國內外同位素儀表發展概況及基本特點

本文概括介紹了國內外同位素儀表的發展概況和基本特點及當今世界同位素儀表的水平和發展勢。介紹了同位素儀表的種類、特點、技術指標、應用領域及經濟和社會效益。

1.前言
　　同位素儀表也稱核輻射式檢測儀表，它是一種利用放射性同位素和核輻射對非電參數實現檢測和控制的一種新型儀表。同位素儀表一般由放射源、核輻射探測器、電轉換器和二次儀表幾部分組成。工業應用同位素儀表，即工業同位素儀表，通常我們提到的同位素儀表就是指工業同位素儀表。工業同位素儀表是同位素與輻射技術在工業領域應用中最重要的組成部分，已經發展成了工業自動化儀表的一個新分支。
　　目前工業同位素儀表正不斷更新結構、完善功能、提高精度、改善儀表的穩定性、可靠性，實現儀表標準化、系列化、通用性、小型化、自動化與智能化，以適應現代化工業的連續化、高速化、精密化的要求。同位素工業儀表是實現生產自動化、產品無損檢測及資源勘探的一類重要儀表，隨著計算機和其它科學技術的進步和發展，同位素儀表的穩定性和可靠性大大提高，實現了數據的自動采集、處理與和生產過程的閉環控制，同位素儀表技術發展已達到了一個嶄新的高度。同位素儀表現已廣泛用于工業、農業、國防、資源開發、醫學、環保及科學研究等領域，并且取得了顯著的經濟和社會效益，推動了社會生產力的發展。
　　同位素儀表是國民經濟現代化建設不可缺少的新型檢測儀表，已引起國家有關部門的高度重視，它的最大特點是非接觸式無損檢測，因此在特定條件下就成了某些系統中的關鍵設備，西方國家已在工業中采用了60萬臺（套），我國市場主要在有色、冶金、礦山、選礦（煤）、能源開發、石油化工、水泥、造紙等諸多部門，市場潛在量在20萬臺以上，產值在30億元以上，目前市場開發率不到5%，在我國現代化事業的推動下，各行各業的自動檢測、計量和控制工作已逐步提到議事日程，同位素儀表已開始受到重視，企業界也提出了迫切要求，有些工程項目不惜高價從國外引進，因此同位素儀表市場巨大，只是目前我國還沒有形成自己的產品系列，我國的同位素儀表產業還沒有形成。同位素儀表是核輻射技術在國民經濟領域中的具體應用，由于其技術上的特殊性和應用技術的較高難度，再加上我國原有科技體制的弊端，致使我國到目前為止還沒有一個獨立的同位素儀表綜合開發與生產基地。
　　西方國家用了15年左右時間，先后在60年代末和70年代初已普及同位素儀表，應用總量已超過60萬臺套，產值占國民經濟總產值的萬分之四五，產值利潤比超過1:0.5 ，投資效益比達到1:9，產品的技術指標能夠滿足產業界提出的最高要求，其技術進步主要表現在新型核輻射探測器和新技術的采用，結構的更新和功能的強化并向功能組裝化方向發展 。
　　我國同位素儀表應用開發比國外落后20年，到1983年底，同位素儀表應用總數只有1700多臺，產值小于國民經濟總產值的萬分之一。但是中國國民經濟的起飛，促使同位素儀表進入了迅猛發展時期，據1988年統計我國在各個工業領域使用的同位素儀表已達到8000多臺。國民經濟的迅猛發展為同位素儀表的發展提供了良好的契機，到2005年我國同位素儀表可望達到2～3萬臺，并將在今后的開發實踐中產生幾個我國的同位素儀表應用開發中心。
2、國外同位素儀表的發展概況
　　自從1951年美國首先將放射性同位素厚度計用于橡膠生產后，同位素儀表在工業上得到大力開發，大體上經歷了三個發展階段：
2.1、開發階段(40年代末到60年代初)。這一階段是工業同位素儀表開創時期。美國等一些較發達工業國家進行了大量開發研制工作，成果反映在1955年和1958年兩次日內瓦和平利用原子能國際會議上。這一階段總的特點是，同位素儀表在技術上還未完全成熟，儀表質量還難于完全適應工業現場條件，此外儀表開發也還帶有某種盲目性，因而發展較緩慢，推廣面有限；
