伽瑪射線在密度測量中的應用

高彥祥

摘 要：分析了常用密度計在密度測量中的優(yōu)缺點，詳細介紹了伽瑪射線密度計的測量原理及銫-137放射源射線的安全防護。

關鍵詞：γ射線；銫-137；密度測量

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.116

1 伽瑪放射源

（1）伽瑪射線簡述。γ射線是一種高能電磁波，其波長小于0.001ns。由于它不帶電，因此其與物質(zhì)的相互作用機制不同于帶電粒子。帶電粒子與物質(zhì)的相互作用機制是通過與介質(zhì)原子核和核外電子的庫侖相互作用，在沿其運動路徑上經(jīng)過多次碰撞而逐漸損失能量。γ光子則是通過與介質(zhì)原子或核外電子的單次作用，損失很大一部分能量或完全被吸收。在原子核反應中，生成的子核往往處于激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的原子核往往是不穩(wěn)定的，其會通過發(fā)射γ射線從高激發(fā)態(tài)向低激發(fā)態(tài)或基態(tài)躍遷。

（2）銫-137伽瑪放射源。常用于制備γ源的放射源有60Co、134，137Cs

、133Ba、152Eu、74Se、124Sb和192Ir等。60Co經(jīng)β-衰變到60Ni的激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的60Ni躍遷到低能態(tài)時，就會放出γ光子，對于60Co的衰變，兩光子的能量分別為1.17MeV和1.33MeV。半衰期大約為5.27年。137Cs為β-衰變，發(fā)射兩種β-粒子，其能量分別為0.51MeV（94%）和1.18MeV（6%），半衰期為30.17年。137Cs發(fā)射0.51MeV的射線后，轉(zhuǎn)變?yōu)?37Bam。137Bam作同質(zhì)異能躍遷衰變，其γ射線能量為0.66MeV，半衰期為2.55min。由上可知，137Cs其主要能量為0.66MeV。由于其具有較低的能量，因此具有比60Co更好的測量效果，而且其屏蔽容易，所以一般γ射線密度計使用的放射源均為137Cs。

2 伽瑪射線密度計的優(yōu)點

目前國內(nèi)外常用的液體密度計有浮子式密度計、振動式密度計和差壓式密度計和γ射線密度計。浮子式密度計是基于物體在流體內(nèi)受到的浮力與流體密度有關，流體密度越大浮力越大這樣的原理設計的。這種密度計容易受到介質(zhì)擾動的影響，誤差比較大。振動式密度計是利用機械振動原理制成的。密度變送器的檢測元件是一對振動管，體積一定而質(zhì)量不同的液體流過振動管時，就會改變振動管的諧振頻率，當流體密度增大時，振動頻率減?。环粗斄黧w密度減小時，振動頻率增大。在實際應用中，振動式密度計在測量一些有節(jié)垢或有顆粒的介質(zhì)時其測量誤差特別大。差壓式密度計的設計原理非常簡單，使用方便，相比其它密度計價格非常便宜。其測量原理依據(jù)于?P=ρgh此公式，當h一定時，差壓變送器測出的?P值與重力加速度g和長度h乘積的比值即為所測介質(zhì)的密度值。 差壓式密度計雖然使用簡單，但是實際工業(yè)生產(chǎn)中卻不常使用差壓式密度計，原因是其在測量過程中是不穩(wěn)定的，因此會給測量結(jié)果帶來很大的誤差。γ射線密度計的原理是γ射線在物質(zhì)中傳播時，由于射線光子的能量被物質(zhì)吸收以及隨著距離的增加而使射線的強度不斷減弱而發(fā)生衰變。當放射源的放置位置固定后，射線在傳播時的衰減就僅取決于介質(zhì)的密度和傳播的距離。而傳播的距離即為通道的寬度，其也是一定的。因此，衰減就僅取決于物質(zhì)的密度。γ射線密度計的優(yōu)點在于其可以在高溫、高壓、高腐蝕性的環(huán)境下正常工作。

