Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

В состав измерителя направления входят:

-триггеры «Тг1» и «Тг2», преобразующиефазовый сдвиг между основной и опорной сериямии сдвинутой и опорной сериями в фазовыеимпульсы, длительность которых пропорциональна фазовомусдвигу;

-генератор модулирующих импульсов «GN» с частотами f1=2048 Гц

иf2=1024 Гц, сдвинутых поначальной фазена 180°;

Рис. 7.37. Пояснениепринципа измерения направленияветра

231

-логические схемы «Сп1», «Сп2», «Сб1» подключающие к модулятору «М»импульсы напряжений с триггеров «Тг1» или «Тг2»;

-масштабные делители «DIV1»и «DIV2» с коэффициентом деления Кд= 91, осуществляющие деление модулирующих импульсов;

-реверсивный счётчик результата «Сч1»;

-триггер «Тг4», управляющий реверсом счётчика результата;

-анализатор положения флюгарки датчика ветра «А»;

-формирователь временного интервала τи=16 с, задающий время измерения направления ветра «DIV3».

Выбор угла в процессеизмеренияосуществляетсяпосигналу«Признак»,поступающему сдатчика.Если флюгарка расположенавблизи 0°,то на вход «Признак» с датчика поступает сигнал логической единицы. В

этом случае производится измерение угла ψ2. Если флюгарка датчика расположена вблизи 180°, то по входу «Признак» поступает логический

нуль и производится измерение угла ψ1.

Определениесдвига фазмеждусериями производитсяпоколичеству модулирующих импульсов, прошедших за времяизмерения направления

ветра, один импульс соответствует сдвигу фаз в 1°. Величины τи, f1, f2 и Кд выбраны таким образом что:

Покоманде«Началоизмерения»производитсяанализположенияфлюгарки. Если измеряемый угол лежит в пределах 180-360°, то сигнал с выходаанализатора«А»запрещает прохождениесигнала черезсхему«Сп3», к модулятору «М» подключаются импульсы длительность которых пропорциональна ψ2 и разрешаетсяработа счётчика «Сч1». За времяизмерения на вход счётчика «Сч1» с выхода масштабного делителя «DIV1» поступит N = (ψ2 и f1) / 360KД импульсов.В этом случае N = ψ2 = . Одновременно с выхода масштабного делителя «DIV2» через схему «Сб2»в счётчик«Сч1»дополнительно поступит 180 импульсов, и в счётчике«Сч1»будетзаписано числоимпульсов:N =ψ2 + = + .

После окончания измерения содержимое счётчика «Сч1» переписывается в память, расположенную в запоминающем устройстве, выводится на табло и начинается новый цикл измерения.

Еслисдатчикапередначалом измерениявырабатываетсясигнал«Переход через 180°», то триггер «Тг3» изменяет своё состояние и на вход

232

Рис. 7.38. Схема каналаизмерениянаправления ветраМ-63м1

модулятора «М» поступают импульсы свыхода триггера «Тг1», длительность которых пропорциональна ψ1, запрещается работа масштабного делителя «DIV2», на вход счётчика «Сч1» поступают только импульсы с масштабного делителя «DIV1» и за время измерения в счётчик «Сч1» поступит N = ψ1 = импульсов.

Если в результате анализа положения флюгарки выявляется что измеряемый угол лежит в пределах 0-180°, то сигнал с выхода анализатора «А»разрешает прохождениеимпульсов черезсхему«Сп3»и кмодулятору «М» подключаются импульсы, длительность которых пропорциональна ψ2. В этом случае каждый импульс с выхода масштабного делителя «DIV1» устанавливает триггер «Тг4» в такое состояние, чтобы обеспечивался режим суммирования, и на вход счётчика «Сч1» через схему «Сб2» поступят N = ψ2 = импульсов. Каждый импульс с масштабного делителя«DIV2»переключаеттриггер«Тг4»иустанавливает счётчик«Сч1» в режим вычитания, одновременнопоступаяна еговход. Осуществляется вычитание180 импульсов из содержимогосчётчика «Сч1», и в нём будет записано N = импульсов. Таким образом, в любом случае в счётчике «Сч1» записывается число, равное измеряемому углу.

