吳志芳，劉錫明，王立強，苗積臣

1.清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084；2.核檢測技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100084

射線技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，主要是利用射線與物質(zhì)的相互作用，如吸收、散射、電離、激發(fā)、活化等效應(yīng)，從而間接獲取物質(zhì)的相關(guān)信息，其具有非接觸、無損傷、靈敏度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定可靠等特點，可適用于高溫、高壓、高濕、強腐蝕等惡劣生產(chǎn)現(xiàn)場。

早在1922年，美國第一個工業(yè)用射線檢測實驗室在H.H.Lester博士領(lǐng)導(dǎo)下創(chuàng)建于水城兵工廠，用X射線檢驗軍械零部件(鑄件)，開創(chuàng)了射線工業(yè)應(yīng)用的先河，但是，直到20世紀50年代，射線技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用一直發(fā)展緩慢，主要局限在基于X射線膠片照相的無損檢測領(lǐng)域。1951年，美國開始將放射性同位素測厚儀應(yīng)用于橡膠生產(chǎn)[1]，之后，射線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，中子照相、工業(yè)核測控儀表、輻照消毒、成分分析等技術(shù)紛紛發(fā)展起來，并在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越大的作用。20世紀80年代以后，特別是進入90年代以來，隨著材料科學(xué)、計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，促使射線技術(shù)向著精細化、綜合化、信息化、智能化的方向發(fā)展，應(yīng)用的廣度和深度不斷提高。據(jù)統(tǒng)計，美國和日本民用非動力核技術(shù)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值占國民生產(chǎn)總值的3%～4%，我國民用非動力核技術(shù)的產(chǎn)值也達到每年數(shù)千億人民幣。本文簡述射線技術(shù)在不同工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r。

1 工業(yè)核儀器儀表

工業(yè)核儀器儀表是利用射線技術(shù)監(jiān)測工業(yè)生產(chǎn)過程的一類儀器設(shè)備，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。我國射線技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用就是從工業(yè)核測控儀表領(lǐng)域起步。盡管研制工作始于1958年，但大力推廣、應(yīng)用這類核儀器設(shè)備，則是從20世紀80年代開始。較大規(guī)模應(yīng)用的核儀器儀表有核子料位計、密度計、測厚儀、中子水分儀、核子秤等。特別是改革開放以來，我國的工業(yè)核儀器設(shè)備逐漸縮小了與國外設(shè)備的差距，如國產(chǎn)料位計、密度計、核子秤、中子水分儀等能替代國外設(shè)備；國產(chǎn)測厚儀在低端市場上占據(jù)主導(dǎo)地位，在高端市場雖還存在一定差距，但也取得了長足的進步。工業(yè)核儀器儀表的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1.1 料位測量

核子料位計利用射線透射物料或被物料反射，透射或反射射線的強度與是否有物料或物料的高度有關(guān)，通過測量這些射線的強度，能判斷物料有無(即料位開關(guān))或計算料位的高度(即連續(xù)料位計)，在很多工業(yè)場合得到應(yīng)用，起到了不可替代的作用。

核子料位計多采用放射性同位素射線源，如137Cs或60Co。60Co源的射線穿透能力更強，適合于厚度大、密度高的被測對象，但60Co的半衰期為5.27年，而137Cs的半衰期為30.17年，60Co源因其半衰期短而導(dǎo)致射線源更換較為頻繁，應(yīng)用受到一定的限制。根據(jù)放射源登記情況統(tǒng)計，使用137Cs的料位計有11 000多臺，使用60Co的料位計有2 300多臺；使用137Cs的液位計有3 700多臺，使用60Co的液位計有900多臺。這些核子料位計的應(yīng)用領(lǐng)域包括水泥廠、電廠煤粉倉、煉鐵高爐、石油化工廠液位、氮肥廠、氧化鋁廠、煤化工、多晶硅流化床反應(yīng)器、玻璃原料倉、礦井提升系統(tǒng)、木業(yè)公司、糧油加工等[2-3]。

國內(nèi)很多科研院校在20世紀80、90年代之前就開展了這方面的研究，目前從事這方面工作的主要有南京中紐科技有限公司、合肥海明科技股份有限公司、上海海能信息科技有限公司、北京通想高技術(shù)開發(fā)公司、北京華科拓普電子儀器有限公司、丹東東方測控技術(shù)股份公司等，國外廠家主要有Berthold、E+H、Thermo Fisher等。

在這方面，較新的進展是最近十年發(fā)展起來的無源核子料位計，利用物料中的天然放射性來判斷物料的位置，在火電廠的灰斗、倉泵等場合得到了廣泛應(yīng)用[4]，如上海輝博自動化儀表有限公司2013年就銷售無源核子料位計達2 000套。

1.2 密度測量

核子密度計是利用射線在物質(zhì)中的指數(shù)衰減規(guī)律來測量物質(zhì)密度的一種工業(yè)儀器，適合測量固體、液體、固液混合物、懸浮液等物料的密度[5]。測量過程中，必須保證被測物料的厚度是固定的，或者其厚度能夠通過其他方法測量。

尤其是對于封閉管道中液體、礦漿的密度測量，雖然可以采用非核儀表(如壓差式密度計或科氏力密度計等)，但由于核子密度計的非接觸性和抗干擾性(溫度、腐蝕、磨損、流速、壓力等因素影響很小)，使其更顯優(yōu)勢。通常管道中物料流向是從下往上，這樣可以保證管道充滿。若被測物料中包含氣泡或空隙，將影響密度測量的精度。

核子密度計通常使用γ射線源，主要使用137Cs，也可采用60Co。國內(nèi)采用137Cs的密度計約6 700臺，使用企業(yè)主要有鋁業(yè)公司(約1 500臺)、煤炭企業(yè)(約944臺)、鋼鐵企業(yè)(約400臺)、化工(約470臺)、金礦(約390臺)、煤化工(約170臺)等。

核子密度計的硬件系統(tǒng)與核子料位計基本一致，二者可以共享硬件平臺，通過使用不同的軟件來完成不同的功能。因此，制造核子料位計的廠家，通常也制造核子密度計。

1.3 厚度測量

利用射線衰減測量物體厚度屬于非接觸式厚度測量的一種，尤其適合在線厚度測量，在工業(yè)生產(chǎn)自動化和質(zhì)量控制等方面有廣泛的需求與應(yīng)用。

厚度在線測量系統(tǒng)大致可分為以下幾種。

① 同位素測厚儀。又分γ射線測厚儀和β射線測厚儀。γ射線可選較高能量，且強度穩(wěn)定，適合測量較厚或密度較大的材料，廣泛應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)各種金屬板、管等生產(chǎn)過程中的厚度測量與自動控制。β射線穿透能力較弱，適合測量較薄或低密度的材料，可用于紙張、塑料薄膜、橡膠制品、鋰電池電極片等生產(chǎn)過程。我國目前有采用241Am的測厚儀10 000多臺，采用137Cs的測厚儀只有300多臺，采用60Co的測厚儀則更少，只有幾十臺。

② X射線測厚儀。與同位素測厚儀原理相同，但采用X射線管作為射線源。二者具有很多相似之處，在不少場合可相互替換。相比同位素測厚儀，X射線測厚儀的射線能量與強度方便調(diào)節(jié)，可輸出強度很高的X射線，大大降低探測器輸出信號的統(tǒng)計漲落，同樣測量時間下測量精度高；在測量精度相同的情況下，有更快的時間響應(yīng)特性。隨著X射線管技術(shù)的進步，特別是近20年來，其穩(wěn)定性得到了很大提高，已經(jīng)能夠保證X射線測厚儀長期穩(wěn)定工作，而同位素射線源的使用手續(xù)較為復(fù)雜，X射線測厚儀有取代同位素測厚儀的趨勢。測厚儀國內(nèi)廠家主要有清華大學(xué)核研院、洛陽瑞清科技有限公司和上海愛斯特電子有限公司等，國外廠家有IMS、Thermo Radiometric、Toshiba等公司。

