Королев Датчики и детекторы физико-енергетических установок 2011

Под воздействием момента MK трубка поворачивается на угол θ и уравновешивается моментом

сил упругости My = kθ. В положении равновесия MK = My, получаем Q = kθ/2ΩLd. Происходит колебательное движение трубки в направлении сил Кориолиса (рис. 8.18).

Угол θ можно измерить датчиками положения и после обработки сигналов получить напряжение, пропорциональное массовому расходу Q.

Получаемое показание прибора не зависит от свойств жидкости, и для определения Q не требуется заранее знать ее плотность, вязкость, давление и температуру. Поэтому такой датчик является особенно подходящим для неэлектропроводных, заряженных (смеси жидкости с твердыми частицами), двухфазных (эмульсии), неньютоновских (вязкость зависит от скорости) жидкостей.

Такие датчики позволяют измерять расход от 3 кг/ч до 70 т/ч. Погрешность измерений составляет 0,4 % от полной шкалы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К ГЛАВЕ 8

1.Какая разница между расходомером и анемометром?

2.На каком принципе действия основана работа расходомеров с сужающими устройствами?

3.Чем различаются расходомеры переменного и постоянного давле-

ния?

4.Как работают вихревые расходомеры?

5.Для какой жидкости могут использоваться электромагнитные расходомеры и почему?

6.На каком принципе действия основана работа термоанемометров?

7.Как устроены чашечные и крыльчатые анемометры?

8.Для какой жидкости не подойдeт лазерный анемометр?

9.Как работает ультразвуковой расходомер?

10.Назовите два метода определения расхода с помощью радиоактивных добавок.

11.Как устроен расходомер, использующий силу Кориолиса?

171

9.ДЕТЕКТОРЫ ЯДЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

9.1.Виды ядерного излучения

Альфа-частицы – это ядра гелия 42 He , образованного двумя

протонами и двумя нейтронами, имеет положительный заряд 2qe (qe – заряд электрона) и массу в 7000 раз больше массы электрона.

Энергия α-частиц лежит в диапазоне 3 ÷ 10 МэВ. Это – энергия кинетическая, и соответствующие ей скорости равны от ~12000

км/с (3 МэВ) до ~42000 км/с (10 МэВ).

Длина пробега α-частицы L представляет собой расстояние, которое она преодолевает, передав всю энергию окружающей среде.

L зависит от энергии α-частицы и плотности среды. Для воздуха L(см) = 0,32W1,5, где W – энергия в МэВ.

Примерные величины пробега α-частиц при W = 3 МэВ: в воздухе –25 мм; в бумаге и пластмассе – 20 мкм; в железе – 6 мкм.

В промышленности α-излучение используют для определения толщины тонких слоев материалов.

Бета-частицы. Различают β-частицы двух видов: β--электрон с зарядом – qe и массой me и β+- позитрон с зарядом +qe и массой me.

В промышленных датчиках находит применение только β-- излучение. Энергетический спектр β--излучения лежит в широком диапазоне, достигает максимальных энергий 13 МэВ. При энергии 0,7 МэВ скорость β-- частицы равна 270000 км/с, т. е. 0,9 с, где с – скорость света.

Пробег β--частицы в веществе значительно больше, чем у α- частицы. Так, в алюминии при W = 1 МэВ пробег α-частицы равен 4 мкм, а β- частицы – 1,5 мм.

β--излучение также используется в промышленности для измерения толщины материалов с малой поверхностной плотностью (~10-3 г/см2) – бумаги, картона, пластмасс.

Гамма-излучение имеет ту же физическую природу, что и свет, но энергия одного γ-кванта W = hν превышает энергию кванта света в 104 ÷ 106 раз. Спектр γ-излучения, испускаемого одним источником, состоит из нескольких видов излучения с энергиями, харак-

172

терными для этого источника, в интервале от нескольких десятков кэВ до нескольких МэВ.

