第四章 同位素仪器仪表
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第四章 同位素仪器仪表
主要内容
第一节 同位素仪器仪表概况
第二节 同位素仪器仪表核心部件
第三节 几类同位素仪器仪表及应用
第四节 同位素仪器仪表发展趋势
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
2
引言
凡带有放射性核素源或核辐射探测器的检测仪表统称为放 射性核素仪表（也称核仪器仪表或同位素仪器仪表） 按其基本原理和作用方式分： 强度测量仪表 同 位 素 仪 表 能谱分析仪表 数字图像处 理仪表 其他同位素 仪表
2016/10/19
火车车皮装煤量 油罐车装油量 炼钢炉钢水量 煤气罐气量
25
核技术应用概论——同位素仪器仪表
（一）料位计
常用的探测器： 探测器 测量 设备 电离室具有较高的牢固 性和可靠性，测量范围较 宽。 闪烁探测器灵敏度较高， 辐射源剂量较小。
原理示意图2
放射源通常采用以下两种： 60Co具有相对高的能量，主要用于设备壁较厚的情况。 137Cs具有较低的能量，具有比60Co更好的测量效果，并且 屏蔽容易，常用于设备壁厚较薄的情形。
d
对于给定的放射源，μ可以认为是常数。如果放射源及射线吸 收的路径不变，那么测量值仅和单位物料内的密度、厚度有关， 所有其它物理性质如压力、温度、粘度、颜色等均不影响测量 值、因此辐射测量方法是十分可靠的。
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 24
（一）料位计
当液面下降到放射源和探 测器组成的水平面那一刻 时，探测器的计数会突然 发生变化（一般情况下增 大），表示液体下降到要 求的高度。 在实际应用中，可以使放 射源和探测器组成的系统 上下水平移动，也可以让 容器上下水平移动达到测 量料位的目的。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
18
第二节 同位素仪器仪表核心部件
放射源
探测器
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
19
引言
放射源和核辐射探测器共同组成参数变换器。 属于同位素仪表的核心部件。
放射源 同 位 素 仪 器 仪 表
核辐射探测器
电转换器 二次仪表
2016/10/19
密度计、厚度计、料位计、水分 计、核子秤等 X射线荧光分析仪、核测井和在线 活化分析等仪器仪表
X射线探伤、g探伤、中子照相以 及工业CT等装臵 放射性同位素火灾报警装臵，放 射性避雷针、静电消除器等
核技术应用概论——同位素仪器仪表
3
引言
按射线入射到探测器前与物质发生相互作用的类型分： 穿透式仪表 散射式仪表
核技术应用概论——同位素仪器仪表 6
2016/10/19
一、同位素仪器仪表的特点和应用
农业和林业 煤炭
冶金
应 用 领 域
表4-1
石油、化工、造纸、橡胶 玻璃、水泥及其它非金属矿物加工业 食品 轻纺
土木、水纹
航空、航天
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 7
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
14
校企联合研制实验教学平台
核 技 术 应 用 综 合 实 验 平 台
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 15
四、强度型同位素仪表的技术水平
密度计——其最高运行精度为0.0005ｇ•cm-3，各国的产品 基本都能达到这一技术指标。以西德HB公司、美国核子工 业公司及日本富士产品为最优。 物位计——采用闪烁探测器，物位测量误差一般在1%左 右，量程已达到3m～5m。代表性的有西德的HB、Berthold （伯托 ）、英国的Nuclear Enterprises corp（NE）等公司的 产品，它们都有稳峰装臵和线性化装臵。 厚度计——国外产品除轧材厚度计有一部分采用闪烁探测 器外，其它大部分采用电离室。金属轧材厚度计精度已达到 1‰～5‰，薄膜厚度计测量精度0.2g•m-2～0.5g•m-2。国际市 场上以西德的HB（Herbalife）、英国的NE公司产品最优。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
17
五、同位素仪表的技术优势和经济效益
