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技術(shù)文章

鋼鐵工業(yè)在線X射線測量技術(shù)的應(yīng)用

2011/1/5 11:09:02


1 X 射線產(chǎn)生原理

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圖1 X射線管結(jié)構(gòu)圖

圖中:陰極絲在加熱的情況下,會發(fā)射出熱電子,在射線管的陰極和陽極之間施加高壓,熱電子在電場中被加速并撞擊到陽極靶材料上,輻射出電磁波,產(chǎn)生的光譜為連續(xù)譜并存在著短波限(λmin),相當(dāng)于電子所有能量都轉(zhuǎn)換成X 射線,短波限與陽極材料無關(guān)。

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連續(xù)光譜的強(qiáng)度隨熱電子加速電壓的平方成正比,與電流、陽極元素原子序數(shù)Z 成正比,轉(zhuǎn)換成X 射線的效率與ZV 成正比。當(dāng)管電壓超過靶材料激發(fā)電勢時,連續(xù)光譜上會疊加特征光譜,特征光譜的波長與靶材料有關(guān)。特征譜線的頻率為:

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式中:R 為里德伯常數(shù)(R=109 737.3/cm);Z 為原子序數(shù);在Ka 譜系中,σ=1,K=3/4。

由于產(chǎn)生的X 射線是連續(xù)譜,X 射線在穿過射線管窗口材料時,低能部分的射線及低能特征射線容易被吸收,能譜的譜線發(fā)生變化,如圖2 和圖3 所示。

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圖2 X射線光管內(nèi)部的能譜圖

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圖3 X射線光管外部的能譜

2 X 射線與放射性同位素的比較

2.1 X 射線
測量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 測量精度和分辨率高,統(tǒng)計(jì)噪聲低

無論射線源采用何種方式,射線的產(chǎn)生都是隨機(jī)的,并服從統(tǒng)計(jì)分布,存在統(tǒng)計(jì)漲落,根據(jù)射線衰減公式newmaker.com,可以得到:

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式中:μ表示被測物質(zhì)的吸收系數(shù);τ表示探測器的響應(yīng)時間;Ks 表示探測器特征系數(shù);I 表示初級X 射線的強(qiáng)度;T 表示被測材料的厚度。

從式(4)可以知道,厚度的影響與射線的強(qiáng)度I 有關(guān)。對于同位素放射源其強(qiáng)度不能無限制地增加,射線源強(qiáng)度的增加會造成輻射防護(hù)難度的增加,電離輻射危險(xiǎn)性增大,另一方面放射源本身存在自吸收效應(yīng),射線源強(qiáng)度越大,自吸收效應(yīng)越大。而根據(jù)公式(2),增加X 射線管的高壓和陰極絲電流就可快速地增加射線的強(qiáng)度,來達(dá)到降低噪聲的目的,對于相同的噪聲等級,X 射線源的響應(yīng)速度也可以提高。

假設(shè)在厚度為0 時的噪聲值為SN0,則厚度為X 時的噪聲為:

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根據(jù)式(5),可以方便地計(jì)算出對于任意厚度時的相對統(tǒng)計(jì)噪聲,相對統(tǒng)計(jì)噪聲與半厚度值(射線強(qiáng)度衰減到一半時的厚度值)之間的關(guān)系如圖4 所示,其最小值時的厚度為2.9 倍半厚度值。對于使用放射性同位素測量的設(shè)備,由于射線的能量是單一的,其最佳測量厚度值是2.8 倍半厚度值,是固有的物理特性;對于X 射線測量設(shè)備通過調(diào)整能量,使設(shè)備在整個量程內(nèi)的統(tǒng)計(jì)噪聲保持在較低的水平。

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圖4 相對統(tǒng)計(jì)噪聲與半厚度之間關(guān)系

2.1.2 化學(xué)分析更精確

使用X 射線技術(shù)進(jìn)行濃度、化學(xué)成分分析時,射線源的能量和強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)顯得尤為重要。在進(jìn)行化學(xué)分析時,一般是利用X 射線的熒光效應(yīng),通過對被測化學(xué)元素的原子激發(fā)產(chǎn)生該種元素的特征譜線,但被測元素的激發(fā)譜線容易受到其它元素譜線的影響,從而降低了系統(tǒng)的檢測精度,可以利用X 射線的能量調(diào)節(jié)和濾片技術(shù),實(shí)現(xiàn)對特有元素的譜線激發(fā),而不激發(fā)或降低其它元素的激發(fā),從而實(shí)現(xiàn)對特有元素的高精度測量。

2.1.3 使用上更安全和可靠。

X 射線是加速的熱電子碰撞陽極靶產(chǎn)生的,因此在切斷電源后便沒有任何射線,而同位素放射源是密封在源罐中,即使關(guān)閉射線源的快門也存在一定劑量的泄露射線,不利于人身和設(shè)備的安全。

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圖5 穿透物質(zhì)后X射線能譜的變化

2.2 影響X 射線測量的關(guān)鍵因素

2.2.1 高壓范圍限制

X 射線的能量取決于施加的高壓,由于受技術(shù)的限制,高壓不能不受限制地增加。在熱軋生產(chǎn)線上使用的X 射線源高壓一般為160 kV,冷軋使用100 kV 左右,相對于放射性同位素發(fā)射出的γ射線而言如表1 所示,其能量要小得多,因此穿透物質(zhì)的能力不如放射性同位素,目前鋼鐵工業(yè)上的X 射線源的高壓最高在200 kV 左右,如果再增加高壓會帶來制造和維護(hù)成本的增加,因此在寬厚板等工廠,厚度和凸度的測量通常都是采用放射性同位素方法。

