鋼鐵工業(yè)在線X射線測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

1 X 射線產(chǎn)生原理

圖1 X射線管結(jié)構(gòu)圖

圖中：陰極絲在加熱的情況下，會(huì)發(fā)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(chǎng)中被加速并撞擊到陽極靶材料上，輻射出電磁波，產(chǎn)生的光譜為連續(xù)譜并存在著短波限（λmin），相當(dāng)于電子所有能量都轉(zhuǎn)換成X 射線，短波限與陽極材料無關(guān)。

連續(xù)光譜的強(qiáng)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(shù)Z 成正比，轉(zhuǎn)換成X 射線的效率與ZV 成正比。當(dāng)管電壓超過靶材料激發(fā)電勢(shì)時(shí)，連續(xù)光譜上會(huì)疊加特征光譜，特征光譜的波長(zhǎng)與靶材料有關(guān)。特征譜線的頻率為：

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

由于產(chǎn)生的X 射線是連續(xù)譜，X 射線在穿過射線管窗口材料時(shí)，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(fā)生變化，如圖2 和圖3 所示。

圖2 X射線光管內(nèi)部的能譜圖

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(cè)量技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 測(cè)量精度和分辨率高，統(tǒng)計(jì)噪聲低

無論射線源采用何種方式，射線的產(chǎn)生都是隨機(jī)的，并服從統(tǒng)計(jì)分布，存在統(tǒng)計(jì)漲落，根據(jù)射線衰減公式，可以得到：

式中：μ表示被測(cè)物質(zhì)的吸收系數(shù)；τ表示探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間；Ks 表示探測(cè)器特征系數(shù)；I 表示初級(jí)X 射線的強(qiáng)度；T 表示被測(cè)材料的厚度。

從式（4）可以知道，厚度的影響與射線的強(qiáng)度I 有關(guān)。對(duì)于同位素放射源其強(qiáng)度不能無限制地增加，射線源強(qiáng)度的增加會(huì)造成輻射防護(hù)難度的增加，電離輻射危險(xiǎn)性增大，另一方面放射源本身存在自吸收效應(yīng)，射線源強(qiáng)度越大，自吸收效應(yīng)越大。而根據(jù)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(qiáng)度，來達(dá)到降低噪聲的目的，對(duì)于相同的噪聲等級(jí)，X 射線源的響應(yīng)速度也可以提高。

假設(shè)在厚度為0 時(shí)的噪聲值為SN0，則厚度為X 時(shí)的噪聲為：

根據(jù)式（5），可以方便地計(jì)算出對(duì)于任意厚度時(shí)的相對(duì)統(tǒng)計(jì)噪聲，相對(duì)統(tǒng)計(jì)噪聲與半厚度值（射線強(qiáng)度衰減到一半時(shí)的厚度值）之間的關(guān)系如圖4 所示，其最小值時(shí)的厚度為2.9 倍半厚度值。對(duì)于使用放射性同位素測(cè)量的設(shè)備，由于射線的能量是單一的，其最佳測(cè)量厚度值是2.8 倍半厚度值，是固有的物理特性；對(duì)于X 射線測(cè)量設(shè)備通過調(diào)整能量，使設(shè)備在整個(gè)量程內(nèi)的統(tǒng)計(jì)噪聲保持在較低的水平。

圖4 相對(duì)統(tǒng)計(jì)噪聲與半厚度之間關(guān)系

2.1.2 化學(xué)分析更精確

使用X 射線技術(shù)進(jìn)行濃度、化學(xué)成分分析時(shí)，射線源的能量和強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)顯得尤為重要。在進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)，一般是利用X 射線的熒光效應(yīng)，通過對(duì)被測(cè)化學(xué)元素的原子激發(fā)產(chǎn)生該種元素的特征譜線，但被測(cè)元素的激發(fā)譜線容易受到其它元素譜線的影響，從而降低了系統(tǒng)的檢測(cè)精度，可以利用X 射線的能量調(diào)節(jié)和濾片技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特有元素的譜線激發(fā)，而不激發(fā)或降低其它元素的激發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)特有元素的高精度測(cè)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(chǎn)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(guān)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(shè)備的安全。

圖5 穿透物質(zhì)后X射線能譜的變化

2.2 影響X 射線測(cè)量的關(guān)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(shù)的限制，高壓不能不受限制地增加。在熱軋生產(chǎn)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(duì)于放射性同位素發(fā)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(zhì)的能力不如放射性同位素，目前鋼鐵工業(yè)上的X 射線源的高壓最高在200 kV 左右，如果再增加高壓會(huì)帶來制造和維護(hù)成本的增加，因此在寬厚板等工廠，厚度和凸度的測(cè)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

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(zhuǎn)換成熱量，只有1%轉(zhuǎn)換成X 射線，因此在陽極靶上產(chǎn)生的熱量很大，必須對(duì)其進(jìn)行冷卻，冷卻效果的好壞直接影響到設(shè)備的測(cè)量精度和使用壽命。在實(shí)際使用過程中經(jīng)常受到水質(zhì)、管路等影響，使冷卻效率下降。

