核技术及其在钢铁工业科学应用

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1、1 核 技 术 及其在钢铁工业中的应用 成都理工大学核技术工程系 赖万昌教授 2006年冬于宝钢 2 1.什么是核技术？ 2.核技术能干什么？ 3.核技术在钢铁工业有那些 用武之地？ 4.核辐射的安全性如何？ 3 1.什么是核技术？ 2.核技术能干什么？ 3.核技术在钢铁工业有那些 用武之地？ 4.核辐射的安全性如何？ 4 1964年10月14日9时我国第一颗原子弹首爆成功时产生的蘑菇云 5 1个235U原子裂变释放的能量：200MeV 1g235U原子裂变释放的能量：8.21010J（2.58t优质煤或20t TNT） 6 7 8 9 10 11 宝钢CM08 热镀锌机组镀层测厚测量系统 1

2、2 13 什么是核技术？ u广义的核技术研究和应用与“核”有关的技术 u具体的核技术核武器、核能源、核动力、 u历史上的核技术军用核技术、民用核技术 u现在的核技术： 1) 核武器核弹、核舰船 2) 核能与核动力(核工程)反应堆、核材料 3) 核技术(非动力核技术)同位素与辐射技术 14 非动力核技术(按技术特征划分) u同位素示踪技术 u核成像技术 u核分析技术 u核检测技术 u辐射工艺 u核年代学 u支撑技术 15 非动力核技术(按领域划分) u核医学 u核农学 u核分析 u(工业)核检测 u辐射加工 u食品、卫生 u其它 16 核技术的地位： u是当代最主要的尖端技术之一；是社会现代化的

3、标 志之一；是一个国家科技实力和科技水平的象征。 u是20世纪20项最伟大的工程技术成就之一。（由美国 工程技术界评出) u具有巨大的社会经济效益。 1993年，美国核技术的非动力应用对美国经济的贡献达 到2570亿美元，是核电的3.5倍，占美国GDP的3.9，并创 造了370万个就业岗位，是核电的3.5倍。 2004年，中国核技朮总产值 400亿元人民币。今后5年 将达到1000亿元人民币，并长期保持在15以上的增长速 度。 17 1）电力系统 11）高速公路 2）汽车 12）航天 3）飞机 13）因特网 4）自来水 14）成像技术 5）电子技术 15）家用电器 6）无线电和电视 16）保健

4、设施 7）农业机械化 17）石油化工 8）计算机 18）激光和光纤 9）电话 10）空调制冷 20）高性能材料 20世纪20项最伟大工程技术成就 美国工程技术界评出2000/10/11 19）核技术 18 核技术大事记 u1895 伦琴发现X射线。 u1897 居里夫人 发现放射性。 u1901 用镭治疗皮肤病。 u1932 人工制造放射性同位素。 u1938 Hahn等发现235U核裂变。 u1939 Pierre Curie和Fermi发现链式核反应。 u1942 Fermi在芝加哥大学建立第一个核子反应堆。 u1945 原子弹（我国1964）。 u1952 氢弹（我国1967）。 u19

5、55 核潜艇（我国1971）。 u1957 核电站（我国1983，秦山一期开工）。 19 1.什么是核技术？ 2.核技术能干什么？ 3.核技术在钢铁工业有那些 用武之地？ 4.核辐射的安全性如何？ 20 1)同位素示踪技术 将可探测的放射性核素添入化学、生物或 物理系统中，从而追踪化学、生物或物理发生 的过程、运行状况或研究物质结构等。 v化学反应过程； v动态、定量地研究生命现象； v免疫化学、疾病的诊断； v工程问题； v地质科学，等等。 21 22 133Xe-地下管道检漏 23 24 世界上第一张世界上第一张X X光照片光照片 u医学CT(MCT) X射线断层扫描(XCT) 核磁共振C

6、T(NMR-CT) 正电子发射CT(PET) 同位素单光子发射CT(SPECT) 康普顿散射CT(CST) 穆斯堡尔效应CT u工业CT(ICT) X射线CT 伽玛射线CT 2)核成像技术 25 核素扫描机 26 相机 27 CT/PET 28 u计算机断层成像技术(CT) Computerized Tomography ：是一种重要的无损检测 技术，是物理学与计算机科学的发展产物。基于射线 与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检 测物体的数字图像。 u通过测量在不同的方位角下射线穿透被检测物件后的 投影强度，计算出物件横截面上的衰减系数分布，转 换成像屏显示的断层成像。 uCT装置所

