JPH05502722A - 距離測定方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 距離測定方法と装置 本発明は、ガンマ放射線の移行時間の計測に基づいて距離を決定する方法と装置 とに関する。

金属工業では、鉱石還元炉での表面レベルに関連した距離測定上の問題点が存在 している。これらの問題点は、距離測定スペースに在る腐蝕性の高温煙道ガスに よって複雑にされている。

５工業界で現在使用されている距離測定方法のうち、本発明に係る方法は、光の 移行時間が距離測定に使用されているパルス化されたレザーの飛程時間（ｐｕｌ ｓｅｄＬｉｍｓ−ｏｆ４１ｉｇｈｔ）の距離測定に原理的に類似している。レザ ーの使用に間違した制限によって、それは全ての距離測定には適用されない。制 限の最も重要なものは、多分レザー光線によって計測されるターゲットを目視コ ンタクト（ν１ｓｕａｌ　ｃｏｎｔａｃｔ）する必要がある点であろう、この理 由によって、例えば煙、ガス、ダスト等が距離測定を妨害するか又は邪魔する。

レザー使用の別の難点は、計測受信器におけるノイズを増大し、これによって計 測値の不正確さを増長させることになる高い温度となっているターゲットの計測 に現れる。他方、媒体の温度が変化すると光の伝播速度が変化するため不正確さ が増長する。しかし、５工業界には、上記タイプの多くの距離測定ターゲットが あり、従って他に可能性のある距離測定方法を開発するｌ・要がある。

ガンマ放射線が距離測定に利用されることが今警きをもって観察されている。ガ ンマ−量子は、空気の圧力、湿度、温度に無関係に光の真空速度で空気中を移動 する。更に、それらの高いエネルギーによってそれらは媒体（１〜１０ｇ／ｃｍ ’）を透過し、それでターゲットとの目視コンタクトは必要とされない。本発明 に係る方法と装置は、かくして、例えば、鉄鋼業における転炉や、銅工業におけ るフラフノユ溶解炉等金属工業における表面レベルの決定に通している。更に、 本発明は、今日性る、表面レベルメータを使用してもバッチの溶解と還元がモニ ターされない軽電弧炉が使用されている他の金属工業加工処理にも用途を有して いる。計測される表面は、金属であったり、鉱物であったり、又はスラグによっ て覆われた金属であったりする。本発明に係る方法と装置は、更に、金属頂部上 のスラグ又はセラミックスの層の厚さを決めるために使用される。処理制御を改 善することによってエネルギーを節約するのは、本発明に係る方法と装置の更に 別な長所である。使用されるソースは、例えばＮａ−２２アイソトープ等の陽電 子放射のラジオアイソトープとすることができる。

本発明の方法では、コリメー）　（ｃｏｌｌｉｍａｔｅ　）されたガンマ放射線 が、計測されるターゲットに放射され、ターゲットから戻る散乱ガンマ放射線は 、検出器を使用して検出される。本発明は、β゛対消６　（ａｎｎｉｈｉｌａｔ ｉｏｎ）に基づいている。使用さｎる放射ソースが、例えばＮａ−２２ラジオア イソトープの場合、１．２８ＭｅＶガンマ量子と陽電子とが放射線減衰の結果と して発生される。発生される陽電子のｒ′ｆ命は短く、その後それは電子と対消 滅される。対消滅では、陽電子と電子の′Ｒ量は、電磁放射エネルギーに転換さ れる。かくして、正確に反対方向に去って行き計測に利用可能な２つの０．５Ｍ ｅＶのガンマ量子が発生される。

