確な決定を考慮してよい。

１つまたはそれ以上の検出器は、計数率計２３０に接続されてよい。計数率計２３０は、検出器２２０により生成されるエネルギーパルスをガンマ線検出率に比例するＤＣ信号に変換してよい。ガンマ線が検出される率は、検出器２３０および対応する線源２００のすぐ近くの流体密度の関数で有り得る。ＤＣ信号は、ガンマ線後方散乱の測定された検出率に対応する計算された密度値のディスプレイを生成するコンピュータまたはＤＣＳ２４０を用いて補間され得る。

流体密度は、パイプまたは容器２００の内部で放射状および／または軸方向に変化し得る。本願明細書中に記載されるような後方散乱計量器が密度を測定し得る限られた付近は、流れが乱れて流体がよく混ざり合わない場合など、バルク流体密度の正確な表示を必ずしも提供しない。複数の検出器２３０が容器２１０に沿って配置される場合、ＤＣＳ２４０によって返される補間された密度値は、平均化される。平均化された密度値は、複数の検出器が線源および検出器のすぐ近くの限られた付近における流体の密度を測っただけのときの流体密度のより正確な表示である。

図８、および、図９ａから９ｂを参照すると、密度測定システムが示されており、１つまたはそれ以上の線源が１つまたはそれ以上の検出器と組み合わされることにより、容器またはパイプ内の流体密度の複数の測定ができるようになる。図８に示されるように、ガンマ線源３００は、円周上で２つのガンマ線検出器３１０から間隔を置いて配置されてよい。シールド３２０は、ガンマ線源３００とガンマ線検出器３１０との間に設けられてよい。この方法では、密度測定は、１つのガンマ線源３００のみを用いて容器３３０の２つの領域における流体に対しなされ得る。あるいは、円周上に間隔を置いて配置されたガンマ線検出器３１０と共に、ガンマ線検出器がガンマ線源３００から円周上にまたは軸方向に距離を置いて配置されることにより、容器３３０における流体に対する密度測定がなされ得る。

図９ａ（上面図）および９ｂ（側面図）に示すように、複数のガンマ線源４００は、容器またはパイプ４１０に沿って軸方向または円周上に配置されてよい。１つまたはそれ以上のガンマ線検出器４２０は、ガンマ線源４００からのガンマ線の後方散乱を測定するよう対応して配置される。様々なガンマ線源と検出器との間のクロストークを最小化するべく、シールド（図示せず）が設けられてよい。また、実用的な流体密度、および、容器の直径に基づき、検出器は、１つのガンマ線源からガンマ線検出器への透過および／または後方散乱が最小化されるかまたは防がれるように間隔を置いて配置されてよい。

上述のように、ガンマ線検出器は、ガンマ線源から後方散乱されるガンマ線を検出するよう配置されてよい。いくつかの実施形態では、ガンマ線検出器は、ガンマ線源から後方散乱されるガンマ線を検出するよう、ガンマ線源に関し配置され、また、検出器に達する透過ガンマ線が最小限になるかまたは存在しなくなるように配置されてよい。

選択された実施形態では、ガンマ線源は、対応するガンマ線検出器から円周上に間隔を置いて配置されてよく、その場合、図１０ａに示すように、ガンマ線源とガンマ線検出器との間の角度β（β１またはβ２）は、９０度以下であってよい。角度βは、別の実施形態では、７５度以下であってよく、別の実施形態では、４５度以下であってよく、別の実施形態では、３０度以下であってよく、さらなる別の実施形態では、１５度以下であってよい。

いくつかの実施形態では、ガンマ線検出器は、対応するガンマ線検出器から軸方向に間隔を置いて配置されてよく、その場合、図１０ｂに示すように、角度

は、６０度以下であってよい。
別の実施形態では、角度

は、４５度以下であってよく、別の実施形態では、３０度以下であってよく、さらなる別の実施形態では、１５度以下であってよい。

対応するガンマ線源に対し複数のガンマ線検出器が配置される場合は、線源と対応する検出器との間の角度

は、同じかまたは異なってよく、例えば、図１０ａに示すような角度β１およびβ２であり、図１０ｂに示すような角度

であってよい。いくつかの実施形態では、多数のガンマ線検出器は、ガンマ線源の同じ側に配置されてよく、別の実施形態では、ガンマ線検出器は、ガンマ線源の反対側に配置されてよい。

