книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

Г л а в а V

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Одним из применений атомной энергии в мирных целях является использование радиоактивных изотопов в промышлен­ ности для создания новых, более совершенных средств контроля и автоматики. Использование проникающего излучения радио­ активных изотопов позволяет получить приборы, имеющие ряд преимуществ перед другими приборами; в них чувствительный элемент не контактирует с измеряемой средой, свойства источ­ ников радиации независимы от температуры, давления, влаж­ ности и других условий. В этой главе коротко описаны свойства радиоактивных изотопов, способы обнаружения п регистрации радиоактивных излучений, принципы пспользования радиоактив­ ных приборов в промышленности, меры безопасности.

§1. Понятие о радиоактивности и свойствах радиоактивных

излучений

Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Протон — это

по массе равен протону, но заряда не имеет. Таким образом, масса ядра атома определяется суммой протонов п нейтронов ядра и л и , как говорят, массовым числом, а заряд ядра — числом протонов. Как известно, химические свойства атомов характеризуются количеством электронов на его орбитах, а оно у нейтрального (неионнзпрованного) атома всегда равно числу протонов ядра. Следовательно, у атомов одного и того же химического элемента в ядрах содержится одинаковое число протонов. Но число ней­ тронов в ядрах этих атомов может быть разным, т. е. атомы дан­ ного химического элемента при одинаковых химических свойствах могут иметь различные массы, массовые числа. Атомы, имеющие одинаковые заряды ядер, но различные массовые числа, назы­ ваются изотопами данного химического элемента. По гречески «изос» — равный, «топос» — место, следовательно, изотоп озна-

141

чает — занимающий равное, одинаковое место (в таблице Менде­ леева).

Изотопы обычно обозначают тем же символом, которым обо­ значают данный химический элемент, но с двумя цифрами, при­ чем слева внизу помещают цифру, означающую порядковый номер элемента в таблице Менделеева (заряд ядра), а справа вверху — массовое число, равное сумме протонов и нейтронов ядра данного изотопа. Так, стабильные изотопы водорода обозна­ чают индексами iH1 н jH2. Это значит, что первый изотоп водорода имеет массовое число 1, т. е. его ядро состоит из одного протона,,

ского элемента известно несколько его изотопов. Химические элементы, встречающиеся в природе, как правило, состоят из смеси изотопов. Атомный вес элемента определяется из пропор­ ционального отношения изотопов. Так как при нормальных усло­ виях изотопы каждого элемента всегда смешаны в одной пропор­ ции, то и атомные веса химических элементов практически ока­ зываются всегда одинаковыми. Например, атомный вес обычного хлора равен 35,457; это является следствием того, что изотопы 17С135 и 17С137 при нормальных условиях бывают смешаны в про­ порции 76 : 24. Однако имеются методы для обогащения вещества каким-нибудь одним изотопом и даже для получения его в чистом, виде.

Все приведенные выше изотопы устойчивы, стабильны. Но для всех химических элементов известны неустойчивые радио­ активные изотопы. У радиоактивных изотопов ядра атомов имеют свойство самопроизвольно распадаться. Этот распад сопрово­ ждается испусканием невидимых излучений и превращением радио­ активного атома в атом другого изотопа данного химического элемента или в атом другого химического элемента.

Явление естественной радиоактивности было открыто в конце прошлого века, когда было установлено, что некоторые тяжелые элементы (радий, уран, торий) распадаются и поэтому являются источником излучений, действующих на фотографическую пла­ стинку. В 1934 г. французскими учеными супругами ЖолиоКюри было открыто явление искусственной радиоактивности. Подвергая некоторые вещества бомбардировке быстро летящими а-частицамн (ядрами гелия — гелнонами), они обнаружили, что при этом образуются радиоактивные вещества, которые, распа­ даясь, испускают положительно заряженные частицы, имеющие массу электрона, — позитроны. В настоящее время известно более тысячи радиоактивных изотопов химических элементов. Например, водород имеет радиоактивный изотоп tH 3 (тритий), железо — радиоактивный изотоп 26Fe59, кобальт — 27Со®°. Радио­ активные изотопы в настоящее время, как правило, получают облучением стабильных изотопов в атомных реакторах. Многие

142

радиоактивные изотопы получаются как побочные продукты при работе атомных реакторов.