При взаимодействии γ-кванта с веществом может произойти один из эффектов.

Фотоэлектрический эффект – выбивание электрона с полной передачей энергии.

Эффект Комптона – упругое соударение с электроном с частичной передачей энергии электрону.

Материализация – превращение в пару электрон–позитрон, при условии, что энергия γ-кванта больше энергии покоя этих двух частиц.

Гамма-излучение достаточно глубоко проникает в плотные материалы (например, сталь) и используется для измерения толщины металлических листов или плотности и уровня веществ, циркулирующих в трубопроводах или резервуарах.

Нейтроны – это частицы с нулевым электрическим зарядом и массой, близкой к массе протона. Лишь немногие радиоизотопы являются источниками нейтронов. Обычно в источниках используется ядерная реакция с легкими элементами (литий, бор, бериллий), подвергнутыми облучению α- или γ-излучением:

α + 94Be → n + 126 C,

γ + 94 Be → n + 2α.

Нейтроны, используемые в этих реакциях, называются быстрыми, так как их энергия велика (~ 10 и ~ 0,2 МэВ соответственно). Источники быстрых нейтронов изготавливают, смешивая порошок бериллия с элементом, испускающим α- или γ-излучение.

Проходя через вещество, нейтрон испытывает только упругие соударения с ядрами. Вероятность этого процесса мала, поэтому глубина проникновения в вещество велика. Так, для W = 10 МэВ глубина проникновения в бетон составляет десятки сантиметров.

Легкие элементы эффективнее замедляют нейтроны и понижают их энергию до величины ≈0,025 эВ. Такие нейтроны называются тепловыми. Только тепловые нейтроны способны вызвать ядерную реакцию с бором:

n + 105 B → 73 Li + α.

173

Эта реакция позволяет косвенным образом детектировать тепловые нейтроны по испущенным α-частицам. Таким образом, обычный детектор медленных нейтронов представляет собой детектор α-частиц, содержащий соединение бора.

Нейтронное излучение используется в промышленности для измерения концентрации водородосодержащих соединений, например воды, в материалах: руде, угле, песке и т. п.

9.2. Единицы измерения ядерного излучения

Основная физическая величина, которая характеризует радиоактивный источник, – это число происходящих в нем распадов в единицу времени. Такая величина была названа активностью. Активность того или иного вещества, например радиоактивного изотопа, определяется количеством атомов, распадающихся в единицу времени, а число испускаемых веществом радиоактивных частиц прямо пропорционально его активности.

В качестве единицы активности в Международной системе единиц СИ выбран беккерель (Бк, Bq). Активность в 1 Бк соответствует одному распаду в секунду. Однако в практической дозиметрии и радиационной физике часто используется другая единица – кюри (Ки, Ci): 1 Ки = 3,7 1010 Бк, т.е. соответствует 3,7 1010 распадов в секунду. Такое число распадов происходит в одном грамме радия226 – исторически первого вещества, в котором были изучены законы радиоактивного распада. Поскольку активность одного грамма чистого радия близка к 1 Ки, то ее часто выражают в граммах.

Экспозиционная доза. Эта величина характеризует рентгеновское и γ-излучение, и ее единицей является рентген (Р). Один рентген соответствует дозе облучения, которая приводит к образованию в 1 см3 воздуха при нормальных условиях количества ионов с полным зарядом одного знака, равным одной электростатической единице заряда в системе СГСЭ, что соответствует 2,1·109 пар ионов (1 кулон ≈ 3·109 ед. СГСЭ). В системе СИ единицей экспозиционной дозы служит Кл/кг. Экспозиционная доза в 1 Кл/кг означает, что суммарный заряд всех ионов одного знака (например, положительных), которые возникли под действием излучения в 1 кг воздуха, равен одному кулону.

174

Хотя однозначную связь между поглощенной дозой радиации и экспозиционной дозой, измеренной в рентгенах, можно установить лишь приближенно, практическое удобство единицы «рентген» бесспорно, так как ионизацию в воздухе можно легко измерить с помощью ионизационной камеры. По результатам таких измерений можно судить о поглощенной энергии в биологической ткани.

