專利名稱：低輻射高穩(wěn)定的皮帶核子秤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核物理領(lǐng)域，涉及一種用于重量或質(zhì)量測量的核輻射計量設(shè)備。
本發(fā)明利用射線透射傳送皮帶及被傳送的物料時，射線隨皮帶載荷(單位皮帶長度上被傳送物料的重量)減弱的規(guī)律測出皮帶的載荷。用測長度的傳感器(例如測出與皮帶磨擦的輥輪轉(zhuǎn)數(shù))測出皮帶的運行長度，或測速傳感器測出皮帶的速度，經(jīng)模擬或數(shù)字計算得到單位時間物料流量和被傳送物料的總重量。該秤用于物料的重量或質(zhì)量計量和生產(chǎn)過程的配料控制。
這種方法也適用于管道內(nèi)輸送物料的計量。
一般核子秤包括1.放射源;2.A形架或C形架;3.核輻射探測器;4.測速機構(gòu);5.二次儀表。
放射源可以是點源也可以是線源。如果使用點源，探測器靈敏區(qū)的有效長度必須大于皮帶寬度。這樣射線可以穿透被傳送的全部物料，得到準(zhǔn)確的載荷數(shù)。如果使用點探測器就必須使用長度大于皮帶寬度的均勻的線源，保證射線穿透被傳送的全部物料。當(dāng)然也可以使用線源和長探測器，還可以使用多個點源和點探測器的組合。
因為電離室較其他探測器容易做長，它的壽命長、自身穩(wěn)定性好，所以使用這種探測器的核子秤最多。但是它的靈敏度差，輸出電流小。美國專利3.541.332 Patented Nov.17.1970.發(fā)明的核子秤就使用長電離室。為了提高輸出電流，美國Kay-Ray公司、清華大學(xué)核能所、華海公司制做了多電極充高氣壓的電離室。盡管如此還要使用3.7×109貝可以上的銫137γ源，其輸出電流才能達(dá)到10-10～10-9安培量級，要測出物料的變化就要測出10-12安培的電流變化。
測量這樣小電流的靜電計要使用109歐姆以上的電阻，其溫度系數(shù)為0.1%/℃到0.2%/℃。就是說環(huán)境溫度每變化十度，靜電計的輸出電壓將變化1%～2%，這對核子秤來說是不允許的。必須對探測器和靜電計恒溫。
美國專利3.610.925 Patented Oct.5.1971.清華大學(xué)核能所、華海公司、美國Kay-Ray公司均采用溫度控制器，將探測器和靜電計或只對靜電計恒溫。一般恒溫在140°F左右。
采用多電極高氣壓電離室的缺點1.使用的放射源太強，限制了核子秤的推廣。2.只有在環(huán)境溫度低于恒溫點才能使用恒溫器，環(huán)境溫度高于恒溫點不能使用。3.環(huán)境溫度過低，也就是加熱功率不能抵消散熱功率時，恒溫器也失去恒溫作用，核子秤將有很大誤差。
美國專利3.541.332 Patented Nov.17.1970還使用了多個閃爍計數(shù)器和多個放射源分別置于傳送帶上方和下方的布置方法。由于點源和點探測器之間的間隙，有一部分物料未被射線穿過造成誤差，光電倍增管本身的疲勞現(xiàn)象和溫度不穩(wěn)定性也會造成核子秤不穩(wěn)定。使用多個點源較使用一個點源也給防護帶來麻煩。
石家莊404廠輻射開發(fā)中心使用線源和一個碘化鈉閃爍計數(shù)器做的核子秤采用對銫137γ射線的光電峰穩(wěn)峰的辦法來提高核子秤的穩(wěn)定性。這種方法仍有不足之處第一，使用線銫137源很難制作均勻，也不好防護。第二是透過物料后的γ射線的光電峰的形狀隨被傳送物料的成份和多少變化，當(dāng)γ射線發(fā)生小角度散射時(材料越輕小角度散射越多)光電峰的低能邊緣變緩，造成峰位移動。如果靠近探測器放置一個能量較高的源(例如鈷源)，雖然該光電峰形狀不變，但是當(dāng)幾何條件改變時峰計數(shù)改變，并且該源的康普頓效應(yīng)計數(shù)和透過物料的銫源計數(shù)混雜，降低了數(shù)據(jù)處理的精度。
