基于脉冲快热中子瞬发伽玛射线分析技术的水泥物料成分在线检测系统

摘要

本发明针对目前市场上急需一种能在线实时检测水泥原料化学成分的现状，公开了一种脉冲快热中子瞬发伽玛水泥物料成分在线检测系统，它包括中子发生器(1)、慢化体(2)、γ射线探测器(5)、复合屏蔽防护系统(10)，其特征是输送带(3)穿过复合屏蔽防护系统(10)，待检测水泥原料(4)位于带动其前进的输送带(3)上，慢化体(2)、中子发生器(1)安装在复合屏蔽防护系统(10)中并位于输送带(3)的下方，两个或两个以上γ射线探测器(5)安装在复合屏蔽防护系统(10)中并位于水泥原料(4)的上方，它通过传输线与电子放大系统(7)相连，电子放大系统(7)、数据获取系统(8)、数据分析系统和数据显示系统(9)依次相连，能在线实时检测出水泥原料的化学成分，为配料系统及时提供信息，提高水泥质量。

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种在线检测装置，尤其是一种可在线检测皮带输送机上输送的水泥原料的成份的检测装置，具体地说是一种基于脉冲快热中子瞬发伽玛(γ)射线分析技术的水泥物料成份在线检测系统。

背景技术

众所周知，水泥的质量与原料成份密切相关，为了保证水泥的合格率，必须对原料进行严格的控制，并适时进行原料的调整，因此必须定时对输送带上的水泥原料进行成份分析，以便为配料站及时提供必要的信息，目前，普遍采用的方法大多是取样离线分析。这种方法取样少，实时性差，代表性差，不能及时反馈水泥原料的信息，造成信息的滞后，属于事后补救，不利用提高产品质量。

近年来，中子感生瞬发γ射线分析技术(简称PGNAA)已经成为现代分析技术中的一种新的检测手段。它通过用快热中子流轰击物料中元素的原子核，与中子发生反应的原子核在很短时间内发射γ射线，这部分γ射线携带了元素种类和含量等信息，只要分析这部分射线就可以实现物料全元素的在线分析，但据申请人所知，目前尚无一种利用PGNAA技术能对皮带输送的水泥原料进行动态的在线分析的装置可供选用。

发明内容

本实用新型的目的是针对目前市场上急需一种能在线实时检测水泥原料化学成份的现状，设计一种脉冲快中子瞬发伽玛水泥物料成份在线检测系统。

本实用新型的技术方案是：

一种基于脉冲快热中子瞬发伽玛(γ)射线分析技术的水泥物料成份在线检测系统，包括中子发生器1、慢化体2、γ射线探测器5、电子放大系统7、数据获取系统8、计算机数据处理和显示系统9、复合屏蔽防护系统10，其特征是输送带3穿过复合屏蔽防护系统10，待检测水泥原料4位于带动其前进的输送带3上，慢化体2安装在复合屏蔽防护系统10中并位于输送带3的下方，中子发生器1也安装在复合屏蔽防护系统10中并位于慢化体2的下方，在水泥原料4的上方、复合屏蔽防护系统10中至少安装有两个γ射线探测器5，它们通过传输线与电子放大系统7相连，电子放大系统7与数据获取系统8相连，数据获取系统8与计算机数据处理和显示系统9相连。

所述的中子发生器1发射的中子平均能量为14MeV。

所述的复合屏蔽防护系统10由铅、聚乙烯和含硼聚乙烯组成。

所述的慢化体2由铅层和聚乙烯层组合构成，它们的厚度比为，铅层∶聚乙烯层＝1∶0.4-0.8，它们的总厚度为8-10cm。

所述的电子放大系统7由前置放大电路、比较放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、比例放大电路和跟随器组成；前置放大电路由运放A1、A2及其外围电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1构成，其输入从运放A1的反相输入端引出接γ射线探测器5输出的信号，其输出从运放A2的输出端引出接比较放大电路，在运放A1的输入端接有由二极管CR1、CR2构成的保护电路，它用于防止输入信号电压过高损坏前置放大电路，比较放大电路由运放A3、晶体管Q1和电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12及二极管CR3构成，其输入从运放A3的同相输入端引出接前置放大电路的输出即运放A2的输出端，运放A3的反相输入端接晶体管Q1的集电极以得到比较信号电压，比较放大电路的输出从运放A3的输出端引出接高通滤波电路，高通滤波电路由运放A4、A5，电容C2、C3、C4，电阻R13、R14、R15、R16构成，其输入从运放A4的同相输入端引出接比较放大电路的输出即运放A3的输出端，其输出从运放A5的输出端引出接低通滤波电路，低通滤波电路由运放A6、A7，电阻R17、R18，电容C5、C6、C7构成，其输入从运放A6的同相输入端引出接高通滤波电路的输出即运放A5的输出端，其输出从运放A7的输出端引出接由运放A8及电阻R19、R20构成的比例放大电路的输入即运放A8的同相输入端，比例放大电路的输出从运放A8的输出端引出接由运放A9构成的跟随器的输入即运放A9的同相输入端，跟随器的输出从运放A9的输出端引接数据获取系统8的输入端。