③ X射線多功能板型儀(凸度儀)。上世紀90年代以來，隨著探測技術(shù)的進步，測厚儀探測器從原來的單路(電離室或閃爍探測器)發(fā)展到多路陣列。采用陣列探測器，由原來的“單點”厚度測量，發(fā)展到實時的“板形”測量，從而出現(xiàn)了凸度儀、板形儀等高端測厚設(shè)備。利用陣列探測器還可實現(xiàn)“立體測量”、斷面重建，并校正帶鋼扭曲傾斜所造成的測量誤差。多功能熱軋凸度儀(板形儀)是鋼廠熱軋生產(chǎn)線上的關(guān)鍵設(shè)備，能夠連續(xù)實時測量熱軋板帶材的寬度、長度、厚度、凸度等板形數(shù)據(jù)，并反饋給軋機用于閉環(huán)控制。之前，該項技術(shù)被美國Thermo、德國IMS等少數(shù)幾家國外公司壟斷，國內(nèi)單位已開始研究并取得了很大進展[6]。2011年，清華大學(xué)核研院研制出多功能熱軋凸度儀工業(yè)樣機，并通過多位院士參加的專家組的測試與驗收，認為該技術(shù)“打破了國外壟斷，填補了國內(nèi)空白”。該樣機在0.9～14 mm的厚度范圍內(nèi)，實現(xiàn)了0.1%的測量精度，達到或超過了進口設(shè)備水平。

1.4 水分測量

中子水分儀測量水分，本質(zhì)上就是測量物料中的氫含量。用中子源發(fā)出的快中子照射物料，物料中氫元素的含量決定了快中子被慢化的程度。用熱中子探測器測量出熱中子的數(shù)量，即可推測出物料中的氫含量，進而得到水含量(即水分)。中子法測量水分具有反應(yīng)迅速、不破壞被測物質(zhì)結(jié)構(gòu)、不影響水分分布等優(yōu)點，適于連續(xù)測量水分的動態(tài)變化和較大體積物料的含水量平均值，并且不受物質(zhì)導(dǎo)電性和顆粒度的影響。

中子水分儀的研制始于20世紀50年代，國外首先研究了利用中子測量土壤水分；到70年代時，中子水分儀已經(jīng)在鋼鐵、鑄造、建筑等生產(chǎn)領(lǐng)域得到應(yīng)用，還出現(xiàn)了用于實驗室的離線中子水分儀；到80年代時，在食品、肥料的生產(chǎn)中開始應(yīng)用中子水分儀。

我國于1978年出現(xiàn)第一批工業(yè)用中子水分儀(插入型中子水分儀)，它是由南京大學(xué)研制，并由無錫無線電八廠生產(chǎn)。后來逐漸發(fā)展出固定式插入型、手提式插入型、固定式表層型、手提式表層型等中子水分計，也研制出用于實驗室的熱中子透射計。中子水分儀在我國的應(yīng)用領(lǐng)域主要有土壤、高爐上料系統(tǒng)、陶料、焦炭、玻璃原料、混凝土、煤炭等水分測量，還被應(yīng)用到農(nóng)田水分管理、節(jié)水灌溉以及江河堤防安全監(jiān)測等方面。

目前生產(chǎn)中子水分儀的國內(nèi)廠家有北京華科拓普電子儀器有限公司、丹東東方測控技術(shù)股份公司等，國外廠家有美國Thermo Fisher等。

1.5 流量/輸送量測量

利用皮帶輸送物料時，輸送物料的計量是一個很重要的現(xiàn)實問題。核子秤就是利用輻射測量技術(shù)，專門對傳送裝置上任意形態(tài)的物料進行連續(xù)測量或計量的核儀器儀表。作為一種非接觸式的動態(tài)計量裝置，除用于皮帶輸送機外，核子稱還可以用于傳統(tǒng)電子皮帶秤無法應(yīng)用的地方，如管道、履帶輸送機、鏈斗輸送機、刮板輸送機、螺旋式輸送機以及斗式提升機等，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、水泥、化肥、電力、輕工、港口等行業(yè)。

1968年波蘭研制成功世界上第一臺工業(yè)用核子秤，此后世界上相繼報道了許多不同類型的核子秤及其應(yīng)用。1973年英國原子能委員會和英國鋼鐵公司在國際原子能機構(gòu)報告了用137Cs源和閃爍探測器制成的核子秤測量礦石重量的實驗，精度為1%。1977年美國Ohmart公司用137Cs源和特制探測器測量傳送帶上干燥固體物料，精度達到±0.5%。美國Kay-Ray公司生產(chǎn)的核子秤產(chǎn)品，其應(yīng)用遍及全世界，在20世紀80年代至90年代初銷售量超過3萬臺。核子秤不僅可以作為單純的計量儀表，還可參與生產(chǎn)過程控制。核子秤配料系統(tǒng)、計量與管理系統(tǒng)、自動裝卸系統(tǒng)等的開發(fā)，把核子秤應(yīng)用推上了一個新的臺階。

國內(nèi)核子秤研究與開發(fā)起步較晚，1985年清華大學(xué)核研院開始研制基于充氣電離室的核子秤，1988年通過技術(shù)鑒定，這種類型的核子秤也成為中國市場上的主流產(chǎn)品。1988年專業(yè)機構(gòu)預(yù)測，國內(nèi)核子秤市場非常大，需求量在幾萬臺。但實際上，由于電子皮帶秤的不斷進步，再加上激光掃描測量等新的測量技術(shù)的出現(xiàn)，以及新實施的放射源輻射安全許可制度增加了核子秤的使用成本等，核子秤的推廣應(yīng)用受到了較大影響，使用量遠低于預(yù)期。

總之，從20世紀80年代開始，我國工業(yè)核儀器設(shè)備的研究應(yīng)用快速發(fā)展，但80～90年代從事這一領(lǐng)域研究的不少企業(yè)和研究機構(gòu)陸續(xù)停止了這方面的工作，目前活躍在這一領(lǐng)域的企業(yè)創(chuàng)立時間大約在十年，企業(yè)持續(xù)時間較短，影響其知識、技術(shù)和經(jīng)驗的積累與沉淀，這是與國外企業(yè)存在差距的原因之一。國內(nèi)產(chǎn)品與國外的差距主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、可靠性、測量精度、使用壽命等方面，越是復(fù)雜的設(shè)備，差距越大。國內(nèi)廠家憑借對國內(nèi)市場的了解，在價格和售后等方面的優(yōu)勢，在低端產(chǎn)品上占領(lǐng)了較大市場，但在高端產(chǎn)品上還鮮有國內(nèi)廠家的身影?？上驳氖?，國內(nèi)科研機構(gòu)和廠家奮起直追，在高端設(shè)備的研發(fā)方面取得了一些突破，如2011年清華大學(xué)核研院研制成功多功能熱軋凸度儀工業(yè)樣機，可實現(xiàn)0.1%的測量精度，超越了進口設(shè)備，是我國近年來在此領(lǐng)域取得的較大進展。

2 核分析

射線技術(shù)用于材料的成分分析，稱為核分析，對保障工業(yè)生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量意義重大。我國的核分析工作主要集中在X射線熒光分析、中子活化分析和雙能γ射線法測煤灰分等方面。國內(nèi)科研機構(gòu)和廠商企業(yè)跟蹤國外先進技術(shù)，并結(jié)合國內(nèi)需求和工業(yè)水平，一直都在發(fā)展、進步和趕超，也形成了一些具有特色的成果，有些已取代國外設(shè)備成為主流。

2.1 X射線熒光分析

1895年德國物理學(xué)家倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，揭開了X射線應(yīng)用的序幕。次年，法國物理學(xué)家喬治就發(fā)現(xiàn)了X射線熒光效應(yīng)。20世紀40年代末出現(xiàn)了第一臺波長色散X射線熒光分析儀，其采用GM管作為X射線探測器。從此，X射線熒光分析因其優(yōu)良特性得到了蓬勃發(fā)展，現(xiàn)已形成了包括波長色散、能量色散、全反射、同步輻射等多種類型的一個大家族。

