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鋼鐵工業在線X射線測量技術的應用

2011/1/5 11:09:02  (瀏覽次數：2011/1/5 11:09:02)


1 X 射線產生原理

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圖1 X射線管結構圖

圖中：陰極絲在加熱的情況下，會發射出熱電子，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，產生的光譜為連續譜并存在著短波限（λmin），相當于電子所有能量都轉換成X 射線，短波限與陽極材料無關。

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連續光譜的強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Z 成正比，轉換成X 射線的效率與ZV 成正比。當管電壓超過靶材料激發電勢時，連續光譜上會疊加特征光譜，特征光譜的波長與靶材料有關。特征譜線的頻率為：

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

由于產生的X 射線是連續譜，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，能譜的譜線發生變化，如圖2 和圖3 所示。

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圖2 X射線光管內部的能譜圖

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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 射線測量技術的優點

2.1.1 測量精度和分辨率高，統計噪聲低

無論射線源采用何種方式，射線的產生都是隨機的，并服從統計分布，存在統計漲落，根據射線衰減公式newmaker.com，可以得到：

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式中：μ表示被測物質的吸收系數；τ表示探測器的響應時間；Ks 表示探測器特征系數；I 表示初級X 射線的強度；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度I 有關。對于同位素放射源其強度不能無限制地增加，射線源強度的增加會造成輻射防護難度的增加，電離輻射危險性增大，另一方面放射源本身存在自吸收效應，射線源強度越大，自吸收效應越大。而根據公式（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度，來達到降低噪聲的目的，對于相同的噪聲等級，X 射線源的響應速度也可以提高。

假設在厚度為0 時的噪聲值為SN0，則厚度為X 時的噪聲為：

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根據式（5），可以方便地計算出對于任意厚度時的相對統計噪聲，相對統計噪聲與半厚度值（射線強度衰減到一半時的厚度值）之間的關系如圖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 射線測量設備通過調整能量，使設備在整個量程內的統計噪聲保持在較低的水平。

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圖4 相對統計噪聲與半厚度之間關系

2.1.2 化學分析更精確

使用X 射線技術進行濃度、化學成分分析時，射線源的能量和強度可以調節顯得尤為重要。在進行化學分析時，一般是利用X 射線的熒光效應，通過對被測化學元素的原子激發產生該種元素的特征譜線，但被測元素的激發譜線容易受到其它元素譜線的影響，從而降低了系統的檢測精度，可以利用X 射線的能量調節和濾片技術，實現對特有元素的譜線激發，而不激發或降低其它元素的激發，從而實現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，不利于人身和設備的安全。

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圖5 穿透物質后X射線能譜的變化

2.2 影響X 射線測量的關鍵因素

2.2.1 高壓范圍限制

X 射線的能量取決于施加的高壓，由于受技術的限制，高壓不能不受限制地增加。在熱軋生產線上使用的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，因此穿透物質的能力不如放射性同位素，目前鋼鐵工業上的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%的能量轉換成熱量，只有1%轉換成X 射線，因此在陽極靶上產生的熱量很大，必須對其進行冷卻，冷卻效果的好壞直接影響到設備的測量精度和使用壽命。在實際使用過程中經常受到水質、管路等影響，使冷卻效率下降。

2.2.3 吸收系數的變化

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

不同元素吸收系數與射線能量的關系如圖7 所示，橫坐標為射線能量，縱坐標為吸收系數。

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圖6 射線能量與吸收系統關系

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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。吸收系數是被測量物質各種化學成分綜合的結果，在這一能量區間，從圖中可以得到成分的細小變化對吸收系數的影響很大。因此利用X 射線進行物質厚度檢測時被測物化學成分有嚴格的要求，而對于放射性同位素設備，吸收系數基本上不發生變化。

2.2.4 探測器要求的增加

目前X 射線測量技術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入電離室產生氣體電離，通過對電離后的離子對加壓，產生弱電流信號（10-9～10-11A），然后將弱電流信號轉換成電壓信號，并進行數據的轉換和處理。由于X 射線是連續譜，要求測量X 射線的電離室對整個能譜范圍內的X 射線進行有效的檢測，應用在傳統放射性同位素測量設備上的電離室只需要對特定能量的射線進行有效檢測。隨著現代生產工藝對產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 射線測量設備的應用實績

寶鋼自 1997 年首次在2030 冷軋5 機架上使用X 射線測量設備以來，設備良好的精度和快速響應促進了產品質量和控制精度的提高，到目前X 射線測量設備已達25 套（不包括三期后工程）。對新建設的主生產線上都配置使用X 射線測量設備，也逐步將老的主生產線上同位素測量設備升級或改造成X 射線測量設備。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，從以前的單點測量發展到對帶鋼整個橫斷面的精細測量（每5 mm 寬度1 個測量點），在鍍層測量方面，可以根據需要對不同成分層進行的實時多層測量。

在鋼鐵工業上，在線X 射線測量技術也需要一個不斷完善和發展的過程，在現場實際應用過程中仍然存在不少問題，主要是設計上的缺陷和沒有充分考慮到現場環境因素的影響。經過我們多年的努力，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；解決了化學成分對厚度測量結果的影響，提高了產品的質量和精度；成功地完成了X 射線源、探測器、標樣箱等關鍵部件的國產化。

4 結束語

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

② 在線X 射線測量設備具備完善的自我診斷功能，提高了系統的可維護性；

③ 隨著計算機技術的發展，在測量現場就完成測量信號的快速采集和數字化處理，通過系統內部總線及部件之間的網絡連接，測量設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內部的歷史數據統計分析軟件，可以為生產技術人員對可能出現的問題提供指導。

　來源：機械專家網

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