国内外同位素仪表的发展

发布: 2012-10-15 11:33 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

　　本文概括介绍了国内外同位素仪表的发展概况和基本特点及当今世界同位素仪表的水平和发展势。介绍了同位素仪表的种类、特点、技术指标、应用领域及经济和社会效益。

　　1.前言

　　同位素仪表也称核辐射式检测仪表，它是一种利用放射性同位素和核辐射对非电参数实现检测和控制的一种新型仪表。同位素仪表一般由放射源、核辐射探测器、电转换器和二次仪表几部分组成。工业应用同位素仪表，即工业同位素仪表，通常我们提到的同位素仪表就是指工业同位素仪表。工业同位素仪表是同位素与辐射技术在工业领域应用中最重要的组成部分，已经发展成了工业自动化仪表的一个新分支。

　　目前工业同位素仪表正不断更新结构、完善功能、提高精度、改善仪表的稳定性、可靠性，实现仪表标准化、系列化、通用性、小型化、自动化与智能化，以适应现代化工业的连续化、高速化、精密化的要求。同位素工业仪表是实现生产自动化、产品无损检测及资源勘探的一类重要仪表，随着计算机和其它科学技术的进步和发展，同位素仪表的稳定性和可靠性大大提高，实现了数据的自动采集、处理与和生产过程的闭环控制，同位素仪表技术发展已达到了一个崭新的高度。同位素仪表现已广泛用于工业、农业、国防、资源开发、医学、环保及科学研究等领域，并且取得了显著的经济和社会效益，推动了社会生产力的发展。

　　同位素仪表是国民经济现代化建设不可缺少的新型检测仪表，已引起国家有关部门的高度重视，它的最大特点是非接触式无损检测，因此在特定条件下就成了某些系统中的关键设备，西方国家已在工业中采用了60万台（套），我国市场主要在有色、冶金、矿山、选矿（煤）、能源开发、石油化工、水泥、造纸等诸多部门，市场潜在量在20万台以上，产值在30亿元以上，目前市场开发率不到5%，在我国现代化事业的推动下，各行各业的自动检测、计量和控制工作已逐步提到议事日程，同位素仪表已开始受到重视，企业界也提出了迫切要求，有些工程项目不惜高价从国外引进，因此同位素仪表市场巨大，只是目前我国还没有形成自己的产品系列，我国的同位素仪表产业还没有形成。同位素仪表是核辐射技术在国民经济领域中的具体应用，由于其技术上的特殊性和应用技术的较高难度，再加上我国原有科技体制的弊端，致使我国到目前为止还没有一个独立的同位素仪表综合开发与生产基地。

　　西方国家用了15年左右时间，先后在60年代末和70年代初已普及同位素仪表，应用总量已超过60万台套，产值占国民经济总产值的万分之四五，产值利润比超过1:0.5 ，投资效益比达到1:9，产品的技术指标能够满足产业界提出的最高要求，其技术进步主要表现在新型核辐射探测器和新技术的采用，结构的更新和功能的强化并向功能组装化方向发展。

　　我国同位素仪表应用开发比国外落后20年，到1983年底，同位素仪表应用总数只有1700多台，产值小于国民经济总产值的万分之一。但是中国国民经济的起飞，促使同位素仪表进入了迅猛发展时期，据1988年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。国民经济的迅猛发展为同位素仪表的发展提供了良好的契机，到2005年我国同位素仪表可望达到2～3万台，并将在今后的开发实践中产生几个我国的同位素仪表应用开发中心。

　　2、国外同位素仪表的发展概况

　　自从1951年美国首先将放射性同位素厚度计用于橡胶生产后，同位素仪表在工业上得到大力开发，大体上经历了三个发展阶段：

　　2.1、开发阶段(40年代末到60年代初)。这一阶段是工业同位素仪表开创时期。美国等一些较发达工业国家进行了大量开发研制工作，成果反映在1955年和1958年两次日内瓦和平利用原子能国际会议上。这一阶段总的特点是，同位素仪表在技术上还未完全成熟，仪表质量还难于完全适应工业现场条件，此外仪表开发也还带有某种盲目性，因而发展较缓慢，推广面有限；