測量X射線熒光光譜的方法主要有兩種：一種是基于布拉格衍射測量光子波長，即波長色散法；另一種是基于具有一定能量分辨率的X/γ射線探測器直接測量能譜，即能量色散法。波長色散法精度高、性能優(yōu)，但規(guī)模大、售價高；能量色散法性能稍差，但使用方便、成本低。特征X射線的激發(fā)方式有X光機激發(fā)、同位素放射源激發(fā)、同步輻射激發(fā)和離子激發(fā)。根據(jù)入射角度區(qū)分，有全反射、掠出射X射線熒光分析[7]等。

X射線熒光分析具有很多優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用。它可以直接分析塊狀、液體、粉末等樣品，也能進行微區(qū)分析；對元素含量的檢測范圍很寬，從亞ppm量級到100%，而全反射X熒光分析的檢測限已達到10-9～10-12g，能滿足很多種物質(zhì)的分析需求；能精確分析鍍層和薄膜厚度；分析結(jié)果的準確度可與化學(xué)分析相媲美，分析成本較低，在很多領(lǐng)域被作為成分分析的標(biāo)準手段；可進行非破壞分析，廣泛用于古陶瓷、金屬屑和首飾的組成分析等；除能進行元素分析外，甚至還能提供物質(zhì)的化學(xué)態(tài)信息，如元素的價態(tài)、配位和鍵性能等。

20世紀80年代初期，市場上X射線熒光分析產(chǎn)品主要有波長色散X射線熒光分析儀、能量色散X射線熒光分析儀和以正比計數(shù)器為探測器的可攜式X射線熒光分析儀。波長色散分析儀的光譜測量分辨率很高，加之算法完善，其準確度與化學(xué)分析結(jié)果相當(dāng)。能量色散X射線熒光分析儀的應(yīng)用受到探測器的限制，高分辨率的Si(Li)探測器需要在低溫下工作和貯存，使用起來很不方便。而近30年來，X射線熒光分析得到了很大發(fā)展，產(chǎn)生了微束X射線熒光分析和全反射分析的儀器，利用電制冷技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，制造出了可以在常溫下工作的高分辨率X射線探測器，從而促進了能量色散X射線熒光分析儀的發(fā)展與應(yīng)用，也出現(xiàn)了基于能量色散的手持式譜儀等新產(chǎn)品。

我國于20世紀50年代末開始研究、應(yīng)用X射線熒光分析技術(shù)，到20世紀80年代初還主要用于科研院所，用于地質(zhì)和材料研究中的元素分析。改革開放后，國內(nèi)日益增多的需求推動了X射線熒光分析技術(shù)的研究與應(yīng)用，在自動化、智能化、小型化和專業(yè)化上不斷更新?lián)Q代，特別是能量色散分析儀的性能提升顯著，在一些行業(yè)已成為首選的分析儀器，在冶金、建材、石油、化工、水泥、環(huán)保和制造業(yè)等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。近二十年來，我國在X射線熒光分析方面進展顯著，涌現(xiàn)出多家儀器設(shè)備制造公司，主要有天瑞儀器股份有限公司、愛斯特電子有限公司等，國內(nèi)廠商在整機研發(fā)上做出了特色，通過對各類應(yīng)用場所的細分并提供解決方案，研制出了多種規(guī)格的能量色散型臺式或手持式設(shè)備，也推出了低功率的波長色散X射線熒光分析儀產(chǎn)品。這些設(shè)備在RoHS檢測、鍍層測厚、黃金首飾分析、環(huán)境監(jiān)測、土壤分析、水泥生產(chǎn)在線檢測上發(fā)展良好，已占有較大的市場份額。存在的問題是：一些核心技術(shù)仍由國外公司掌握，在激發(fā)源、探測器等關(guān)鍵部件上，國內(nèi)還有差距。

2.2 瞬發(fā)γ射線中子活化分析

瞬發(fā)γ射線中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)是利用同位素中子源或中子管產(chǎn)生的中子與物質(zhì)發(fā)生俘獲反應(yīng)或非彈性散射而激發(fā)出的瞬發(fā)γ射線來確定物質(zhì)中元素種類與含量的方法。

20世紀70年代開始，國外即在水泥和煤炭在線檢測上，利用瞬發(fā)γ射線中子活化分析方法[8]來解決成分分析問題，并在水泥廠和火電廠開展了初步應(yīng)用。起初是利用熱中子與物質(zhì)的俘獲反應(yīng)，但對某些元素的反應(yīng)截面很小，測量不靈敏。80年代末至90年代初，人們開始利用快中子與物質(zhì)的非彈散射來分析PGNAA不靈敏的元素。1987年TsahiGozani提出利用D-T中子發(fā)生器產(chǎn)生的14 MeV快中子的非彈散射進行元素分析，將其分析結(jié)果作為熱中子俘獲反應(yīng)的互補。1988年Thorpe利用14 MeV快中子分析了煤的元素成分，實驗表明利用快中子非彈性散射，僅對改進煤的C、O元素分析有利，其他很多元素分析還需利用熱中子俘獲反應(yīng)來完成。由于中子管壽命較短，人們將镅-鈹中子源作為另外一種選擇進行了嘗試，1996年清華大學(xué)工程物理系利用镅-鈹中子源與高純鍺探測器，在實驗室中進行了煤炭成分分析，結(jié)果表明利用中子非彈性散射，能分析煤中的Si、C、O元素。1998年Dep利用中子發(fā)生器進行了煤炭在線元素分析實驗，并選用BGO探測器來提高對高能γ射線的探測效率，結(jié)果表明，對煤中C的分析精度約為1%，對S的分析精度可達到0.05%。1999年Michael Belbot等也研制了基于中子發(fā)生器的煤質(zhì)分析儀，對煤中O、C及S三種元素的測量誤差分別為0.6%、2.0%和0.2%。Philippe Letourneur等把快中子與熱中子分析技術(shù)相結(jié)合，在線測量了鋁釩土，該方案分析出的各種元素的百分比總和占原料的99%，結(jié)果表明這種技術(shù)可用于監(jiān)測Bayer法制鋁的工藝流程。2001年Lim等也利用快中子與熱中子分析技術(shù)，研制了水泥生料在線元素分析儀，在系統(tǒng)測量時間為10 min的情況下，測量精度對CaO為0.49%、SiO2為0.52%、Al2O3為0.38%和Fe2O3為0.23%。為減小物料成分不均勻以及形狀變化引起的測量誤差，該系統(tǒng)采用雙中子源、雙探測器的結(jié)構(gòu)。

我國南京大陸中電科技股份有限公司自2001開始在火電廠推出了若干套煤質(zhì)在線分析儀(采用了進口中子發(fā)生器)。最近幾年，丹東東方測控技術(shù)股份有限公司推出了中子活化水泥元素在線分析儀，2012年還承擔(dān)了國家中子活化重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項。東北師范大學(xué)輻射技術(shù)研究所也長期從事中子元素分析工作，并具有制造中子發(fā)生器的能力。

目前存在的主要問題是中子源，現(xiàn)有商業(yè)化儀器主要采用252Cf裂變中子源或中子發(fā)生器，252Cf的半衰期較短(2.65年)，中子發(fā)生器的壽命也普遍較短，即使進口中子管的壽命也只有8 000 h，僅相當(dāng)于1年。儀器價格較高(約500萬元RMB)，也影響其推廣應(yīng)用。另外，用戶和管理部門對中子的防護和使用還存在認知障礙。

