中子活化分析

DF-5701中子活化水泥元素在线分析仪一、产品概述
DF-5701中子活化水泥元素在线分析仪(图1-1)是跨皮带式水泥物料在线检测装置。

用于料堆管理、生料配料过程中元素成分的在线检测。

DF-5701的装置为模块化结构，不需切割皮带，可绕皮带安装。

DF-5701运行时，皮带从测量装置内托槽上滑过，对流经的所有物料进行检测，整个检测过程不接触物料，不影响皮带运行。

DF-5701每分钟给出一次检测结果，精确分析出各元素含量以及相关的质量控制参数。

根据分析仪实时检测信息，对生产过程进行有效控制，改良生产工艺，降低生产成本,提高产品质量。

图1-1 DF-5701中子活化水泥元素在线分析仪装置
二、产品结构
DF-5701中子活化水泥元素在线分析仪由测量装置、中子源、探测器、信号处理柜以及主机五个部分构成。

(图2-1)
图2-1 DF-5701结构图
1.测量装置
测量装置采用模块式框架结构。

包含支持测量过程中核相互作用的关键部件，同时对射线进行辐射防护，使装置周围剂量率达到辐射安全国家标准，保证工作人员的健康安全。

2.中子源
中子源安装于测量装置的下部，位于物料皮带的正下方，内部装有一个或多个不锈钢封装的252Cf源芯。

252Cf的半衰期为2.6年，放射性活度随着持续发射中子减小，约二年半时间，需补充新的中子源芯达到初始源强度。

3.探测器
探测器安装于测量装置的上部，位于物料皮带的正上方，用于接收物料被中子作用后发出的射线。

探测器外包有射线抑制体和恒温部件。

其中，射线抑制体用于抑制干扰射线，并由恒温部件对探测器进行恒温。

4.信号处理柜
信号处理柜内有探测器外围部件，电子信号处理部件和温度控制部件。

探测器外围部件为探测器运行提供高、低压电源。

电子信号处理部件的主要功能是将来自探测器的模拟信号，通过ADC转换为数字信号。

温度控制部件用于控制探测器温度和柜内温度。

信号处理柜可以安装在墙上或支架上，与探测器相连接的电缆线长度标准为25米。

5.主机
主机由硬件和软件组成，主要采集来自电子信号处理单元的数字信号，并对这些数字信号进行解析，计算出元素成分含量及相关的质量控制参数，指导和控制水泥生产。

硬件包括计算机、调制解调器和网卡，可配置打印机。

计算机内配有数据传输接口，与自动控制系统连接，还可通过互联网实现远程故障诊断功能。

软件利用元素谱库多元回归算法，对复杂的伽玛能谱进行解析，每分钟给出一次分析结果，实时显示,并提供多种方式报表查询。

三、工作原理
DF-5701采用中子活化瞬发γ分析(PGNAA)技术。

由中子源放出平均能量为2.35MeV的快中子，快中子被测量装置慢化为热中子，并由热中子照射水泥物料与物料中各元素原子核发生热中子俘获反应，放射出不同能量及强度的特征γ射线，通过检测特征γ射线的能量辨识物料中元素种类，通过检测特定能量γ射线的强度得出元素含量。

图3-1 PGNAA原理图
每种元素对中子活化过程的反应不尽相同，这表现在两个方面。

一方面是一些元素的活化性比另一些元素要高，例如铁非常活跃，而碳和氧的惰性很高，表现为与中子作用后放出的射线强度不同。

各元素间的另一个关键不同在于每种元素会放射出（具有已知强度）一组特定能量的γ射线，称为特征γ射线，例如，钙元素会放射出能量不同的γ射线，最明显的是4.42MeV和6.42MeV。

碘化钠闪烁体探测器接收到γ射线时会产生光脉冲，光脉冲进入光电倍增管后生成电脉冲，电脉冲经过电子信号处理部件放大和ADC转换，进而生成复合γ射线能谱。

然后，使用微处理器和高级分析软件可分解出该能谱的成分（元素）。

四、技术参数
表4-1 DF-5701技术参数
DF-5701报告的参数如下：
氧化物：
CaO、SiO2、Fe2O3、Al2O3、MgO
计算的质量控制参数：
石灰饱和系数、硅酸率、铝氧率、C3S、C2S、C3A、C2F、C4AF、易烧指数、烧失量
五、产品应用
DF-5701在水泥厂中主要用于料堆管理和生料配料。

