10 Ионизирующие (радиационные) преобразователи

Ионизирующими называются преобразователи, основанные на использовании ионизирующих излучений. В этих преобразователях используется α -, β -, γ -, рентгеновское и нейтронное излучение. Рентгеновское и γ – излучение по своей природе – электромагнитные колебания. Природа других излучений – корпускулярная, т. е. излучения представляют собой потоки частиц (корпускул). Так, например, α-излучение – поток ядер гелия, β-излучение – поток электронов или позитронов. Ядерные реакции сопровождаются потоками нейтронов (протонов).

Принцип действия ионизирующих преобразователей основан на использовании свойств радиации проникать, поглощаться или отражаться от вещества. Использование ионизирующих излучений для измерений физических величин основано на связи пространственных и временных характеристик радиационного поля с параметрами среды, в которой происходит распространение излучений. В основу работы радиоактивных преобразователей положено воздействие входной величины – перемещения или усилия – на интенсивность потока электромагнитной энергии, заряженных частиц, акустической волны или теплового потока. В радиационных датчиках в зависимости от конкретных условий используют различные виды лучистой энергии и разные способы измерения ее интенсивности.

Наиболее широкое применение получили устройства, работающие в видимом участке спектра электромагнитных волн. В тех случаях, когда на пути излучения находятся непрозрачные стенки, используют γ-лучи, лучи Рентгена или β-излучение. Реже применяют потоки α-частиц. Подробно рассмотрено в п. 13.

Основная часть радиационных преобразователей основана на перемещении источника излучения относительно приемника (фотоэлемента). Световой поток, попадающий на фотоэлемент, изменяется по закону

Ф = , (13)

где Ф – световой поток, лм;

I – сила света источника, св;

S_ф – активная площадь фотоэлемента, м²;

Х – расстояние от источника до фотоэлемента, м.

Преобразователь включает источник излучения И, детектор Д, являющийся первичным преобразователем, и указатель Ук. Ионизирующие лучи, проникнув через изделие 1 (рис. 10.1, а) или отразившись (рис. 10.1, б), поступают на детектор. Если в изделии имеются включение 2 или несплошность (раковина) 3, то интенсивность лучей будет неравномерной (см. 4 или 5). Эта неравномерность и является сигналом о наличии в изделии отмеченных отклонений.

Ионизирующие преобразователи применяются в приборах для измерения размеров, расстояний, скоростей, запасов сред, качества поверхностей и покрытий, плотности газов, жидкостей и твердых тел, однородности материалов и изделий.

В качестве источников ионизирующих излучений применяются рентгеновские трубки, ускорители заряженных частиц и радиоактивные изотопы [12]. Для обнаружения и регистрации ионизирующих излучений применяются специальные чувствительные элементы, называемые детекторами. Детекторы являются преобразователями информации, переносимой ионизирующим излучением, в электрические или оптические сигналы. Детекторы делятся на фотографические, ионизационные, полупроводниковые, люминесцентные, эмиссионные, счетчики Черенкова, колориметрические и химические [12].

Более чувствительные – преобразователи с переменным перемещением источника и дифференциальные преобразователи с одним фотоэлементом. В них световой поток разделяется на две ветви, поочередно перекрываемые модулятором. Если оба потока Ф₁ и Ф₂ одинаковы, то переменная составляющая фототока равна нулю. При перемещении источника света интенсивность одного из потоков увеличивается, а другого уменьшается. При этом появляется переменная составляющая фототока, пропорциональная их разности. Электронная схема, обеспечивающая выделение этой составляющей, содержит синхронный детектор.

Рис. 10.1. Схемы ионизирующих преобразователей:

а) при пропускании луча; б) при отражении луча

Большая группа схем основана на изменении оптического сопротивления на пути луча от элемента к фотоэлементу. Эти преобразователи обладают достаточно высокой точностью.

Одним из наиболее чувствительных методов измерения перемещений является интерференционный. Луч монохроматического света разделяется с помощью полупрозрачного зеркала на два луча, которые затем с помощью того же зеркала снова объединяются и попадают на фотоэлемент. Длина одного из лучей изменяется при перемещении зеркала, при этом световые волны в двух световых потоках проходят со сдвигом фаз, зависящим от входного перемещения. В результате интерференции интенсивность суммарного светового потока, воспринимаемого фотоэлементом, периодически изменяется от минимума до максимума при перемещении зеркала на 0,25 длины световой волны. Такого рода преобразователи обладают очень высокой точностью и подробно рассмотрены в п. 13.