2.3 煤灰分測量

煤灰分是衡量煤質(zhì)的重要指標(biāo)，通過灰分與水分數(shù)據(jù)，可較準確地計算出發(fā)熱量。煤炭自動化生產(chǎn)與高效利用，離不開煤灰分在線檢測。早在20世紀60年代就開始了利用射線技術(shù)測量煤灰分的研究[9]，人們探索了各種煤灰分測量方法：低能γ反散射、低能β反散射、天然γ測量、中能γ反散射、高能γ電子對效應(yīng)、雙能γ射線透射、中子活化分析、X射線熒光分析、浮選尾礦的光反射法等。下面是幾種比較典型的灰分在線檢測方法。

① 低能γ射線反散射法。用低能γ射線照射煤，隨著煤灰分增高，反散射的γ射線強度近似按線性減少，通過測量反散射γ射線的強度可以確定煤的灰分。應(yīng)用此方法時，煤流表面需要整形，煤流的密實度應(yīng)保持基本穩(wěn)定，煤層與探測器表面之間的距離也保持不變，才能保證測量精度，因此，難以實現(xiàn)真正的在線測量。

② 天然γ射線測量法。煤中含有40K、鈾(238U)系和釷(232Th)系的天然γ放射性，通過測量煤中天然放射性的強度(反映煤中礦物質(zhì)含量)，從而確定煤的灰分。此方法自上世紀80年代開始就有人研究，如英國、澳大利亞等國的科研部門或公司，其優(yōu)點是不用放射源，但由于煤灰的主要成分為Al、Si、Ca、Fe等元素的氧化物，而天然γ放射性元素含量與Al、Si、Ca、Fe等元素含量沒有必然關(guān)聯(lián)，這樣其含量與形成灰分的礦物質(zhì)含量無關(guān)，所以此方法存在局限性，受煤炭來源影響。并且，由于煤(特別是低灰分煤)中礦物質(zhì)含量較少，其天然放射性含量就更少，很容易受周圍環(huán)境本底影響。

③ 高能γ電子對效應(yīng)法。高能γ射線與物質(zhì)發(fā)生電子對效應(yīng)的幾率和物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比。煤灰分越高，平均原子序數(shù)就越高。根據(jù)這個原理，通過測量電子對效應(yīng)產(chǎn)生的511 keV的γ射線強度來確定煤的灰分。此方法主要是針對雙能γ射線透射法測煤灰對鐵含量變化敏感而設(shè)計，但它同樣降低了對灰分中Si、Al等主要成分的測量靈敏度。

④ 雙能γ射線透射法。原理是把煤看成是由兩種不同原子序數(shù)的物質(zhì)組成的二元混合物，即低Z元素(C、H、O、N)和高Z元素(Si、Al、Ca、Fe)，利用高、低兩種能量的γ射線(通常是采用241Am和137Cs組合)透射煤層，通過測量其衰減，計算出低Z與高Z元素的比例，進而計算出煤灰分。這種方法可直接對輸送帶上的散煤進行在線測量，不需要分流、采樣，破碎、制樣等附加設(shè)備，沒有垂直偏析現(xiàn)象，對煤的粒度要求較寬，性價比高，是目前應(yīng)用最廣泛的灰分測量技術(shù)。其主要缺點是：由于Ca、Fe對低能射線的質(zhì)量吸收系數(shù)比Si、Al大，因此Ca、Fe與Si、Al的比例變化將引起較大的測量誤差。通常情況下，同一礦井或同一開采層面，甚至同一地區(qū)產(chǎn)出的煤，其Ca、Fe含量變化有限，對測量結(jié)果的影響都在可接受的范圍內(nèi)，因此雙能γ射線透射法得到了廣泛應(yīng)用。

1976年煤科總院唐山煤研分院推出我國第一臺低能γ射線反散射灰分儀，并相繼推出若干后續(xù)產(chǎn)品。之后國產(chǎn)灰分儀在煤炭行業(yè)取得了大規(guī)模應(yīng)用[10-11]。2000年后中國煤炭行業(yè)得到迅猛發(fā)展，煤炭企業(yè)的技術(shù)裝備水平飛躍式提升，對灰分儀的需求不斷增加，目前我國已經(jīng)成為使用灰分儀最多的國家，總擁有量上千臺。1999年清華大學(xué)核研院研制了專門用于火電廠管道輸煤的多道式灰分儀，測量速度與精度顯著提高。2009年清華大學(xué)還研制了專門用于皮帶輸煤的灰分儀。2012年國內(nèi)出現(xiàn)了基于陣列探測器的煤質(zhì)煤量檢測儀，既可以“全截面”測量煤的灰分，又可以非接觸地、高精度地在線測量重量，不僅提高灰分測量精度，解決了混配煤的煤質(zhì)不均勻問題，同時還實現(xiàn)了高精度核子秤的功能。

目前煤灰分儀的主要國內(nèi)廠家有北京辰安測控科技有限公司等，國外廠家有澳大利亞Scantech公司和德國Berthold公司。由于國內(nèi)產(chǎn)品的性能指標(biāo)已達到甚至優(yōu)于進口產(chǎn)品，并且國產(chǎn)設(shè)備還具有價格便宜和售后服務(wù)便捷及時等優(yōu)勢，使進口灰分儀處于弱勢地位。

3 核測井

核測井是一種先進的地球物理探測手段，主要利用井孔內(nèi)巖層本身的放射性或采用人為輻射與井孔物質(zhì)相互作用的各種效應(yīng)，來獲取井下地層的物理性質(zhì)。它能提供大量反映巖石不同物理特性的參數(shù)，深刻揭示巖石的本質(zhì)，對測量地質(zhì)條件有廣泛的適應(yīng)性，且具有不可替代性。核測井與非核測井技術(shù)——聲學(xué)測井與電學(xué)測井，共同構(gòu)成了地球物理三大支柱測井技術(shù)，在油田、煤田、金屬資源與水資源的勘探與開發(fā)中發(fā)揮著不可替代的作用。

核測井[12-13]包括γ測井、中子測井、放射性核素示蹤測井和核磁測井四大類。每類又細分若干種方法，有三十多種，能提供五十多種參數(shù)。γ測井包括自然γ和γ-γ測井(散射測井)，前者又分自然γ和自然γ能譜測井；后者又分地層密度和巖性密度測井。中子測井主要包括中子壽命測井、一般中子測井和中子誘生γ測井。中子壽命測井也稱熱中子衰減時間測井；一般中子測井包括熱中子測井和超熱中子測井，它們又分為單探測器中子測井和補償中子測井；中子誘生γ能譜測井通常包括快中子非彈性散射γ能譜測井(即C/O比測井)、中子俘獲γ能譜測井和中子活化γ能譜測井等。

20世紀30年代，自然γ測井技術(shù)開始得到開發(fā)應(yīng)用；1941年以后，中子測井技術(shù)開始成為新的測井方法；1949年出現(xiàn)核磁測井的概念，1960年Brown和Gamson開發(fā)出實驗用核磁測井儀器，1990年MUMAR公司研制出第一臺核磁測井儀，1997年斯倫貝謝公司開發(fā)出CMR-200型測井儀器，利用核磁共振測算地層總孔隙度，核磁測井得到市場的普遍認可。目前，在國際測井市場上，三大測井公司(斯倫貝謝、哈里伯頓、阿特拉斯)占據(jù)了絕大部分的市場份額，其中斯倫貝謝公司綜合實力最強。

中國核測井技術(shù)與儀器設(shè)備的發(fā)展經(jīng)歷了一個引進、吸收和自主創(chuàng)新的過程。20世紀80年代以來，隨著國外成套測井儀器的引進，中國逐漸開發(fā)了自然γ測井儀、γ密度測井儀、中子孔隙度測井儀、γ能譜測井儀等，地層元素測井儀、核磁共振測井儀等也取得初步成果。中國石油集團測井有限公司(CPL)是國內(nèi)較大的集研發(fā)、制造與服務(wù)為一體的專業(yè)化測井公司。我國核測井產(chǎn)品占據(jù)國內(nèi)測井市場約30%的份額。據(jù)估算，中國核測井市場包括儀器設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)在內(nèi)，每年有數(shù)十億元的規(guī)模。