同位素仪表在生产中的意义主要表现为： 满足生产发展与社会需求 解决工业生产中的某些重大技术难题 强化生产过程，加速工业技术进步 具有显著的经济效益
a 节约原料 b 提高产品质量 c 减少废品和次品 d 提高机器的运转速度和工作效率
同位素仪器仪表的特点和应用 国外同位素仪表的发展历史
我国同位素仪表的发展历史
强度型同位素仪表的技术水平 同位素仪表的技术优势和经济效益
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
5
一、同位素仪器仪表的特点和应用
同位素仪表是利用核辐射与物质的相互作用及产生 的吸收、散射或电离、激发等效应，获取有关物质 的宏观、微观信息。
二、国外同位素仪表的发展历史
发展大致经历了以下三个阶段： 起始阶段（20世纪40年代末～20世纪60年代初） 特点：研制技术还未完全成熟，仪表质量还难于完全满足工 业现场条件的需求，开发带有一定的盲目性，发展比较缓慢， 其推广面及其有限。 发展成熟阶段（20世纪60年代末～70年代中期） 特点：逐渐发展成熟，仪表的稳定性与可靠性都大大提高， 性能得到了明显改善，使用对象逐渐明确，其应用领域也不 断扩大，得到了显著的经济效益。
137Cs所占的份额最大，
广泛用于核子秤、厚度 计、密度计等常规同位 素仪表。其次是用于探 伤仪、探井设备的60Co。
2016/10/19
48%
核技术应用概论——同位素仪器仪表
21
二、探测器
将射入其中的核辐射转变为一个电信号，这个电信号与被测参 量有着函数关系，并传输给下一级电路。用来衡量辐射探测器 的主要性能指标通常有下面四个： 探测量子效率：产生的光子事件数和入射光子数之比。(<1) 响应度：输出信号和入射辐射功率之比。(线性、非线性） 分光响应：对不同波长辐射的响应特性。(选择性、非选择性） 探测率：能探测的最小辐射功率的倒数。（等效噪声功率）
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 11
衡阳镭目科技公司
钢铁企业生产 21种产品
田陆 执行总裁
田志恒 镭目公司总经理
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 12
衡阳镭目科技公司
部科技进步奖二等奖 “铯源型γ射线钢水液位计” 以该项技术为主体，田志恒教授创办的衡阳镭钼科技
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 10
三、我国同位素仪表的发展历史
有的国产仪表技术水平接近或超过国外。 集装箱辐射成像检测系统、高能加速器驱动的工业CT、 工业塔器伽玛射线扫描设备等
PB202 8TL 集 装货物/ 车辆检 查系统
我国第一台基于锥束 扫描的高能工业CT 系统（ICT6000MF）
穿透式厚度计、穿透式密度计和 穿透式液位计等 散射式厚度计和散射式密度计等
气体压力计、气体流量计、气体 成份分析仪等 同位素x荧光分析仪、同位素X荧 光镀层厚度计 中子湿度计
核技术应用概论——同位素仪器仪表 4
同 位 素 仪 表
电离式仪表 同位素x荧光 式仪表 中子式仪表
2016/10/19
第一节 同位素仪器仪表概况
常用的探测器有： 闪烁探测器：碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、 液体闪烁计数器 气体探测器：电离室、正比计数器、盖革计数器等 半导体探测器：HPGe（高纯锗探测器）等
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 22
第三节 几类同位素仪表及应用
强度型同位素仪表
数字图像处理型仪表
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
20
一、放射源
放射性核素虽然有很多种，但能够用于同位素仪表的放 射源却不多，这是因为对同位素仪表中使用的放射源有以下 2% 要求： 16% Ir-192 半衰期长 Co-60 Cs-137 29% 射线能量和能谱合适 中子源 5% 放射性比活度高 其它 价格低廉，易得
不直接接触被检测对象，是一种非破坏性的检测工具；
可在各种苛刻条件如高温、高压、高粘度、高毒性等情况 下对非密闭和密闭容器内的物料进行非电参数的控制； 灵敏度高、性能稳定可靠、响应速度快、使用寿命长； 可连续输出电信号，实现生产过程闭环自动控制； 体积小、重量轻，便于携带和安装； 穿透深度视射线种类不同而有所区别，在0.1~1m之间。