2.2、技術成熟階段(60年代末到70年代中期)。隨著晶體管與集成電路等電子技術的發展，以及新型核輻射探測器件的出現，同位素儀表進入了一個新的階段。這一時期國外，特別是西方國家正處于經濟高速發展時期，因而對包括同位素儀表在內的新技術出現了強烈的興趣。這一時期，同位素儀表也進入了成熟階段：儀表穩定性與可靠性大大提高、性能明顯改善、使用對象明確、應用領域不斷擴大，經濟效益日趨顯著；
2.3、高水平發展階段(70年代中期以后至今)。隨著電子計算機技術的迅速發展，同位素儀表在大量推廣應用的基礎上進一步更新換代，朝高水平方向發展。儀表的靈敏度和精度日益提高，可靠性和穩定性越來越好，功能和應用領域也大大擴展。目前在一些工業發達國家，正出現某種智能化的大型多功能同位素儀表，以解決實際工作中遇到的高難度綜合性問題。此外，另一些對口專用的小型同位素儀表也得到了長足的發展。
　　近30年來，世界同位素儀表的數量增長了40倍，平均年增長率為20%到25%。據中國核學會援引國際原子能機構調查報告，到1980年各國應用同位素儀表總數達到62萬臺。例如美國在1960年使用量為4650臺，到1980年增長到了21萬臺。
　　使用同位素儀表的效益也很好，據美國1978年的統計，同位素儀表平均價格為1.2萬美元，年維護費250美元。企業購買這種儀表的全部費用一般在2到3個月就全部收回，個別的在5到6個月也可收回。一種同位素儀表的新產品從研制到投產一般1到3年，具有投資少、效益高、見效快等特點。工廠使用這類同位素儀表時，一般不需要對原來的設備和工藝作大改動，一旦和控制設備相連便可連續生產。同位素儀表的應用，不僅提高了產品的質量和產量，而且節約原材料和能耗，給工業界帶來很大經濟效益。據國際原子能委員會1981年的報導，各種同位素儀表的經濟效益系數分別是：塑料薄膜厚度計為1:3，紙張厚度、濕度計1:9，鋅鍍層厚度1:30，脫硫車間硫分析儀1:10，高爐焦碳濕度儀1:20。
　　就同位素儀表的應用范圍來看幾乎涉及到各個工業部門，現已廣泛應用于煙草、食品、紡織、建材建筑、造紙、印刷、橡膠、采礦、選礦、煤炭、石油、化工、冶金、機械、運輸、交通等工業領域。世界各國大量普及和使用同位素儀表，就其國家而言總的經濟效益也十分顯著。據美國原子能委員會對美國各行業應用同位素儀表所做的綜合經濟效益調查表明，僅九個行業的收入每年超過四億美元，可見效益十分顯著。當今各工業化國家同位素儀表工業均處于高速成長期，其發展勢頭仍是“方興未艾”。
3、同位素儀表的分類
同位素儀表種類繁多，應用領域十分廣泛，其工作原理與作用不盡相同，因此很難全面地加以分類。按基本原理和作用方式工業同位素儀表可分以下幾類：
3.1、強度測量儀表。包括放射性同位素料位計、密度計、厚度計、濃度計、泥沙量計、中子水份計和核子稱等。主要是利用物質對射線的吸收、散射與（中子）慢化等作用，使射線的強度發生變化，反映出被測物的某些有關的宏觀物理參數。
3.2、能譜分析儀表。主要指野外或現場分析儀表，例如X射線熒光分析儀、核測井和在線活化分析等儀器儀表。利用這類分析儀表測定有關射線的能譜，確定物質的成分和結構。
3.3 數字圖像處理儀表。包括核無損檢驗（即射線探傷）裝置，如X射線探傷和g探傷和中子照相以及工業斷層顯像（即工業CT）等裝置。這類裝置主要是利用膠片照相技術、二維或三維陣列探測技術、數字圖像重建與處理技術等確定射線的空間或平面分布，反映被測對象的有關信息。