20世紀90年代以來，隨著低孔、低滲等復(fù)雜油氣藏的開發(fā)，以及計算機技術(shù)、通信技術(shù)和新材料的快速發(fā)展，核測井儀器趨向集成化、小型化，同時對耐高溫高壓性能的要求也不斷提高。核測井技術(shù)從測量儀器逐步演化為集成化的測量系統(tǒng)，從早期的模擬信號發(fā)展到數(shù)字信號傳輸、采集和控制，從脈沖計數(shù)發(fā)展到能譜分析，從測井曲線發(fā)展到描述復(fù)雜地層的測井成像。

世界核測井技術(shù)的最新進展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：① 核磁成像測井，利用聚焦和譜分析方法，得到地層不同方位的測井信息，研究地層特性；② 隨鉆測井[14]，應(yīng)用γ測井、補償中子測井、脈沖中子和核磁共振方法，實現(xiàn)鉆井過程中的實時測井，及時了解地層情況；③ 中子譜測井，利用中子非彈散射、活化、俘獲、衰減等效應(yīng)，測得相關(guān)γ能譜、時間譜，通過相關(guān)數(shù)據(jù)處理，獲取巖性、油水飽和度、孔隙度等多種地質(zhì)信息，提高地層評價準確性；④ 油井和油藏動態(tài)監(jiān)測，利用(脈沖)中子測井實現(xiàn)套管內(nèi)地層參數(shù)評價，利用氧活化測井實現(xiàn)井內(nèi)流體動態(tài)測量，利用γ示蹤劑實現(xiàn)吸水剖面測井和水力壓裂效果評價。

中國核測井技術(shù)雖取得了長足的進步，但是與世界先進水平相比，差距主要體現(xiàn)在：目前廣泛應(yīng)用的核測井技術(shù)，大多由國外發(fā)明；核測井儀器的關(guān)鍵設(shè)備器件，很多也是從國外引進或是在國內(nèi)組裝；國內(nèi)生產(chǎn)的一些測井儀器和電子器件，在質(zhì)量和可靠性方面也有待提高；在基礎(chǔ)方法研究和數(shù)據(jù)處理等軟科學(xué)方面也存在差距。

4 射線無損檢測

射線無損檢測技術(shù)具有非接觸、無損傷、無殘留、高精度等優(yōu)點，既可發(fā)現(xiàn)表層缺陷，又可探測內(nèi)部缺陷，既可用于金屬檢查，也可用于非金屬檢查，是五大常規(guī)無損檢測技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用在特種設(shè)備、航空航天、船舶、兵器、鐵路、汽車等行業(yè)[15]。

射線無損檢測技術(shù)已有100多年的歷史。20世紀70年代以前，膠片射線照相技術(shù)占據(jù)主導(dǎo)地位。隨著材料科學(xué)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機射線照相(CR)、數(shù)字輻射成像(DR)、計算機斷層成像(CT)、康普頓成像等新技術(shù)不斷出現(xiàn)，并獲得了快速的發(fā)展，推動射線無損檢測技術(shù)進入新時代。

4.1 計算機射線照相

20世紀80年代初，日本的富士膠片公司率先推出CR檢測系統(tǒng)。90年代中后期，日本柯尼卡、美國柯達、比利時Agfa等公司陸續(xù)推出各自的CR系統(tǒng)；荷蘭Philips、德國Siemens、美國GE等各大影像設(shè)備廠家也貼牌推銷OEM來的各種CR系統(tǒng)。歐洲在2005年頒布了世界上首項CR工業(yè)檢測標(biāo)準——EN 14784；美國也在2005年頒布了ASTM E2445和ASTM E2446兩項標(biāo)準，為CR技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用提供規(guī)范指導(dǎo)文件，保證CR檢測的成像質(zhì)量。歐美國家正在積極將CR技術(shù)應(yīng)用于承壓設(shè)備焊接接頭檢測、管道(包括海底管道)焊縫檢測、鑄件檢測以及在用壓力管道的腐蝕和剩余壁厚檢測等。

CR技術(shù)采用成像板(image plate, IP)代替膠片，無需暗室操作，但需專用讀出設(shè)備。IP成像板厚度小，可彎曲、裁剪、包裹在檢測物上，與膠片照相法幾乎具有相同的檢測工藝，同時具有圖像分辨率與膠片相當(dāng)，但探測效率更高、動態(tài)范圍更大、讀出速度快、可重復(fù)使用、數(shù)字化圖像易于保存和共享等優(yōu)點，CR技術(shù)被視為最可能替代膠片照相的新技術(shù)。

國內(nèi)還不能生產(chǎn)工業(yè)CR掃描設(shè)備及IP板，均需從國外進口，從而限制了CR技術(shù)在國內(nèi)工業(yè)檢測中的應(yīng)用與推廣。在標(biāo)準制定方面，我國依據(jù)美國ASTM E2445和ASTM E2446標(biāo)準，分別制定了GB/T 21386-2008《無損檢測-計算機射線照相系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性與鑒定方法》和GB/T 21355-2008《無損檢測-計算機射線照相系統(tǒng)的分類》[16]，促進了CR技術(shù)在我國的應(yīng)用。國內(nèi)CR技術(shù)主要應(yīng)用在鍋爐、壓力管道等焊縫檢測方面[17]。主要研究和應(yīng)用單位有中國特種設(shè)備檢測研究院、上海蘇州美柯達探傷器材有限公司、江蘇太湖鍋爐股份有限公司和廊坊北檢無損檢測公司等。

4.2 數(shù)字輻射成像

DR技術(shù)采用核輻射探測器將射線強度轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，可實時獲得數(shù)字圖像，不需要成像板及專用讀出系統(tǒng)，探測效率高、動態(tài)范圍可達104以上。

DR技術(shù)是在20世紀90年代發(fā)展起來，最初采用CCD作為信號轉(zhuǎn)換單元，隨著平板探測器(flat panel detector，F(xiàn)PD)的出現(xiàn)和逐漸成熟，CCD已逐漸被淘汰。平板探測器分為兩種：間接能量轉(zhuǎn)換型和直接能量轉(zhuǎn)換型。間接轉(zhuǎn)換型平板探測器由碘化銫閃爍晶體或硫氧化釓熒光體涂層、非晶硅層與薄膜晶體管(thin film transistor, TFT)陣列構(gòu)成，工作過程一般分為三步，首先閃爍晶體或涂層將X線的能量轉(zhuǎn)換成可見光，隨后非晶硅層把可見光轉(zhuǎn)化為電信號，最后由TFT陣列讀出。直接轉(zhuǎn)換型平板探測器主要由非晶硒層(amorphous selenium, a-Se)和TFT陣列構(gòu)成，入射的X射線直接在非晶硒層產(chǎn)生電子-空穴對，在外加偏壓電場作用下，被收集在像素電極上(收集的電荷量與該處的X射線強度相關(guān))，再由TFT陣列讀出。這種方式?jīng)]有從X射線到可見光(熒光)的中間過程，減少了信息損失，成像性能更好。

DR技術(shù)相比傳統(tǒng)的膠片成像技術(shù)，具有更高的量子探測效率和更短的成像時間，清潔環(huán)保，存儲成本低，可快速進行數(shù)據(jù)檔案搜索、調(diào)取和遠程傳輸?shù)?，但圖像分辨率低于膠片或CR，并且平板探測器不能像膠片或IP成像板一樣彎曲，導(dǎo)致在一些場合無法使用或檢測工效不如膠片和CR技術(shù)，限制了它的應(yīng)用。目前DR技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用更加普及。