本發(fā)明的目的在于降低核子秤使用的放射性活度，并且提供一種更好的消除環(huán)境溫度影響和提高核子秤長期穩(wěn)定性的方法。
本發(fā)明的要點是設(shè)計一種孿生的長γ和α射線正比計數(shù)管。正比管一端放置一個準(zhǔn)直的α源，產(chǎn)生高斯分布的單能α粒子脈沖，作為提高核子秤穩(wěn)定性的參考信號。增加α正比管陽極絲直徑，限制α粒子的射程，使得α脈沖大于γ射線的脈沖幅度，又比較接近。兩正比管的氣體相通，陽極絲相連，用同一高壓供電，共用前放和主放。二次儀表設(shè)二個等寬單道，置于α微分譜的二個邊緣。比較通過二個單道的計數(shù)率，控制正比管的供電高壓，得到穩(wěn)定的微分譜分布，從而保證γ脈沖計數(shù)率不受溫漂和元件老化的影響只隨皮帶載荷變化。


圖1核子皮帶秤示意圖[1] 放射源 [2] A形架或C型架[3] 探測器 [4] 測速機構(gòu)[5] 二次儀表或微處理器圖2核子皮帶秤方框圖[6] 正比計數(shù)管 [7] 測速機構(gòu)[8] 前置放大器 [9] 主放大器[10] 單道脈沖分析器，允許通過Hα到Hα+△Hα幅度的脈沖。計數(shù)器或計數(shù)率計，記錄通過單道[10]的脈沖。
單道幅度分析器，允許通過Hα-△Hα到Hα幅度的脈沖。計數(shù)器或計數(shù)率計，記錄通過單道[12]的脈沖。比較器，可以是數(shù)字比較器也可以是模擬電壓比較器(模擬電壓比較器即差分放大器)。比較計數(shù)器[11]和[13]的計數(shù)率。低壓電源[16] 高壓電源[17] 單道脈沖分析器，允許通過幅度Hγ1到Hγ2的γ脈沖。處理器，接收單道[17]的計數(shù)和測速機構(gòu)的輸出信號，計算出載荷，皮帶速度，單位時間流量和總重量。
圖3正比計數(shù)管結(jié)構(gòu)圖[19] γ正比計數(shù)管陰極(管壁)[20] α正比計數(shù)管陰極[21]、[22]、[23] 絕緣子[24] 陽極絲 [25] 陽極絲[26] α源圖4主放大器輸出脈沖的微分譜圖4的橫軸為脈沖幅度，縱軸為單位脈沖幅度內(nèi)的脈沖計數(shù)或計數(shù)/道。
Ⅰ區(qū)為正比計數(shù)管的噪聲區(qū)Ⅱ區(qū)為正比計數(shù)管的γ射線計數(shù)區(qū)Ⅲ區(qū)為正比計數(shù)管的α射線計數(shù)區(qū)為了便于防護，本發(fā)明采用點源。探測器采用大于傳送皮帶寬度的長正比計數(shù)管。正比計數(shù)管工作在氣體放電曲線的正比放大區(qū)。γ射線在正比計數(shù)管管壁及充的氣體中產(chǎn)生次級電子，次級電子在管內(nèi)氣體中損失能量產(chǎn)生電離。正比計數(shù)管的陽極絲收集的電子電荷量正比于次級電子在管內(nèi)氣體中損失的能量。如果使用銫137源，γ射線的次級電子能量在幾百Kev量級。一個大氣壓下，空氣中的射程為米量級，在直徑為幾個厘米的正比計數(shù)管內(nèi)次級電子只損失一部分能量。由于次級電子產(chǎn)生的位置和方向不同，次級電子在計數(shù)管內(nèi)的射程就不同，產(chǎn)生的正負(fù)離子對的數(shù)量不同，陽極絲收集的電子電荷就不同。前置放大器[8]和主放大器[9]放大后得到的脈沖幅度不同。因此圖4中脈沖微分譜的Ⅱ區(qū)(γ區(qū))是一條向下斜的γ射線的脈沖微分分布曲線。這說明正比計數(shù)管的供電高壓[16]、前置放大器[8]、主放大器[9]和單道[17]的任何變化都會引起通過單道[17]的γ射線計數(shù)率變化，經(jīng)處理器[18]處理后得到的載荷量就會有很大的誤差。