При радиоактивном распаде выделяются а (альфа)-, р (бета)- и у (гамма)-излучения. Они различны по своей природе, ионизи­ рующему действию и проникающей способности, а-лучи предста­ вляют собой поток ядер изотопа гелия 2Не4, т. е. поток тяжелых, положительно заряженных частиц. Они имеют очень сильное ионизирующее действие, но проникающая способность их незна­ чительна: в твердые тела они проникают лишь на глубину, из­ меряемую микронами, р-лучи представляют собой поток электро­ нов или позитронов, т. е. поток легких частиц, имеющих отрица­ тельный (электроны или, как их в этом случае называют, негатро­ ны) или положительный (позитроны) заряд. Их ионизирующее действие слабее, чем у а-лучей, а проникающая способность больше, они проникают в твердые тела на глубину нескольких миллиметров, у-лучи по своей природе представляют собой, так же как свет и рентгеновские лучи, электромагнитное излучение с очень малой длиной волны, т. е. являются потоком фотонов. Ионизирующее действие у-лучей незначительно, проникающая способность очень большая. В твердые тела большой плотности, такие, как сталь, они могут проникать на глубину нескольких десятков сантиметров, а в менее плотные тела — на глубину более 1 м. Кроме этих трех видов излучений, возникающих при самопроизвольном распаде радиоактивных изотопов, в промышлен­ ности иногда находит применение излучение еще одного вида— нейтронное, возникающее при расщеплении ядер некоторых стабильных изотопов при воздействии а-частнц, испускаемых радиоактивными изотопами.

Обычно в качестве источника нейтронов используют смесь солей радия с порошком металла бериллия, а-частицы, испускае­ мые распадающимися ядрами атомов радия, бомбардируют ядра атомов бериллия, в результате чего последние также распадаются и испускают нейтроны. Нейтронное излучение имеет очень боль­ шую проникающую способность, причем хорошо задерживают потоки нейтронов вещества, содержащие атомы легких элемен­ тов (водорода и гелия)—вода, органические соединения.

Большинство искусственных радиоактивных изотопов испу­ скают р~ и у-лучи, причем у-излучение является вторичным, сопутствующим [i-излучению. Некоторые радиоактивные изо­ топы испускают только р~лучи.

Кроме вида излучения, радиоактивные изотопы характери­ зуются периодом полураспада и энергией излучения. Периодом полураспада называется время, в течение которого распадается половина радиоактивных атомов (из имевшихся к началу отсчета времени) и, следовательно, вдвое уменьшается интенсивность излучения по сравнению с тем, которое было вначале. По истече­ нии времени, равного двум периодам полураспада, количество радиоактивных атомов и интенсивность излучения уменьшаются в 4 раза; если это время равно трем периодам полураспада —

143.

в 8 раз и т. д. Для данного радиоактивного изотопа период полу­ распада есть величина вполне определенная, она не изменяется при любых изменениях температуры, давления и других внешних условий. Периоды полураспада различных изотопов выражаются отрезками времени от долей секунды до миллиардов лет.

Энергией излучения называют энергию, которую имеют ча­ стицы, испускаемые радиоактивным изотопом. Энергия излучения измеряется в электроновольтах (эй) (см. стр. 47). Энергия ядерных превращений во много раз больше энергии возбуждения электронов

иисчисляется в сотнях тысяч и миллионах электроновольт (Мэе). Энергия излучения во многом определяет свойства этого излуче­ ния. Частицы с большей энергией имеют большие ионизирущую

ипроникающую способности. Часто излучение, характеризу­ ющееся большой энергией, называют жестким, а характеризую­

щееся сравнительно малой энергией — мягким излучением.