以CR和DR為代表的射線數(shù)字成像檢測技術(shù)近年來得到了較快的發(fā)展，根據(jù)美國Varian公司2015年度報告，在醫(yī)用X射線透照成像領(lǐng)域，數(shù)字成像已經(jīng)完全替代膠片成像；在工業(yè)常規(guī)X射線檢測領(lǐng)域，低壓容器生產(chǎn)檢測的85%采用數(shù)字成像，高壓容器生產(chǎn)檢測的35%采用數(shù)字成像，10%的現(xiàn)場檢測采用數(shù)字化成像。我國也制定了相應(yīng)標(biāo)準，如GB 17925-1999、GB/T 19293-2003、GJB5364-2005等，指導(dǎo)和規(guī)范數(shù)字輻射成像檢測技術(shù)的推廣應(yīng)用。DR技術(shù)為產(chǎn)品數(shù)字化制造提供了條件，也帶動了缺陷自動識別技術(shù)的發(fā)展。目前，DR技術(shù)正向材料成分區(qū)分、多能成像檢測和大范圍厚度變化的復(fù)雜構(gòu)件成像檢測的方向發(fā)展。

4.3 工業(yè)CT

CT技術(shù)是20世紀70年代發(fā)展起來的一項先進的射線無損檢測技術(shù)，被公認為20世紀影響人類發(fā)展的十大技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷和工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

工業(yè)CT技術(shù)可在非侵入、無損傷狀態(tài)下獲得物體的二維斷層圖像和三維立體圖像，能探查物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成、裝配情況、材質(zhì)狀況、有無缺陷以及缺陷的性質(zhì)和大小等，配合三維圖像顯示技術(shù)，可直觀觀測物體內(nèi)部信息，并實現(xiàn)精準三維定位。CT技術(shù)不受工件材料、形狀結(jié)構(gòu)等因素影響，具有很高的空間分辨率和密度分辨率，從而可檢測出非常小的缺陷和極其細微的密度變化，是國際上無損檢測界公認的最佳無損檢測手段。除此之外，CT技術(shù)還可用于逆向工程(物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與尺寸度量)、海關(guān)貨物查驗(違禁品識別)、安全檢查(爆炸物等危險品探測)以及科學(xué)研究(微納結(jié)構(gòu)分析)等領(lǐng)域。

CT技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用始于20世紀70年代末[18]，美國SMS公司和IDM先后推出兩個系列工業(yè)CT產(chǎn)品(CITA200系列和IRISTM系列)進入美國無損檢測市場。1988年，美國ARACOR公司研制出2 MeV的ICT1500型高能X射線工業(yè)CT，并于1990年升級為9 MeV，可對1.5 m直徑的固體火箭發(fā)動機進行CT掃描成像。之后，德國、加拿大、日本、蘇聯(lián)等均推出了各自的工業(yè)CT產(chǎn)品。本世紀以來，新型CT技術(shù)，如超大型超高能加速器工業(yè)CT、超高分辨率微焦CT、能譜CT、相襯CT等不斷發(fā)展和完善，使得CT成像方式進一步多樣化，適用范圍更廣，工業(yè)CT日益成為不可替代的無損檢測和質(zhì)量檢驗手段。

我國的工業(yè)CT技術(shù)研究起步較晚。1988年，清華大學(xué)采用137Cs源建成一臺單探測器的CT臺架，獲得了瑪瑙中水膽的斷層圖像，是國內(nèi)研制較早的工業(yè)CT裝置。1990年，清華大學(xué)和北京航空621所合作，研究了檢測陶瓷零件的微焦點CT系統(tǒng)。1993年以后，重慶大學(xué)、中科院高能所和東北大學(xué)等先后推出了γ射線工業(yè)CT產(chǎn)品，采用60Co和137Cs射線源?！熬盼濉逼陂g，華北工學(xué)院開展了高能X射線CT及DR的研制。重慶大學(xué)、中國計量院等單位也相繼開展普通X射線源CT研制工作，并有產(chǎn)品交付用戶使用。2000年以來，國內(nèi)多家單位開展了工業(yè)CT系統(tǒng)的研制工作，其中清華大學(xué)、北京固鴻科技、重慶大學(xué)和中國工程物理研究院研制的高能及大型工業(yè)CT系統(tǒng)引人注目，相繼通過技術(shù)驗收或鑒定，達到了國際先進水平。這些工業(yè)CT有基于平板探測器的三維錐束CT系統(tǒng)，也有基于線陣探測器的二維扇束CT系統(tǒng)，能量最高可達15 MeV，能檢測直徑2 m、高6 m、重達數(shù)十噸的物體。大型及高能工業(yè)CT系統(tǒng)的研制成功，標(biāo)志著我國在尖端檢測技術(shù)領(lǐng)域擺脫了受制于國外的局面，在我國無損檢測發(fā)展史上具有重要的意義。目前我國已能完全自主研發(fā)生產(chǎn)2～15 MeV的高能工業(yè)DR/CT系統(tǒng)。

除高能X射線工業(yè)CT外，中低能X射線工業(yè)CT、微焦點工業(yè)CT和γ射線工業(yè)CT也獲得了快速發(fā)展和應(yīng)用。中低能X射線CT以160～450 kV的X光機作為射線源，靶點0.4～1.0 mm，功率750～1 500 W，一般采用平板探測器，以錐束掃描為主。因所用X射線的能量低，穿透能力較弱，適合檢測小型工件，但能獲得更高的圖像分辨率，尤其對低密度物質(zhì)具有很高的圖像反差靈敏度。微焦點CT通常采用20～240 kV的X光機作為射線源，靶點0.8～15 μm，采用平板探測器，像素尺寸50～400 μm，利用幾何放大或X射線顯微技術(shù)，可獲得微納米量級的分辨率，實現(xiàn)精細結(jié)構(gòu)分析。國產(chǎn)微焦點CT的空間分辨力可達250～500 nm，檢測工件直徑1～5 mm。

γ射線工業(yè)CT以放射性同位素(如60Co、137Cs，192Ir等)作為射線源，探測器采用平板型或線陣型。相比X射線，γ射線CT具有一些獨特的優(yōu)點，如不存在射束硬化現(xiàn)象，不需要進行復(fù)雜的硬化校正；射線能量較高，能檢測較大的工件；不需要復(fù)雜的供電及輔助設(shè)備，非常適合工件固定而需要檢測設(shè)備旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用場合等。目前，研究和生產(chǎn)γ射線工業(yè)CT的單位主要有清華大學(xué)核研院，分別于2003年、2011年和2015年研制成功大型客體CT檢測系統(tǒng)、高精度廣譜DR/CT和多層螺旋CT，以100 Ci的60Co、450 kV的X光機或二者組合作為射線源，缺陷分辨能力可達40 μm，密度分辨率優(yōu)于0.5%，既可檢查航空集裝箱、轎車等大型客體，也可以檢測直徑幾十公分的零部件，還可用于高溫氣冷球床堆的堆芯燃料球運動規(guī)律研究[19]等。

目前CT技術(shù)研究熱點和發(fā)展趨勢主要有：① 能譜CT，可同時獲取不同能段的X射線CT圖像，進而獲得物體電子密度、原子序數(shù)的分布信息，可進行物性判別或材質(zhì)識別；② 不完備投影的圖像重建技術(shù)，在一些無法獲得足夠投影數(shù)據(jù)的情況下，采用特殊手段彌補信息缺失的不足，提高重建圖像質(zhì)量；③ 基于面陣探測器的錐束CT，提高了射線利用率及檢測速度；④ 相位襯度CT，根據(jù)X射線衍射和干涉原理，利用“分振幅”技術(shù)進行干涉成像，檢測射線通過工件后的相位變化，對于弱吸收物質(zhì)可顯著提高檢測靈敏度；⑤ 微納CT技術(shù)，圖像分辨率可達到μm甚至nm級，滿足微納結(jié)構(gòu)分析的需求。

