Хему, состоящую, в свою очередь, из электронного блока, предназначенного для усиления и преобразования сигналов детектора, и электрического выходного устройства

Вид материала

Лекция

Содержание Альфа-излучающие изотопы Радиоактивные изотопы, применяемые в источниках α-излучения Бета-излучающие изотопы Радиоактивные изотопы, применяемые в источниках β-излучения Гамма-излучающие изотопы Таблица 3 Радиоактивные изотопы, применяемые в источниках γ-излучения Детекторы излучений Методы использования радиоизотопных приборов для контроля производственных процессов

Подобный материал:

• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 151.82kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 13 «Системы, сети, 121.7kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 14 «Радиолокация, 236.33kb.
• Программа-минимум кандидатского экзамена по специальности 05. 12. 14 «Радиолокация, 134.92kb.
• Курсовой проект №1 Моделирование наблюдающего устройства Математическая модель объекта, 86.63kb.
• Программа курса лекций, 51.42kb.
• Цифровая обработка сигналов, 25.15kb.
• Задачи: Формирование навыков моделирования сигналов, процессов и результатов их преобразования, 349.55kb.
• А. Н. Туполева кафедра Телевидения и мультимедийных систем устройства записи и воспроизведения, 764.84kb.
• «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» Общая трудоёмкость изучения дисциплины, 58.31kb.

ЛЕКЦИЯ №1


Независимо от назначения и принципа работы каждый радиоизотопный прибор (за исключением нейтрализаторов статического электричества) включает следующие основные части: источник излучения, детектор излучения и измерительную схему, состоящую, в свою очередь, из электронного блока, предназначенного для усиления и преобразования сигналов детектора, и электрического выходного устройства.


Едва ли не самым распространенным источником облучения являются часы со светящимся циферблатом. Они дают годовую дозу, в 4 раза превышающую ту, что обусловлена утечками на АЭС. Такую же коллективную эффективную эквивалентную дозу получают работники предприятий атомной промышленности и экипажи авиалайнеров.

Обычно при изготовлении таких часов используют радий, что приводит к облу­чению всего организма, хотя на расстоя­нии 1 м от циферблата излучение в 10 000 раз слабее, чем на расстоянии 1 см. Сейчас пытаются заменить радий тритием или прометием-147, которые приводят к суще­ственно меньшему облучению. К концу 70-х годов у населения Великобритании все еще находились в пользовании 800 000 часов с циферблатом, содержащим радий. В 1967 году были опубликованы соответ­ствующие международные стандарты, и тем не менее часы, выпущенные ранее, все еще находятся в употреблении. Радио­активные изотопы используются также в светящихся указателях входа-выхода, в компасах, телефонных дисках, прице­лах и т. п.

В США продаются антистатические щетки для удаления пыли с пластинок и фотопринадлежностей, действие которых основано на испускании α-частиц. В 1975 году Национальный совет Великобрита­нии по радиационной защите сообщил, что при некоторых обстоятельствах они могут оказаться небезвредными.

Принцип действия многих детекторов дыма также основан на использовании α-излучения. К концу 1980 года в США было установлено более 26 млн. таких детекторов, содержащих америций-241, однако при правильной эксплуатации они должны давать ничтожную дозу облу­чения. Радионуклиды применяют в дрос­селях флуоресцентных светильников и в других электроприборах и устройствах. В середине 70-х годов в одной только Западной Германии в эксплуатации нахо­дилось почти 100 млн. таких приборов, которые, впрочем, не приводят к заметно­му облучению, по крайней мере, если они исправны.

При изготовлении особо тонких оптических линз применяется торий, который может привести к существен­ному облучению хрусталика глаза. Для придания блеска искусственным зубам широко используют уран, который может служить источником облучения тканей полости рта. Национальный совет Вели­кобритании по радиационной защите рекомендовал прекратить использование урана для этой цели, а в США и ФРГ, где производится большая часть зубного фарфора, была установлена его предель­ная концентрация. Радиоактивные веще­ства в этих случаях применяют с чисто эстетической целью, поэтому облучение здесь совершенно неоправданно.