　　2.2、技术成熟阶段(60年代末到70年代中期)。随着晶体管与集成电路等电子技术的发展，以及新型核辐射探测器件的出现，同位素仪表进入了一个新的阶段。这一时期国外，特别是西方国家正处于经济高速发展时期，因而对包括同位素仪表在内的新技术出现了强烈的兴趣。这一时期，同位素仪表也进入了成熟阶段：仪表稳定性与可靠性大大提高、性能明显改善、使用对象明确、应用领域不断扩大，经济效益日趋显著；

　　2.3、高水平发展阶段(70年代中期以后至今)。随着电子计算机技术的迅速发展，同位素仪表在大量推广应用的基础上进一步更新换代，朝高水平方向发展。仪表的灵敏度和精度日益提高，可靠性和稳定性越来越好，功能和应用领域也大大扩展。目前在一些工业发达国家，正出现某种智能化的大型多功能同位素仪表，以解决实际工作中遇到的高难度综合性问题。此外，另一些对口专用的小型同位素仪表也得到了长足的发展。

　　近30年来，世界同位素仪表的数量增长了40倍，平均年增长率为20%到25%。据中国核学会援引国际原子能机构调查报告，到1980年各国应用同位素仪表总数达到62万台。例如美国在1960年使用量为4650台，到1980年增长到了21万台。

　　使用同位素仪表的效益也很好，据美国1978年的统计，同位素仪表平均价格为1.2万美元，年维护费250美元。企业购买这种仪表的全部费用一般在2到3个月就全部收回，个别的在5到6个月也可收回。一种同位素仪表的新产品从研制到投产一般1到3年，具有投资少、效益高、见效快等特点。工厂使用这类同位素仪表时，一般不需要对原来的设备和工艺作大改动，一旦和控制设备相连便可连续生产。同位素仪表的应用，不仅提高了产品的质量和产量，而且节约原材料和能耗，给工业界带来很大经济效益。据国际原子能委员会1981年的报导，各种同位素仪表的经济效益系数分别是：塑料薄膜厚度计为1:3，纸张厚度、湿度计1:9，锌镀层厚度1:30，脱硫车间硫分析仪1:10，高炉焦碳湿度仪1:20。

　　就同位素仪表的应用范围来看几乎涉及到各个工业部门，现已广泛应用于烟草、食品、纺织、建材建筑、造纸、印刷、橡胶、采矿、选矿、煤炭、石油、化工、冶金、机械、运输、交通等工业领域。世界各国大量普及和使用同位素仪表，就其国家而言总的经济效益也十分显著。据美国原子能委员会对美国各行业应用同位素仪表所做的综合经济效益调查表明，仅九个行业的收入每年超过四亿美元，可见效益十分显著。当今各工业化国家同位素仪表工业均处于高速成长期，其发展势头仍是“方兴未艾”。

　　3、同位素仪表的分类

　　同位素仪表种类繁多，应用领域十分广泛，其工作原理与作用不尽相同，因此很难全面地加以分类。按基本原理和作用方式工业同位素仪表可分以下几类：

　　3.1、强度测量仪表。包括放射性同位素料位计、密度计、厚度计、浓度计、泥沙量计、中子水份计和核子称等。主要是利用物质对射线的吸收、散射与（中子）慢化等作用，使射线的强度发生变化，反映出被测物的某些有关的宏观物理参数。

　　3.2、能谱分析仪表。主要指野外或现场分析仪表，例如X射线荧光分析仪、核测井和在线活化分析等仪器仪表。利用这类分析仪表测定有关射线的能谱，确定物质的成分和结构。

　　3.3 数字图像处理仪表。包括核无损检验（即射线探伤）装置，如X射线探伤和g探伤和中子照相以及工业断层显像（即工业CT）等装置。这类装置主要是利用胶片照相技术、二维或三维阵列探测技术、数字图像重建与处理技术等确定射线的空间或平面分布，反映被测对象的有关信息。