4.4 中子成像

1932年英國物理學(xué)家Chadwike發(fā)現(xiàn)中子，隨后中子照相研究就開展起來。最早的研究工作是1935年德國首次利用加速器中子源進行中子照相，后來由于世界大戰(zhàn)的爆發(fā)，研究工作受到了影響，直到1947年才公布當(dāng)時的研究成果。核反應(yīng)堆的出現(xiàn)為中子照相提供了高質(zhì)量的中子源，是中子照相技術(shù)迅速發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。1956年在英國的Harwell反應(yīng)堆上第一次獲得了高質(zhì)量的中子照相圖像。60年代初期，由于對放射性材料結(jié)構(gòu)檢測的迫切需求，眾多學(xué)者投入到中子照相研究工作中，比如，1963年Berger和Beck使用中子照相檢測具有高放射性的反應(yīng)堆核燃料，解決了帶放射性材料無法檢測的難題；1966年Rhoten和Carey用中子照相檢測小型爆炸裝置，確保其金屬和非金屬部分正確組裝；1976年Edenborough使用中子照相檢測航空發(fā)動機渦輪葉片殘余型芯，解決了葉片殘芯難以檢測的難題。之后，中子照相技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴大，不但在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，在航空航天、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、考古、建筑等領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用。

與X射線在物質(zhì)中的衰減近似與物質(zhì)原子序數(shù)成正比不同，中子的衰減與物質(zhì)原子序數(shù)的關(guān)系比較復(fù)雜，對一些輕元素(如氫、氦等)和某些特定元素衰減系數(shù)比較大，而對鉛、鐵等重物質(zhì)衰減系數(shù)反而很小，另外中子不帶電，穿透能力強，因此中子照相與X射線檢測具有很強的互補性。由于中子的這些特殊性質(zhì)，中子照相技術(shù)在檢測高質(zhì)量厚度工件、帶放射性工件、氫含量較高的物質(zhì)及某些特殊工件方面得到了大量應(yīng)用。此外，中子照相技術(shù)還可以甄別原子序數(shù)相近的元素或同位素，具有其他無損檢測方法所不具備的獨特優(yōu)勢。

中子照相技術(shù)的內(nèi)涵也逐漸擴大。早期研究的是基于反應(yīng)堆的熱中子照相，應(yīng)用也最廣泛，因熱中子反應(yīng)截面大，且反應(yīng)堆可提供優(yōu)質(zhì)的熱中子束。目前快中子照相和冷中子照相也在發(fā)展之中。歐洲成立了中子照相合作組織COST524，實現(xiàn)了組織內(nèi)部信息與裝置的共享，1998年組建了中子CT與計算工作組，推動了中子照相技術(shù)發(fā)展；美國Los Alamos國家實驗室利用中子CT裝置進行了庫存武器可靠性研究；美國航空航天局(NASA)、許多研究機構(gòu)和大學(xué)都建有中子CT裝置，將其用于火工品、重金屬組件、復(fù)合材料等的無損檢測與質(zhì)量控制；全日本共有12個中子照相中心，其中大多擁有先進的中子CT裝置，京都大學(xué)、名古屋大學(xué)和日本原子能研究所是日本主要的中子照相研究中心。中子成像如今已淘汰膠片成像，取而代之的是先進的CCD相機、NIP (neutron imaging plate)等數(shù)字成像系統(tǒng)，從靜態(tài)中子照相已發(fā)展到動態(tài)實時中子照相、三維中子CT和中子全息成像，從傳統(tǒng)的中子透射成像發(fā)展到利用中子波動性的中子相襯成像。

我國的中子照相技術(shù)研究工作始于20世紀60年代初[20]，由于起步較晚，目前技術(shù)相對落后，但很多科研人員通過長期的努力也取得了不少成果。國內(nèi)首批建成并投入使用的中子照相系統(tǒng)是基于清華大學(xué)901反應(yīng)堆(目前已退役)，曾用于土壤中植物根系的生長研究和航天導(dǎo)爆索檢測。目前可用的有中國工程物理研究院的SPRR-300反應(yīng)堆、中國原子能科學(xué)研究院的CARR反應(yīng)堆和北京大學(xué)4.5 MV靜電加速器中子照相系統(tǒng)等。2012年由中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所牽頭，承擔(dān)科技部重大儀器專項“基于小型加速器中子源的可移動式中子成像檢測儀”，目前已研制成功，并在航空發(fā)動機葉片及航天火工品等質(zhì)量檢測方面得到了應(yīng)用[21]。從事中子加速器研制工作的還有蘭州大學(xué)和清華大學(xué)等。

盡管反應(yīng)堆中子源得到的檢測圖像質(zhì)量優(yōu)異，但其體積龐大、造價高昂以及專業(yè)性強，不適合現(xiàn)場檢測和用戶自主檢測，嚴重地限制了中子照相技術(shù)的進一步推廣。目前中子加速器的技術(shù)得到較大發(fā)展，在一定程度上實現(xiàn)了小型化，其外形尺寸可達到長2 m，寬0.5 m，高1.7 m以內(nèi)，中子產(chǎn)額可以達到1011量級，是中子照相的一種較為理想的選擇。隨著中子物理和各項技術(shù)的發(fā)展, 小型密封中子管的性能也逐步完善，中子產(chǎn)額有所提高，靶的耐受溫度可達150 ℃，使用壽命進一步延長，使得其應(yīng)用更加廣泛。由于中子管自身獨有的優(yōu)點，幾十年來全世界范圍內(nèi)都在進行中子管的研究開發(fā)工作。美、俄、德、法、澳等國均有自己的系列產(chǎn)品推出，我國的東北師范大學(xué)、西安石油勘探總廠、中國原子能科學(xué)研究院等也在開展這方面的工作。最近幾年的研究焦點是解決中子管的產(chǎn)額和壽命問題。

5 輻照加工

輻射加工是指利用放射性同位素產(chǎn)生的γ射線或加速器產(chǎn)生的X射線/β射線(電子束)輻照物體，使其品質(zhì)或性能得以改善的過程。輻射加工技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是輻射消毒、輻射改性、環(huán)保處理和半導(dǎo)體器件處理[22]。

輻射消毒的處理對象主要是醫(yī)療器械、食品與農(nóng)副產(chǎn)品、進出口商品等。消毒滅菌裝置主要是鈷源輻照裝置和大功率高、中、低能加速器，而高能大功率加速器有逐步取代鈷源輻照裝置的趨勢。與傳統(tǒng)消毒方法相比，輻射消毒具有許多優(yōu)點：① 非接觸，對包裝沒有要求；② 輻照后可立即使用，不需要冷卻或靜置；③ 無殘留，不產(chǎn)生二次污染；④ 滅菌速度快，效果好，可連續(xù)作業(yè)，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；⑤ 在常溫下進行，尤其適合熱敏材料和食品，能保持食品原有風(fēng)味；對鮮活食品，輻照可促進早熟，抑制發(fā)芽，減少農(nóng)產(chǎn)品腐爛損失。

輻射改性是利用高分子化合物在射線照射下會發(fā)生輻射化學(xué)反應(yīng)，使化合物的化學(xué)鍵發(fā)生交聯(lián)或斷裂，進而改善化合物的性能。主要輻射化學(xué)反應(yīng)有輻射交聯(lián)、輻射固化、輻射接枝和輻射裂解。輻射改性一般使用60Co輻照裝置和電子束加速器，典型應(yīng)用是對電線電纜、熱縮材料等高分子聚合物進行輻照。經(jīng)輻照交聯(lián)后，電線電纜的耐溫性、耐老化性和化學(xué)穩(wěn)定性顯著提高，耐磨性、抗張強度、抗壓性、抗撕裂、抗剪切等機械與力學(xué)性能大為改善，電學(xué)性能也有提高，可作為高壓輸電、航空航天、海上石油開采、核電等使用的特殊電纜。聚乙烯、聚氯乙烯和橡膠經(jīng)過輻照后，阻熱性、耐化學(xué)腐蝕性和力學(xué)強度等都得到明顯改善。經(jīng)交聯(lián)處理的高分子絕緣材料廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、通訊和家電行業(yè)。