7、得到的是被检客体的断层图像。在此图像上 ， 客体内各部分是分离的，而图像的灰度值正比于物 质的密度。由于各种物质都有自己特定的密度，因而 可能由CT图像灰度值来确定被检客体的材料性质。 CT的基本原理 29 ICT的应用 u无损检测 质量控制、物件的组成、结构、材料等 精密器件的内部探伤 u安全检测 集装箱安全检测 航空箱检测 打击走私 30 u集装箱CT 31 源 前准直器 集装箱 拖动装置 后准直器 阵列探测器 数据采集系统 图像处理系统 探测装置示意图 阵列探测器说明：采用超高压气体阵列电离室，共512 个探测单元，用来测量射线穿透集装箱后的射线强度 。呈扇形排列在以放射源为圆心的弧线上

8、，并与经准直 器准直的射线束精确对准。 32 福来尔轿车透视图 上图：水平透视图；下图：垂直透视图 汽车内部结构扫描 33 CT 截面扫描图 左图：前轮部位；右图：后轮部位 从中可以清晰看出前轮部位减震器弹簧、轮胎等的结构 截面，后轮部位的备胎、车厢等截面也很清晰。 34 卡车扫描图象 Image from Newsweek, taken at the border crossing from Guatemala to Mexico 35 集装箱检测 36 集装箱和车辆检测系统 Fixed Position Truck Scanner Mobile Truck and Cargo Scanne

9、r 37 安全检测 u物性判别：汽油、炸弹等危险物品 u例如， 同是液体的水和汽油的密度分别是1.0 和0. 7 ， 很容易区分。 航 空 箱 的 断 层 图 像 箱中有3个塑料瓶子, 里面灌满了汽 油(左瓶)、水(中瓶) 或是一半汽油 一半水(右瓶)。从图中可以清晰看 到瓶中不同性质液体的灰度明显不 同。此外, 在一盒黄油脂内埋藏一 块肥皂, 利用断层图像也能轻易分 辨出来。图中两个灰度不同的圆分 别显示聚乙烯棒和聚四氟乙烯棒的 截面。此图像充分表明CT 检测系 确实具备了物性判别的功能。 38 航 空 箱 的 断 层 图 像 箱中有3个塑料瓶子, 里面灌满了汽油(左瓶)、水(中瓶) 或是一

10、半汽油一半水(右 瓶)。从图中可以清晰看到瓶中不同性质液体的灰度明显不同。此外, 在一盒黄 油脂内埋藏一块肥皂, 利用断层图像也能轻易分辨出来。图中两个灰度不同的 圆分别显示聚乙烯棒和聚四氟乙烯棒的截面。此图像充分表明CT 检测系确实 具备了物性判别的功能。 39 安全控制质量控制 小型X射线检测系统 40 XCT 41 uX射线荧光分析(ED、WD、TR) u粒子诱发荧光分析（P、e） u微束（微区）分析 u中子活化分析 u粒子束分析 u背散射分析 3)核分析技术 42 核子密度计泥沙计 浓度计品位仪 核子(皮带)秤核测井 射线测厚仪其它核检测技术 灰分测量、煤质检测 核子料(液)位计、 核

11、子料(液)位开关 水份计 4)核检测技术 43 1)食品保鲜：g 辐照灭菌 2)辐射消毒： g 辐照灭菌 3)辐射灭害： 4)辐射育种： g 辐照导致遗传基因变异 5)辐照治疗：放射性治疗 6)辐照交联：辐照活化 7)辐照降解：辐照活化 8)电子脱硫、脱硝 9)辐射加固 5)辐射加工技术 44 u地质时代 u考古 u文物鉴定 6)同位素测年技术 45 光刻与微加工 7)核技术的其它应用 辐射线 光刻微加工示意图 同步辐射光的准直性好 、强度高和衍射极小的优 点，大大缩小光刻线的线 宽。 光刻： 掩膜 基底 抗蚀结构 显影 同步辐射已经可以制造 0.07mm的芯片。 抗蚀剂 46 美国IBM公司