В современной дозиметрии рентген рассматривается не как единица, характеризующая поглощенную энергию и тем самым напрямую связанная с биологическим эффектом, а только как единица, определяющая ионизирующую способность рентгеновского и гамма-излучений в 1 см3 воздуха. Физическая величина, которой соответствует единица «рентген», называется экспозиционной до-

зой рентгеновского и гамма-излучений.

Мощность экспозиционной дозы характеризует эффект, произ-

водимый в единицу времени (с, мин, ч), и выражается в Р/с, Р/мин, Р/ч. Для других видов излучения используется единица ФЭР (физический эквивалент рентгена) – это доза, создающая в воздухе такое же число пар ионов, что и облучение рентгеновским излучением дозой в 1 Р.

Энергию любого вида излучения, поглощенную в одном грамме вещества, называют поглощенной дозой. В качестве единицы поглощенной дозы был выбран рад (rad – по первым буквам английского словосочетания «radiation absorbed dose» – поглощенная доза излучения). Один рад соответствует такой поглощенной дозе, при которой количество энергии, которая выделяется в одном грамме любого вещества, равно 100 эрг независимо от вида и энергии ионизирующего излучения. Таким образом, 1 рад = 100 эрг/г = 10–2 Дж/кг = 6,25·107 МэВ/г для любого материала.

Поглощенная доза, образуемая в веществе в единицу времени, называется мощностью поглощенной дозы и измеряется в единицах рад/с, рад/мин, рад/ч и т.д.

Рад, так же как и кюри, – это внесистемная единица. Однако внесистемная единица поглощенной дозы рад используется гораздо чаще, чем соответствующая единица системы СИ – грей (Гр, Gy), который соответствует поглощению одного джоуля энергии одним

175

килограммом вещества. Соотношение между единицами поглощенной дозы составляет

1 Гр = 1 Дж/кг = 100 рад.

Мощность поглощенной дозы измеряется в системе СИ в Гр/с, Гр/мин, Гр/ч и т.д.

Рад (или грей) – единица чисто физической величины. По существу, это – энергетическая единица, не учитывающая биологические эффекты, которые производит проникающая радиация при взаимодействии с веществом. Однако тяжесть нарушений в организме сильно различается в зависимости от типа излучения. Поэтому ввели такую величину, которая учитывала бы не только выделение энергии, но и биологические последствия облучения.

Из соображений простоты и удобства биологические эффекты, вызванные любым ионизирующим излучением, принято сравнивать с воздействием на живой организм рентгеновского или гаммаизлучения. Чтобы можно было сравнивать воздействие других типов излучений с биологическими эффектами от рентгеновского и гамма-излучения, вводится так называемая эквивалентная доза, которая определяется как произведение поглощенной дозы на некоторый коэффициент, зависящий от вида излучения.

Этот коэффициент, называемый «фактором качества» Q, приблизительно равен единице для гамма-лучей и протонов высокой энергии; для тепловых нейтронов Q ≈ 3, а для быстрых нейтронов значение Q достигает десяти. При облучении α-частицами и тяжелыми ионами Q ≈ 20, а это значит, что даже сравнительно малые поглощенные дозы этих излучений могут вызвать серьезные биологические последствия. Эквивалентная доза измеряется в бэрах (бэр – биологический эквивалент рентгена). Иногда употребляется также наименование «рем» (от англ. аббревиатуры rem – roentgen equivalent for man, эквивалент рентгена для человека). Коэффициент качества излучения устанавливается на основе радиобиологических экспериментов и приводится в специальных таблицах.