上述のように、平均密度値を得ることに加え、パイプまたは容器２００の高さ／長さの周囲に沿って複数の検出器を用いることにより、パイプまたは容器２００内の流体のプロフィールが生成できる。例えば、図９ａおよび１０ａに示すように、円周上に間隔を置いて配置される検出器は、カドラントまたはオクタントなど、パイプまたは容器２００の角のある部分の間の密度の相違を示し得る。図９ｂおよび１０ｂに示す他の例のように、軸方向に間隔を置いて配置される検出器は、軸方向の密度勾配を示し得る。

軸方向および／または半径方向の密度勾配の測定は、容器またはパイプ２００内で生じ得る沈殿または混合の度合いを示してよい。例えば、軸方向の密度勾配は、容器２００内に入れられた懸濁液の固体の沈殿度合いを示し得る。他の例のように、様々な半径方向の密度勾配は、パイプ２００における、変化しない、薄層をなす、または、乱れた流れを示し得る。パイプまたは容器２００が一プロセスにおいて一成分を形成する場合、１つまたはそれ以上のプロセス変数は、例えば混合率を上昇させるかまたは沈殿率を低下させるような密度プロフィールに応じて操作され得る。

ガンマ線は、セシウム１３７、アメリシウム２４１、ラジウム２２６、イリジウム１９２、および、コバルト６０を含んでよい。いくつかの実施形態では、線源は、０．１ｍＣｉから１０Ｃｉの範囲でよい。他の実施形態では、線源の放射能は、５Ｃｉより小さくてよく、別の実施形態では、２Ｃｉより小さくてよく、さらなる別の実施形態では、１Ｃｉより小さくてよい。

従来の透過とは対象的な後方散乱の測定により、線源の放射能は、容器内の流体の密度を測定する間に最小化し得る。いくつかの実施形態では、同様なサイズの線源が直径１メートルから１０メートルまでの大きさにわたる容器に対し用いられ得る。他の実施形態では、同様なサイズの線源が壁厚０．０１インチから６．０インチ以上にわたる容器に対し用いられ得る。

選択された実施形態では、密度測定は、直径１．５メートルを超える容器を１つまたはそれ以上のガンマ線源で照射することによるガンマ線後方散乱により成しえ、１つまたはそれ以上のガンマ線源の強度は、２Ｃｉより小さくてよく、別の実施形態では、１Ｃｉより小さくてよく、別の実施形態では、５００ｍＣｉより小さくてよく、別の実施形態では、１００ｍＣｉより小さくてよく、さらなる別の実施形態では、１０ｍＣｉより小さくてよい。他の実施形態では、密度測定は、直径３メートルを超える容器を１つまたはそれ以上のガンマ線源で照射することによるガンマ線後方散乱により成しえ、１つまたはそれ以上のガンマ線源の強度は、２Ｃｉより小さくてよく、別の実施形態では、１Ｃｉより小さくてよく、別の実施形態では、５００ｍＣｉより小さくてよく、別の実施形態では、１００ｍＣｉより小さくてよく、さらなる別の実施形態では、１０ｍＣｉより小さくてよい。

本願明細書中に開示される実施形態にとって有用なガンマ線検出器は、ヨウ化ナトリウム、ヨウ化セシウムなどのシンチレータ、および、プラスチックシンチレータを含み得る。いくつかの実施形態では、ガンマ線検出器は、光電子増倍管を含み得る。他の実施形態では、ガンマ線検出器は、例えば、ポリビニールトルエン（ＰＶＴ）シンチレータなどのプラスチックシンチレータを含む。
さらなる他の実施形態では、ガンマ線検出器は、電離箱、ガイガーカウンタ、比例計数管、半導体、または、ガンマ線の検出に適した他の検出器を含み得る。本願明細書中に開示される密度測定システムの実施形態が複数の検出器を含む場合、同じまたは異なるタイプのガンマ線検出器であってよい。