如果把正比計數(shù)管分為兩部分，但氣體是相通的，一部分測量γ射線，而另一部分放置一個準(zhǔn)直的α源。其辦法是在陰極上打一小孔，將α源固定在陰極的外表面上，陰極的小孔對α源起準(zhǔn)直作用。因為α粒子的能量是一定的，為幾Mev，在一個大氣壓的氣體中射程為幾個厘米。α粒子的能量能夠全部損失在正比計數(shù)管的氣體內(nèi)。但是為了減小α脈沖幅度和γ射線脈沖幅度的差距，可以用減小正比計數(shù)管α部分的直徑或平板形正比計數(shù)管陰極間距離的方法限制α粒子在氣體中的射程的辦法來減小α脈沖的幅度。由于α粒子單能，射程相等，α微分譜始終保持著高斯分布。
當(dāng)高壓、前置放大器、主放大器發(fā)生溫度漂移或元件老化時，α粒子脈沖幅度和γ射線的脈沖幅度同時變化，發(fā)生微分譜沿脈沖幅度軸即橫軸的拉伸或壓縮。通過記錄γ射線脈沖的單道[17]的γ射線脈沖數(shù)就變化。因而處理器[18]計算的皮帶載荷就有誤差。
為了把各種因素造成的γ計數(shù)率的漂移自動地調(diào)整回來，設(shè)置了甄別閾為Hα，道寬為△Hα的單道脈沖分析器[10]和甄別閾為Hα-△Hα，道寬為△Hα的單道脈沖分析器[12]。Hα對應(yīng)α脈沖微分譜的峰值?！鱄α近似于α脈沖微分譜單能峰的二分之一半寬度。
當(dāng)發(fā)生漂移時，例如向上漂移。單道[10]后面的計數(shù)器[11]的計數(shù)率增加，單道[12]后面的計數(shù)器[13]的計數(shù)率減少。經(jīng)過比較器[14]比較計數(shù)器[12]和[13]計數(shù)率的大小，控制低壓電源[15]的輸出電壓降低，高壓電源[16]的輸出高壓也就降低，從而減小了正比計數(shù)管的輸出脈沖幅度，使上漂的微分譜拉回來。反過來，發(fā)生脈沖幅度減小，微分譜向下漂移的情況，計數(shù)器[11]的計數(shù)率減少，計數(shù)器[13]的計數(shù)率增加，經(jīng)過[14]比較，提高低壓電源[15]和高壓電源[16]的輸出電壓，也就增加了正比計數(shù)管[6]的供電電壓，使正比計數(shù)管[6]的輸出幅度增加。這樣把壓縮的譜分布又拉伸了。通過以上的穩(wěn)譜措施，保證整個微分譜形狀不變，也就保證了通過單道[17]的γ計數(shù)率不變。這就消除了核子秤的溫度和元件老化等因素造成的不穩(wěn)定性，得到穩(wěn)定的載荷量。
由于α粒子的能量為幾Mev左右，γ射線的次級電子在計數(shù)管的氣體內(nèi)只損失部分能量，大約為幾十kev到100kev。必須增加α正比計數(shù)管的陽極絲直徑，提高α計數(shù)管的工作電壓，同時減小正比計數(shù)管陰極的直徑，對平板形正比計數(shù)管減小陰極板之間距離以減小α粒子在氣體內(nèi)的射程。從而降低α粒子的脈沖幅度，使兩部分計數(shù)管用同一高壓電源供電時，α粒子的脈沖幅度大于γ射線的脈沖幅度，但是比較接近。這樣才有較好的穩(wěn)峰效果。
本發(fā)明中兩部分正比計數(shù)管的氣體相通，保證二部分的氣體狀態(tài)相同。兩部分計數(shù)管的陽極絲相連，保證用同一高壓供電，輸出信號輸入同一前置放大器。
按本發(fā)明制做的核子皮帶秤使用的放射源活度比電離室作探測器的核子秤使用的放射源活度降低一個量級，較上面提到的用碘化鈉閃爍計數(shù)器的核子秤使用的放射源活度降低三倍。并且在對探測器和前置放大器不恒溫的情況下有很高的溫度穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性。