3.4、其他同位素儀表。包括某些無法歸類的同位素儀表，如放射性同位素火災報警裝置，放射性同位素電離真空計等。這類儀表一般多是利用放射性同位素放出的輻射的電離效應。
4、同位素儀表的特點和作用
4.1、同位素儀表的特點：
　　同位素儀表不同于其它工業儀表，它是利用核輻射與物質的相互作用及發生的吸收、散射或電離、激發等效應，取得有關物質的宏觀微觀信息的，因而同位素儀表具有其它工業儀表所不具備的特點：不接觸被檢測對象，是一種非破壞性檢測工具；可在各種現場條件下，如高溫、高壓、高粘度、高腐蝕性和高毒性等情況下非密閉和密閉容器內的物料的非電參數進行控制；檢測靈敏度高、響應速度快、使用壽命長、性能穩定可靠；可連續輸出電信號，實現生產過程閉環自動控制；體積小、重量輕、便于攜帶安裝；輻射在物質中穿透深度視輻射種類不同而不同，一般可在1mm到1m之間，故有廣泛的應用對象和場合。
4.2、同位素儀表在生產中的作用：
　　近年來同位素儀表的功能日趨完善，應用領域不斷擴大，同位素儀表在工業生產中的獨特作用日益顯現，成了工業部門不可缺少的重要檢測設備。同位素儀表在生產中的作用可歸納成以下幾點：
4.2.1、生產發展與社會需求。以日本為例，60年代中到７０年代初隨著日本經濟的起飛，這一時期，工業同位素儀表主要是放射性同位素厚度計與料位計使用量也相應迅速增長。
4.2.2、可解決工業生產中的某些重大技術難題。同位素儀表已被用于解決諸如準確、快速、大面積的地質普查，材料或零件百分之百的無損檢測，生產過程的閉環自動檢測控制，高純度物質的分析測定，甚至環境、健康和營養評價等綜合性問題。
4.2.3、可以強化生產過程，加速工業技術進步。目前國外的大型成套設備，一般都配備同位素儀表對生產過程實現自動檢測、調整和控制、乃至最佳化控制，確保產品質量，提高勞動生產率，改善勞動條件，降低能耗與原材料消耗，最終降低產品成本。例如前蘇聯在克里沃舍爾特鋼廠建成的一座世界最大的高爐上(5000ｍ3)，配備有100多臺同位素儀表；在奇姆肯特磷肥廠安裝了450多臺同位素儀表。
4.2.4、具有顯著的經濟效益。同位素儀表投資小、見效快、經濟效益顯著。這也是發達國家的工礦企業愿意廣泛使用同位素儀表的動力和出發點。國際原子能機構與亞太地區協議組織認為，同位素儀表對于發展中國家基礎工業的改造與加速發展中國家工業現代化進程同樣具有重大意義。
5、國外強度類同位素儀表的技術水平：
　　國外同強度類位素儀表在技術上已經成熟，儀表技術指標早已能滿足工業生產所提出的要求，技術進步主要表現在新產品開發、老產品的改型、簡化結構、強化功能、采用新器件方面，儀表由單元組合向功能組裝式發展，并大量采用了計算機技術。
5.1、探測器和放射源：探測器是同位素儀表的關鍵部件，國外同位素儀表探測器主要有碘化鈉單晶閃爍計數器、塑料閃爍計數器、液體閃爍計數器、電離室、正比計數器、半導體計數器、蓋革計數器等。
　　閃爍計數器廣泛用于物位計、密度計、厚度計及X射線儀表中。70年代末西德的HB、LB公司、美國的INC公司、海灣公司、日本的富士公司等先后解決了閃爍計數器的穩定性問題，使閃爍計數器型儀表在精度上趕上了恒溫電離室，這是一次技術上的突破。塑料閃爍計數器這幾年也有很大的發展，經改進的塑料閃爍體，閃爍衰減時間可縮短到1nS，因而特別適用于高計數率測量(10-10/S)。塑料閃爍體大量用于工業軋材測厚和物位檢測。
　　國外電離室發展也很快，高壓電離室和真空電離室相繼研制成功，用于密度計的多是恒溫電離室，新型的鈦合金恒溫電離室具有輕便、無漂移、探測效率高等優點，是電離室中的珍品。