2.2.3 吸收系數(shù)的變化

由于X 射線的能譜為連續(xù)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(xiàn)象，如圖6 所示，其結(jié)果是射線能量和強(qiáng)度都發(fā)生變化，不象放射性同位素在穿透物質(zhì)時(shí)只是強(qiáng)度發(fā)生變化，而能量不會(huì)發(fā)生變化，這種變化的結(jié)果造成在X 射線能量不同時(shí)吸收系數(shù)不同。

不同元素吸收系數(shù)與射線能量的關(guān)系如圖7 所示，橫坐標(biāo)為射線能量，縱坐標(biāo)為吸收系數(shù)。

圖6 射線能量與吸收系統(tǒng)關(guān)系

圖7 電離室

對(duì)于X 射線而言，其能量一般在0.01～0.2 MeV 之間。吸收系數(shù)是被測(cè)量物質(zhì)各種化學(xué)成分綜合的結(jié)果，在這一能量區(qū)間，從圖中可以得到成分的細(xì)小變化對(duì)吸收系數(shù)的影響很大。因此利用X 射線進(jìn)行物質(zhì)厚度檢測(cè)時(shí)被測(cè)物化學(xué)成分有嚴(yán)格的要求，而對(duì)于放射性同位素設(shè)備，吸收系數(shù)基本上不發(fā)生變化。

2.2.4 探測(cè)器要求的增加

目前X 射線測(cè)量技術(shù)主要采用電離室作為射線檢測(cè)部件，其檢測(cè)原理是通過射線進(jìn)入電離室產(chǎn)生氣體電離，通過對(duì)電離后的離子對(duì)加壓，產(chǎn)生弱電流信號(hào)（10^-9～10^-11A），然后將弱電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和處理。由于X 射線是連續(xù)譜，要求測(cè)量X 射線的電離室對(duì)整個(gè)能譜范圍內(nèi)的X 射線進(jìn)行有效的檢測(cè)，應(yīng)用在傳統(tǒng)放射性同位素測(cè)量設(shè)備上的電離室只需要對(duì)特定能量的射線進(jìn)行有效檢測(cè)。隨著現(xiàn)代生產(chǎn)工藝對(duì)產(chǎn)品檢測(cè)和控制精度要求的提高，要求電離室的尺寸減小，而檢測(cè)效率提高，對(duì)電離室的制造工藝提出了更高的要求。

3 寶鋼X 射線測(cè)量設(shè)備的應(yīng)用實(shí)績(jī)

寶鋼自 1997 年首次在2030 冷軋5 機(jī)架上使用X 射線測(cè)量設(shè)備以來，設(shè)備良好的精度和快速響應(yīng)促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量和控制精度的提高，到目前X 射線測(cè)量設(shè)備已達(dá)25 套（不包括三期后工程）。對(duì)新建設(shè)的主生產(chǎn)線上都配置使用X 射線測(cè)量設(shè)備，也逐步將老的主生產(chǎn)線上同位素測(cè)量設(shè)備升級(jí)或改造成X 射線測(cè)量設(shè)備。測(cè)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(cè)量方面，從以前的單點(diǎn)測(cè)量發(fā)展到對(duì)帶鋼整個(gè)橫斷面的精細(xì)測(cè)量（每5 mm 寬度1 個(gè)測(cè)量點(diǎn)），在鍍層測(cè)量方面，可以根據(jù)需要對(duì)不同成分層進(jìn)行的實(shí)時(shí)多層測(cè)量。

在鋼鐵工業(yè)上，在線X 射線測(cè)量技術(shù)也需要一個(gè)不斷完善和發(fā)展的過程，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過程中仍然存在不少問題，主要是設(shè)計(jì)上的缺陷和沒有充分考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的影響。經(jīng)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(xué)成分對(duì)厚度測(cè)量結(jié)果的影響，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和精度；成功地完成了X 射線源、探測(cè)器、標(biāo)樣箱等關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化。

4 結(jié)束語

① 在線X 射線測(cè)量設(shè)備精度、可靠性比傳統(tǒng)的放射性同位素設(shè)備高，而且其功能在不斷地增加，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行少量的改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)多物理量的同時(shí)測(cè)量。比如X 射線凸度儀進(jìn)行適當(dāng)升級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)帶鋼溫度的測(cè)量、寬度測(cè)量、平直度測(cè)量、凸度邊降測(cè)量、局部高點(diǎn)測(cè)量等，從而能完成過去需要多臺(tái)測(cè)量設(shè)備才能完成的任務(wù)；

② 在線X 射線測(cè)量設(shè)備具備完善的自我診斷功能，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性；

③ 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)就完成測(cè)量信號(hào)的快速采集和數(shù)字化處理，通過系統(tǒng)內(nèi)部總線及部件之間的網(wǎng)絡(luò)連接，測(cè)量設(shè)備不但能提供各種工藝所需要的信號(hào)，而且通過集成在測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部的歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件，可以為生產(chǎn)技術(shù)人員對(duì)可能出現(xiàn)的問題提供指導(dǎo)。