　　3.4、其他同位素仪表。包括某些无法归类的同位素仪表，如放射性同位素火灾报警装置，放射性同位素电离真空计等。这类仪表一般多是利用放射性同位素放出的辐射的电离效应。

　　4、同位素仪表的特点和作用

　　4.1、同位素仪表的特点：

　　同位素仪表不同于其它工业仪表，它是利用核辐射与物质的相互作用及发生的吸收、散射或电离、激发等效应，取得有关物质的宏观微观信息的，因而同位素仪表具有其它工业仪表所不具备的特点：不接触被检测对象，是一种非破坏性检测工具；可在各种现场条件下，如高温、高压、高粘度、高腐蚀性和高毒性等情况下非密闭和密闭容器内的物料的非电参数进行控制；检测灵敏度高、响应速度快、使用寿命长、性能稳定可靠；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、便于携带安装；辐射在物质中穿透深度视辐射种类不同而不同，一般可在1mm到1m之间，故有广泛的应用对象和场合。

　　4.2、同位素仪表在生产中的作用：

　　近年来同位素仪表的功能日趋完善，应用领域不断扩大，同位素仪表在工业生产中的独特作用日益显现，成了工业部门不可缺少的重要检测设备。同位素仪表在生产中的作用可归纳成以下几点：

　　4.2.1、生产发展与社会需求。以日本为例，60年代中到７０年代初随着日本经济的起飞，这一时期，工业同位素仪表主要是放射性同位素厚度计与料位计使用量也相应迅速增长。

　　4.2.2、可解决工业生产中的某些重大技术难题。同位素仪表已被用于解决诸如准确、快速、大面积的地质普查，材料或零件百分之百的无损检测，生产过程的闭环自动检测控制，高纯度物质的分析测定，甚至环境、健康和营养评价等综合性问题。

　　4.2.3、可以强化生产过程，加速工业技术进步。目前国外的大型成套设备，一般都配备同位素仪表对生产过程实现自动检测、调整和控制、乃至最佳化控制，确保产品质量，提高劳动生产率，改善劳动条件，降低能耗与原材料消耗，最终降低产品成本。例如前苏联在克里沃舍尔特钢厂建成的一座世界最大的高炉上(5000ｍ3)，配备有100多台同位素仪表；在奇姆肯特磷肥厂安装了450多台同位素仪表。

　　4.2.4、具有显著的经济效益。同位素仪表投资小、见效快、经济效益显著。这也是发达国家的工矿企业愿意广泛使用同位素仪表的动力和出发点。国际原子能机构与亚太地区协议组织认为，同位素仪表对于发展中国家基础工业的改造与加速发展中国家工业现代化进程同样具有重大意义。

　　5、国外强度类同位素仪表的技术水平：

　　国外同强度类位素仪表在技术上已经成熟，仪表技术指标早已能满足工业生产所提出的要求，技术进步主要表现在新产品开发、老产品的改型、简化结构、强化功能、采用新器件方面，仪表由单元组合向功能组装式发展，并大量采用了计算机技术。

　　5.1、探测器和放射源：探测器是同位素仪表的关键部件，国外同位素仪表探测器主要有碘化钠单晶闪烁计数器、塑料闪烁计数器、液体闪烁计数器、电离室、正比计数器、半导体计数器、盖革计数器等。

　　闪烁计数器广泛用于物位计、密度计、厚度计及X射线仪表中。70年代末西德的HB、LB公司、美国的INC公司、海湾公司、日本的富士公司等先后解决了闪烁计数器的稳定性问题，使闪烁计数器型仪表在精度上赶上了恒温电离室，这是一次技术上的突破。塑料闪烁计数器这几年也有很大的发展，经改进的塑料闪烁体，闪烁衰减时间可缩短到1nS，因而特别适用于高计数率测量(10-10/S)。塑料闪烁体大量用于工业轧材测厚和物位检测。

　　国外电离室发展也很快，高压电离室和真空电离室相继研制成功，用于密度计的多是恒温电离室，新型的钛合金恒温电离室具有轻便、无漂移、探测效率高等优点，是电离室中的珍品。

