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射线仪表的应用安全与防护

作者:刘 凤2010.11.01阅读 4968

        1 引言
        随着科学技术的发展,各种测量手段不断推陈出新,根据其测量原理、结构形式和检测元器件的不同各有其不同的适用场合。但是,仍然有一些苛刻工况的液位、流量、密度、厚度等依然是测量的难题,采用常规的测量方法,无法满足要求。这时,我们会考虑采取射线仪表。
        射线测量技术,仪表不直接接触介质,不受介质温度、粘度、结晶、腐蚀、有毒、状态、沉淀或挂料等 特性的影响,不受容器压力、材质、壁厚、形状的制约,适应于高温(或低温)、高压(或低压)、强腐蚀、 剧毒、粘稠、结晶、固体颗粒等多种苛刻环境,无可动部件、维护工作量小,因此在石油、化工、化纤、钢铁、水泥、采矿等行业有着不可或缺的作用。工业生产中常常采用γ射线做以下应用:
        (1)液位、物位的连续或开关量测量;
        (2)密度测量,在线连续地测量容器或管道中介质的密度;
        (3)固体流量测量,如:煤碳、矿石、水泥、粮食 等固体块、粒的流量测量;
        (4)各种材料的厚度测量。
        多数人都知道射线对人体、对环境是有危害的,对射源都会敬而远之,甚至像对瘟疫一样避之唯恐不及。射源到底危害有多大?如何合理安全地应用射线?如何在解决工业测量中的疑难问题的同时,最大 限度地保护环境、保障人身安全?希望本文能使读者对射线仪表有一个科学、理性的认识,对其安全防护有一个初步的了解和正确的处理。
        2 射线基本常识
        自然界中的元素,多数处于不稳定状态,不稳定的同位素以辐射射线的方式释放原子核内多余的能量,从而衰变成另一种比较稳定的同位素。放射性物质衰变时和核裂变反应中释放出来的射线称为核辐射。人们在日常生活、工作中所受到各种照射中也有核辐射。譬如,岩石、土壤和水体中也存在着放射性物质;太阳光等宇宙射线;使用手机、看电视、坐飞机、抽烟,特别是胸透检查,都会产生辐射。科学研究证明,少量的辐射照射对人体是无害的。
        辐射分为两类。一类是电离辐射,如α(阿尔法)、 β(贝塔)、γ(伽马)、X和中子等射线能够直接或间接地使物质电离。另一类是非电离辐射,如可见光、紫外线、声辐射、热辐射和低能电磁辐射。
        α射线是氦原子流,电离本领大,但穿透能力差,在空气中的射程只有1~2cm,通常用一张纸就可以挡住;β射线是电子流,带负电荷,贯穿本领比α粒子强,电离能力比α粒子弱,在空气中的射程一般为几米,用 金属、厚有机玻璃或塑料板可以较好地阻挡β射线辐射;X射线能量较低,通常不是由放射性核素自发衰变 释放,而是由高速电子轰击的金属靶产生的,重金属板块可屏蔽X射线,对来自电视机和计算机的低能量的软X射线,其显示屏就能很好地对它加以屏蔽。
        γ射线是波长很短的高能电磁波,一般波长小于0.001nm。它不带电,不具有直接电离的功能,但可以通过和物质的相互作用间接引起电离效应。γ射线具有很强的穿透能力,在空气中的射程通常为几百米。要想有效地阻挡γ射线,一般需要采用厚的混凝土墙或重金属(如铁、铅)板块。放射性仪表正是利用了γ射线波长短、穿透能力强的特点,广泛应用于各种苛刻环境的测量。
        放射性的活度是指放射性物质单位时间内裂变的能力,相同物质的射源,活度越强对人体和环境的危害越大;不同物质的射源,即使活度相同控制工程网版权所有,其穿透能力、衰变能力及其对人体和环境的危害程度都不同。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,为了表述对人体和环境的危害程度,引进了剂量当量单位希沃特(Sv),即将不同的放射性物质的强度都折算成一种具有可比性的当量单位,以便对射线的危害效应进行评价。
        放射性活度的国际单位是贝可勒尔,简称贝可,符号为Bq。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时, 其放射性活度即为1Bq。早期使用的活度单位为居里(Ci),1Ci=37亿Bq。
        放射性半衰期是放射性核素因放射性衰变而使其活度降低到原来的一半所经过的时间。
        3 射线仪表的测量原理和基本构成
