0 引言
矿用核子秤是基于γ射线被物料吸收而减弱的原理，对散状固体物料进行连续累计自动称重的计量器具[1]。矿用核子秤的γ射线多用同位素137Cs源产生，γ射线是单一波长的电磁波，物料对γ射线的吸收系数是固定常数，因此矿用核子秤计量精度高、线性度好，但同位素137Cs具有放射性，存在一定的辐射危害[2-5]。鉴此，在矿用核子秤的基础上，提出了采用防爆型X射线源替代同位素137Cs源的矿用X射线核子秤。矿用X射线核子秤保留了矿用核子秤的非接触式计量特性，计量精度不受胶带张力变化的影响。另外防爆型X射线源在交流电源关闭后没有X射线产生，不存在辐射残留问题，也不需考虑废源处理的问题，对环境影响小[6]，易于推广。但受X射线稳定性低的影响，矿用X射线核子秤的计量稳定性相对较差。因此，本文从防爆型X射线源和矿用X射线核子秤计量零点2个方面入手，研究提高矿用X射线核子秤计量稳定性的方法。
1 矿用X射线核子秤基本原理
矿用X射线核子秤由防爆型X射线源、防爆型X射线探测器、本安型速度传感器和隔爆兼本安型计量仪表、支架组成，如图1所示。防爆型X射线源产生一定能量和强度的X射线；防爆型X射线探测器检测穿过物料后剩余X射线的能量和强度；隔爆兼本安型计量仪表接收X射线探测器输出信号并计算X射线穿过物料后的衰减量，得到胶带上物料载荷，同时结合本安型速度传感器测得的胶带运行速度，得到输送机流量、班产量。
图1 矿用X射线核子秤组成
Fig.1 Composition of mine-used X-ray nuclear scale
2 X射线的产生及特性
防爆型X射线源的核心部件包括X射线源控制器、X射线管和直流高压电源[7-10]。X射线源控制器控制直流高压电源的接通、调整及各种保护的实施。X射线管的阴极灯丝通电加热后产生电子，电子在直流高压电场的加速作用下飞向阳极，高速运动的电子撞击阳极靶面后产生X射线。
X射线管电压大小决定了为电子加速的高压电场大小，从而决定了X射线能量。X射线强度与X射线管电流、阳极靶物质的原子序数、X射线管电压的平方呈正比[11-13]。X射线的稳定性取决于防爆型X射线源的稳定性，涉及X射线的能量和强度。
3 提高矿用X射线核子秤计量稳定性的关键技术
3.1 提高防爆型X射线源稳定性
为克服X射线管老化引起的X射线强度减小，在防爆型X射线源内加装监控网络模块，同时利用X射线探测器监测X射线源输出的X射线能量和强度。在输送机空载条件下，停机固定某一点对X射线源进行标校，确定X射线参数(能量和强度)与X射线源控制器参数(管电压和管电流)的对应关系。X射线源工作时，监控网络模块接收由计量仪表发送的X射线探测器检测到的X射线参数，并与设定的X射线参数(通过设定的X射线源控制器参数获得)进行比较，确定X射线源输出的X射线参数的变化量，从而调整管电压、管电流来保持防爆型X射线源输出的X射线参数恒定。
3.2 提高矿用X射线核子秤计量零点稳定性
计量零点是矿用X射线核子秤计量的基准，指输送机空载运转1周时，X射线探测器接收到的X射线剂量率的平均值。为提高计量零点的稳定性，提出了X射线源的源强零点概念，即输送机空载运转1周时，用标校好的防爆型X射线源的管电压、管电流的平均值来定义源强零点。在输送机空载运行时，通过X射线探测器实时采集X射线参数并与矿用X射线核子秤的计量零点、源强零点进行比较，反馈调整防爆型X射线源的源强零点和计量零点，克服输送机工况变化及X射线管老化对矿用X射线核子秤计量零点的影响。
3.2.1 建立计量-源强零点