I I 0e
wenku.baidu.com
um d
I0 1 d ln um I
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
28
（二）厚度计
X射线荧光方法较射线测厚法,具有干扰少，量 程宽，精度高等优点，得到广泛使用。可采用三种 方法： 发射法：放射源可以激发表层的X射线荧光，该X 射线直接被探测器记录； 吸收法：源激发底层的X射线荧光，该X射线荧光 被表层吸收后再被探测器记录； 反射法：直接记录放射源源初级射线的散射射线。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
8
二、国外同位素仪表的发展历史
高水平发展阶段（20世纪70年代中期～至今） 特点：同位素仪表在大量推广、应用的基础上进行更新换代， 朝高水平、高技术方向发展。灵敏度和精度日益提高，可靠 性和稳定性也越来越好，功能和应用领域也大大扩展。 上世纪60~80年代中期美国同位素仪表的发展概况，可 以看到，美国同位素仪表的发展是相当迅猛的。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
29
特征荧光吸收法
轻元素（C、H、 O、Si、Al等）的特 征X射线不易被激发 和探测，不会对中高 能X射线产生特征吸 收作用，因而可利用 X射线穿过薄层的吸 收情况来测定轻物质 薄层（如纸张）的厚 度。
2016/10/19
辐射体可选择含Fe或Zn的合金
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
9
三、我国同位素仪表的发展历史
研制始于1958年 大力推广、应用同位素仪表则是从20世纪80年代开始 据1988年的数据统计，我国在各个工业领域使用的同位素 仪表已达到8000多台，其中，应用较为广泛的仪表有料位计、 密度计、湿度计、核子秤、成份分析仪等。 到2003年底，我国同位素仪表产值估算大约为35亿元。 常规同位素仪表的使用量已超过2.5万台，核子秤的年产 量接近3000台。 客观来说，发展水平同国外相比仍然存在相当大的差距。 国产的厚度计水平仅相当于日本20世纪70年代末的水平； 中子水份计的稳定性和可靠性较差，仅相当于国外80年代初 的水平。
能谱型的核分析仪器 其它同位素仪表
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
23
强度型同位素仪表
强度型同位素仪表都服从下面这个指数衰减规律：
I—穿过物料后射线的强度； I0—穿过物料前射线的强度； ρ—物料的密度； d—射线穿过物料的厚度； μ—物料的质量吸收系数。
I I 0e
有限责任公司为衡阳市第一家高科技民营企业，其铯源型
钢水液面控制仪目前占全国市场份额的95％以上。2007年 公司总产值1.9亿元。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
13
本院科研产品
“氮-13监测系统 ”
部科技进步奖二等奖 已装备于核电站和核潜艇
核电设备国产化研究典例
浙 江 秦 山 核 电 站
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 26
（一）料位计
主要由放射源、探测器、容器及主机三部分组成。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
27
（二）厚度计
利用对射线的吸收或反射而测量物质厚度，可分为透射式厚 度计、反射式厚度计。反射式厚度计的原理比较复杂。
透射式厚度计原理：
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 16
四、强度型同位素仪表的技术水平
水份计——中子测水，相对误差0.5%ｗt，日本和美国采 用了252Cf（锎-252）放射源。 核子秤——国外大多采用高压电离室，一般都配备微计算 机，测量精度可达到0.5%。据报道，采用塑料闪烁体的核 子秤精度可达到0.4‰～4‰之间。国外具有代表性的产品是 美国Kay-Ray公司的核子秤。 上述仪表应用领域最广、技术发展最成熟，其中尤以料 位计、密度计和厚度计用量最多，在工业仪表中所占的比例 为5%~10%。
主要内容
第一节 同位素仪器仪表概况
第二节 同位素仪器仪表核心部件
第三节 几类同位素仪器仪表及应用
第四节 同位素仪器仪表发展趋势