根据分析仪对原料的实时检测信息，通过采石场优化调度控制和质量、成分统计实现料堆管理功能，而通过控制各种生料原料的给料量实现生料配料功能。

图5-1 DF-5701的应用
1.料堆管理
DF-5701的测量装置可使皮带贴在托槽上滑过。

托槽角度为30°至45°变化范围，方便安装。

DF-5701将在水平皮带和倾角最大不超过18°的皮带上工作。

DF-5701可以与各种皮带组合一起使用。

但由于某些皮带上的化合物可能会对分析性能造成负面影响，根据具体应用环境作相应处理。

DF-5701不宜用于钢芯皮带或含有氯的皮带,但极少量钢丝不会对分析仪性能带来显著影响。

皮带接头推荐硫化的方法，防止损伤DF-5701托槽。

皮带载荷会影响分析仪的性能，因此也是重要的考虑因素之一。

皮带载荷过少，物料产生的特征γ射线少,引起计数率低，从而增加了统计涨落误差，降低了重复性，同时测量精度也受到一定影响。

因此，尽可能避免皮带载荷过少的发生，将有助于持续获得好的分析结果。

DF-5701系统可以与过程控制软件配合使用，进行料堆管理，以监控预混料堆的化学成分。

使用过程控制软件时可以采用手动模式或自动模式。

手动模式
过程控制软件根据称重秤及分析仪测得的结果来调度采石场的作业，指导开采车到不同矿区开采，使各种品位的矿搭配使用，以满足以最低成本均化料堆的质量控制要求。

手动模式控制适用于通过合理调度开采和运输作业设备以达到采石场所要求质量的应用场合。

图5-2 手动模式下的过程控制
◆自动模式
自动模式下，过程控制软件用于原料存放在不同库（每个库下有自动给料）中的情况。

控制软件通过控制系统（PLC系统）来自动控制物料的配比，以满足预混
料堆的质量要求。

图5-3 自动模式下的过程控制
料堆管理系统功能
●有多种可行的配料方案时，选择成本最低的配料方案
●用户可设置质量控制目标的优先级，执行最合适用户需求的配料方案
●提供每个料堆的成分，以供品质评价
●提供满足料堆质量目标所需的物料的成分和质量
料堆管理系统的主要显示内容
●采矿点的成分（化学分析）
●质量控制参数（KH，n，p等）的目标值
●料堆物料的成分（由DF-5701 确定）
●料堆质量（由称重秤确定）
料堆管理系统优点
料堆管理系统将在新厂建设和原厂运行两个环节为您节省资金。

对于新厂建设，DF-5701不再需要下列设置：
●独立的粘土和石灰石均化堆场
●取样系统
对于原厂运行
●无需取样化验，实验室成本下降
●使矿山开采更加合理化
●降低预混料的成分波动
●提高预混料的质量
●最大化利用劣质矿山资源
2.生料配比
DF-5701与自动配料软件结合使用，可进行生料配料过程控制。

称重秤、分析仪将当前检测结果送入配料软件，配料软件根据用户质量控制参数（KH，n，p）目标值，控制各原料给料机给料量，使配料满足质量控制要求。

图5-4 生料配料过程控制
生料配比系统的主要显示内容
●原料的成分（化学分析）
●质量控制参数（KH，n，p等）的目标值
●混合料的成分（由DF-5701 确定）
●各原料的给料量（由称重秤确定）
生料配料优点
●减小均化库规模
●降低均化库运行成本
●减小预均化堆场面积
●降低入窑生料成分波动和燃料成本
●提高生料合格率，进而提高熟料质量
●有多种可行的配料方案时，选择成本最低的配料方案●减少窑的操作
●水泥粉磨能耗下降
●延长耐火砖的使用寿命
成本合理性
图5-5说明了DF-5701分析仪在使用中的成本合理性。

图5-5 购买DF-5701的成本合理性
六、产品特点
全面：测量通过的所有物料，代表性强；
快速：每分钟给出一次成分数据；
有效：为生产提供关键参数数据，以便进行有效控制；
稳定：双环控温、自动稳谱，长期稳定运行；
安全：更为有效的屏蔽体，装置周围辐射剂量低于国外同类产品。