本願明細書中に開示される実施形態に従うガンマ線後方散乱密度計は、容器内の流体密度を計測でき、その場合、流体密度は、０．０５ｇ／ｃｃから７．０ｇ／ｃｃまでの範囲であってよい。他の実施形態では、有効密度範囲は、０．１ｇ／ｃｃから４．０ｇ／ｃｃまでの範囲であってよく、さらなる他の実施形態では、０．２ｇ／ｃｃから２．０ｇ／ｃｃまでの範囲であってよい。他の実施形態では、１つまたはそれ以上のガンマ線後方散乱密度計は、１つまたはそれ以上の透過密度計と共に用いられ得る。

さらなる別の様々な実施形態では、パイプまたは容器における流体の密度は、測定された密度に基づき１つまたはそれ以上のプロセス変数を操作することにより制御されてよい。例えば、パイプまたは容器が一プロセス内で一成分を形成する場合、１つまたはそれ以上のプロセス変数は、パイプまたは容器内の流体のガンマ線後方散乱密度測定に応じて操作され得る。

上述のガンマ線後方散乱密度計は、容器内の流体の密度を測定するために用いられてもよい。動作中または製造中の使用に先立ち、ガンマ線後方散乱計は、較正されてよい。既知の密度の複数の流体は、動作中に計器がその容積の密度を測定する同一または同様の容器を通過できる。既知の密度の流体に対するガンマ線カウントは、決定されかつ記録されることができ、密度校正曲線（計数プロフィール）を展開する。次に、製造または動作中に用いられるとき、測定されたガンマ線カウントは、密度校正曲線と比較されることにより、流体密度を決定でき、流体密度は、後方散乱ガンマ曲線の強度に基づき補間されてよい。

実施例

ガンマ線後方散乱のシミュレーション

流体密度の関数としての計数率（検出器に達するガンマ線のパーセンテージ）は、特定の容器材料および幾何学的配列に対してシミュレーションされることができ、その場合、ガンマ線のコンプトン散乱のモンテカルロシミュレーションが実行され、入力流体の計数率を返す。

図１１を参照すると、直径２メートル、高さ２メートル、厚み４センチメートルの鋼壁を有する円筒状容器の密度の関数としてシミュレーションされた計数率が１Ｃｉ^１３７Ｃｓの線源および２０×２０ｃｍの検出器を用いるシミュレーション用に提示される。シミュレーション結果は、ガンマ線後方散乱計数率により、砂、水、重および軽油、および、高低発泡がはっきりと識別され得ることを示した。

上述のように、いくつかの後方散乱事象により、ガンマ線は、例えば容器の外側に散乱することにより、その後ろおよび両側から検出器に入ることができる。再び、１Ｃｉ^１３７Ｃｓの線源および２０×２０ｃｍの検出器に対しシミュレーションが実行された。図１２ａ（リニアスケール）および１２ｂ（ログスケール）に示されるように、合計比率（上の線）およびカウンタの正面からのみ来る比率（下の線）に対するシミュレーション結果が表されている。不必要な後方散乱カウント、または、総計数率および検出器の正面からのカウントにおける差は、特に高密度における合計カウントの少なからぬ一部分であってよい。

不必要な散乱事象は、カウンタの後ろおよび両側を遮蔽することにより防ぐことができる。線源の遮蔽は、不必要な散乱によるカウントを効果的に最小限にすることもできる。不必要な散乱によるカウントを最小限にすべく線源および検出器両方を遮蔽してよい。
検査

水のバケツ、および、微粉炭または作動油のいずれかで充たされた同じバケツを変えることにより、シミュレーションおよび操作原理の全体としての有効性がテストされた。測定された信号比は図１２ａ−１２ｂに示されるほど大きくないものの、それらは、シミュレーションで予測された比率と整合している。

テストでは、５ガロンのバケツを流体で充たすべく５ｍＣｉ^１３７Ｃｓの線源が用いられた。ＰＶＴプラスチックシンチレータは、散乱放射を検出すべく用いられ、ガンマ線後方散乱を検出すべく線源に関し配置された。線源から検出器へのガンマ線の伝播を防ぐ十分なシールドが線源と検出器との間に配置された。検出器カウントは、したがって、後方散乱放射線だけを含む。使用される流体は、水、微粉炭（サザンカンパニーサービス製、バルク密度０．７ｇ／ｃｃ）、および、作動油（ゴールデンウエスト製、密度０．９ｇ／ｃｃ）を含んだ。バケツは、望ましい流体で充たされ、計数率が測定された。