По команде «Начало измерения» определяется направление по импульсам сдвинутой и опорной серий. Если после начала измерения появится сигнал «Переход через 0°», то измеритель на него не реагирует. Если появится сигнал «Переход через 180°», то измерение продолжается по импульсам основной и опорной серий и число в «Сч1» будет равно среднемузначениюуглазавремяизмерения. Еслипослесигналапризнака перехода через 180° в течение того же интервала измерения появится сигнал признака перехода через 0°, т. е. в течение16 с направлениеветра меняетсяболеечем на180°,товсчётчике«Сч1»накапливаетсянеправильныйрезультат.Триггер«Тг3»перебрасываетсяиформируетсигнал«Гашение», индикаторы направления на лицевой панели гаснут и начинается новыйциклизмерениянаправленияветра.Измерениенаправленияосуществляется непрерывно. Результаты на табло обновляются через каждые 16 с.

7.10. Измерение радиоактивного фона и радиоактивного загрязнения местности

Перед тем как обсуждать измерение радиоактивного фона, скажем оединицах измерениярадиоактивности.Радиоактивноеизлучениевозникает при распадеядер. Жесткаярадиацияоблучает тела, вызываяизмене-

234

нияв веществе,из которогоони состоят. Поэтомуесть нескольковеличин, описывающихрадиоактивноеизлучение.Некоторыеизнихотносятсяксобственнорадиоактивным материалам, другиеописывают изменения в облучаемом веществе. Перечислим их.

1. Радиоактивность (А). Это количество ядерных распадов, происходящих в образце радиоактивного вещества за одну секунду. Разумеется, величина А зависит от природы радиоактивного вещества и от его количества. Радиоактивность измеряется в беккерелях (Бк):

1 Бк = 1 с-1.

Бкединица СИ, нодля практическогоиспользования она слишком мала. Обычнопользуютсядругой единицей, называемой кюри(Ки). Один кюри - это радиоактивность одного грамма радия. Известно, что за одну секунду в одном грамме радия происходит 3,7 · 1010 ядерных распадов. Следовательно, можно установить соотношение:

1 Kи = 3,7 · 1010 Бк.

Когда исследуетсярадиоактивноезаражениеместности, используется такая единица, как кюри на квадратный километр (Kи/км2).

2. Поглощённаядоза (D). Этоотношение энергии (W), поглощённой облучаемым телом, к массе этого тела (m):

D = W / m.

Разумеется, поглощенная доза измеряется в джоулях на килограмм. Такая единица получила название грей (Гр):

1 Гр = 1 Дж/кг.

Однако эта единица слишком велика для практического использования. Поэтому используется другая единица, рад (рад):

1 рад = 10-2 Гр = 10-2 Дж/кг.

Когда говорят о радиоактивном облучении, используют единицы:

1рад/год, 1 рад/час, 1 рад/с (рад в год, рад в час, рад в секунду).

3.Экспозиционная доза (J). Это отношение заряда (Q), образующегося в сухом воздухе при облучении, к массе сухого воздуха (m):

J = Q / m.

Экспозиционная доза измеряется в кулонах на килограмм, или в рентгенах (Р):

235

1 Р = 2,58 ·10-4 Кл/кг.

(Множитель 2,58 · 10-4 появляется при переводеединиц заряда в систему СИ и объёма воздуха в массу).

Можно легко установить следующие соотношения:

1 Р = 8,77 · 10-3 Гр = 0,877 рад 1 рад = 1,14 Р.

Обычноиспользуюттакиеединицы,какрентген вчас(миллирентген

вчас, микрорентген в час).

4.Мощностьдозы(D ). Этоотношениепоглощенной дозы ковременипоглощения(τ):

D dD dτ .

Можно связать мощность дозы с радиоактивностью:

гдеr-расстояниемеждуоблучающим радиоактивным веществом и облучаемым телом;

К - ионизационная постоянная, коэффициент, характеризующий радиоактивное вещество.