        射线穿过物体后均会有衰减,并严格按照e指数衰减,其剩余剂量是被穿透物体的密度和穿透厚度的函数。具体关系式如下:
        Y=Qe(-μρd)
        式中:
        Q为射源发出的射线剂量;
        μ为吸收系数,一种介质对一种射线的吸收率为常数;
        ρ为射线穿透介质的密度;
        d为射线穿透介质的厚度;
        Y为经过密度为ρ,厚度为d的物体后所剩余的射线剂量。
        Q是与核素的种类和剂量相关的量,当核素选定后,上式中的吸收系数Q可以认为是一个常数。射线仪表根据上述原理,经过合理的设计,使得当某一容器,装某一介质时(ρ为定值),射线穿过容器后,容器本 身对射线的吸收量为一定值,其变化仅与容器内介质的物位(即厚度)成函数关系。根据这一原理可以测得物位或材料厚度。
        密度计的测量原理则是将上式中的d设为定值, 使Y的变化仅与ρ有关,测量点大多在管道上,管道中的介质始终充满,这时介质厚度d是固定不变的,影响 射线吸收量的因素就剩下密度ρ了。根据上面公式,很容易根据测得的射线量反映介质密度的变化。一般密度计安装在竖直管道上,下进上出,可以保证满管,同时又可减少气体对测量的影响。
        射线仪表一般由射源、检测器、变送器3部分组成。
        仪表射源一般采用Cs-137或Go-60,有点源和线 源两种形式,从安装位置又可分为内置源和外置源两 种应用,其作用就是发出γ射线。Cs-137半衰期30年, 穿透性差,柔韧性差,适于作点源;Go-60半衰期5年, 穿透性强,柔韧性好,可以作点源或线源,便于通过 Go丝缠绕的疏密来补偿设备不规则形状。源的选择需 要综合计算与评价。
        检测器的作用则是检测γ射线。检测器品种较多, 根据形状分:有点状和线/棒状的,根据敏感体分:有 气体探测器和固体探测器。气体探测器有GM(Geiger Muller)计数管,电离室两大类,效率低、受温度影响 大、价格低廉。固体检测器(或统称为固体闪烁晶体 计数器)从晶体材料上分,有碘化钠、碘化铯、BGO (锗酸铋)、塑料或人工晶体、光纤束。由于高效的碘 化钠、碘化铯、BGO晶体至今还不能将其体积做大、 做长,所以只能做成点状探测器。而棒状探测器又分 为钢性和柔性两类,刚性的人工晶体直径约50mm,长 度可达2m,探测效率高;柔性的光纤束约25mm,长度可达6~7m,探测效率低、温度影响大。除了敏感材料 外、光电倍增管、电子控制线路也是探测器的重要组 成部分。检测器是射线液位测量的关键部件,其灵敏 度和稳定性是决定射线测量技术的关键所在,也是控 制源强的关键。
        变送器的作用是将检测到的γ射线信号通过电 子线路变换成通用的标准信号传送到监控系统。射 线仪表的很多功能都是在变送器内的电子控制线路 完成的,例如:衰减自动补偿功能、探测器HV(High Volt age)自动调节功能、料位突变时测量时间常数 自动缩短10倍的功能、探测器自身温度测量,报警功 能、探测器性能自检功能、各种射线探伤干扰自动识 别功能等。变送器一般分为现场变送器和控制室变送 器两种,可采取普通0/4~20mA、FSK、HART、FF、 RS232、RS485等多种通讯方式。
        4 射线仪表的安全常识
        γ射线具有极强的穿透本领,人体受到γ射线照射 时,γ射线可以到人体的内部,并与体内细胞发生电离 作用,电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子,如蛋 白质、核酸和酶,他们都是构成活细胞组织的主要成 分,一旦他们遭到破坏,就会造成人体内的正常化学过 程受到干扰,严重的可以使细胞死亡。
        γ射线的威力主要表现在以下两个方面,一是γ射 线的能量大。由于γ射线的波长非常短,频率高,因 此具有非常大的能量。高能量的γ射线对人体破坏作 用相当大,当人体受到γ射线的辐射剂量达到2~6Sv 时,人体造血器官如骨髓将遭到破坏,白血球严重地 减少,内出血、头发脱落,在两个月内死亡的概率为 0%~80%;当辐射剂量为6~10Sv时,在两个月内死亡 的概率为80%~100%;当辐射剂量为10~15Sv时,人体 肠胃系统将遭破坏www.cechina.cn,发生腹泻、发烧、内分泌失调,在 两个月内死亡的概率几乎为100%;当辐射剂量为15Sv 以上时,可导致中枢神经系统受到破坏,发生痉挛、震 颤、失调、嗜眠,在两天内死亡的概率为100%。