　　盖革计数器正逐步被淘汰，早期用于料位开关等强度仪表中。半导体探测器多用于X荧光仪表中，用于物质成份的快速检测。

　　在放射源方面，除了常用放射源外，国外新开发出两种放射源。252cf(锎)是中子和g射线复合源，它的产额很高，锎主要用于中子活化分析、中子照相及多参数联合测量的同位素工业仪表中，但其价格昂贵，美国1975到1980年间共配套出售252cf仪表共473套，价值3370万美元。另一种169Y(镱)，主要用于工业无损检测。

　　5.2、国外强度类仪表典型技术水平：

　　密度计--其最高运行精度为0.0005ｇ/cm3 ，各国的产品基本都能达到这一技术指标。国外产品以西德HB公司、美国核子工业公司(该公司产品被美国国家标准局NBS用作国家辅助标准)及日本富士产品为最优。80年代以后国外先进的密度计是有“自动稳峰”装置的闪烁密度计和有恒温装置的电离室密度计，且普遍采用了微处理器，其测量精度可达到0.001ｇ/cm3 。

　　物位计--当代物位计几乎100%采用闪烁探测器，物位测量误差一般在1%，量程已达到3到5m。国际市场上的精品是西德的HB、Berthold、英国的Nuclear、Enterprises corp产品，它们的产品都有稳峰装置和线性化装置。

　　厚度计--国外产品大部分是电离室的，轧材厚度计有一部分是闪烁的，有的还使用了最新的闪烁计数器。金属轧材厚度计精度到1‰～5‰，薄膜厚度计测量精度0.25～0.5或0.2g/m2 。国际市场上以西德的HB、英国的NE公司产品最优。

　　水份计--中子测水，相对误差0.5%ｗt，日本和美国采用了252cf放射源。

　　核子称--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%。据报导由塑料闪烁体研制成功的核子称其精度可达到4～0.4‰之间。国外典型代表是美国Kay--Ray公司的核子称。

　　以上仪表属于一类强度测量型同位素仪表。这类仪表最多、应用领域最广、技术发展最成熟的一类仪表。其中尤以料位计、密度计和厚度计被称为“老三计”用量最多，国外几乎每个工矿企业都使用这类仪表，少则几台多则几十台上百台。很多工业成套设备通常也配备这类仪表，作为工业过程检测的一种手段。这类仪表一般可以正常使用5~10年左右，年维护费用仅占仪表的2%左右。国外老三计在工业仪表中所占的比例为5%到10%。

　　目前国外强度型同位素仪表正朝着如下几个方面完善和进:(1)提高可靠性，以适用恶劣工作环境的要求;(2)提高响应速度和测量精度。随着工业生产的高速化，检测仪表的响应速度和精度是确保产品质量的关键;(3)为实现产品过程的最佳化控制，仪表本身必须能对各种因素的影响进行自动校正。

　　6、我国同位素仪表的发展概况和现状

　　我国同位素仪表的研制始于1958年。到80年代初期共研制和生产了40多种2000余台仪表，主要研制和生产单位分布在科研、教育、工业部门及地方厂矿，共50多个单位，其中70%是料位计，除料位计以外，还有密度计、厚度计和g探伤仪、泥沙量计、X荧光分析仪、含硫量分析仪等。除使用国产同位素仪表外，很多部门还成套引进了国外的同位素仪表。例如武钢1700工程从西德和日本引进成套设备，配有12个品种57台同位素仪表，遍布连铸、热轧和冷轧及硅钢等部门。宝钢一期工程引进的日本成套设备中，共配有87台同位素仪表。昆明三聚磷酸钠厂从西德引进的成套设备配有110台同位素仪表。上海石化总厂引进的成套设备中配备有43台同位素仪表。

　　到90年代初，我国科研人员对同位素仪表已作了30多年的研制试制工作，对各类型和用途的同位素仪表进行过研制。近几年的研究成果主要有同位素厚度计、密度计、物位计等的通用单元组合化，高精度核子称，纸张灰份、厚度、定量、水份四参数检测系统，油、气、水三相流及多相流检测系统，大型辐射集装箱检测系统，热中子透射计的应用研究，X射线荧光多元素分析仪的应用研究等。