Имеются два принципиально различных способа использования радиоактивных изотопов. Первый из них обычно называют спосо­ бом «меченых атомов». В этом случае используется радиоактивный изотоп в качестве индикатора данного химического элемента, к которому радиоактивный изотоп примешивается в незначитель­ ном количестве. Полученная смесь имеет обычные химические и физические свойства. Она участвует во всех превращениях и хи­ мических реакциях, но благодаря радиоактивному излучению части автомов позволяет в любой момент установить распределе­ ние данного химического элемента в веществе, аппаратуре или живом организме, т. е. проследить пути движения элемента и хими­ ческие превращения.

При этом способе применяют радиоактивные изотопы с неболь­ шим периодом полураспада и небольшой энергией излучения, чтобы исключить вредное воздействие излучения на растительные

144

и животные организмы и получить возможность проведения пов­ торных исследований после значительного ослабления излучений изотопов, введенных при первом опыте. Метод «меченых атомов» получил большое распространение в биологии, медицине и раз­ личных отраслях промышленности при проведении научных ис­ следований.

Второй способ состоит в использовании проникающего излу­ чения радиоактивных изотопов независимо от их химических свойств для «просвечивания» изделий и аппаратов с целью выявле­ ния внутренних дефектов или для определения бесконтактным способом уровня, плотности, толщипы покрытий и т. д. При этом способе применяют радиоактивные изотопы с большим периодом полураспада (несколько лет), так как снижение интенсивности излучения уже на несколько процентов обычно вызывает необхо­ димость дополнительной регулировки прибора. Вид п величину энергии излучения выбирают в зависимости от поставленной за­ дачи.

В радиоактивных приборах контроля и автоматизации про­ изводственных процессов в большинстве случаев применяют вто­ рой способ использования радиоактивных изотопов, который в дальнейшем будет рассмотрен подробно.

§ 2. Способы регистрации радиоактивных излучений

Вопрос о способе регистрации радиоактивных излучений в лю­

время применяют следующие способы регистрации радиоактив­ ных излучений: посредством фотографических пластинок и пле­ нок, при помощи ионизационных камер, газоразрядными счетчи­ ками, сцинтилляционными счетчиками.

Применение фотографических пластинок основано на том, что радиоактивные излучения вызывают почернение светочувствитель­ ной эмульсии пластинки (после проявления) в местах, подверг­

следуемый образец помещают на продолжительное время в непо­ средственной близости от фотопластинки, находящейся в свето­ непроницаемой кассете, и после проявления получают радио­ автограф — изображение образца, на котором степень почернения отдельных участков пропорциональна радиоактивности соответ­ ствующих участков образца. Радиографию используют при ис­ следовании естественной радиоактивности (например, минералов) и в случае применения метода «меченых атомов», у-дефектоскопия заключается в «просвечивании» изделия у-лучами с целью вы­

в широком диапазоне интенсивностей и стабильность параметров. Это дает возможность применять ионизационные камеры в каче­ стве дозиметров ионизационного излучения. Они широко при­ меняются в радиоактивных приборах для измерения линейных размеров и поверхностей тел, плотности жидкостей и газов. В сигнальных релейных схемах и следящих системах ионизацион­ ные камеры обычно не применяются, так как в этом случае более целесообразно иметь простые схемы с газоразрядными счетчиками.

Для исключения влияния внешних воздействий и повышения точности измерений часто приме­ няют дифференциальные иониза­ ционные камеры, состоящие из двух камер с одним общим электро-

ик1 икг

Ь ь £*2— источники напряжения.