在污染處理方面，輻射技術(shù)為難以處理的污染物提供了新的凈化途徑。用放射性同位素(如60Co和137Cs)或電子束加速器對廢水、污泥進行處理，可殺死細菌和病原體，加速有機物的降解，將污水中可溶性的重金屬化合物還原成不溶于水的化合物，從而將其沉淀分離。將輻射技術(shù)與其他廢水處理技術(shù)聯(lián)用，具有協(xié)同效應(yīng)，能提高處理效果。輻射技術(shù)還可通過輻射交聯(lián)、輻射裂解等反應(yīng)，對固體廢棄物中的天然高分子物質(zhì)(如甲殼素、纖維素等)及合成高分子物質(zhì)(如塑料、橡膠等)進行處理，改變其物理化學(xué)性質(zhì)，從中提取有用物質(zhì)，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。在大氣污染處理方面，電子束煙氣脫硫脫硝技術(shù)經(jīng)過三十多年的發(fā)展已經(jīng)達到工業(yè)化應(yīng)用水平，其脫硫、脫硝率分別達90%、80%以上，且不產(chǎn)生廢水廢渣，無二次污染，副產(chǎn)品為硫銨和硝銨混合物，可作為化肥。該方法對于不同煙氣量和SO2含量具有較好的適應(yīng)性和負荷跟蹤性，在消除污染的同時，還實現(xiàn)了硫氮資源的綜合利用。

離子束注入技術(shù)能顯著提高半導(dǎo)體器件的性能。例如，將氧離子注入到半導(dǎo)體硅片上，在很薄的單晶硅層下形成絕緣的SiO2層，這種材料稱為SOI(silicon on insulator)，具有功耗小、響應(yīng)快、體積小等優(yōu)點，在軍用和民用上都有很好的前景。電子束和離子束刻蝕是超大規(guī)模集成電路制造的重要手段，能夠達到10 nm的分辨率。

近30年來，在改革開放的大環(huán)境影響下，我國輻射加工產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)業(yè)化進程較快，已形成一定的能力，產(chǎn)業(yè)規(guī)模有了較快增長，年均增速超過15%，成為世界公認的發(fā)展最快國家。到2010年底，我國輻射加工產(chǎn)業(yè)的規(guī)模已達到350億元；有電子加速器輻照裝置160臺(套)，總功率9 000 kW；有γ輻照裝置150座，總裝源量達4 500萬居里[22-23]。

6 建議與展望

射線技術(shù)在我國工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)歷半個多世紀的發(fā)展，學(xué)術(shù)研究與技術(shù)開發(fā)已基本跟上國際先進水平，在某些領(lǐng)域甚至處于世界引領(lǐng)地位，這有賴于國家的大力支持、廣大科技工作者及企事業(yè)單位的努力奮斗。

以大型客體輻射成像為例，我國取得目前的國際領(lǐng)先地位，國家需要與大力支持是首要因素。從“八五”開始，國家一直在科研領(lǐng)域提供有力的支持，發(fā)展之初在推廣應(yīng)用上更是給予了強力扶持，培育出同方威視和華力興等產(chǎn)業(yè)單位，并逐步成長為國際領(lǐng)先的設(shè)備與技術(shù)提供商。在整個產(chǎn)業(yè)化過程中，同方威視、華力興等產(chǎn)業(yè)單位和清華大學(xué)等科研單位也把握住了時代的機遇，產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，銳意創(chuàng)新，掌握了從射線源到探測器到算法的核心技術(shù)，保證了產(chǎn)業(yè)安全以及技術(shù)與成本優(yōu)勢，將機遇轉(zhuǎn)換成市場占有率，目前占據(jù)國際市場70%以上份額，每年創(chuàng)造數(shù)十億元的產(chǎn)值。

在國家的支持和科技工作者的努力下，一些基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)上游核心部件也有較大進展，比如工業(yè)CT用平板探測器，雖然幾乎被美國PerkinElmer、Varian、法國Thales等公司壟斷，但國內(nèi)企業(yè)如上海奕瑞影像科技有限公司和江蘇康眾數(shù)字醫(yī)療設(shè)備有限公司均已推出了醫(yī)用平板探測器產(chǎn)品，價格僅為國外的1/4～1/3，工業(yè)用產(chǎn)品已處于試用和推廣階段。還有國內(nèi)大部分閃爍體探測器市場基本被日本濱松公司和芬蘭DEETEE公司壟斷，但國內(nèi)一些單位如上海硅酸鹽研究所等也已經(jīng)可以生產(chǎn)多種閃爍體晶體，并占據(jù)一定市場份額。

近幾十年來我國射線技術(shù)的應(yīng)用取得巨大的進展，創(chuàng)造了巨大的社會與經(jīng)濟效益，但目前依然面臨很大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

① 射線技術(shù)的民眾接受度有待提高，核儀器特別是同位素設(shè)備應(yīng)用的法律程序比較繁瑣，這些因素阻礙了核儀器設(shè)備的推廣應(yīng)用。除非必不得已，一般不會首選核儀器設(shè)備，導(dǎo)致很多場合核技術(shù)被取代。從業(yè)人員素質(zhì)良莠不齊，比如南京放射源丟失案，就是典型的人為責(zé)任事故，造成惡劣的社會影響。提高國民認知與從業(yè)人員素質(zhì)是發(fā)展的基礎(chǔ)。

② 一些高端核儀器儀表，在設(shè)備研制方面，技術(shù)已不是制約瓶頸，主要在推廣應(yīng)用方面。比如高端厚度測量設(shè)備(如高精度測厚儀、板型儀等)，一方面由于國外公司起步早，其產(chǎn)品早已占據(jù)市場；另一方面，進口的生產(chǎn)設(shè)備如軋機、涂布機等，其國外廠家一般會優(yōu)先推薦國外成熟的測厚設(shè)備作為配套，這也增加了國產(chǎn)高端設(shè)備的推廣難度。此外，國有大型企業(yè)采購人員不愿為了價格便宜而去承擔(dān)采購國產(chǎn)設(shè)備所帶來的風(fēng)險，而民營企業(yè)雖對價格敏感度高，但采購高端設(shè)備的動力不足。在此方面，急需國家的政策扶持。

③ 產(chǎn)業(yè)鏈尚不完整，基礎(chǔ)不牢。一些核心部件不能自主生產(chǎn)，在很多領(lǐng)域仍受制于人。在核技術(shù)產(chǎn)業(yè)中，我國處于整個產(chǎn)業(yè)鏈的中下游，如探測器制造所需要的閃爍晶體、半導(dǎo)體材料(高純鍺)、PD和SiPM，還有平板探測器、關(guān)鍵電子芯片等主要依賴進口；工業(yè)CT用高性能X射線機幾乎完全依賴進口，由美國Varian、GE、瑞士Comet等少數(shù)幾家公司壟斷。在一些缺乏短期經(jīng)濟性的基礎(chǔ)領(lǐng)域，需要國家給與一定力度的支持，建立起穩(wěn)定的零部件研發(fā)與供應(yīng)體系，保障整個核技術(shù)產(chǎn)業(yè)安全。

在技術(shù)方面，射線技術(shù)將呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢：① 向自動化、專業(yè)化和智能化方向發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)、AI人工智能將深度融合進來；② 測量精度和響應(yīng)速度不斷提升；③ 核與非核多種技術(shù)集成，具備多參數(shù)測量能力；④ 新型核測量技術(shù)與設(shè)備不斷涌現(xiàn)；⑤ 中子技術(shù)因其獨特優(yōu)勢將得到進一步發(fā)展。

總之，射線技術(shù)的應(yīng)用已深入到工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，是經(jīng)濟社會發(fā)展不可或缺的組成部分。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，各行各業(yè)將對射線技術(shù)提出更多、更高的要求，同時也會為其發(fā)展注入新的活力和動力、提供更雄厚的基礎(chǔ)與資金支持，射線技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景，在工業(yè)生產(chǎn)和社會生活方面的應(yīng)用也將更上一個新的臺階。