第１の実行において、ガンマ線検出器は、バケツの約半分の高さに、バケツから約１インチ距離を置いて配置された。第２の実行では、カウンタは、バケツの上の方にバケツとできるだけ近づけて配置された。第１および第２の実行の結果は、以下の表１に示される。

第１および第２の実行結果は、ガンマ線後方散乱が容器内の流体密度を決定すべく効果的に用いられ得ることを示す。第１および第２の実行結果は、以下の表２におけるモンテカルロシミュレーション結果と比較される。

シミュレーション結果と第１および第２の実行結果との比較は、測定結果がシミュレーション結果の２つの標準偏差内であることを示した。これらの結果は、線源と検出器との相対配置ばかりでなく、容器の組成および厚み（バケツ対２ｃｍの鋼）の変化にも異なる可能性がある。また、シミュレーション結果と実際の結果とは、石炭および油のミュレーションされた化学組成とそれらの実際の化学組成との相違により異なる。

上記シミュレーションおよび実験で示すように、容器サイズ、材料、および、ソース／検出器の配置は、ガンマ線後方散乱計数率にそれぞれ影響を及ぼす。したがって、実用に先立ち生成されるソース／検出器／容器の各組み合わせに対する校正曲線により、動作中の流体密度の正確な測定が実現する。

有利な点は、本願明細書中に開示される実施形態は、ガンマ線後方散乱を検出するよう、ガンマ線源に対しガンマ線検出器を位置決めすることにより、非接触密度測定を提供し得る。非接触測定は、材料が極めて熱く危険であるか、または、直接接触測定が不可能である場合の密度測定を考慮に入れてよい。ガンマ線後方散乱を検出することにより、ガンマ線は、容器全体の直径を横断する必要はなくなり、これは、透過測定により現在実行できるものより大きい容器における密度測定同様、低強度のガンマ線も考慮に入れてよい。

本願明細書中に記載されるガンマ線後方散乱密度の実施形態は、低強度のガンマ線源を考慮しているので、生産施設内で用いられる複数の計器間でのクロストークを減少させることができる。低強度線源の使用は、場合によっては、複数の測定による流体密度のさらに正確な反映を生じる、容器ごとの複数の線源および／または検出器の使用を考慮することもできる。また、後方散乱測定は、低強度ガンマ線の使用を可能にするので、生産施設は、適切な量の放射線材料を有する場所に対し州および政府に要求されるより厳しい安全プロトコルを課せられることなく、追加の測定装置を単一の場所で用いることができる。

以上、本発明を限定された数の実施形態に関し説明してきたが、本開示の恩恵を有する当業者であれば、本願明細書中に開示された本発明の範囲を逸脱しない他の実施形態も考案できることが理解できるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の請求項によってのみ限定されるべきである。

従来技術の透過ガンマ線密度計の簡略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従うガンマ線密度測定システムの略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従う、後方散乱されたガンマ線をガンマ線検出器に到達させ得る１つの潜在的経路を示す略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従う、後方散乱されたガンマ線をガンマ線検出器に到達させ得る１つの潜在的経路を示す略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従う、後方散乱されたガンマ線をガンマ線検出器に到達させ得る１つの潜在的経路を示す略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従う、後方散乱されたガンマ線をガンマ線検出器に到達させ得る１つの潜在的経路を示す略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従うガンマ線密度測定システムの略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従う、円周上に間隔を置いて配置される２つの検出器と１つの線源とを用いたガンマ線強度測定システムの略図である。