放射ソースから発射される一方の量子は、５ＴＡＲＴ　（開始）検出器によって 検出され、時間計測が開始する。他方の量子は、ソースと検出器を結ぶ直線に沿 って反対方向に移行する。かくして形成されたガンマ線は、距離が決められるタ ーゲットに向けられる。ガンマ放射線が金属表面上に衝突すると、コンプトン散 乱が起きる。ターゲットから散乱される量子は、立体角（ｓｏｌｉｄ　ａｎｇｌ ｅ）に対応した成る確率を伴ってＥＮＤ　（終了）検出器に向かって行き、それ に当たると時間の計測は止まる。もし、計測される距離が非業に長くて５ＴＡＲ Ｔ　（開始）パルスとＥＮＤ’（終了）パルスとが同じ検出器によって相互に分 別されるならば、５ＴＡＲＴ検出器をＥＮＤ検出器として使用することもできる 。ガンマ放射線が光の真空速度で移行することが知られているので、検出器と金 属表面との間の所望の距離が各ガンマ量子の移行時間から算出される。ガンマ量 子は、ノツチレーン１ン結晶を使って検出され、それらに当たるとそれらは光の パルスを発生する。光のパルスの強さは、ンンチレータと、結晶に当たる量子の エネルギーとに依存している。発生された光のパルスは、光電子倍増管（ＰＭＴ ）を使って増幅され、且つ電気の形に転換される。

ＰＭＴから受信されたパルスは、５ＴＡＲＴ及びＥＮＤ検出器に衝突したガンマ 量子間の時間差を出力パルス振幅に変換する時間−振幅変換器に加えられる。得 られた計測結果は、パルス高さ分析器に記憶される。計測システムの原理の線図 が、第１図に描かれている。本装置に使用されている検出器は、最大限早いもの でなければならない。現在シンチレーノジン結晶がそのようなものとなっている 。使用されるンンチレータは、例えばフッ化バリウム（ＢａＦｚ）やン／チレー ノゴンブラスチノク（例えば、ＮＥ］、０４）とすることができよう。

本発明に係る装置のエレクトロ二ノクス装置は、ガンマ検出器として使用される ＢａＦ２　ンンチレーノヨン結晶検出器やＰＣに基づいた結果収集装置に適合化 された実時間−間隔計測エレクトロニンクス装置を含んでいる。ＢａＦｚ検出器 は、良好な検出実効性と言う長所を有している。しかし、検出器から受けた光の パルス：′ｉ、そのエレクトロニノクス装置がＢａＦｚ検出器のパルス用に特に 設計されていなければその計測エレクトロニノクス装置の性能を高周波数で弱め る長時定数（約６００ｎｓ）を有した成分を持っている。時間−間隔計測エレク トロニ、クス装置の出力は、アナログパルスであり、その高さは、計測される時 間間隔に比例する。そのパルスは、ＡＤ変換されて、結果の収集と分析を行なう ＰＣへ送られる。本装置は、転炉内の溶融鋼の表面レベルを決めるために使用さ れるように例えば転炉の上方に搭載される。その鋼は、約１５００℃の温度とな っており、その装置は熱のかなりの輻射に耐えることができなければならない。

これは、熱遮蔽と冷却によって達成される。

本発明の必須の特徴は、添付請求の範囲に開示されている。各量子対の移動時間 には、約±５ｃｍに相当した距離のランダム誤差がある。その誤差は、観察回数 の平方根の法則に基づいて減少する。即ち、観察回数が１００倍に１加すると、 誤差は１／１０に減少する。もし観察回数がＮであれば、ランダム誤差は１　／ （Ｎ倍に減少される。検出されるガンマ対の数は、コンプトン散乱量子が全方向 にほとんど−４１に飛び去ると言った事実によって制約され、従ってＥＮＤ検出 器によって検出される戻り量子は距離の２乗に逆比例して減少される。５ＴＡＲ Ｔ検出器は飽和されるので、ソースの強さは無制限に増大されない。

他方、もしソースの活動が増大されれば、５ＴＡＲＴ信号とＥＮＤ信号を発生さ せる量子が異なった対消滅から引き出される確率は増大する。しかし、ＴＡＣの デッドタイムが５ＴＡＲＴ検出器の光線に到達する新しい量子の平均間隔よりも 短いので、この確率（′！低い。更に、ランダム計測結果は、距離計測のターゲ ットの距離に相当した遅れ以内にＳ積することはない。