本实用新型具有以下优点：

本实用新型具有无需取样，全物流，全元素分析，速度快(1～2分钟)，精度高，安全可靠的特点。通过该设备实时在线检测分析水泥物料中的元素成份含量，能够自动控制分类堆放、自动控制配料，进而提高矿场的使用寿命，提高水泥质量。

本实用新型还可用于类似的需要在线化学成份实时检测的场合。

附图说明

图1是本实用新型的结构框图示意图。

图2是本实用新型的电子放大系统的电原理图

具体实施方式

下面结合附图和实施对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示。

一种基于脉冲快热中子瞬发伽玛射线分析技术的水泥物料成份在线检测系统，包括中子发生器1、慢化体2、两个(或二个以上的)γ射线探测器5、电控柜6、电子放大系统7、数据获取系统8、计算机数据处理和显示系统9、复合屏蔽防护系统10，其中电控柜6、电子放大系统7、数据获取系统8、计算机数据处理和显示系统9安装在一控制室中，中子发生器1、慢化体2、γ射线探测器5、输送带3安装在复合屏蔽防护系统10中，输送带3穿过复合屏蔽防护系统10，待检测水泥原料4位于带动其前进的输送带3上，慢化体2安装在复合屏蔽防护系统10中并位于输送带3的下方，中子发生器1也安装在复合屏蔽防护系统10中并位于慢化体2的下方，中子发生器1的工作电压、命令等由电控柜6控制，γ射线探测器5安装在复合屏蔽防护系统10中并位于水泥原料4的上方，它一方面受控于电控柜6，另一方面通过传输线与电子放大系统7相连，电子放大系统7与数据获取系统8相连，数据获取系统8与计算机数据处理和显示系统9相连。

本实施例子中的：

中子发生器1可采用西安石油勘探仪器总厂中子发生器公司生产的电可控D-T中子发生器、美国MF Physics中子发生器、法国Sodren中子发生器、俄罗斯ALL-RUSSIA INSTITUTE OF AUTOMATICS RF MINATOM中子发生器或德国EADS公司中子发生器。

慢化体2可采用铅加聚乙烯按常规技术加以制造，主要由铅层和聚乙烯层组合构成，它们的厚度比为，铅层∶聚乙烯层＝1∶0.4-0.8，它们的总厚度为8-10cm。

γ射线探测器5可采用BGO晶体探测器(如：Proteus，Inc.生产的Φ4”×3”BGO晶体探测器或法国圣戈班生产的Φ5”×3”BGO晶体探测器。

电控柜6为常规电控柜，一般电气技术人员均可根据使用要求和相关仪器的参数进行设计，无特别要求，其中最主要的一是电压电源(型号可为BH1222)，二是高压电源(型号可为Spellman SL130kV)。