12、光刻线宽为0.25微米的芯片 47 微型齿轮与蚂蚁 微型齿轮 高度: 150m 直径: 260m 超微加工： 上世纪80年代发展 了一种叫做LIGA的技术 ，它可以制作微齿轮、 微马达、微泵、微照明 灯具、微传感器等。 这种微机械加工可 得到线条宽度为几个或 几十个微米、高度为几 十到几百微米的机件。 48 核技术防伪 烟雾报警系统 49 原子电池 美国最新研制的63Ni原子电池具有体积小（1mm3 以下）、使用寿命长，可不间断供电50年以上等特点 ，有望解决微电子机械系统（MEMS，尺度在1.0微米 1.0毫米 ）能源供应的难题。 微型63Ni原子电池的研制成功将是能源研究的一个 重大突破，

13、并使MEMS在航天、医学、生物、国防等应 用方面真正发挥其优势。 50 1.什么是核技术？ 2.核技术能干什么？ 3.核技术在钢铁工业有那些 用武之地？ 4.核辐射的安全性如何？ 51 核检测技术(1)核子密度计 u用途： 各种料液浓度的在线检测和控制。也可通过密度而间接测 定出料液中某种成分的含量、以及两种物料的本比等。 例如：选矿工艺中矿浆和浮选液浓度的在线检测和控制； 油田和石油化工过程中油品含水率的测定；选煤厂选煤液密度 的检测和控制；化工厂酸、 碱、盐的浓度以及各种成分 配比的在线检测；造纸厂纸 浆浓度的测定和控制；江河 中水流含沙量的测定。 52 核检测技术(1)核子密度计 u参数

14、： 1)测量范围：浓度0100。 2)适应管径：直径50500mm。 3)精确度等级：0.1%1%。 4)基本误差：量程的0.1%1% 5)长期稳定性：0.1%。 53 54 核检测技术(2)核子(皮带)秤 u原理：利用物料对射线的吸收原理。放射源发出的射线穿过 穿透输送机上的物料后，强度减弱，物料越多，减弱的程度越大 ，探测器接受的射线强度也减少，根据探测器输出脉冲数变化， 就可以测出输送机上物料的多少。如果同时测出输送速度，则物 料对速度之积分就是单位时间传送物料的重量。 55 核检测技术(2)核子(皮带)秤 u参数： 1)流量在20100范围内累计量误差低于0.5% 。 2)秤体：温度-

15、3060，湿度90。 3)适用于输送宽度2000mm以下。 4)探头距主机最大距离500米。 56 核检测技术(3)料位计及料位开关 u原理： 检测射线穿透料仓或管道中 物料后的强度，根据射线强度的变 化来计算、判断物料的料面水平， 控制物料的输送。 放射源安装在料仓或管道的 一侧，探测器安装在另一侧。 57 核检测技术(3)料位计及料位开关 u用途： 用于工业过程中对料位和液位进行定点检测和报警控制 ，适合于各种恶劣环境下长期使用。也可用于对运动状态的 设备和工件进行定位检测或定位控制。更可推广应用到对运 动物体的速度和长度、宽度进行非接触式检测。 如可用于矿山、煤炭、电力、钢铁、冶金、水泥

16、、化肥 、化工等系统进行料位上下限的检测和报警控制；可用于矿 车、料斗油罐等的灌装控制，运输车、斗的遥控定位。高温 、高压、腐蚀性液体的液位控制。食品、饮料自动生产线的 罐装自动控制等。 58 核检测技术(3)料位计及料位开关 u参数： 1)发信误差1mm。 2)使用环境：温度：-4050摄氏度； 相对湿度90%。 3)供电电源:+15V。 59 60 核检测技术(4)射线测厚仪 1)射线测厚仪 61 u射线测厚仪能在线、非接触式的测量导体非导体 的厚度，测量精度高而且量程大。 u具有较强的扩展性和高精度的模拟数字转换电路。 u可以进行计算机远程控制，可视化界面操作，以及 相应的数据处理。 射线测厚仪的特点： 62 仪器结构： 63 测量位置变动引起的误差： v当被测物体偏离正常位置上下运动时，测量值也会有所变化。 v一般来说，被测物体偏离正常位置而靠近探测器所引起的误差 偏大，反之则较小。 温度