　　蓋革計數器正逐步被淘汰，早期用于料位開關等強度儀表中。半導體探測器多用于X熒光儀表中，用于物質成份的快速檢測。
　　在放射源方面，除了常用放射源外，國外新開發出兩種放射源。252cf(锎)是中子和g射線復合源，它的產額很高，锎主要用于中子活化分析、中子照相及多參數聯合測量的同位素工業儀表中，但其價格昂貴，美國1975到1980年間共配套出售252cf儀表共473套，價值3370萬美元。另一種169Y(鐿)，主要用于工業無損檢測。
5.2、國外強度類儀表典型技術水平：
　　密度計--其最高運行精度為0.0005ｇ/cm3 ，各國的產品基本都能達到這一技術指標。國外產品以西德HB公司、美國核子工業公司(該公司產品被美國國家標準局NBS用作國家輔助標準)及日本富士產品為最優。80年代以后國外先進的密度計是有“自動穩峰”裝置的閃爍密度計和有恒溫裝置的電離室密度計，且普遍采用了微處理器，其測量精度可達到0.001ｇ/cm3 。
　　物位計--當代物位計幾乎100%采用閃爍探測器，物位測量誤差一般在1%，量程已達到3到5m。國際市場上的精品是西德的HB、Berthold、英國的Nuclear、Enterprises corp產品，它們的產品都有穩峰裝置和線性化裝置。
　　厚度計--國外產品大部分是電離室的，軋材厚度計有一部分是閃爍的，有的還使用了最新的閃爍計數器。金屬軋材厚度計精度到1‰～5‰，薄膜厚度計測量精度0.25～0.5或0.2g/m2 。國際市場上以西德的HB、英國的NE公司產品最優。
　　水份計--中子測水，相對誤差0.5%ｗt，日本和美國采用了252cf放射源。
　　核子稱--國外大多采用高壓電離室，一般都配備微計算機，測量精度可達到0.5%。據報導由塑料閃爍體研制成功的核子稱其精度可達到4～0.4‰之間。國外典型代表是美國Kay--Ray公司的核子稱。
　　以上儀表屬于一類強度測量型同位素儀表。這類儀表最多、應用領域最廣、技術發展最成熟的一類儀表。其中尤以料位計、密度計和厚度計被稱為“老三計”用量最多，國外幾乎每個工礦企業都使用這類儀表，少則幾臺多則幾十臺上百臺。很多工業成套設備通常也配備這類儀表，作為工業過程檢測的一種手段。這類儀表一般可以正常使用5~10年左右，年維護費用僅占儀表的2%左右。國外老三計在工業儀表中所占的比例為5%到10%。
　　目前國外強度型同位素儀表正朝著如下幾個方面完善和進:(1)提高可靠性，以適用惡劣工作環境的要求;(2)提高響應速度和測量精度。隨著工業生產的高速化，檢測儀表的響應速度和精度是確保產品質量的關鍵;(3)為實現產品過程的最佳化控制，儀表本身必須能對各種因素的影響進行自動校正。 6、我國同位素儀表的發展概況和現狀
　　我國同位素儀表的研制始于1958年。到80年代初期共研制和生產了40多種2000余臺儀表，主要研制和生產單位分布在科研、教育、工業部門及地方廠礦，共50多個單位，其中70%是料位計，除料位計以外，還有密度計、厚度計和g探傷儀、泥沙量計、X熒光分析儀、含硫量分析儀等。除使用國產同位素儀表外，很多部門還成套引進了國外的同位素儀表。例如武鋼1700工程從西德和日本引進成套設備，配有12個品種57臺同位素儀表，遍布連鑄、熱軋和冷軋及硅鋼等部門。寶鋼一期工程引進的日本成套設備中，共配有87臺同位素儀表。昆明三聚磷酸鈉廠從西德引進的成套設備配有110臺同位素儀表。上海石化總廠引進的成套設備中配備有43臺同位素儀表。