дом. Дифференциальную камеру включают так, что измерительный прибор фиксирует разность токов двух отсеков камеры (рис. 88). Это позволяет исключить влияние статистических флуктуаций интенсивности излучения источника, а также изменения интен­ сивности излучения источника со временем, изменения уровня космических излучений на показания прибора. Кроме того, камеры позволяют применить компенсационный способ измерения.

Газоразрядные счетчики. Газоразрядные счетчики или, как их часто называют, счетчики Гейгера-Мюллера, так же как и иони­ зационные камеры, представляют собой систему двух электродов. Конструктивно они обычно выполняются в виде герметичного стеклянного баллона цилиндрической формы 1 (рис. 89), внутри которого расположены электроды 2 и 3. Один из электродов пред­ ставляет собой металлический цилиндр, а второй — металличе­ скую нить, натянутую по оси цилиндра. Электроды имеют выводы в виде контактных колпачков 4, укрепленных на концах баллона. Часто цилиндрический электрод наносят на внутреннюю поверх­ ность баллона.

Внутри баллона находится смесь газов определенного состава под давлением 100 мм рт. ст. К электродам подводится постоян­ ное напряжение в несколько сот вольт, катодом является цилин­ дрический электрод, а анодом — нить.

Когда под действием ионизирующего излучения в пространстве между электродами появляется хотя бы одна пара ионов, т. е. свободный электрон и положительный ион, то под действием электрического поля электрон начинает двигаться к аноду, вы­ зывая в свою очередь ионизацию молекул газов. Вновь образован­ ные электроны, перемещаясь, также вызывают ионизацию моле­ кул, которая приобретает лавинообразный характер и переходит в самостоятельный разряд. В этом и заключается принципиаль­ ное отличие газоразрядных счетчиков от ионизационных камер, в которых величина тока определяется только количеством ионов, возникающих в результате непосредственного воздействия иони­ зирующего излучения на молекулу газа. Вторичных ионов в иони­ зационных камерах не возникает вследствие высокого (атмосфер­ ного) давления газа. В газоразрядных счетчиках в результате значительного разрежения газа величина тока в основном опреде­ ляется вторичными ионами. В этих счетчиках каждый свободный электрон, возникший в результате воздействия ионизирующего излучения, порождает десятки и сотни ионов, что характеризует процесс газового усиления.

Через счетчик проходит импульс тока, который вызывает соответствующее падение напряжения на высокоомном сопро­ тивлении R нагрузки счетчика. Импульс напряжения на сопро­ тивлении нагрузки достигает десятков вольт и для усиления не требует сложной электронной схемы.

В радиоактивных приборах контроля и автоматики обычно применяют самогасящиеся счетчики, т. е. такие, у которых начав­ шийся самостоятельный разряд прекращается примерно через одну десятитысячную долю секунды после возникновения и счет­ чик снова оказывается готовым для регистрации следующей радио­ активной частицы. Это достигается выбором состава газа. В на­ стоящее время в промышленности чаще других применяются галогенные самогасящиеся счетчики. В качестве наполнителя в этих счетчиках применяются смеси инертных газов неона и ар­ гона с хлором, бромом и йодом. Эти счетчики имеют сравнительно низкое напряжение питания (400 в) и характеризуются значитель­ ным сроком службы.

Особенностью конструкции газоразрядных счетчиков, предна­ значенных для регистрации [5-излучения, является небольшая толщина цилиндрического электрода, что позволяет [5-частицам проникать в междуэлектродное пространство и ионизировать газ. Кроме того, применяются так называемые торцовые счетчики, в которых [5-частицы проникают в междуэлектродное простран­ ство не сбоку через цилиндрический электрод, а непосредственно с торца. Счетчики, предназначенные для регистрации у-излуче- ния, имеют цилиндрический электрод значительной толщины, так

148

как у-фотоны, пе вызывая непосредственно ионизацию газа, пронизывают металлический электрод н выбивают из него быстро­ летящие электроны, которые и ионизируют газ. При значительной толщине цилиндрического электрода вероятность выбивания элек­ трона у-фотоном возрастает.