本願明細書中に開示される実施形態に従う、軸方向に間隔を置いて配置される複数の検出器および複数の線源を用いるガンマ線密度測定システムの略図を示す。

本願明細書中に開示される実施形態に従う、ガンマ線から様々な角度で間隔を置いて配置される複数の検出器を用いるガンマ線密度測定システムの略図を示す。

本願明細書中に開示されるガンマ線密度測定システムの実施形態のモンテカルロシミュレーションに基づく様々な流体の後方散乱ガンマ線検出率を示すグラフである。

本願明細書中に開示されるガンマ線密度測定システムの実施形態のモンテカルロシミュレーションに基づく様々な流体の後方散乱ガンマ線検出率を示すグラフである。

Claims (18)

1. 一の容器内の一の流体の密度を測定するシステムであって、
   前記容器のすぐ近くに配置される少なくとも１つのガンマ線源と、
   前記容器のすぐ近くに配置され、前記少なくとも１つのガンマ線源からの前記流体により後方散乱される複数のガンマ線を検出するよう構成される少なくとも１つのガンマ線検出器と、
   前記検出されたガンマ線後方散乱を一の密度値に変換する一の変換器と、
   を含むシステム。
2. 前記変換器は、
   前記検出された複数のガンマ線を一のＤＣ信号に変換する一のデバイスと、
   前記ＤＣ信号を一の密度値に変換する一のコンピュータと
   を含む、請求項１に記載の密度測定システム。
3. 前記ＤＣ信号、前記密度値、または、それらの一の組み合わせを表示する一のディスプレイコンソールをさらに含む、請求項２に記載の密度測定システム。
4. 前記コンピュータは、複数の検出器から一のＤＣ信号を受信し、かつ、一の平均密度を決定する、請求項２に記載の密度測定システム。
5. 前記線源および検出器は、６０度以下の一の角度で隔てられる、請求項１に記載の密度測定システム。
6. 前記ガンマ線源は、セシウム１３７およびコバルト６０からなる群から選択される、請求項１に記載の密度測定システム。
7. 前記少なくとも１つのガンマ線検出器は、一のヨウ化ナトリウムシンチレータ、一のヨウ化セシウムシンチレータ、一のプラスチックシンチレータ、一のガイガーカウンタ、一の比例計数管、一の半導体、および、一のイオン化検出器の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の密度測定システム。
8. 前記システムは、単一のガンマ線源、および、少なくとも２つのガンマ線検出器を含む、請求項１に記載の密度測定システム。
9. 前記システムは、少なくとも２つのガンマ線源、および、少なくとも２つのガンマ線検出器を含む、請求項１に記載の密度測定システム。
10. 前記容器の直径は、１．５メートルより大きく、前記ガンマ線源の一の強度は、１Ｃｉより小さい、請求項１に記載の密度測定システムシステム。
11. 前記容器の直径は、３．０メートルより大きく、前記ガンマ線源の一の強度は、１Ｃｉより小さい、請求項１に記載の密度測定システム。
12. 一の容器における一の流体の複数の特性を決定する方法であって、
    前記容器のすぐ近くに一のガンマ線源を配置することと、
    前記容器のすぐ近くに一のガンマ線検出器を配置することと、
    前記ガンマ線源からの前記流体により後方散乱される複数のガンマ線を前記ガンマ線検出器により検出することと、
    前記ガンマ線検出器により受けられた後方散乱された複数のガンマ線の一の強度に基づき、前記流体の一の密度を決定することと、
    を含む方法。
13. 前記流体密度の前記決定に用いられる一の校正曲線を生成することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記決定することは、一の校正曲線に基づき、一の密度を補間することを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記検出されたガンマ線後方散乱を一のＤＣ信号に変換することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記ＤＣ信号を一の密度値に変換することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ＤＣ信号および前記密度値の少なくとも１つを一のビデオディスプレイ端末に表示することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 一のプロセスで１つの成分を形成する一の容器内で一の流体の一の濃度を制御する方法であって、
    前記容器のすぐ近くに一のガンマ線源を配置することと、
    前記容器のすぐ近くに一のガンマ線検出器を配置することと、
    前記ガンマ線源からの前記流体により後方散乱される複数のガンマ線を前記ガンマ線検出器で検出することと、
    前記ガンマ線検出器により受けられる後方散乱された複数のガンマ線の一の強度に基づき、前記流体の一の密度を決定することと、
    前記密度を操作すべく少なくとも１つのプロセス変数を調整することと、
    を含む方法。

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