电子放大系统7主要由前置放大器(型号可为FH1048A)和线性放大器(可采用北京核仪器厂的BH1218)组成，其主要作用是对γ射线探测器5送出的信号进行处理和放大，此外电子放大系统7还可采用图2所示的电路图加以实现，它由前置放大电路、比较放大电路、高通滤波电路、低通滤波电路、比例放大电路和跟随器组成；前置放大电路由运放A1(型号可为AD829)、A2(型号可为AD829)及其外围电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1构成，其输入从运放A1的反相输入端引出接γ射线探测器5输出的信号，其输出从运放A2的输出端引出接比较放大电路，在运放A1的输入端接有由二极管CR1、CR2构成的保护电路，它用于防止输入信号电压过高损坏前置放大电路。比较放大电路由运放A3(型号可为AD811)、晶体管Q1(型号可为2222N)和电阻R6、R7、R8、R9、R10、R11、R12及二极管CR3构成，其输入从运放A3的同相输入端引出接前置放大电路的输出即运放A2的输出端，运放A3的反相输入端接晶体管Q1的集电极以得到比较信号电压，比较放大电路的输出从运放A3的输出端引出接高通滤波电路，高通滤波电路由运放A4(型号可为AD829)、A5(型号可为AD829)，电容C2、C3、C4，电阻R13、R14、R15、R16构成，其输入从运放A4的同相输入端引出接比较放大电路的输出即运放A3的输出端，其输出从运放A5的输出端引出接低通滤波电路，低通滤波电路由运放A6(型号可为AD829)、A7(型号可为AD829)，电阻R17、R18，电容C5、C6、C7构成，其输入从运放A6的同相输入端引出接高通滤波电路的输出即运放A5的输出端，其输出从运放A7的输出端引出接由运放A8(型号可为AD829)及电阻R19、R20构成的比例放大电路的输入即运放A8的同相输入端，比例放大电路的输出从运放A8的输出端引出接由运放A9(型号可为AD829)构成的跟随器的输入即运放A9的同相输入端，跟随器的输出从运放A9的输出端引接数据获取系统8的输入端。

上述电子放大系统7的工作原理为：

(1)Singal In表示信号输入，接γ射线探测器5输出的信号，此信号为电流信号，经R1、R2、A1转化放大为电压信号，电压信号经R3、R4、R5、A2反相放大。二极管CR1、CR2防止过大信号进入运放A1，二极管CR3(即稳压管)防止过大信号进入运放A2，都是起保护作用。R6、R7、A3组成同相放大，R8、R9、R10、R12、Q1为该同相放大提供直流偏置电压，使输出端在偏置电压附近波动。C1为补偿电容，R11是匹配电阻。

(2)C2、C3、C4、R13、R14、R15、A4、A5组成高通滤波器，截止频率约为100KHz；C5、C6、C7、R16、R17、R18、A6、A7组成低通滤波器，截止频率约为10MHz，二者构成带通滤波器，增益曲线以40dB的速度衰减。R19、R20、A8构成同相放大，调节系统增益。A9用于电压跟随，减小输出阻抗，增强驱动能力，Singal Out表示信号输出。

数据获取系统8可采用多道谱仪加以实现(可采用canberra公司的ASA-100和大陆研制的专用高精度数字化多道谱仪DL1024)。

计算机数据处理和显示系统9主要由计算机和软件组成，计算机可采用IBM公司生产的计算机，软件可采用基于谱库dlmc的分析软件dlcna001。

复合屏蔽防护系统10是由铅+聚乙烯+含硼聚乙烯组成的防辐射箱式结构体，也可采用专利号为2004200802856的中国专利所公开的结构。

本实用新型的工作过程为：

电控柜6控制电可控脉冲中子发生器1产生脉冲快中子(14MeV)，脉冲快中子通过慢化体2慢化为一定比例的脉冲快热中子，脉冲快热中子穿过传输皮带3照射到传输皮带上的水泥4上，脉冲快中子与水泥中的C、O核素发生非弹核反应，发出瞬发非弹特征γ射线，脉冲热中子与水泥中的其它全部主要核素发生俘获核反应，发出瞬发特征俘获γ射线。通过两个或两个以上的伽马射线探测器5(BGO探测器)，根据脉冲时序，分别记录非弹特征γ射线和俘获特征γ射线，将这些特征γ射线转变为电脉冲信号，通过电子学线路7将信号放大，然后通过电缆传输到数据获取系统8(多道谱仪)进行γ能谱的纪录，然后将能谱信号传输到计算机数据处理和显示系统9，利用已储存的物料的标准能谱库，通过专用的分析软件进行数据处理，最后显示分析结果。

本实用新型的工作原理为：

利用电可控D-T中子发生器反应产生14MeV快中子，通过慢化，形成一定比例的脉冲快热中子，快中子与水泥中的C、O等核素发生非弹散射，产生非弹瞬发特征γ射线，利用这些射线能检测水泥中的C、O元素；利用热中子与水泥中的其它主要元素的俘获反应产生瞬发特征γ射线，能检测除C、O以外的其它主要元素Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、S。根据脉冲时序，分别记录非弹特征γ射线和俘获特征γ射线能谱，利用谱库最小二乘法分析技术(参见申请人于2004年申请的申请号为2004100649846的专利申请)，可给出水泥中所有主要核素的含量(包括C、O元素)。