Газоразрядные счетчики имеют большую чувствительность, опп обнаруживают самую слабую радиацию, так как четко фик­ сируют каждый единичный случай ионизации газа в междуэлектродпом пространстве. Элсктроппая схема счетчика, необходимая для фиксации импульсов тока, несложная. Все это способствует широкому применению газоразрядных счетчиков в различных радиоактивных реле.

Характеристика газоразрядного счетчика, т. е. зависимость его эффективности (скорости счета N при неизменном ионизирую­ щем излучении) от напряжения на электродах U, имеет вид, приведенный на рис. 89, б. Точка А характеристики соответствует началу счета, т. е. напряжению на электродах, при котором воз­ никают разряды в счетчике. Точка В соответствует моменту, когда начинает резко возрастать число самопроизвольных раз­ рядов, т. е. разрядов, возникающих в счетчике при отсутствии ионизирующего излучения. Рабочий участок АБ характеристики, так называемое плато, характеризуется незначительной зависи­ мостью скорости счета от напряжения. Для галогенных счетчи­ ков плато имеет протяженность приблизительно 80 в. Это обстоя­ тельство позволяет значительно снижать требования к стабиль­ ности напряжения, питающего счетчик, что также значи­ тельно упрощает схемы радиоактивных приборов со счетчи­ ками.

Недостатком газоразрядных счетчиков является их низкая эффективность: не каждая [З-частица или у-фотон, попавшие в счетчик, вызывают ионизацию в междуэлектродном простран­ стве и разряд. Обычная эффективность газоразрядных счетчиков для у-излучения около 1%, т. е. из ста у-фотонов, попавших в счетчик, в среднем только один вызывает разряд. Кроме того, эффективность счетчиков сильно зависит от энергии ионизирую­ щего излучения.

Инерционность газоразрядных счетчиков определяется време­ нем, необходимым для самогашения разряда 0,0001 сек., следо­ вательно, максимальная скорость счета равна 10 000 импульсов в секунду. Хотя эта величина значительно меньше максимальной скорости счета иопизационных камер и сцинтилляционпых счет­ чиков, однако для промышленных радиоактивных приборов она оказывается вполне достаточной, так как в этих условиях реги­

точность измерений, снижение активности применяемых источ­ ников излучения и повышение срока службы счетчиков, так как срок службы газоразрядных счетчиков исчисляется количеством зарегистрированных ими импульсов.

149

Рабочий диапазон температур для галогенных счетчиков —40° [-50° С, в ряде случаев прибегают к искусственному охлаждению их.

Газоразрядные счетчики, так же как и ионизационные камеры, используются в двух режимах — импульсном и режиме среднего тока. При использовании счетчика в импульсном режиме им­ пульсы напряжения, выделяющиеся на сопротивлении нагрузки _/?н, подвергаются усилению, калибруются по амплитуде и длитель­

па интегрирующий контур, постоянное напряжение на котором изменяется пропорционально числу импульсов и используется для воздействия на показывающий прибор, регистратор или сиг­ нальное устройство.

л

я

Рис. 90. Схема использования газоразрядного счетчика в режиме среднего тока ( а ) и графики токов в его цепях ( б ) .

При использовании в режиме среднего тока непосредственно в цепь счетчика включают интегрирующий контур RC с большой постоянной времени (параллельно сопротивлению подключают соответствующий конденсатор). На рис. 90, а показано включе­ ние газоразрядного счетчика при использовании в режиме сред­ него тока, а на рис. 90, б — графики токов, протекающих через счетчик / сч, и сопротивление интегрирующего контура / ср в зависимости от времени t. Величины / ср и U изменяются пропор­

ционально числу импульсов, проходящих через счетчик. Величину среднего тока счетчика / ср можно примерно определить по следую­ щей формуле:

ков и учитывающий среднюю длительность импульса;

150