Значениевеличины К для некоторых изотопов приведенов табл. 7.2. Приисследованиирадиоактивногозараженияместностипопринятомустандарту измерения проводятся на высоте 1,5 м от земной поверхности. Тогда:

Однаконаиболееважнымявляетсявоздействиерадиациинаорганизм человека. Поэтому введена еще одна, пятая единица.

Таблица 7.2

ЗначениеионизационнойпостояннойКдлянекоторыхизотопов

236

5. Эквивалентная доза (Dе). Это поглощенная доза, умноженная на коэффициент (ke), зависящий от вида излучения. Соответствующая единица получила названиезиверт(Зв):

De = ke D.

Значение коэффициента ke приведено в табл. 7.3.

Как видно изтаблицы, наиболее опасными являютсяосколки деления ядер.

Дляописаниярадиоактивностиместностииспользуютсядольныеединицы - миллизиверт (мЗв), микрозиверт (мкЗв), а для определения мощности дозы - миллизиверт в час(мЗв/ч), микрозиверт в час(мкЗв/ч). Можно легко установить соотношение:

100 мкР/ч = 1мкЗв/ч, 100 мР/ч = 1мЗв/ч.

Теперь рассмотримсуществующиенормы поосновнымединицам радиоактивности. По отношению крадиоактивному облучению население делится на три следующие группы.

1.Специалисты -люди,работающиесрадиоактивными веществами

ипроходящиечастый медицинский контроль.

2.Люди, иногда работающие с радиоактивными веществами.

3.Всё остальное население.

Нормы дляэтих групп населенияразличны. Посколькуперваягруппа проходит частый медицинский осмотр, причём у врачей существует по отношению к ним радиационная настороженность, то для этой группы нормы самые высокие. Для второй группы нормы приняты в десять раз меньше, для третьей – в сто раз меньше, чем для первой. В табл. 7.4 приведены нормы для этих трёх групп.

237

Такжев табл. 7.4 приведены величины естественногорадиационного фона.Он может быть различным в разных районах. Такнапример,скальныепороды(мрамор, гранитит.д.)содержат радиоактивныеизотопы,поэтомурадиоактивный фон в скалистой местности несколькоповышенный, до 0,3 - 0,4 мкЗв/ч. Это не является опасным. Однако если мощность дозы превышает 60 мкР/ч, метеоролог-наблюдатель обязан известить об этом органы власти.

Примерное значение удельной активности для пищевых продуктов составляет 100 - 200 Бк/кг. Недопускается применениепищевых продуктов с удельной активностью более 1 КБк/кг по β-излучению и 0,1 КБк/кг по α-излучению. Для строительных материалов (песок, щебень и т.д.) допустимые значения составляют не более 4 кБк/кг.

Теперь рассмотрим способы измерения радиоактивности. В настоящее время применяются четыре основных способа.

1. Счётчики Гейгера. Основной частью счётчика является газоразрядная трубка, содержащая газ при пониженном давлении (рис. 7.39, а и б).

Когда частица (нейтрон,α-частицаипр.)влетает втрубку, происходит ионизациямолекул газа. Образовавшиесяионы летят кзаряженным электродам трубки– анодуи катоду. Насвоёмпутиони встречаютсясдругими молекулами газа. Длина свободногопробега (т.е. расстояниемеждумолекулами) такова, что ионы успевают набрать скорость, достаточную для ионизациивстретившейсямолекулы.Тогдаобразуетсяноваяпараионов,которыетакжелетят к электродам, ионизуют другиемолекулы и т.д. Возникает лавинообразный процессионизациивсех молекул газа в трубке. Трубка вспыхивает.Сопротивлениетрубки Rтр резкопадает.Наличиегасящегосопротивления Rг ~ 107 Ом приводит к тому, что при Rтр << Rг напряжение анод-катод также резко падает и трубка гаснет моментально. При этом навыходепоявляетсяимпульснапряжения. Ясно,чточислотакихимпульсов за фиксированныйпромежутоквремени характеризует поток частиц,

238

а)

б) +400 в

Выход

Рис. 7.39.Газоразрядная трубка. а)внешнийвид; б)схема

т.е.уровень радиации.Ономожет быть подсчитаносчётчиками(описание цифрового счетчика дано ниже).