Источниками рентгеновского излуче­ния являются цветные телевизоры, однако при правильной настройке и эксплуатации дозы облучения от современных их моделей ничтожны. Рентгеновские ап­параты для проверки багажа пассажиров в аэропортах также практически не вызы­вают облучения авиапассажиров. Тща­тельные обследования, проведенные в начале 70-х годов, показали, что во многих школах США и Канады исполь­зовались рентгеновские трубки, кото­рые могли служить довольно мощным источником радиации, причем боль­шинство учителей имели слабое представ­ление о радиационной защите.


Источники излучений

Несмотря на то что общее число известных в настоящее время радиоактивных изотопов превышает 1000, лишь немногие из них нашли применение в приборостроении. Это объясняется тем, что изотопы, пригодные для использования в промышленности, должны удовлетворять ряду специфических требований, основными из которых являются:

1. Достаточно большой период полураспада (желательно не менее нескольких лет) для стабильности показаний контрольно-измерительных приборов. Большинство радиоактивных изотопов имеют период полураспада от долей секунды до нескольких месяцев.
   
2. Высокая удельная активность изотопа, особенно необходимая при использовании источников излучения значительной активности. При низкой удельной активности источники будут иметь нежелательно большие размеры и значительная часть α- или β-излучения будет расходоваться на самопоглощение. Это требование затрудняет, в частности, использование изотопов с периодами полураспада свыше нескольких тысяч лет.
   
3. Удобство получения изотопа и невысокая стоимость его. Для каждого конкретного случая необходимо подбирать изотоп с учетом вида и энергии его излучения. В настоящее время отечественная промышленность изготавливает изотопы с излучениями всех видов.
   

Альфа-излучающие изотопы применяют в тех случаях, когда необходима интенсивная ионизация газа (измерение давлений, снятие электростатических зарядов и т. п.) и при измерении толщины очень тонких пленок.





Характеристики применяемых в промышленности источников α-излучения приведены в табл. 1.

Таблица 1

Радиоактивные изотопы, применяемые в источниках α-излучения

Изотоп	Энергия α-изл учения, Мэв	Период полураспада
Полоний-210 (Ро210) Радий-226 (Ra226) Плутоний-239 (Рu239) Америций-241 (Am241)	5,3 4,7 5,14 5,4	138 дней 1590 лет 2,4∙10* лет 475 лет

Серьезный недостаток Ро²¹⁰ – малый период полураспада, a Ra²²⁶ – относительно высокая стоимость и наличие γ-излучения, сопровождающего α-распад. Поэтому широко применяется Рu²³⁹, а в последнее время и Am²⁴¹.

Источники α-излучения изготовляют нанесением тонкого слоя изотопа на подложку с последующей изоляцией его с помощью очень тонкой фольги либо путем введения изотопа тем или иным методом в материал подложки.

Бета-излучающие изотопы применяют в приборах для измерения небольших толщины и плотности, анализа состава веществ, блокировки и т. п.



β-Излучение сопутствует распаду многих радиоактивных изотопов, однако для большинства β-распад сопровождается γ-излучением, что создает серьезные неудобства при использовании таких излучателей. Поэтому в практике наиболее часто используют (в зависимости от необходимой энергии) «чистые» β-излучатели, характеристики которых приведены в табл. 2.

Таблица 2

Радиоактивные изотопы, применяемые в источниках β-излучения

Изотоп	Максимальная энергия β-излучения, Мэв	Период полураспада
Стронций-90 +иттрий-90 (Sr90+Y90)	0,54(2,25)	28 лет (2,5 дня)
Таллий-204 (Т1204)	0,77	3,9 года
Прометий- 147 (Рm147)	0,22	2,6 года
Криптон-85 (Кг85)	0,67	10,6 года

Блок источника β-излучения ББИ состоит из цилиндрического дюралюминиевого корпуса с крышкой, в центре которой на резьбе закреплен держатель с источником β-излучения. В корпусе смонтирован вентиль, который может поворачиваться с помощью специального шлица, расположенного на наружной торцовой поверхности. В рабочем положении коллиматорное отверстие вентиля находится против источника, а в нерабочем источник полностью экранируется стенками вентиля.

