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（Rőntgen）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。 [page]

假设在厚度为0 时的噪声值为SN0，则厚度为X 时的噪声为：

根据式（5），可以方便地计算出对于任意厚度时的相对统计噪声，相对统计噪声与半厚度值（射线强度衰减到一半时的厚度值）之间的关系如图4 所示，其最小值时的厚度为2.9 倍半厚度值。对于使用放射性同位素测量的设备，由于射线的能量是单一的，其最佳测量厚度值是2.8 倍半厚度值，是固有的物理特性；对于X 射线测量设备通过调整能量，使设备在整个量程内的统计噪声保持在较低的水平。

图4 相对统计噪声与半厚度之间关系

2.1.2 化学分析更精确

使用X 射线技术进行浓度、化学成分分析时，射线源的能量和强度可以调节显得尤为重要。在进行化学分析时，一般是利用X 射线的荧光效应，通过对被测化学元素的原子激发产生该种元素的特征谱线，但被测元素的激发谱线容易受到其它元素谱线的影响，从而降低了系统的检测精度，可以利用X 射线的能量调节和滤片技术，实现对特有元素的谱线激发，而不激发或降低其它元素的激发，从而实现对特有元素的高精度测量。

2.1.3 使用上更安全和可靠。

X 射线是加速的热电子碰撞阳极靶产生的，因此在切断电源后便没有任何射线，而同位素放射源是密封在源罐中，即使关闭射线源的快门也存在一定剂量的泄露射线，不利于人身和设备的安全。

图5 穿透物质后X射线能谱的变化

2.2 影响X 射线测量的关键因素

2.2.1 高压范围限制

X 射线的能量取决于施加的高压，由于受技术的限制，高压不能不受限制地增加。在热轧生产线上使用的X 射线源高压一般为160 kV，冷轧使用100 kV 左右，相对于放射性同位素发射出的γ射线而言如表1 所示，其能量要小得多，因此穿透物质的能力不如放射性同位素，目前钢铁工业上的X 射线源的高压最高在200 kV 左右，如果再增加高压会带来制造和维护成本的增加，因此在宽厚板等工厂，厚度和凸度的测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线能量

2.2.2 X 射线源的冷却

加速热电子在碰撞阳极靶过程中，99%的能量转换成热量，只有1%转换成X 射线，因此在阳极靶上产生的热量很大，必须对其进行冷却，冷却效果的好坏直接影响到设备的测量精度和使用寿命。在实际使用过程中经常受到水质、管路等影响，使冷却效率下降。

2.2.3 吸收系数的变化

由于X 射线的能谱为连续谱，低能部分很容易被吸收，造成能谱的偏移，即X 射线的硬化现象，如图6 所示，其结果是射线能量和强度都发生变化，不象放射性同位素在穿透物质时只是强度发生变化，而能量不会发生变化，这种变化的结果造成在X 射线能量不同时吸收系数不同。

不同元素吸收系数与射线能量的关系如图7 所示，横坐标为射线能量，纵坐标为吸收系数。

图6 射线能量与吸收系统关系

图7 电离室

对于X 射线而言，其能量一般在0.01～0.2 MeV 之间。吸收系数是被测量物质各种化学成分综合的结果，在这一能量区间，从图中可以得到成分的细小变化对吸收系数的影响很大。因此利用X 射线进行物质厚度检测时被测物化学成分有严格的要求，而对于放射性同位素设备，吸收系数基本上不发生变化。

2.2.4 探测器要求的增加

目前X 射线测量技术主要采用电离室作为射线检测部件，其检测原理是通过射线进入电离室产生气体电离，通过对电离后的离子对加压，产生弱电流信号（10^-9～10^-11A），然后将弱电流信号转换成电压信号，并进行数据的转换和处理。由于X 射线是连续谱，要求测量X 射线的电离室对整个能谱范围内的X 射线进行有效的检测，应用在传统放射性同位素测量设备上的电离室只需要对特定能量的射线进行有效检测。随着现代生产工艺对产品检测和控制精度要求的提高，要求电离室的尺寸减小，而检测效率提高，对电离室的制造工艺提出了更高的要求。

3 宝钢X 射线测量设备的应用实绩

宝钢自 1997 年首次在2030 冷轧5 机架上使用X 射线测量设备以来，设备良好的精度和快速响应促进了产品质量和控制精度的提高，到目前X 射线测量设备已达25 套（不包括三期后工程）。对新建设的主生产线上都配置使用X 射线测量设备，也逐步将老的主生产线上同位素测量设备升级或改造成X 射线测量设备。测量物理量包括厚度、凸度、边缘降、锌层厚度、电工钢膜厚、电解液离子浓度等。在带钢厚度测量方面，从以前的单点测量发展到对带钢整个横断面的精细测量（每5 mm 宽度1 个测量点），在镀层测量方面，可以根据需要对不同成分层进行的实时多层测量。

在钢铁工业上，在线X 射线测量技术也需要一个不断完善和发展的过程，在现场实际应用过程中仍然存在不少问题，主要是设计上的缺陷和没有充分考虑到现场环境因素的影响。经过我们多年的努力，成功地解决了X 射线源的冷却问题，提高了X 射线源的使用寿命；解决了化学成分对厚度测量结果的影响，提高了产品的质量和精度；成功地完成了X 射线源、探测器、标样箱等关键部件的国产化。

4 结束语

① 在线X 射线测量设备精度、可靠性比传统的放射性同位素设备高，而且其功能在不断地增加，对现有系统进行少量的改进即可实现多物理量的同时测量。比如X 射线凸度仪进行适当升级就可以实现带钢温度的测量、宽度测量、平直度测量、凸度边降测量、局部高点测量等，从而能完成过去需要多台测量设备才能完成的任务；

② 在线X 射线测量设备具备完善的自我诊断功能，提高了系统的可维护性；

③ 随着计算机技术的发展，在测量现场就完成测量信号的快速采集和数字化处理，通过系统内部总线及部件之间的网络连接，测量设备不但能提供各种工艺所需要的信号，而且通过集成在测量系统内部的历史数据统计分析软件，可以为生产技术人员对可能出现的问题提供指导。(end)