ВдозиметреДРГБ-01 используетсяцифровойсчётчик, подсчитывающий количество импульсов за определённый интервал времени. Число, соответствующее подсчитанному количеству импульсов, представляется на цифровом индикаторе. Параметры прибора подобраны так, что это число равно активности, измеренной в микрозивертах в час или в килобеккерелях на килограмм.

2.Пропорциональные счётчики. Основной частью является та же трубка, но анодное напряжение выбирается значительно меньше, а давлениегазабольше. Из-за этогоускорениеионовслишком малоилавинный процессневозникает.Втрубкеприсутствуютлишьотдельныеионы, образовавшиеся в результате ионизации потоком частиц. Возникает слабый ионный ток, величина которогопропорциональна уровнюрадиации. Для измерениятока применяются стрелочныеили цифровыеприборы, включённыепоследовательнострубкой. Гасящеесопротивлениев этом случае не ставится.

3.Сцинтилляционные счётчики. В этих приборах используетсясвойство некоторых веществ светиться при радиоактивном облучении (сцинтилляция). Образец сцинтиллятора помещается рядом с катодом ФЭУ. Частота возникающих при попадании частиц на сцинтиллятор световых вспышек фиксируется ФЭУ (глава 1, раздел 1.10) и может быть измерена счётчиком или частотомером. Сцинтилляционныесчетчики являются самыми чувствительными.

4.Радиофотолюминисцентный метод. Радиофотолюминесцентный метод заключается в том, что в облучающий поток ионизирующего излучения вносится образец стекла на основечетырехокиси фосфора РО4. Под

239

действиемизлученияпроисходитперестройкакристаллическойструктуры стекласобразованиемцентров люминисценции. Болеедлительноепребывание в потоке излучения приводит к образованию большего количества центров. С другой стороны, более интенсивный поток излучения также способствуетобразованиюбольшегоколичества центров. Таким образом, количество образовавшихся центров пропорционально поглощенной образцом дозе радиации. Затем образец облучается ультрафиолетовым световым потоком. Если в образцеприсутствуют центры люминисценции, то образец начинает светиться в видимой части спектра. Легко понять, что интенсивностьвозникающеговидимогосвечениязависит от поглощенной образцом дозы. Интенсивность свечениялегкоизмерить спомощьюФЭУ.

Такиеизмеренияпроводятсяв тех случаях,когда необходимоопределить интегральную величину поглощенной дозы за достаточно большой временной интервал – например, за сутки, неделю, месяц или более длительный срок.

Рассмотрим теперь схему цифрового счётчика для подсчёта импульсов за фиксированное время (рис. 7.40). Работа счётчика начинается с подачи импульса на входзапуска (обычно нажатием кнопки). Триггер перебрасываетсяи на еговыходевозникает логическаяединица, поступающая на две схемы “И”.

Через верхнюю схему “И” на счетчик (Сч1) проходят импульсы с трубки, количество которых подсчитывается счётчиком. Таким образом, на его выходе возникает число в двоичном коде, которое вырастает по мере поступления импульсов. Преобразователь (X/Y) переводит двоичный код в кодуправлениясветовымииндикаторами, отображающимирезультатподсчёта.

Нижняя часть схемы представляет собой таймер – устройство для определения промежутка времени счёта. Через нижнюю схему “И”на счётчик Сч2 проходят импульсы фиксированной частоты с генератора (G). Результат подсчёта (в двоичном коде)переводитсяв напряжениеспомощью ЦАП. Так как этот результат все время возрастает, то напряжение Uцап такжерастёт. При превышении величины Uоп (Uцап >Uоп)на выходекомпаратора (К)возникаетлогическая единица, поступающая на R-входтриггера и перебрасывающаятриггер. Возникающий на выходетриггера логический нуль запирает обесхемы “И”, подсчёт импульсов прекращается и число на индикаторах перестает изменяться.

При правильном подборе величины Uоп это число отражает уровень радиации в заданных единицах (мР/ч, мкР/ч, и т.д.). Величину опорного

240