計測率に影響するファクターは、本システムの結合構成、ソースの活性度、ンン チレーノヨン結晶の実効度合及びターゲットの素材を含んでいる。ターゲノ１− で起きるコンプトン散乱は、計測速度にも作用するが、このファクターは影響さ れない。第２図は、計測の結合構成を描いている。５ＴＡＲＴ検出器の立体角が 計測に使用されるガンマ量子の方向を決定すると言うことが第２図に見受けられ る。この理由のために、平均パルス率ＴＳＴＡＲＴは、立体角によって決定され る活性の割合としこの場合、ｅニー５ＴＡＲＴの実効性 ｒ：＋　＝　Ｓ　Ｔ　Ａ　ＲＴの半径 Ｑ　＝ソースの活性（Ｂｑ） １、＝ＳＴＡＲＴとソース間の距離 ２つの対消滅のガンマ量子が各放射性崩壊毎に発生されているので、活性は２重 に取られている。

ターゲットでは、素材や面積Ａ２や散乱された量子の透過深さＳの特性に基づい て数Ｎｅが得られる電子から散乱が行なわれる。

その場合、ρ　＝ターゲットの密度 ２＝ターゲツトの原子の序数 Ｎ　−ターゲットの質量数［ｇ／ｍａ＋）ＮＡ；アボガドロ定数　６．２０２Ｅ ２３　（１重ｍｏｌ）Ｓ　＝ガンマ量子の平均透過深さ Ａ２−結合構成によって決定される対象物における面積面積Ａ２内に到達する量 子に対する成る立体角内に散乱される量子の割合は、ターゲットからＥＮＤ検出 器に間かって去る量子の比率は、検出器の立体角に基その場合、Ω２−ターゲッ トにおけるＥＮＤの立体角ｒ３　＝ＥＮＤの半径 １１　＝ＥＮＤとターゲットの間の距なＥ　Ｎ　Ｄ検出器の実効性ｅ、が更に考 慮されると、計測速度に対して得られる公式本発明に係る方法は、高い計測速度 が必要とされない用途に通用可能である。その速度は、ソースの活動を増大する ことによって且つより効果的なノンチレーノブン結晶を使用して増大させる。速 度増大の限界は、現在のところ１００．０００〜２００．０００　１／ｓのオー ダとなっている５ＴＡＲＴパルスの最高の可能速度となっている。糸’１５ｃｍ の直径を有したシンチレーノマン結晶が使用されると、この限界は結果が６メー トルの距離から毎分的１０の速度で集積する作用を有する。

］００の結果の平均が使用されると約６分間隔で得られ、距離の不正確さはこの 場合±０．５ｃｍである。

その分解能は、パルス高さの分析器をＡ／Ｄ変換器の分解能ばかりでなくＴＡＣ の分解能やノンチレーノヨン結晶による発光の各種の遅れやソースの大きさや光 電子倍増管における管レンズの異なった点での移行時間差にも基づいてる。これ らのうち、ソースは直接その大きさによって１回だけの計測についての分解能を 悪化させる。計測の結合構成は、更に、ターゲットの異なった点からの散乱によ って引き起こされる距離の差によって分解能にその影響を及ぼす。一般に計測結 果の分布の半分値の幅は、計測装置によって約０．３ｎｓとなっており、それは 距離の決定にお：Ｊる４、５ｃｍに相当している。不発明に係わる方法と装置の 半分値の幅に２じて得られる１回の計測分解能は１０ｃｍである。その分解能は 、計測結果を平均化することによって改善される。結果の数Ｎに応じてその分解 能は、１／ｆＮの係数だけ良くなる。