3 伽瑪射線密度計的結(jié)構(gòu)

伽瑪射線密度計主要由放射源及鋁屏蔽罐、探測器、信號處理機構(gòu)成的。

（1）放射源。核放射源137Cs放置在雙層不銹鋼容器中，其不會泄漏出來污染需測量的物質(zhì)。（2）探測器。伽瑪射線密度計所使用的是閃爍探測器。射線探測器由閃爍檢測器和前置放大器組成，其主要作用是接收和轉(zhuǎn)換輻射脈沖，每一個進入檢測器的γ光子產(chǎn)生一個輸出的脈沖，它的電壓與入射光子的能量成正比。這些脈沖被放大后，經(jīng)屏蔽電纜傳輸?shù)叫盘柼幚頇C。（3）信號處理機。信號處理機主要包括：CPU，存儲器，分頻器，A/D和D/A轉(zhuǎn)換輸入輸出接口等。

4 伽瑪射線密度計的測量原理

γ射線是一種強電磁波。當γ射線與物質(zhì)相互作用主要有三種機制，即光電效應、康普頓散射和電子對效應。（1）光電效應：當γ射線與介質(zhì)原子發(fā)生相互作用，吸收一個γ光子并將光子的全部能量傳遞給一個束縛電子，這個電子脫離原子對它的束縛后發(fā)射出來，γ射線被吸收。釋放出的電子稱為光電子其具有確定的能量，這種效應稱為光電效應。當入射γ射線能量大于2MeV時，光電效應可忽略不計。（2）散射效應：能量比較高的γ射線，能夠忽略原子殼層電子的結(jié)合能而將它們視作自由電子，γ光子可與自由電子發(fā)生彈性碰撞，碰撞后，γ射線將部分能量交給被碰撞的電子，導致射線強度的減弱，這就是散射效應。（3）電子對效應：γ光子的能量大于電子靜止能量的2倍時，會在介質(zhì)原子核的庫倫場中轉(zhuǎn)換為一對正負電子。光子能量為正電子的靜止能量，負電子的靜止能量，和它們的動能之和。以放射性同位素137Cs為輻射源的核子密度計。在對介質(zhì)進行密度測量時，主要考慮散射效應。γ射線透過介質(zhì)后其強度與介質(zhì)的密度和厚度有關。當γ射線穿過吸收介質(zhì)時，其強度服從指數(shù)衰減規(guī)律：

式中：I：射線通過介質(zhì)后的強度；Io：無干擾介質(zhì)時的初始射線強度；u：介質(zhì)的吸收系數(shù)僅與所測介質(zhì)有關；d：吸收物質(zhì)及介質(zhì)的厚度；ρ：吸收物質(zhì)及介質(zhì)的密度。

對于特定的伽瑪射線密度計，K，IO為常量，因此可通過測量I而求得密度ρ。采用閃爍探測器檢驗穿過介質(zhì)后的剩余γ射線，將其轉(zhuǎn)換為電量的變化，并通過電子電路的處理，就可得到所測物質(zhì)的密度。

5 伽瑪射線密度計的防護措施

伽瑪射線有殺傷生物細胞的作用，其對人體的危害是客觀存在的。因此伽馬射線的安全防護工作應引起高度重視。核密度計中常用到的γ放射源為137Cs，在實際使用中有嚴格的防護措施，其安全性是有保障的。有關輻射安全的防護安全需要注意以下幾點。

（1）在安裝γ射線密度計的地方，要有明顯的禁示牌，提醒人們不要在附近逗留。（2）γ射線密度計檢修時，務必要將放射源裝置關閉后才能進入安裝有放射性儀表的容器內(nèi)部作業(yè)。（3）定期對γ射線密度計放射源裝置的放射泄漏情況進行測量。（4）核輻射指定專職人員應持證上崗，做到熟悉操作減少操作時間，從而減少所受到的劑量。并例行身體檢查。（5）根據(jù)輻射防護規(guī)則，在劑量率>3000uSV/h的區(qū)域，嚴禁人員進入。

參考文獻：

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