　　到90年代初，我國科研人員對同位素儀表已作了30多年的研制試制工作，對各類型和用途的同位素儀表進行過研制。近幾年的研究成果主要有同位素厚度計、密度計、物位計等的通用單元組合化，高精度核子稱，紙張灰份、厚度、定量、水份四參數檢測系統，油、氣、水三相流及多相流檢測系統，大型輻射集裝箱檢測系統，熱中子透射計的應用研究，X射線熒光多元素分析儀的應用研究等。
　　從80年代開始，我國已進入大力推廣應用同位素儀表階段。據1988年的統計，我國在各工業部門使用的同位素儀表已達到8000臺左右，到2000年初估計已達到1萬余臺，推廣應用較廣泛的儀表有物位計、密度計、料位計、濕度計、核子稱、成份分析儀等。推廣應用較多的是物位計，發展較快的是核子稱，而代表發展方向的是成份分析儀。
　　目前我國同位素儀表開發和研制，開始逐步擺脫仿制國外樣機，實現獨立設計和指標向國外靠攏，儀表生產向通用化、系列化方向過渡。然而從目前看我國與國外的差距仍相當大。例如我國還沒有研制成功技術難度較大的一類料位計：如大量程料位指示系統、超大型料倉料位指示系統、多參數料位指示系統和高溫環境下應用的料位計等；我國生產的厚度計，其水平只相當于日本70年代末的水平，少數產品接近80年代，造紙業中紙張水份測量與閉環控制剛剛應用；我國中子水份計雖在鋼鐵工業與凍土研究方面取得了一定成效，然而儀器穩定性和可靠性差，技術水平仍相當于國外80年代初的水平。
　　我國同位素儀表應用取得明顯效益的單位和行業有：黃磷生產系統、化纖廠、化肥廠、堿廠、選礦廠、選煤廠、采礦充填、鋼鐵廠、焦化廠、水泥廠、濕法冶金行業等。今后除向以上行業推應用廣外，還應逐步向橡膠、煙草、紡織、建材食品、機械及印刷出版業推廣。除繼續了向大型企業推廣外，還應向使用量較小的中小企業推廣。
7、同位素儀表的發展趨勢
　　目前同位素儀表正不斷更新結構，完善功能，提高精度，改善儀表的穩定性、可靠性、通用性，實現儀表的標準化、小型化、自動化與智能化，以適應現代工業的連續化、高速化、精密化的要求。具體說，今后工業同位素儀表可能朝以下幾個方向發展。
(1)就整體結構而言，整個儀表從單元組合式向功能組裝式發展。
(2)就測量方法而言，從簡易的檢測手段向高效率、高分辨率的復雜測量裝置過渡。
(3)就儀表功能而言，正從單點、單參數檢測向多點多參數自動檢測方向發展。如放射性同位素密度計與流量計配以微計算機組成的雙參數測量的質量流量計。又如紙張質量厚度、濕度、灰份等多參數測量。252cf中子水份計可以同時測量物料的水份和密度。再如采用?、b與X射線厚度計，可以同時檢測鋼絲夾層橡膠制品中的鋼絲和橡膠總厚度，鋼絲層厚度以及上下橡膠層的厚度。此外，工業同位素儀表與其它非核技術綜合應用，有助于擴大同位素儀表的應用范圍，提高其應用功能。
(4)就儀表的通用性和安全性而言，工業同位素儀表將進一步實現儀表的系列化、標準化。美國制定了放射性同位素儀表的安全標準ANSI-N538。估計不久的將來，類似的同位素儀表的國際標準也將提到議事日程。
(5)隨著各種支持性技術的發展，特別是電子計算機技術的廣泛使用，使同位素儀表的技術水平達到了一個新的高度；同位素儀表采用電子計算機后，結構緊湊，體積縮小；測量由模擬向數字化方向發展，實現輸入信息的自動補償，系統啟動、調節和操作程序化，并對采集的數據進行運算、判斷、分析與處理，從而擴大了儀表信息功能，提高了儀表檢測精度，為多參數測量和生產過程閉環控制奠定了基礎；儀表由硬件和軟件相組合，體現出設計的合理性和操作的簡便性。
儀表具有故障自我診斷功能，大大減輕了設備維護的工作量，從而提高了儀表的可靠性；通過圖像視頻彩色顯示，達到了更好的人機結合，以滿足現代化工業生產連續化、自動化與高速化的要求，實現檢測非接觸化、非破壞化、超差傳感，以保證產品100%的檢驗，并在出現超差之前加以校正。