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
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引言
凡带有放射性核素源或核辐射探测器的检测仪表统称为放 射性核素仪表（也称核仪器仪表或同位素仪器仪表） 按其基本原理和作用方式分： 强度测量仪表 同 位 素 仪 表 能谱分析仪表 数字图像处 理仪表 其他同位素 仪表
2016/10/19
火车车皮装煤量 油罐车装油量 炼钢炉钢水量 煤气罐气量
25
核技术应用概论——同位素仪器仪表
（一）料位计
常用的探测器： 探测器 测量 设备 电离室具有较高的牢固 性和可靠性，测量范围较 宽。 闪烁探测器灵敏度较高， 辐射源剂量较小。
原理示意图2
放射源通常采用以下两种： 60Co具有相对高的能量，主要用于设备壁较厚的情况。 137Cs具有较低的能量，具有比60Co更好的测量效果，并且 屏蔽容易，常用于设备壁厚较薄的情形。
d
对于给定的放射源，μ可以认为是常数。如果放射源及射线吸 收的路径不变，那么测量值仅和单位物料内的密度、厚度有关， 所有其它物理性质如压力、温度、粘度、颜色等均不影响测量 值、因此辐射测量方法是十分可靠的。
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 24
（一）料位计
当液面下降到放射源和探 测器组成的水平面那一刻 时，探测器的计数会突然 发生变化（一般情况下增 大），表示液体下降到要 求的高度。 在实际应用中，可以使放 射源和探测器组成的系统 上下水平移动，也可以让 容器上下水平移动达到测 量料位的目的。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
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第二节 同位素仪器仪表核心部件
放射源
探测器
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引言
放射源和核辐射探测器共同组成参数变换器。 属于同位素仪表的核心部件。
放射源 同 位 素 仪 器 仪 表
核辐射探测器
电转换器 二次仪表
2016/10/19
密度计、厚度计、料位计、水分 计、核子秤等 X射线荧光分析仪、核测井和在线 活化分析等仪器仪表
X射线探伤、g探伤、中子照相以 及工业CT等装臵 放射性同位素火灾报警装臵，放 射性避雷针、静电消除器等
核技术应用概论——同位素仪器仪表
3
引言
按射线入射到探测器前与物质发生相互作用的类型分： 穿透式仪表 散射式仪表
核技术应用概论——同位素仪器仪表 6
2016/10/19
一、同位素仪器仪表的特点和应用
农业和林业 煤炭
冶金
应 用 领 域
表4-1
石油、化工、造纸、橡胶 玻璃、水泥及其它非金属矿物加工业 食品 轻纺
土木、水纹
航空、航天
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 7
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14
校企联合研制实验教学平台
核 技 术 应 用 综 合 实 验 平 台
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 15
四、强度型同位素仪表的技术水平
密度计——其最高运行精度为0.0005ｇ•cm-3，各国的产品 基本都能达到这一技术指标。以西德HB公司、美国核子工 业公司及日本富士产品为最优。 物位计——采用闪烁探测器，物位测量误差一般在1%左 右，量程已达到3m～5m。代表性的有西德的HB、Berthold （伯托 ）、英国的Nuclear Enterprises corp（NE）等公司的 产品，它们都有稳峰装臵和线性化装臵。 厚度计——国外产品除轧材厚度计有一部分采用闪烁探测 器外，其它大部分采用电离室。金属轧材厚度计精度已达到 1‰～5‰，薄膜厚度计测量精度0.2g•m-2～0.5g•m-2。国际市 场上以西德的HB（Herbalife）、英国的NE公司产品最优。
2016/10/19
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五、同位素仪表的技术优势和经济效益
同位素仪表在生产中的意义主要表现为： 满足生产发展与社会需求 解决工业生产中的某些重大技术难题 强化生产过程，加速工业技术进步 具有显著的经济效益