        在一定的范围内,人体对放射性损伤有自然抵抗 和恢复能力。人体能够耐受一次250mSv的集中照射 而不致遭到损伤,但是国家为了保护工作人员和居民的身体健康,规定了特别严格的限值,即从事放射性工 作的人员每年不超过50mSv,核设施周围居民每年不 超过1mSv。防射性区域工作的人员每年不超过5mSv。 据统计,世界各地的天然辐射剂量平均为2.2mSv/人• 年,而做一次胸透检查所受的剂量为0.2mSv。
        射线对人体的伤害不仅与射线的强度有关,还与 照射时间有关。射线对人体的伤害分为直接作用和间 接作用。直接作用是直接与生物大分子作用将生物大 分子的化学链轰断引起生物大分子的损伤,只有在含 水量为3%以下的化合物受到几十万伦的照射时,才有 可能产生直接作用。间接作用是射线首先与细胞中的 水起作用生成一种自由基(游离基),再去破坏生物大 分子导致细胞损伤。因此水含量高的组织器官易受损 伤。
        放射性区域分级
        I级 设备表面5cm处 <2.5uSv/h
        设备表面1m处 <0.25uSv/h
        II级 设备表面5cm处 <25uSv/h
        设备表面1m处 <2.5uSv/h
        射线仪表的防护等级一般能做到I级,少数可做 到II级。I级区域工作人员的活动基本不受限制,国标 规定安全剂量的计算依据如下:
        2.5uSv/h ×50周×5天×8h= 5mSv/a
        5 常用放射源的管理和分类
        放射源属于国家严格管理的物质,已经建立了完 善的许可证制度、质量保证体系、安全评价与环境影 响评价制度。国务院环境保护主管部门对全国放射性 同位素、射线装置的安全和防护工作统一监督管理, 县以上卫生行政部门负责本地区内放射性同位素应用 实施监督管理。放射源的生产、销售、运输、使用、储 存等均需按照国家相关的法律、法规、标准、规范和规 定执行。放射源的安装、拆卸必须由受过专门训练,并 持有放射源操作许可证的专业人员承担。放射源的安 装一般在装置开车前进行,并应在安装、拆卸前制定 详细的实施计划CONTROL ENGINEERING China版权所有,设置危险区域警示牌,避免不必要 的人员进入危险区域。在装置停车检修期间,射源需 要处于关闭状态,如果铅罐防护不好则需要拆卸、运至安全储存场所专人保管。
        根据放射源、射线装置对人体健康和环境的潜 在危害程度控制工程网版权所有,从高到低将放射源分为I类、I I类、I I I 类、IV类、V类,根据《放射源分类办法》(环保总 局2005年62号公告)常用放射源分类如表1所示.1mCi=37MBq(Bq中文翻译为贝可)。

        生产、销售、使用放射性同位素和射线装置的单 位,应当遵照规定取得许可证。I类射线装置的许可证 由国务院审批颁发。II类、III类、IV类、V类的许可证 由省、自治区、直辖市人民政府环境保护部门审批颁 发。
        IV类及IV类以上的放射源使用者必须进行环境 评价,得到当地环保部门的许可证,才有权购买。5类 放射源使用者只需到当地环保局进行备案,不需要进 行环评。用于过程检测的射源一般为V类源,极少数 为IV类源,III类及以上源几乎没有。
        生产、销售、使用放射性同位素和射线装置的单 位,应当事先向有审批权的环境保护主管部门提出许 可申请,并提交相关证明材料申办许可证。各省、自治 区、直辖市人民政府环境保护部门需对放射源进行 统一编码,射源的编码像人的身份证一样,具有唯一 性,并终身跟随,便于主管部门监督管理。
        射源的使用场所应按照国家有关规定设置明显的 放射性标志。必要的设置安全和防护设施以及必要的 安全防护联锁、报警装置或者工作信号。
        放射性同位素应当单独存放,不得与易燃、易 爆、腐蚀性物品等一起存放,并指定专人负责保管。储 存场所应当采取防火、防水、防盗、防丢失、防破坏、 防射线泄露的安全措施。
        放射性废物储存应送交有相应资质的储存单位储 存。被更换的退役放射源应由放射源供应单位回收或 按国家有关规定处理或处置。
        6 射线仪表的安全防护
        从射线仪表的测量原理和射线的特点来看,γ射 线仪表的防护主要为外照射防护,影响辐射损伤的因 素主要有:辐射性质、剂量大小、剂量率大小、照射方 法、照射部位和照射时间,因此射线仪表的防护通常 采取以下手段:
