Радиоактивные приборы

Радиоактивные приборы основаны на использовании свойств радиоактивных излучений: проникать сквозь вещество, рассеиваться веществом и ионизировать вещество.

Для контроля линейных размеров применяются приборы, в которых величина поглощения или рассеивания потока радиоактивного излучения функционально связана с контролируемой величиной.

Простейшая принципиальная схема прибора для контроля толщины листа показана на рис. 9. Поток радиоактивных излучений от источника 7, пройдя сквозь контролируемую деталь 2, попадает в приемник 3, где в зависимости от интенсивности потока (от толщины d листа) создается определенной величины электрический сигнал, который усиливается и преобразуется промежуточным преобразователем 4 и далее поступает на указательное или командное устройство 5.

Измерение размеров с помощью обратного рассеяния потока излучений показано на рис. 10.

При направлении пучка радиоактивного излучения 1 на поверхность изделия 2 с определенной толщиной часть лучей проходит сквозь изделие, а часть лучей претерпевает рассеяние веществом и изменяет свое первоначальное направление. Обратное рассеяние излучения происходит не только на поверхности изделия, но и на разной его глубине в зависимости от толщины изделия. Измеряя приемником 3 с аналогичной электрической схемой 4 и 5 интенсивность отраженного потока, судят о толщине изделия.

Приборы, использующие эффект рассеяния излучений, нашли применение для измерения толщины изделий, доступных только с одной стороны, а также для определения толщины покрытий.

Радиоактивные приборы целесообразно применять в отраслях промышленности с тяжелыми условиями эксплуатации (запыленность, влажность, высокие температуры, агрессивная среда).

Эти приборы успешно используются для автоматизации технологических процессов изготовления проката металлов, резины, бумаги, стекла, всевозможных пленок, автоматизации литейного и кузнечно-прессового производства. Радиоактивные приборы позволяют вести бесконтактные измерения при больших скоростях проката со значительными величинами вибраций и колебаний измеряемого объекта, при значительных колебаниях температуры, зоне измерения. Однако использование источников ядерного излучения всегда связано с необходимостью защиты обслуживающего персонала от воздействий излучения.

Источники излучений

Для измерения линейных размеров в машиностроении используются источники β- и γ - излучений.

β - излучение представляет собой поток электронов, образовавшихся при превращении одного из нейтронов ядра в протон.

При этом ядро испускает электрон, называемый обычно β- частицей. Пробег β- частиц в газах достигает нескольких метров, а в жидких и твердых телах — нескольких миллиметров.

Основными областями применения β - излучения в устройствах автоматического контроля являются измерение толщины, плотности и веса материала.

γ - лучи представляют собой электромагнитное излучение, испускаемое атомными ядрами при переходе их из возбужденного в основное состояние или следствие торможения заряженных частиц.

γ - излучение сравнительно слабо поглощается веществом и может проникать через твердые тела толщиной до нескольких сотен миллиметров. Его широко используют в устройствах автоматического контроля, где требуется большая проникающая способность излучения (толщиномерах, плотномерах, дефектоскопах, уровнемерах).

Конструктивно источники излучений обычно представляют собой герметичные металлические ампулы небольших размеров. В ампулу заключено небольшое количество вещества (сплавы, металлы, соли или эмали), содержащие радиоактивный изотоп.

Важным свойством источников ядерных излучений является отсутствие какого-либо влияния внешних условий (давления, температуры, электрического и магнитного полей и т.д.) на активность и энергию излучения. Причиной этого является то, что радиоактивность обусловлена не процессами в электронных оболочках атома, где энергии взаимодействия имеют тот же порядок, что и энергии обычных физических явлений, а связана с явлениями, происходящими внутри атомного ядра, где энергии взаимодействия на 3 — 4 порядка выше.

Приемники излучений

Существующие в настоящее время приемники излучений можно разделить на две группы: к первой группе относятся приемники, действия которых основаны на ионизации газа, возникающей под действием радиоактивных лучей; действие второй группы приемников основано на ионизации в твердых веществах и некоторых растворах.