バックグラウンド放射線（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）　、一 時的な連続対消滅、またソースで発生された１、２８ＭｅＶのガンマ量子によっ て引き起こされる二重符合（ｄｏｕｂｌｅ　ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅｓ）の結果 として、ランダム計測結果は全範囲（Ｏ〜６０ｎｓ、！１１ち０〜９ｍ）にわた ってむしろ均一に分布されて発生される。二重符合からの結果の分布は、５ＴＡ ＲＴ及びＥＮＤの検出器の配置に依存している。更に、結果は本、・ステム濁り からのランダム散乱からも得られる。余分な計測結果を減らすためにソースと検 出器とはターゲットの方向を除いて全ての方向に九′いてｖｌｌえば鉛でそれら を包むことによってシールドされるべきである。

本発明は、実施列の助けを得て以下に解明される。

計測の際、次の寸法が一定に維持された第１図と第２図に応じた結合構成が使用 された。

Ｌ−４０ｃ：ｎ ｄ　−２４，６Ｃｍ １２−１３−１０　ｃｒｎ 使用された素材の特性は次のようになっていた。

Ｍ　、　５５．Ｅｌ　ｇ／ｍｏｌ ｓ−２・３Ｃｍ（１００％の散乱を行なう説明上入手した一番薄い鉄の厚さ） ンンチレーン言ン結晶　ＮＥ　１０４　θ１−　ｅ３蒙０．２ｒ１ｗｒ３−２． ５ａｍ ”　”　”−２２Ｑ　−０，３ｍｃｉ　−１１１Ｅ６　Ｂｑ実施例１ バックグラウンドの影響について上記値と結合構成を使って調査されたランダム 結果は、チャンネル当たりの平均速さが０．４１／ｈとなるように３２００の別 々の距離値にわたって分布されていた。鉛のシールドによって背景の影響を減じ ると、その背景の影響は０．１１／ｈまで減らされた。かくして全ての計測結果 のうち半分値幅（ｈａｌｆ−ｖａｌｕｅ町ｄｔｈ）の＠頭内に集積した結果の割 合は、距離が１２０　ｃｍで１５〜３２％　に増大した。

第３図は距離のスペクトルの例を描いている。使用されたＡＤＣ設定でチャン矛 ル２８０３は０の距離に相当し、又チャンネル２０００は２２６．９ｃｍの距離 に相当した。その図は、結果の分布のピークが１４０ｃｍの距離に相当している チャンネル２３０７にあることを示している。その図に見受けられるチャンネル ２５００と２８００との間の余分なＸａは、二重の同時発生減少と鉛シールドか らのランダム散乱によるものである。

大践但主 ターゲットの前の媒体層の作用が計測された。２ｃｍ厚さのチップ基板、異なっ た厚さの砂層、レンガ及びスラツジのタイルとがソースとターゲットの間で使わ れた。

チップ基板は、距Ｍ測定が障害物を通して実施され得るかどうかをチェックする ために使用された。計測に際し２０ｍｍ厚さのチップ基板がソースから７５ｃ’ ｍの距離にソースとターゲットの間に設置され、鉄鋼ターゲットの距離は１４０ ｃｍであった。鉄鋼から設置され、鉄鋼ターゲットの距離は１４０ｃｍであった 。鉄鋼から得られた計測結果の数は、３０％だけ減らされており、又チップ基板 はそれ自身の若干より小さな集積を起こした。それにもかかわらず鉄鋼によって 引き起こされた結果の集積については明白にＵ察可能なものであった。距離スペ クトルは第４図に示されている。

ターゲ−／　）の前の砂石は、計測に基づいて砂層厚さに依存して結果の分布の 半分値幅における増加を引き起こした。第５図は、２．２ｃｍと６．２ｃｍの砂 層の距離スペクトルに対する作用を示している。計測に際し、砂はブレキノガラ ス（ｐｌａｘｉｇＩａｓｓ）　Ｈの箱二二人れられていた。その理由は、媒体層 の厚さが砂層のそれよりも０．６ｃｍより大きくなっていたためであった。その 結果は、半分値幅が砂、＋！！の１ｃｍ当たり約１．７ｍｍだけ増大したことを 示していた。