表1 常用放射性同位素的射線能量
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2.2.2 X 射線源的冷卻

加速熱電子在碰撞陽極靶過程中,99%的能量轉(zhuǎn)換成熱量,只有1%轉(zhuǎn)換成X 射線,因此在陽極靶上產(chǎn)生的熱量很大,必須對其進(jìn)行冷卻,冷卻效果的好壞直接影響到設(shè)備的測量精度和使用壽命。在實(shí)際使用過程中經(jīng)常受到水質(zhì)、管路等影響,使冷卻效率下降。

2.2.3 吸收系數(shù)的變化

由于X 射線的能譜為連續(xù)譜,低能部分很容易被吸收,造成能譜的偏移,即X 射線的硬化現(xiàn)象,如圖6 所示,其結(jié)果是射線能量和強(qiáng)度都發(fā)生變化,不象放射性同位素在穿透物質(zhì)時只是強(qiáng)度發(fā)生變化,而能量不會發(fā)生變化,這種變化的結(jié)果造成在X 射線能量不同時吸收系數(shù)不同。

不同元素吸收系數(shù)與射線能量的關(guān)系如圖7 所示,橫坐標(biāo)為射線能量,縱坐標(biāo)為吸收系數(shù)。

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圖6 射線能量與吸收系統(tǒng)關(guān)系

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圖7 電離室

對于X 射線而言,其能量一般在0.01~0.2 MeV 之間。吸收系數(shù)是被測量物質(zhì)各種化學(xué)成分綜合的結(jié)果,在這一能量區(qū)間,從圖中可以得到成分的細(xì)小變化對吸收系數(shù)的影響很大。因此利用X 射線進(jìn)行物質(zhì)厚度檢測時被測物化學(xué)成分有嚴(yán)格的要求,而對于放射性同位素設(shè)備,吸收系數(shù)基本上不發(fā)生變化。

2.2.4 探測器要求的增加

目前X 射線測量技術(shù)主要采用電離室作為射線檢測部件,其檢測原理是通過射線進(jìn)入電離室產(chǎn)生氣體電離,通過對電離后的離子對加壓,產(chǎn)生弱電流信號(10-9~10-11A),然后將弱電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理。由于X 射線是連續(xù)譜,要求測量X 射線的電離室對整個能譜范圍內(nèi)的X 射線進(jìn)行有效的檢測,應(yīng)用在傳統(tǒng)放射性同位素測量設(shè)備上的電離室只需要對特定能量的射線進(jìn)行有效檢測。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)工藝對產(chǎn)品檢測和控制精度要求的提高,要求電離室的尺寸減小,而檢測效率提高,對電離室的制造工藝提出了更高的要求。

3 寶鋼X 射線測量設(shè)備的應(yīng)用實(shí)績

寶鋼自 1997 年首次在2030 冷軋5 機(jī)架上使用X 射線測量設(shè)備以來,設(shè)備良好的精度和快速響應(yīng)促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量和控制精度的提高,到目前X 射線測量設(shè)備已達(dá)25 套(不包括三期后工程)。對新建設(shè)的主生產(chǎn)線上都配置使用X 射線測量設(shè)備,也逐步將老的主生產(chǎn)線上同位素測量設(shè)備升級或改造成X 射線測量設(shè)備。測量物理量包括厚度、凸度、邊緣降、鋅層厚度、電工鋼膜厚、電解液離子濃度等。在帶鋼厚度測量方面,從以前的單點(diǎn)測量發(fā)展到對帶鋼整個橫斷面的精細(xì)測量(每5 mm 寬度1 個測量點(diǎn)),在鍍層測量方面,可以根據(jù)需要對不同成分層進(jìn)行的實(shí)時多層測量。

在鋼鐵工業(yè)上,在線X 射線測量技術(shù)也需要一個不斷完善和發(fā)展的過程,在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在不少問題,主要是設(shè)計(jì)上的缺陷和沒有充分考慮到現(xiàn)場環(huán)境因素的影響。經(jīng)過我們多年的努力,成功地解決了X 射線源的冷卻問題,提高了X 射線源的使用壽命;解決了化學(xué)成分對厚度測量結(jié)果的影響,提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度;成功地完成了X 射線源、探測器、標(biāo)樣箱等關(guān)鍵部件的國產(chǎn)化。

4 結(jié)束語

① 在線X 射線測量設(shè)備精度、可靠性比傳統(tǒng)的放射性同位素設(shè)備高,而且其功能在不斷地增加,對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行少量的改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)多物理量的同時測量。比如X 射線凸度儀進(jìn)行適當(dāng)升級就可以實(shí)現(xiàn)帶鋼溫度的測量、寬度測量、平直度測量、凸度邊降測量、局部高點(diǎn)測量等,從而能完成過去需要多臺測量設(shè)備才能完成的任務(wù);

② 在線X 射線測量設(shè)備具備完善的自我診斷功能,提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性;

③ 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在測量現(xiàn)場就完成測量信號的快速采集和數(shù)字化處理,通過系統(tǒng)內(nèi)部總線及部件之間的網(wǎng)絡(luò)連接,測量設(shè)備不但能提供各種工藝所需要的信號,而且通過集成在測量系統(tǒng)內(nèi)部的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件,可以為生產(chǎn)技術(shù)人員對可能出現(xiàn)的問題提供指導(dǎo)。

 來源:機(jī)械專家網(wǎng)
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