        (1)控制源强。这是射线仪表安全防护的根本, 只有有效的控制射源强度才是最彻底和最可靠的防护 手段,因此这就要求从源头即从测量方案着手尽可能 不用、少用射源,当不得不用时应尽量减小射源剂量 和放射区域。
        (2)距离防护。在辐射源一定时,照射剂量或剂 量率与距离平方成反比,距离每增大一倍,照射量率 将降低到原强的1/4。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,在使用中尽量加大人员与 源的接触距离是安全防护的重要手段之一。例如,设 置安全防护区;采用不同功用的长柄器械或机械手进 行长远距离操作;保持控制室、操作台与辐射源有足 够的距离等。
        (3)时间防护。操作或接触放射源时间越长,接 受剂量越大,所以应尽量减少接触放射线的时间以减 少人体接受剂量。为缩短受照时间,在进行有关操作 之前,应做好充分准备,操作时务求熟练、迅速。某些 场合,还可安排轮流、替换办法,限制个人操作时间, 将个人所受的剂量控制在拟定的限值以下。剂量=剂量 率×时间。
        (4)屏蔽防护。屏蔽防护就是根据辐射通过物质 时被减弱的原理,在人与辐射源之间加具有良好屏蔽 性能的物体(如铅、砖、铁板、混凝土)来减少人体的 受照剂量。也可利用建(构)筑物和大型车罐体对贯穿 辐射的屏蔽性能,把外照射剂量减少到控制标准以下, 以确保人体安全。屏蔽所用材料根据辐射线不同的性 质、类型、输出量大小选择。厚度根据控制水平决定。 一般采用密度大的物质屏蔽、防护,材料越厚屏蔽效 果越好。
        (5)良好密封。密封源系指密封在包壳里的或紧 密地固结在覆盖层里并呈固定状态的放射性物质。其 包壳或覆盖层应具有足够的强度,使源在设计使用和磨损条件下,以及在预计的事件条件下,均能保持密 封性能,不会有放射性物质泄露出来。高活度Go-60 密封放射源,必须采取双层包壳密封结构,且内外包 壳必须焊接密封。
        (6)良好固定。射源在生产使用中必须良好固 定,确保在任何预计的条件下都不会产生位移、转动 或脱落。
        (7)开关控制。在有条件的场合,射源应尽可能的 采用开关控制其工作和非工作状态,处于关状态时射源 被屏蔽材料包覆或遮挡,以减少对周围环境的危害。
        7 屏蔽层材料和厚度
        屏蔽材料的选择应从防护性能、结构性能、稳定 性能以及成本低、来源广、易加工、安装维修方便等方 面考虑。
        常用屏蔽防护材料及特点
        (1)铅:原子序数82密度11 350kg/m3。耐腐蚀、 强衰减、但价格贵强度较差,不耐高温,有化学毒性, 对低能X射线散射大。
        (2)铁:原子序数26密度7800kg/m3。力学性能 好、价廉,有较好防护性能。
        (3)砖:价廉、通用来源广,24cm的实心砖墙约 有2mm的铅当量,是屏蔽防护好材料。
        (4)混凝土:由水、石子、砂子和水泥混合而成。 密度约2300kg/m3,含多种元素,成本低,有良好结构性能,用作固定防护屏蔽。如特殊需要,可通过加进重 骨料(如重晶石、铁砂石、铸铁块等)以制成密度较大 的重混凝土,浇注时应保证重骨料在整个屏蔽层均匀 分布。
        屏蔽层应根据屏蔽用途、射线的种类、强度及距 离,合理设计防护设施及其厚度。屏蔽层厚度计算,首 先应根据剂量控制原则进行,工作人员和公众的受照 剂量均不得超过规定的当量剂量限值,并按最优化原 则处理,即在考虑了经济和社会因素后,使辐射照射保 持在可以合理做到的最低水平。
        8 结束语
        射线仪表作为非接触式仪表,有着其他仪表无法 比拟的优点。但是,其危险源本质和对环境的影响不 可忽视。犹如砒霜可以毒害人,也可以治病救人一样, 正确合理的设计、使用射线仪表,并不会对人身和环 境造成明显的危害。因此CONTROL ENGINEERING China版权所有,在使用射线仪表时,一定要 注意使用的安全性、环保性、经济性和合理性。合理 的检测方案是减少环境污染,保护人身安全的根本! 检测器的敏感性、稳定性、线性是测量技术的关键。 而正当的管理和防护措施是重要的安全保证!
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