Ионизационные камеры и газовые счетчики являются приемниками первой группы, люминесцентные счетчики относят ко второй группе.

Статистические погрешности играют значительную роль при измерении малых интенсивностей потоков излучений, и их влияние уменьшается с увеличением активности источника излучений.

Измерение вообще будет невозможным, если оперировать источником с малой интенсивностью и применять высокочувствительную электрическую схему для измерения незначительных приращений контролируемых размеров деталей.

Простейшим радиоактивным прибором для контроля толщины детали является прибор, в котором измерение интенсивности излучения осуществляется по схеме (см. рис. 9). От источника 1 излучение, пройдя контролируемую деталь 2, ослабевает и далее приемником 3 преобразуется в электрический сигнал.

Электрический преобразователь 4 обычно содержит интегрирующую цепочку, электронный усилитель, а блок 5 имеет показывающее устройство в виде стрелочного прибора и для подачи команды релейное устройство. Схема прямого измерения обладает существенным недостатком — низкой точностью.

Дифференциальная схема измерения (рис. 11, а), для которой характерно сравнение двух потоков излучения (один из них 1_ИЗ, второй — образцовый 1_ОБ) имеет более высокие метрологические показатели.

Промежуточный преобразователь 3, помимо функций, выполняемых в предыдущей схеме, должен также выделить разностный сигнал, который затем поступает на измеритель 4.

Точность схемы повышена за счет значительного уменьшения статистических погрешностей. Погрешности будут возникать за счет неодинаковых изменений характеристик приемников излучений и нестабильности во времени блоков схемы.

Компенсационная схема измерения (рис. 11, б) позволяет устранить влияние нестабильности промежуточного преобразователя 3, так как в этом случае разностный сигнал от потока 1_ИЗ и компенсационного потока 1_К воздействует на сервопривод 4, перемещающий компенсационный клин 5 таким образом, что величина разностного сигнала приводится к нулю. Отсчет осуществляется по положению компенсационного клина.

Погрешности из-за неодинаковых изменений характеристик приемников излучений в данной схеме остаются. Они могут быть устранены применением компенсационных схем с одним общим приемником излучения (рис. 11, в). Два потока излучения попеременно попадают на один и тот же приемник излучения 2. Модуляция потоков осуществляется вращающимся диском 1 с окном, который попеременно открывает приемник излучения то потоку 1_ИЗ, то потоку 1_К.

По фазе сигнала разбаланса можно судить о знаке неравновесия и компенсировать его аналогично предыдущей схеме.

Преимуществом применения компенсационных схем с модулированным излучением является возможность использования в них наиболее эффективных приемников излучения, например, сцинтилляционных счетчиков.

Недостатком же является то, что измеряемый поток излучения воздействует на приемник только в течение половины рабочего цикла и, следовательно, время измерения используется не полностью.

Для более эффективного использования времени измерения применяется схема, работающая по методу контрольного сигнала (рис. 11, г).

Измеряемый и образцовый потоки излучения действуют на приемник 2 одновременно, причем измеряемый поток действует непрерывно, а образцовый периодически прерывается с некоторой частотой при помощи модулирующего устройства.

Промежуточный преобразователь 3 содержит в себе цепи, позволяющие выделить отдельно переменную составляющую сигнала, соответствующую образцовому потоку, и суммарный сигнал. Измеритель 4 определяет отношение этих двух сигналов. При строгом постоянстве образцового потока показания прибора будут зависеть только от интенсивности измеряемого потока излучения.

Одним из недостатков обычных компенсационных схем является наличие в них механической следящей системы, ограничивающей быстродействие прибора.

С целью повышения быстродействия используют схему измерения по методу динамической компенсации (рис. 11, д). В отличие от обычных компенсационных схем клин здесь все время находится в движении (вращается) таким образом, что интенсивность образцового потока излучения 1_ОБ, падающего на приемник 2, непрерывно изменяется по пилообразному закону.

В промежуточном преобразователе 3 отмечается момент равенства компенсирующего и измеряемого потока, а измеритель 4 фиксирует положение клина, соответствующее этому моменту.