Всистеме СИ единица эквивалентной дозы установлена недавно

иназывается зиверт (Зв, Sv): 1 Зв равен эквивалентной дозе, при которой произведение величины поглощённой дозы в греях (в биологической ткани) на коэффициент Q будет равно 1 Дж/кг. Эквива-

176

лентная доза в 4÷5 Зв (примерно 400÷500 бэр), полученная за короткое время, вызывает тяжелое лучевое поражение и может привести к смертельному исходу.

Предельно допустимая доза (ПДД) для персонала, работающего с радиоактивными веществами, установлена в 5 бэр/год (≈100 мбэр/неделя).

При этом имеется в виду облучение всего тела, как говорят, тотальное облучение. Для населения установлен предел дозы за год в десять раз меньший – 500 мбэр/год.

Подводя итог вышесказанному, перечислим основные величины в дозиметрии и единицы их измерения.

Активность – мера радиоактивности. Измеряется в беккерелях. 1 Бк = 1 распад/с. Также единицей активности является кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 1010 Бк.

Экспозиционная доза – мера ионизационного воздействия на

вещество. Измеряется в рентгенах (Р). На практике используют

1 мкР = 1 Р·10-6 или 1 мР = 1 Р·10-3.

Мощность экспозиционной дозы – измеряется в Р/с, Р/мин, Р/ч.

На практике – в мкР/ч.

Доза – мощность дозы, умноженная на время.

Поглощённая доза излучения измеряется энергией ионизирующего излучения, переданного массе облучаемого вещества. Единица поглощённой дозы в системе СИ – грей (Гр), равный 1 джоулю, поглощённому 1 кг вещества (1 Гр = 1 Дж/кг). Внесистемная единица рад соответствует такой поглощенной дозе, которая соответствует поглощенной энергии 100 эрг в одном грамме любого вещества: 1 Гр = 100 рад.

Мощность поглощенной дозы – поглощенная доза, образуемая в веществе в единицу времени, измеряется в единицах рад/с, рад/мин, рад/ч или Гр/с, Гр/мин, Гр/ч.

Эквивалентная доза излучения – поглощённая доза излучения с учетом воздействия на организм человека (умноженная на «фактор качества» Q) . Измеряется в бэрах. В системе СИ единица измерения зиверт (Зв): 1 Зв ≈ 100 бэр.

Мощность эквивалентной дозы – эквивалентная доза излучения за единицу времени. Измеряется в Зв/ч.

177

9.3. Детекторы на основе ионизации газов

Работа детекторов этого типа основана на ионизации газов и собирании образовавшихся ионов при прохождении через газ ионизирующего излучения. При этом происходят два процесса: ионизация и рекомбинация.

Полезный объем газа находится между двумя электродами, к которым приложена постоянная разность потенциалов. Падающее излучение ионизирует газ, высвобождая электрические заряды, собираемые на электродах. Каждая частица образует N0 ионов.

Если поле между электродами велико, то электроны получают достаточно энергии для образования новых пар ионов в результате столкновения с молекулами газа. В зависимости от приложенной разности потенциалов различают разные режимы функционирования детектора. На рис. 9.1 показана зависимость числа ионов, достигающих анода, от разности потенциалов на электродах.

Зона 1: поле слабое; вероятность рекомбинации электрон – положительный ион велика. Число ионов N, достигших электродов, меньше числа ионов N0, образуемых падающей частицей (N < N0). В этом случае сначала наблюдается пропорциональная зависимость между током и напряженностью электрического поля, а затем характеристика отклоняется от линейной (входит в насыщение).

Рис. 9.1. Зависимость числа ионов, достигающих анода, от разности потенциалов на электродах

178

Зона 2: все высвободившиеся заряды достигают электродов независимо от величины U (N = N0). Рекомбинацией ионов можно

пренебречь. Величина тока зависит только от числа пар ионов, образующихся в объеме камеры. Измеряя ток, можно определить интенсивность ионизирующего излучения.

Зона 3: при повышении напряжения первичные ионы приобретают такую энергию, что сами ионизируют молекулы газа, в результате чего происходит умножение носителей заряда (N = M N0). Коэффициент умножения M может достигать 103 и не зависит от N0 (режим пропорционального счетчика).

