[发明专利]利用伽玛背散射的密度测量

说明书

技术领域

在此公开的实施例主要涉及采用伽玛辐射对容器中的流体密度进行的测量。在此公开的实施例还特别涉及通过检测被流体背散射(反向散射或后向散射(backscattering))的来自伽玛射线源的伽玛射线的强度对容器中流体密度的测量。

背景技术

通过采用与伽玛射线检测器位置相对的伽玛射线源，伽玛射线已经用于测量容器中的流体的密度和液位。在所测量的材料是危险的、极热的情况下，或者在不能进行直接接触测量的情况下，这种穿透式伽玛射线的密度和液面测量方法是有用的。另外，所述源和检测器被安装到容器的外部，且不需要对容器进行任何改动。由源发出的伽玛射线会被容器和容器中的材料吸收或衰减。到达与源相对位置的检测器的伽玛辐射的强度可以用于基于源的强度表示容器中的流体的密度或液面。

当测量流体液面时，例如，可以将多个伽玛射线发射器和/或检测器定位在容器的相对侧上，其中信号(或微弱的低信号)的存在或缺失可以表示在所述源和检测器之间的流体的存在或缺失。如下所述，在有信号/无信号液面检测器的容器的尺寸会比采用伽玛射线密度计的容器的尺寸大得多，这是由于伽玛射线不那么容易被容器中的蒸汽吸收或衰减。

关于流体密度，例如，在伽玛射线源和检测器之间通过的流体可以吸收或衰减由源发出的伽玛射线。高辐射数表示低的流体密度，而低辐射数表示高流体密度。

在此参照图1，示出了现有技术中的穿透式伽玛射线密度计的一个示例。外壳(未示出)可以安装在带有容装流体13的孔(bore)12的管状管或容器10上。伽玛辐射源14位于孔12的一侧上，而伽玛辐射检测器15位于另一侧。由源14提供的辐射在伽玛射线发射的长时间里强度恒定(在有限的时间里强度随机)。伽玛射线透射通过包围孔12的材料和腔体内的流体13，到达检测器15。检测器15可以是例如，碘化钠或碘化铯(铊活化)晶体或其他能够在辐射下闪烁的材料，且可以包括用于将晶体闪烁(scintillation)的闪光转换成电脉冲的电子光电倍增管。

对于从源14发出的到达检测器15的伽玛射线量的主要变化因素是容器10中容装的流体13。由源14发出的伽玛射线的百分比被流体13吸收或衰减，而没有到达检测器15。因此，来自检测器15的光电倍增管的输出信号的计数率可以与射线到达检测器15所必须通过的流体13的密度和源14的强度相关。

然而，采用伽玛射线的穿透式密度测量仅仅对受限的容器尺寸和/或流体密度是可行的。例如，对于相似尺寸的源，在更高的流体密度下，流体可以吸收更多的伽玛射线，因此导致更少的伽玛射线到达检测器。同样地，随着容器尺寸的增加，伽玛射线必须通过更大量的吸收伽玛射线的材料(容器和液体)，导致更少的伽玛射线到达检测器。因此，以这样的方式的伽玛射线密度测量当前仅仅对直径最大到大约1米的容器可行。

容器厚度也可能限制穿透式伽玛射线密度测量的有效性。由于容器以类似于流体的方式吸收和衰减伽玛射线，所以更高的壁厚可能导致更少的伽玛射线到达检测器。容器厚度可以通过规范(例如美国机械工程师协会(ASME)或其它容器规格)加以控制，其中所需的厚度可以以流体的操作压力和属性(腐蚀的、侵蚀的、反应的等)为基础。进而，容器厚度的当前的安全裕量增加且会进一步限制穿透式测量的有效性。

在用于穿透式密度测量的伽玛射线的目前的使用中的另一个缺点是立体角由固定尺寸的检测器形成，且因此计数率同容器尺寸的平方成反比。计数率n可以由下面的方程近似表示：

n～Ωe^-d/λ～(e^-d/λ)/d²(1)

其中n是计数率，d是容器直径，且λ是依赖于密度的吸收长度。对于相似尺寸的检测器，更低的计数率可以导致更高的错误率或可能需要更大的源以保持所需的精度。替代地，随着容器尺寸的增加，检测器尺寸可以被增加以保持恒定的计数率。无论如何，源的尺寸和/或检测器尺寸的增加将不可避免地增加成本。

为了克服厚度、尺寸和密度的限制，伽玛射线源的强度可以被增加，因此导致到达检测器的伽玛射线量是可测量的。然而，成本、安全、多单元有效性和防护可能每个都会限制可以采用的源的强度。例如，采用放射性源影响人身安全和相关环境，并需要用于保护人身安全的铅或钨屏蔽、特定的预防措施和装备，以及处置和补救过程。进而，因为伽玛射线从点源而不是方向性源产生，所以随着源尺寸的增加，在除去通过容器的方向的方向上容纳辐射所需的屏蔽量必须增加，因此进一步增加了成本。