a 节约原料 b 提高产品质量 c 减少废品和次品 d 提高机器的运转速度和工作效率
同位素仪器仪表的特点和应用 国外同位素仪表的发展历史
我国同位素仪表的发展历史
强度型同位素仪表的技术水平 同位素仪表的技术优势和经济效益
2016/10/19
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5
一、同位素仪器仪表的特点和应用
同位素仪表是利用核辐射与物质的相互作用及产生 的吸收、散射或电离、激发等效应，获取有关物质 的宏观、微观信息。
二、国外同位素仪表的发展历史
发展大致经历了以下三个阶段： 起始阶段（20世纪40年代末～20世纪60年代初） 特点：研制技术还未完全成熟，仪表质量还难于完全满足工 业现场条件的需求，开发带有一定的盲目性，发展比较缓慢， 其推广面及其有限。 发展成熟阶段（20世纪60年代末～70年代中期） 特点：逐渐发展成熟，仪表的稳定性与可靠性都大大提高， 性能得到了明显改善，使用对象逐渐明确，其应用领域也不 断扩大，得到了显著的经济效益。
137Cs所占的份额最大，
广泛用于核子秤、厚度 计、密度计等常规同位 素仪表。其次是用于探 伤仪、探井设备的60Co。
2016/10/19
48%
核技术应用概论——同位素仪器仪表
21
二、探测器
将射入其中的核辐射转变为一个电信号，这个电信号与被测参 量有着函数关系，并传输给下一级电路。用来衡量辐射探测器 的主要性能指标通常有下面四个： 探测量子效率：产生的光子事件数和入射光子数之比。(<1) 响应度：输出信号和入射辐射功率之比。(线性、非线性） 分光响应：对不同波长辐射的响应特性。(选择性、非选择性） 探测率：能探测的最小辐射功率的倒数。（等效噪声功率）
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 11
衡阳镭目科技公司
钢铁企业生产 21种产品
田陆 执行总裁
田志恒 镭目公司总经理
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 12
衡阳镭目科技公司
部科技进步奖二等奖 “铯源型γ射线钢水液位计” 以该项技术为主体，田志恒教授创办的衡阳镭钼科技
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 10
三、我国同位素仪表的发展历史
有的国产仪表技术水平接近或超过国外。 集装箱辐射成像检测系统、高能加速器驱动的工业CT、 工业塔器伽玛射线扫描设备等
PB202 8TL 集 装货物/ 车辆检 查系统
我国第一台基于锥束 扫描的高能工业CT 系统（ICT6000MF）
穿透式厚度计、穿透式密度计和 穿透式液位计等 散射式厚度计和散射式密度计等
气体压力计、气体流量计、气体 成份分析仪等 同位素x荧光分析仪、同位素X荧 光镀层厚度计 中子湿度计
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同 位 素 仪 表
电离式仪表 同位素x荧光 式仪表 中子式仪表
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第一节 同位素仪器仪表概况
常用的探测器有： 闪烁探测器：碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、 液体闪烁计数器 气体探测器：电离室、正比计数器、盖革计数器等 半导体探测器：HPGe（高纯锗探测器）等
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第三节 几类同位素仪表及应用
强度型同位素仪表
数字图像处理型仪表
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一、放射源
放射性核素虽然有很多种，但能够用于同位素仪表的放 射源却不多，这是因为对同位素仪表中使用的放射源有以下 2% 要求： 16% Ir-192 半衰期长 Co-60 Cs-137 29% 射线能量和能谱合适 中子源 5% 放射性比活度高 其它 价格低廉，易得
不直接接触被检测对象，是一种非破坏性的检测工具；
可在各种苛刻条件如高温、高压、高粘度、高毒性等情况 下对非密闭和密闭容器内的物料进行非电参数的控制； 灵敏度高、性能稳定可靠、响应速度快、使用寿命长； 可连续输出电信号，实现生产过程闭环自动控制； 体积小、重量轻，便于携带和安装； 穿透深度视射线种类不同而有所区别，在0.1~1m之间。