DF-5701最根本的是提供了一种皮带物料元素成分的在线检测手段,与其它检测手段相比，有着无与伦比的优势。

在以往的工艺中，需要取样、制样，最后化验分析，整个过程需要数小时有时甚至是几天,反馈控制严重滞后。

另外化验分析仅使用料流的一小部分（通常为10-9），一般来讲，测量误差主要是由于化验分析所用的极小部分被视为整个料流的代表，代表性差。

与化学分析相比，DF-5701的分析结果代表性强，整体误差小。

由于DF-5701是对整个料流进行检测，反映了物料的全部信息。

分析仪的随机误差即是该分析系统的整体误差。

相反，与化验分析相关的随机误差在化验系统的整体误差中只占其中一部分，有时甚至只是很小一部分，而其他随机误差主要来自取样和制样。

因此，有时表面上看DF-5701的随机误差似乎很大，但实际上整体误差比化学分析要小的多。

与化学分析相比，DF-5701每分钟即可给出检测结果，实时性强,反馈迅速。

分析仪每分钟提供前一分钟通过的物料的成分检测值,及时反映物料成分的变化趋势，并迅速采取措施，调整搭配比例，控制物料成分的波动。

因此，具有过程控制功能的在线分析仪在分析速度上具有明显的优势。

七、现场应用
图7-1 应用于生料配料自动控制的分析仪现场
效益分析：
⏹使生料成分稳定
⏹使窑的运行状况稳定
⏹使台时产量提高6%左右
⏹使出窑熟料三率值合格率达到90%以上
⏹使熟料三天强度提高2-3MPa
⏹使出窑熟料的f-CaO1.50%的合格率在90%以上，稳定并提高了熟料质量
附录辐射防护
1基础知识
放射性是宇宙间一种最普遍、最基本且最具活力的自然现象，宇宙间的运动和能量，主要来源于放射性。

宇宙中所有的发光星体都是由于核爆炸。

如果没有了放射性现象，宇宙将会变得一片黑暗。

人类居住的地球始终到处都存在着放射性。

地球上的放射性本底主要来自以下几个方面：
⑴、来自宇宙空间的星体。

太阳本身就是在持续不停地进行着热核聚变反应（氢弹爆炸）。

⑵、地层内放出的放射性气体；
⑶、各种矿物以及人们居住周围的建筑材料中也含有不同程度的放射性物质。

⑷、人们吃的粮食中，都含有放射性。

放射性衰变主要会产生α射线、β射线和γ射线。

α射线、β射线等带电粒子进入物质后，主要是与物质的电子相互作用，引起物质的电离。

γ射线等不带电粒子进入物质后，首先产生一个或几个带电粒子，这些带电粒子再与物质的电子相互作用，引起物质的电离。

因此，射线与物质的相互作用的结果，主要可以归结为物质的电离。

人类一直受到天然电离辐射源的照射，虽然这些射线对人体会造成损伤，但人体有很强的修复功能。

在我国广东省阳江放射性高本底地区，虽然放射性本底剂量比正常地区高得多，但当地居民的健康状况与对照地区比较，并未发现显著差异。

对于放射性工作人员的职业照射，在辐射防护剂量限值的范围内，其损伤也是轻微的、可以修复的。

因此，对于放射性，我们既要注意防护，尽可能合理降低辐射的危害，也不必产生恐慌心理，影响我们的正常工作和生活。

2 DF-5701的辐射防护
DF-5701使用252Cf同位素中子源，放出平均能量为2.35MeV的中子射线，和一定的γ射线。

放射性物质用双层外壳封装，内层为铂铑合金，外层为不锈钢。

整个源芯装在源室内，源室外先用高原子序数材料屏蔽γ射线，再用氢物质及中子吸收材料屏蔽中子。

装置用来屏蔽的材料重达3.25吨，使射线全部集中在DF-5701测量隧道内，而周围几乎无泄露。

根据理论计算与实际测量，DF-5701周围剂量当量率小于2.5μSv/h，DF-5701为全自动测量，不需人员操作，日常生产维护中按照每天在DF-5701处停留1小时，每年工作360天，则工作者每年所接收到的剂量当量为0.9mSv，此剂量要低于国家规定的公众剂量限值年有效量1mSv的规定。

下表列出了日常生活中所接收到的辐射剂量的一些数值。

(数据来源：江西省环保厅网站，中国核学会网站。

)
附录日常生活中所接收到的剂量
3辐射防护办法
俗称辐射防护三原则：
⑴屏蔽
利用射线可被物体吸收(遮挡)的性质 , 用重金属或水泥等重物质对射线进行屏蔽,使射线的强度大大降低。

如：7cm的铅可使137Cs的γ射线强度衰减2000倍。

⑵距离防护
人员远离放射源时, 射线强度的衰减倍数和距离平方成反比。

也就是说, 人在离放射源2米处的照射剂量率是1米处的1/4, 在3米处的剂量率是1米处的1/9。

以此类推。

⑶时间防护
人所受剂量的大小与受放射源照射的时间成正比。

减少操作放射源的时间和尽量减少在放射源周围停留的时间, 也是最有效的防护办法。