第５図では、チャンネル２６２６は５０ｃｍの距離に相当し、又チャンネルの間 隔は２．８３ｍｍである。スラグとレンガに関しては、結果は砂に関して得らｎ たちのと同様なものであった。もし正確な結果が望まれるならば距離スペクトル の形は層の厚さからより正確に分析されなければならないし、又スペクトルの幅 に注意が払ｎｎなければならない点に関心が向けられた。もちろん、このことは 単なる距離計測で使われたものよりもかなり長い計測時間を必要とする。

ｌｉ Ｉ　“ １　′ ＄ η ２：（＝死２区碕） Ｚ（二戦四朕源） ｚ（＝莞３駁ミ；） 要約 法において、（ｉ）対消滅における放射性ソースから発生されて、且つ反対方向 に移行するガンマ量子の一方はターゲットに向けられ、他方はそれを検出する検 出器に向けられ、時間計測が始まり、（１１）ターゲットからコンプトン散乱さ れた量子は、同じ又は別の検出器によって検出され、時間計測は停止し、（ｉ　 ｉ　ｉ）ターゲットの距離は、（ｉ）と（１１）の間の時間差から算出される０ 本発明は、更にその方法を実施する装置に関する。その装置は、放射性ソースと 、シンチレーシＪン結晶のカウンター／複数カウンターと、時間−振幅変換器（ ＴＡＣ）と、パルス高さ分析器（ＰＨＡ）とから構成されている。

国際調査報告 国際！１査報告 ＰＣｒ／Ｆｌ　９０１００３０４

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．（ｉ）β■の対消滅により放射線ソースから発生して反対方向に移行するガ ンマ量子の一方をターゲットに、他方をそれを検出する検出器に夫々移行さ、せ て時間計測を開始すること、 （ｉｉ）ターゲットよりコンプトン散乱された量子を同じもしくは別の検出器に よって検出して時間計測を停止すること、及び（ｉｉｉ）上記（ｉ）（ｉｉ）の 時間差よりターゲットの距離を算出する、ことより成ることを特徴とするターゲ ットの距離を決定する方法。
2. ２．ターゲットを、鉄鋼とすることを特徴とする請求の範囲１記載の方法。
3. ３．使われる放射性ソースを、Ｎａ−２２のラジオアイソトープ又は他の陽電子 エミッターとすることを特徴とする請求の範囲１記載の方法。
4. ４．ターゲットとソースの間には、ある媒体層を介在させることを特徴とする請 求の範囲１記載の方法。
5. ５．ターゲット上に媒体層を設けることを特徴とする請求の範囲１記載の方法。
6. ６．ターゲット上の媒体層を、スラグとすることを特徴とする請求の範囲５記載 の方法。
7. ７．ターゲット上の媒体層の厚さを、距離スペクトルの幅に基づいて計測するこ とを特徴とする請求の範囲５又は６記載の方法。
8. ８．（ａ）反対方向に移行する２つのガンマ量子を発生する放射性ソースと、（ ｂ）第１ガンマ量子を検出し且つターゲットに関し放射性ソースの反対側に配置 した第１対消滅検出用シンチレーション検出器と、（ｃ）ターゲットに向かって 移行してターゲットよりコンプトン散乱される第２ガンマ量子を検出する、第１ ガンマ量子を検出する検出器と同じもしくは別の検出器である、第２対消滅検出 用シンチレーション検出器と、（ｄ）第１及び第２の光電子倍増管からのパルス が与えられ、且つ観察された第１と第２のガンマ量子間の時間差を出力パルス振 幅に変換する時間−振幅変換器と、及び （ｅ）計測結果を記憶し、且つプリントアウトするパルス高さ分析器、以上より 構成されていることを特徴とするターゲット距離を決定する装置。
9. ９．ターゲットを、金属、好ましくは鉄鋼とすることを特徴とする請求の範囲８ 記載の装置。
10. １０．放射性ソースを、Ｎａ−２２ラジオアイソトープ又は他の陽電子エミッタ ーとすることを特徴とする請求の範囲８記載の装置。