實施例由清華大學(xué)核能技術(shù)設(shè)計研究院和北京核儀器廠研制的BNW型核子皮帶秤，采用直徑為50毫米，長度為650毫米的正比計數(shù)管，α粒子正比計數(shù)管采用平板型，陰極距離為20毫米、長度為100毫米，α源采用镅241α源，活度為3.7×104貝可。選用3.7×108貝可的銫137γ源，在皮帶空載時得到12000計數(shù)/秒。采用北京核儀器廠制造的穩(wěn)峰高壓電源，前置放大器和主放大器，用8031做成單片機處理器。該核子秤探測器在-10℃到+50℃的環(huán)境中工作，不使用恒溫器達(dá)到好于1%的總精度。
權(quán)利要求
1.一種核子秤由放射源[1]、A形架(或C形架)[2]、核輻射探測器[3]、測速機構(gòu)[4]和二次儀表(或微處理器)[5]構(gòu)成，其特征在于(1)所說的核輻射探測器[3]采用長正比計數(shù)管，該正比計數(shù)管分為二部分，一部分用來測量穿過運輸皮帶及運輸物料的γ射線，另一部分管內(nèi)放置了準(zhǔn)直的α源，產(chǎn)生幅度一定的α粒子脈沖，兩部分正比計數(shù)管充的氣體相通，α正比計數(shù)管的陽極絲[25]較γ計數(shù)管的陽極絲[24]粗，同時減小α正比計數(shù)管的直徑或減小平板正比管陰極間的距離，限制α粒子射程，保證α粒子脈沖幅度大于γ射線的脈沖幅度，但是幅度比較接近，兩根陽極絲相連接，用同一高壓電源[16]供電，產(chǎn)生的脈沖信號輸入同一前置放大器[8]和主放大器[9]，(2)所說的二次儀表采用了穩(wěn)定正比計數(shù)管內(nèi)安裝的α源的單能峰的穩(wěn)峰方法，改善溫度和其他各種因素引起的核子秤的不穩(wěn)定性，二個等寬單道[10]和[12]分別置于微分譜的α單能峰的兩個邊緣，高能邊的脈沖通過單道[10]，由計數(shù)器(或計數(shù)率計)[11]計數(shù)，低能邊的脈沖通過單道[10]，由計數(shù)器(或計數(shù)率計)[11]計數(shù)，低能邊的脈沖通過單道[11]，由計數(shù)器(或計數(shù)率計)[13]計數(shù)，通過比較器[14](數(shù)字比較器或模擬電壓比較器即差分放大器)比較[11]和[13]的計數(shù)率，其結(jié)果用來調(diào)整低壓電源[15]的輸出電壓，控制給正比計數(shù)管供電的高壓電源[16]的輸出高壓，把任何原因引起的單能α峰的峰位移動拉回到微公譜橫軸的Hα點上，消除正比計數(shù)管[6]經(jīng)過前置放大器[8]，再經(jīng)過主放大器[9]放大后的所有輸出脈沖幅度的變化，保證通過單道[17]的幅度從Hγ1到Hγ2的γ脈沖的計數(shù)率不受溫度和元件變化的影響，只隨運輸皮帶的載荷變化。
全文摘要
本發(fā)明核子秤用于物料的重量(質(zhì)量)的在線測量，如生產(chǎn)過程的配料控制或運輸計量。該皮帶核子秤采用長正比計數(shù)管作探測器。由于測量正比計數(shù)管的輸出脈沖較測量電離室的輸出電流更靈敏，這種核子秤使用的放射源活度較使用電離室低一個量級。在正比計數(shù)管內(nèi)放置了用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)脈沖的單能α源，二次儀表中使用了穩(wěn)峰技術(shù)，使得該核子秤在探測器和前置放大器不恒溫的情況下穩(wěn)定地工作。
文檔編號G01T1/16GK1055994SQ91102590
公開日1991年11月6日 申請日期1991年4月25日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月25日
發(fā)明者王澤民, 解苑明, 趙秀明, 許盛奎, 陸雙桐, 陳宏宙 申請人:清華大學(xué), 中國核工業(yè)總公司北京核儀器廠