　　　　从80年代开始，我国已进入大力推广应用同位素仪表阶段。据1988年的统计，我国在各工业部门使用的同位素仪表已达到8000台左右，到2000年初估计已达到1万余台，推广应用较广泛的仪表有物位计、密度计、料位计、湿度计、核子称、成份分析仪等。推广应用较多的是物位计，发展较快的是核子称，而代表发展方向的是成份分析仪。

　　目前我国同位素仪表开发和研制，开始逐步摆脱仿制国外样机，实现独立设计和指标向国外靠拢，仪表生产向通用化、系列化方向过渡。然而从目前看我国与国外的差距仍相当大。例如我国还没有研制成功技术难度较大的一类料位计：如大量程料位指示系统、超大型料仓料位指示系统、多参数料位指示系统和高温环境下应用的料位计等；我国生产的厚度计，其水平只相当于日本70年代末的水平，少数产品接近80年代，造纸业中纸张水份测量与闭环控制刚刚应用；我国中子水份计虽在钢铁工业与冻土研究方面取得了一定成效，然而仪器稳定性和可靠性差，技术水平仍相当于国外80年代初的水平。

　　我国同位素仪表应用取得明显效益的单位和行业有：黄磷生产系统、化纤厂、化肥厂、碱厂、选矿厂、选煤厂、采矿充填、钢铁厂、焦化厂、水泥厂、湿法冶金行业等。今后除向以上行业推应用广外，还应逐步向橡胶、烟草、纺织、建材食品、机械及印刷出版业推广。除继续了向大型企业推广外，还应向使用量较小的中小企业推广。

　　7、同位素仪表的发展趋势

　　目前同位素仪表正不断更新结构，完善功能，提高精度，改善仪表的稳定性、可靠性、通用性，实现仪表的标准化、小型化、自动化与智能化，以适应现代工业的连续化、高速化、精密化的要求。具体说，今后工业同位素仪表可能朝以下几个方向发展。

　　(1)就整体结构而言，整个仪表从单元组合式向功能组装式发展。

　　(2)就测量方法而言，从简易的检测手段向高效率、高分辨率的复杂测量装置过渡。

　　(3)就仪表功能而言，正从单点、单参数检测向多点多参数自动检测方向发展。如放射性同位素密度计与流量计配以微计算机组成的双参数测量的质量流量计。又如纸张质量厚度、湿度、灰份等多参数测量。252cf中子水份计可以同时测量物料的水份和密度。再如采用?、b与X射线厚度计，可以同时检测钢丝夹层橡胶制品中的钢丝和橡胶总厚度，钢丝层厚度以及上下橡胶层的厚度。此外，工业同位素仪表与其它非核技术综合应用，有助于扩大同位素仪表的应用范围，提高其应用功能。

　　(4)就仪表的通用性和安全性而言，工业同位素仪表将进一步实现仪表的系列化、标准化。美国制定了放射性同位素仪表的安全标准ANSI-N538。估计不久的将来，类似的同位素仪表的国际标准也将提到议事日程。

　　(5)随着各种支持性技术的发展，特别是电子计算机技术的广泛使用，使同位素仪表的技术水平达到了一个新的高度；同位素仪表采用电子计算机后，结构紧凑，体积缩小；测量由模拟向数字化方向发展，实现输入信息的自动补偿，系统启动、调节和操作程序化，并对采集的数据进行运算、判断、分析与处理，从而扩大了仪表信息功能，提高了仪表检测精度，为多参数测量和生产过程闭环控制奠定了基础；仪表由硬件和软件相组合，体现出设计的合理性和操作的简便性。仪表具有故障自我诊断功能，大大减轻了设备维护的工作量，从而提高了仪表的可靠性；通过图像视频彩色显示，达到了更好的人机结合，以满足现代化工业生产连续化、自动化与高速化的要求，实现检测非接触化、非破坏化、超差传感，以保证产品100%的检验，并在出现超差之前加以校正。

来源：中国仪器仪表信息网