Гамма-излучающие изотопы применяют в технике особенно широко благодаря высокой проникающей способности γ-излучения. Их используют в приборах для γ-дефектоскопии, измерения толщины, плотности, уровня и т. п.





Поскольку для решения разнообразных технических задач требуются источники с самой различной энергией γ-излучения, число их в настоящее время довольно велико. Характеристики важнейших из них приведены в табл. 3.

Таблица 3

Радиоактивные изотопы, применяемые в источниках γ-излучения

Изотоп	Энергия γ-излучения, Мэв	Период полураспада
Кобальт-60 (Со60)	1,17–1,33	5,3 года
Цезий-134 (Cs134)	0,47–1,37	2,3 года
Цезий-137 (Cs137)	0,66	33 года
Европий-152 (Eu152)	0,12–1,1	13 лет
Иридий- 192 (Ir192)	0,31–0,6	74,4 дня
Тулий- 170 (Tm170)	0,084	129 дней
Селен-75 (Se75)	0,067–0,405	127 дней
Европий-155 (Eu155)	0,06–0,132	1,7 года

Блок γ-источника Э-1 состоит из источника γ-излучения, регулировочного механизма и защитной чугунной оболочки, заполненной свинцом. Источник γ-излучения помещается в дюралюминиевом колпачке, навинченном на торец штока регулировочного механизма. Перемещением штока вдоль специальной втулки либо устанавливают источник излучения против коллиматорного отверстия в защитной оболочке, либо задвигают источник внутрь свинцовой защиты. В условиях транспортировки или хранения коллиматорное отверстие закрывают свинцовой пробкой.

Как видно из табл. 3, энергия излучения обычно применяемых γ-источников не перекрывает всего энергетического диапазона, особенно в области длинноволнового излучения (энергия не выше нескольких десятков килоэлектронвольт).


В связи с этим большее применение находят радиоактивные источники рентгеновского излучения. Принцип их действия заключается в следующем: β-излучающий изотоп располагают вблизи металлической мишени. β-Частицы, взаимодействуя с веществом мишени, генерируют тормозное и характеристическое рентгеновское излучение. Тормозное излучение имеет непрерывный энергетический спектр от нулевой энергии до энергии, соответствующей максимальной энергии β-частиц. Характеристическое излучение имеет строго определенную энергию, характерную для каждого элемента.

Комбинируя источники β-излучения различной энергии и мишени из соответствующих материалов, можно получить рентгеновское излучение с широким диапазоном энергий. Долговечность такого источника зависит от периода полураспада β-излучателя.

Существует три основных типа радиоактивных источников рентгеновского излучения:

а) гомогенные, представляющие собой смесь порошкообразного β-излучателя с веществом-мишенью;

б) с мишенью «прохождения» (мишень перпендикулярна потоку β-частиц);

в) с мишенью «отражения» (мишень под углом к потоку β-частиц).

Максимально используется β-излучение в гомогенном источнике, два последних типа отличаются простотой регулирования их мощности специальным экраном.

В тех случаях, когда необходима высокая монохроматичность рентгеновского излучения, используют β-излучатели низкой энергии со специально подобранным материалом мишени. При этом может быть резко снижена интенсивность тормозного излучения и обеспечен выход в основном лишь близкого к монохроматичному характеристического излучения, возникающего за счет возбуждения К-серии ядер материала мишени.

Примером может служить источник из смеси порошкообразной окиси прометия-147 (Рm₂¹⁴⁷O₃) и порошкообразной окиси самария (Sm₂O₃), спектр излучения которого находится в пределах от 30 до 50 кэв.


Во многих контрольно-измерительных приборах применяют источники нейтронов, т. е. генераторы нейтронов на основе ускорителей или изотопных источников.

В настоящее время промышленность выпускает источники нейтронов, основанные на использовании (α, n) ядерной реакции, т. е. изотоп-мишень поглощает α-частицы и испускает нейтроны. Для этого порошкообразный α-излучатель смешивают с порошкообразной мишенью и запрессовывают смесь в специальную оболочку.