Зона 4: множитель M зависит от N0 (полупропорциональный режим ).

Зона 5: выходной сигнал детектора не зависит от N0. Так функ-

ционирует счетчик Гейгера – Мюллера.

Зона 6: функционирование неустойчиво, наступает пробой, когда напряжение достигает величины напряжения пробоя Uп.

Ионизационная камера. Газ в детекторе испытывает воздействие частиц n в сек. На аноде возникает ток I = qеnN0, где qе – заряд

электрона. Этот ток составляет 10-15÷10-14 A и не зависит от приложенного напряжения U (режим 2) в диапазоне нескольких сотен вольт. Измеряемый сигнал представляет собой падение напряжения на большом сопротивлении Rн > 1010 Ом.

Газ, давление и тип окна ионизационной камеры подбираются в зависимости от природы исследуемого излучения.

При регистрации α- и β-излучения заполняющим газом является воздух при давлении p ниже атмосферного pатм; окно тонкое из

алюминия или бериллия.

При регистрации рентгеновского излучения используются тяжелые газы (Ar, Xe) при p ≤ pатм и тонкое окно из бериллия.

При регистрации γ-излучения также используются тяжелые газы (Ar, Xe) при p ≤ pатм. Толщина стенок порядка средней длины про-

бега выбиваемых из них электронов, которые попадают в полезный объем, внося свой вклад в ионизацию газа.

Пропорциональный счетчик. Сигнал на выходе пропорционален числу соударений исходного количества ионов N0. Коэффициент М

179

= 102÷103 и зависит от природы газа и возрастает от его давления и напряжения U на электродах. Такое усиление оказывается достаточным для детектирования отдельной частицы. Например: при

M = 500, N0 = 200, C = 10 пФ, Uвых = 1,6мВ. Амплитуда выходного импульса пропорциональна энергии, которую теряет частица, про-

ходя через полезный объем. Сравнение амплитуд выходных импульсов позволяет разделить сигналы различных видов излучения. Можно детектировать α-частицы (большой N0) в присутствии β-- и γ-излучений (малое N0).

Счетчик Гейгера–Мюллера. Если электрическое поле достаточно велико, то первичные ионы, образуемые падающим излучением, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы вторичные ионы, возникающие в результате соударений, перевести в возбужденное состояние. Эти ионы испускают фотоны в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, в свою очередь, в результате фотоэлектрического эффекта вызывают ионизацию газа и испускание электронов металлическим катодом. Такой лавинообразный процесс приводит к образованию выходного сигнала, амплитуда которого (1÷10 В) не зависит от числа первичных ионов, образованных активной частицей. Поэтому счетчик Гейгера–Мюллера используется только для детектирования частиц, а не для измерения их энергии.

Чтобы остановить лавинный процесс, инертный газ счетчика смешивают с газом-галогеном, который поглощает ультрафиолетовое излучение, и в анодную цепь включают сопротивление R1 = (2÷10) MОм, так что при зарождении лавины напряжение анодкатод резко уменьшается и лавинный процесс прерывается.

Конструкция трубки Гейгера–Мюллера и ее электрическая схема представлены на рис. 9.2 а, где 1 – входное окно, 2 – корпус, 3 – анод. Сопротивление R2 = (0,1÷1) MОм. Амплитуда импульса на выходе определяется выражением: UВЫХ = [R2 (E – Uпор)]/( R1 + R2), где Uпор – пороговое напряжение, при котором прекращается лавинный процесс, Е – напряжение питания.

На рис. 9.2, б емкости Сп1 и Сп2 – паразитные. Чтобы избежать искажения импульсов, параллельно им подключаются С1 и С2, так чтобы (Сп1 + С2)R1 = (Сп2 + C2)R2. Выходные импульсы имеют ма-

лое время нарастания (мкс) и медленный спад (50÷150 мкс).

180