钢铁工业在线X射线测量技术的应用

引言

自 1895 年德国科学家伦琴（R ntgen）首先发现X 射线，通过对X 射线产生机理和与物质相互作用的深入研究，使X 射线技术广泛地应用于国防、工业、医疗、农业。人们还成功地利用X 实验技术成功地解析出DNA 的双螺旋结构。在钢铁工业上，尽管在线X 射线测量技术的应用起步较晚，但随着核技术军转民，半导体工艺、计算机等技术的快速发展，该类产品在上个世纪90 年代开始普遍应用在钢铁生产线上，并因其快速响应、高精度、无损测量等优点得到了越来越广泛的应用。

1 X 射线产生原理

图1 X射线管结构图

图中：阴极丝在加热的情况下，会发射出热电子，在射线管的阴极和阳极之间施加高压，热电子在电场中被加速并撞击到阳极靶材料上，辐射出电磁波，产生的光谱为连续谱并存在着短波限（λmin），相当于电子所有能量都转换成X 射线，短波限与阳极材料无关。

连续光谱的强度随热电子加速电压的平方成正比，与电流、阳极元素原子序数Z 成正比，转换成X 射线的效率与ZV 成正比。当管电压超过靶材料激发电势时，连续光谱上会叠加特征光谱，特征光谱的波长与靶材料有关。特征谱线的频率为：

式中：R 为里德伯常数（R=109 737.3/cm）；Z 为原子序数；在Ka 谱系中，σ=1，K=3/4。

由于产生的X 射线是连续谱，X 射线在穿过射线管窗口材料时，低能部分的射线及低能特征射线容易被吸收，能谱的谱线发生变化，如图2 和图3 所示。

图2 X射线光管内部的能谱图

图3 X射线光管外部的能谱

2 X 射线与放射性同位素的比较

2.1 X 射线测量技术的优点

2.1.1 测量精度和分辨率高，统计噪声低

无论射线源采用何种方式，射线的产生都是随机的，并服从统计分布，存在统计涨落，根据射线衰减公式，可以得到：

式中：μ表示被测物质的吸收系数；τ表示探测器的响应时间；Ks 表示探测器特征系数；I 表示初级X 射线的强度；T 表示被测材料的厚度。

从式（4）可以知道，厚度的影响与射线的强度I 有关。对于同位素放射源其强度不能无限制地增加，射线源强度的增加会造成辐射防护难度的增加，电离辐射危险性增大，另一方面放射源本身存在自吸收效应，射线源强度越大，自吸收效应越大。而根据公式（2），增加X 射线管的高压和阴极丝电流就可快速地增加射线的强度，来达到降低噪声的目的，对于相同的噪声等级，X 射线源的响应速度也可以提高。 [p]