接通防爆型X射线源交流电源并待X射线稳定后，启动输送机空载运行，防爆型X射线源内监控网络模块与X射线核子秤的计量仪表进行时间同步。计量仪表记录在胶带运转1个标定周期T内第i个采样时刻的X射线探测器的信号S0i；同时，防爆型X射线源内监控网络模块记录在胶带运转1个标定周期T内第i个采样时刻的防爆型X射线源的管电压U0i和管电流I0i，从而得到X射线核子秤计量零点S0、X射线源的源强零点(即管电压平均值U0、管电流平均值I0)：
式中n为标定周期内的采样信号点数，n=T/fs，fs为信号采样频率。
X射线源内监控网络模块将X射线源的源强零点通过无线网络发送给计量仪表，计量仪表通过无线网络将核子秤计量零点反馈给X射线源内监控网络模块。在计量仪表和监控网络模块内同时建立计量-源强零点数组{S0，U0，I0}。
3.2.2 实现计量-源强零点稳定
当输送机空载运行时，计量仪表实时采集X射线探测器的信号Si，与计量-源强零点数组保存的计量零点S0进行比较。
(1) 当X射线探测器的信号Si与计量零点S0的误差在允许误差内时，如果防爆型X射线源的管电压Ui、管电流Ii与源强零点U0，I0的误差也在允许误差内，则可确认计量零点、X射线能量和强度没有变化，矿用X射线核子秤的计量零点稳定；如果防爆型X射线源的管电压Ui、管电流Ii与源强零点U0，I0的误差超出允许误差，则表明防爆型X射线源的源强零点受X射线管老化等影响出现偏差，需要重新测量源强零点，并将新测量的源强零点保存到计量-源强零点数组里，从而保证源强零点的稳定。
(2) 当X射线探测器的信号Si与计量零点S0的误差超出允许误差时，如果防爆型X射线源的管电压Ui、管电流Ii与源强零点U0，I0的误差在允许误差内，则说明矿用X射线核子秤的计量零点受输送机工况影响出现偏差，需要重新测量计量零点，并将新测量的计量零点保存到计量-源强零点数组里；如果防爆型X射线源的管电压Ui、管电流Ii与源强零点U0，I0的误差超出允许误差，则说明X射线参数发生偏移，需要确定源强零点的变化量并反馈给X射线源内监控网络模块，调整防爆型X射线源的管电压、管电流参数来保持X射线稳定，从而保证计量零点的稳定。
4 矿用X射线核子秤计量稳定性测试
矿用X射线核子秤计量稳定性通过测量X射线的稳定性来评价，而X射线的稳定性可通过测量X-γ辐射仪距离X射线管靶焦点1 m处的剂量率来评价[14]。采用FLUKE 451B测试仪在距防爆型X射线源0.88 m处(X射线管靶焦点距离防爆型X射线源壳0.12 m)测试X射线的剂量率，利用451 Excel助手软件在计算机上实时接收测试仪的数据。在矿用X射线核子秤通电预热8 h后进行测试，测试时间为32 h，每5 s计量1个数据，测试结果见表1。可看出整个测试周期内数据的平均值为464.724 6 μSv/h，第3个8 h后测试结果趋于稳定，第3个8 h、第4个8 h测试数据的平均值与整个测试周期平均值的相对误差分别为0.012 8%，0.021 7%，小于目前公开资料可查到的高稳定度X射线源输出的X射线参数8 h变化的相对误差0.1%。
表1 X射线稳定性测试结果
Table 1 Test results of X-ray stability
5 结论
(1) 利用X射线探测器监测X射线源输出X射线的能量和强度，通过在X射线源内加装监控网络模块接收X射线探测器监测的X射线参数，并与设定的X射线参数进行比较，从而反馈控制X射线源的管电压和管电流，提高X射线源输出的X射线稳定性。
(2) 用防爆型X射线源管电压、管电流的平均值来定义源强零点。通过X射线探测器实时采集X射线参数并与矿用X射线核子秤的计量零点、源强零点进行比较，反馈调整计量零点和源强零点，克服输送机工况变化及X射线管老化对矿用X射线核子秤计量零点的影响。
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