К таким источникам относятся полоний-бериллиевые, радий-бериллиевые, плутоний-бериллиевые и полоний-борные. В качестве мишени в них используют бериллий или бор, а в качестве источника α-излучения Ро²¹⁰, Ra²²⁶ или Рu²³⁹ соответственно.

Выход нейтронов в этих источниках ≈2·10⁶ нейтрон/(сек·кюри), а энергия основной части нейтронов находится в пределах 2-8 Мэв. В частности, средняя энергия нейтронов Ро-Ве-источника равна 4,5 Мэв, а Ро-Ве-источника – 2,7 Мэв.


ДЕТЕКТОРЫ ИЗЛУЧЕНИЙ

В настоящее время разработано большое число методов детектирования излучений, причем невозможно указать метод, одинаково пригодный для всех встречающихся в практике случаев. Отсутствие такого универсального метода объясняется большим разнообразием задач, с которыми приходится сталкиваться при создании контрольно-измерительных радиоизотопных приборов. Например, в зависимости от конкретных условий необходимо бывает измерять либо суммарную интенсивность излучения, либо находить распределение интенсивностей по целому ряду участков энергетического спектра (спектроскопия излучений) и т. п.

Детекторы излучений, применяемые в контрольно-измерительных приборах, можно разбить на две основные группы:

1. Детекторы с газовым заполнением, к которым относятся газоразрядные счетчики с самостоятельным разрядом (счетчики Гейгера), ионизационные камеры, пропорциональные газоразрядные счетчики.
   
2. Сцинтилляционные детекторы.
   

В последнее время начинают успешно применять полупроводниковые детекторы излучений.

Газонаполненные счетчики с самостоятельным разрядом (счетчики Гейгера) наиболее широко применяют в контрольно-измерительной аппаратуре.

Для применения в контрольных приборах из серийно выпускаемых наиболее пригодны так называемые галогенные счетчики, т. е. счетчики с галогенной добавкой в газовом заполнителе.

Дело в том, что самогасящиеся счетчики других типов работают при высоких напряжениях, имеют весьма ограниченный срок службы (10⁷-10⁸ имп), и, кроме того, чрезвычайно чувствительны к колебаниям питающего напряжения и к лучевым перегрузкам.


МЕТОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАДИОИЗОТОПНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЦЕССОВ

Применение ионизирующих излучений в контрольно-измерительной технике базируется на использовании какого-либо из четырех механизмов их взаимодействия с веществом: поглощения излучения веществом; рассеяния излучения веществом; ионизации вещества излучением; вызывании ядерных реакций или возбуждении рентгеновского излучения.

Часто также используют приборы, основанные на изменении взаиморасположения источника излучения и детектора. Иногда применяют приборы, основанные на регистрации излучения естественно радиоактивных изотопов, входящих в состав контролируемых объектов.

Все контрольно-измерительные радиоизотопные приборы можно разбить на четыре основные группы:

1. Приборы, в которых поток излучения изменяется под действием измеряемого параметра, а затем попадает в детектор излучения (газоразрядный или сцинтилляционный счетчик или ионизационную камеру), получили наибольшее распространение. Их широко используют для измерения толщины, плотности и расхода различных материалов, уровней жидких и сыпучих сред в закрытых емкостях, зазора между деталями машин, в качестве счетных и блокирующих устройств и т. п.
   
2. Приборы, в которых излучение ионизирует газ в ионизационной камере, и ток, возникающий в ее цепи, является мерой определяемой величины, применяют для измерения давления газов и паров, состава газовых смесей и скорости газовых потоков.
   
3. Приборы, в которых первичное излучение вызывает в контролируемом объекте характерное для него вторичное излучение, регистрируемое детектором. Ведутся работы по созданию и усовершенствованию приборов этой группы, позволяющих обеспечить экспрессное определение целого ряда элементов в самых различных по своему составу и агрегатному состоянию материалах.
   
4. Приборы, в которых детектор регистрирует интенсивность излучения, входящего в состав контролируемого объекта, естественно радиоактивного изотопа, пропорциональную определяемой величине*. Наиболее широко применяются в горной промышленности (при обогащении урановых руд). В других отраслях промышленности используют лишь приборы, основанные на измерении излучения естественно радиоактивного изотопа калий-40 (К⁴⁰).