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I0 1 d ln um I
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（二）厚度计
X射线荧光方法较射线测厚法,具有干扰少，量 程宽，精度高等优点，得到广泛使用。可采用三种 方法： 发射法：放射源可以激发表层的X射线荧光，该X 射线直接被探测器记录； 吸收法：源激发底层的X射线荧光，该X射线荧光 被表层吸收后再被探测器记录； 反射法：直接记录放射源源初级射线的散射射线。
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二、国外同位素仪表的发展历史
高水平发展阶段（20世纪70年代中期～至今） 特点：同位素仪表在大量推广、应用的基础上进行更新换代， 朝高水平、高技术方向发展。灵敏度和精度日益提高，可靠 性和稳定性也越来越好，功能和应用领域也大大扩展。 上世纪60~80年代中期美国同位素仪表的发展概况，可 以看到，美国同位素仪表的发展是相当迅猛的。
2016/10/19
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特征荧光吸收法
轻元素（C、H、 O、Si、Al等）的特 征X射线不易被激发 和探测，不会对中高 能X射线产生特征吸 收作用，因而可利用 X射线穿过薄层的吸 收情况来测定轻物质 薄层（如纸张）的厚 度。
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辐射体可选择含Fe或Zn的合金
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三、我国同位素仪表的发展历史
研制始于1958年 大力推广、应用同位素仪表则是从20世纪80年代开始 据1988年的数据统计，我国在各个工业领域使用的同位素 仪表已达到8000多台，其中，应用较为广泛的仪表有料位计、 密度计、湿度计、核子秤、成份分析仪等。 到2003年底，我国同位素仪表产值估算大约为35亿元。 常规同位素仪表的使用量已超过2.5万台，核子秤的年产 量接近3000台。 客观来说，发展水平同国外相比仍然存在相当大的差距。 国产的厚度计水平仅相当于日本20世纪70年代末的水平； 中子水份计的稳定性和可靠性较差，仅相当于国外80年代初 的水平。
能谱型的核分析仪器 其它同位素仪表
2016/10/19
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23
强度型同位素仪表
强度型同位素仪表都服从下面这个指数衰减规律：
I—穿过物料后射线的强度； I0—穿过物料前射线的强度； ρ—物料的密度； d—射线穿过物料的厚度； μ—物料的质量吸收系数。
I I 0e
有限责任公司为衡阳市第一家高科技民营企业，其铯源型
钢水液面控制仪目前占全国市场份额的95％以上。2007年 公司总产值1.9亿元。
2016/10/19
核技术应用概论——同位素仪器仪表
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本院科研产品
“氮-13监测系统 ”
部科技进步奖二等奖 已装备于核电站和核潜艇
核电设备国产化研究典例
浙 江 秦 山 核 电 站
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 26
（一）料位计
主要由放射源、探测器、容器及主机三部分组成。
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（二）厚度计
利用对射线的吸收或反射而测量物质厚度，可分为透射式厚 度计、反射式厚度计。反射式厚度计的原理比较复杂。
透射式厚度计原理：
2016/10/19 核技术应用概论——同位素仪器仪表 16
四、强度型同位素仪表的技术水平
水份计——中子测水，相对误差0.5%ｗt，日本和美国采 用了252Cf（锎-252）放射源。 核子秤——国外大多采用高压电离室，一般都配备微计算 机，测量精度可达到0.5%。据报道，采用塑料闪烁体的核 子秤精度可达到0.4‰～4‰之间。国外具有代表性的产品是 美国Kay-Ray公司的核子秤。 上述仪表应用领域最广、技术发展最成熟，其中尤以料 位计、密度计和厚度计用量最多，在工业仪表中所占的比例 为5%~10%。