Файл: Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие.pdf

се смеси установится постоянная удельная активность (объем­ ная или массовая).

Здесь мы остановились на некоторых методах атомной тех­ ники в исследовании работы сельскохозяйственных машин. Воз­ можности атомной техники в этой области, конечно, не исчерпы­ ваются рассмотренными методиками.

В Центральном научно-исследовательском институте меха­ низации и электрофикации сельского хозяйства нечерноземной зоны СССР разработан ряд радиометрических методик исследо­ вания перемещения почвы под воздействием рабочих органов почвообрабатывающих машин, изготовлена радиометрическая установка для определения координат меченой частицы, переме­ щающейся в почве.

Во Всесоюзном научно-исследовательском институте элект­ рификации сельского хозяйства созданы радиометрические ме­ тоды исследования рабочих процессов в зерноочислительных ма­ шинах. С помощью системы счетчиков прослеживается движе­ ние меченых частиц по сепарирующей поверхности. Установка позволяет изучать влияние различных факторов на процесс сепа­ рации зерновых смесей и обосновывать рациональные кинема­ тические и конструктивные параметры рабочих органов зерно­ очистительных машин.

Радиометрическую методику слежения за движением мече­ ных частиц можно использовать при исследовании смешения кор­ мов в кормоприготовительных машинах, при изучении рабочих процессов посевных машин, пневмотранспортных устройств сель­ скохозяйственных машин и др.

В Литовском научно-исследовательском институте механиза­ ции и электрификации сельского хозяйства создан гаммаскопи­ ческий метод испытания картофелепосадочных машин на равно­ мерность посадки клубней. Сущность метода заключается в про­ свечивании слоя почвы на глубине посадки в горизонтальном направлении коллимированным пучком у-излучения и измере­ нии интенсивности ослабленного излучения при непрерывном движении источника и детектора вдоль рядка. Так как плотность клубней картофеля и почвы разная, на ленте самописца, регист­ рирующего плотность потока излучения, вычерчиваются пики, промежутки между которыми пропорциональны расстоянию

между клубнями.

С помощью радиоактивных меток можно проследить путь и измерить скорость движения твердых частиц в каналах для на­ возной жижи, скорость движения измельченных частиц смеси зеленого корма, соломы, сена, при транспортировке их по длин­ ным трубопроводам на животноводческих фермах.

Введение радиоактивной метки в воздушную массу позволя­ ет следить за движением и обменом воздуха в хранилищах сельскохозяйственной продукции и теплицах, испытывать венти­ ляционные системы.

371

§ 3. ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОИЗОТОПНЫХ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА

Перспективным направлением применения атомной техники в сельском хозяйстве является использование различных мето­ дов, контрольно-измерительных приборов, устройств и установок, основанных на регистрации эффектов взаимодействия ядерных излучений с веществом.

Некоторые примеры использования таких методов и прибо­ ров в сельском хозяйстве рассматривались в § 3 гл. 7, а также в § 2 данной главы.

Здесь мы остановимся на разнообразных вариантах исполь­ зования радиоизотопных источников излучения для контроля и автоматизации технологических процессов.

Общая принципиальная схема приборов с радиоизотопными источниками излучения приведена на рис. 11.3. Эти приборы ос­ нованы на использовании различных видов ионизирующих излу­ чений (а-, |3-, у- и нейтронного). Излучение в результате взаимо­ действия с контролируемым объектом изменяет свои количеет-

372

венные и качественные показатели (плотность потока, энергети­ ческий спектр) и, пройдя через контролируемый объект, попадает на детектор (ионизационные камеры, газоразрядные и сцинтилляционные счетчики, полупроводниковые детекторы и др.).

Детектор выбирают в зависимости от вида используемого излучения, эффективности регистрации и точности измерений. Ионизационные камеры выдают сигнал, как правило, в виде то­ ка, остальные детекторы в виде импульса напряжения.

Сигнал или сигналы с детектора преобразуются с помощью электронной схемы-регистратора таким образом, чтобы привес­ ти в действие стоящий на выходе вторичный прибор. Регистра­ торы подразделяются на аналоговые и дискретные. Аналоговые регистраторы дают непрерывный сигнал в виде определенного напряжения, величина которого зависит от плотности потока или интенсивности излучения, падающего на детектор.

Дискретные регистраторы подают на вторичный прибор сиг­ нал в виде импульса напряжения, величина которого также за­ висит от плотности потока или интенсивности излучения.

В качестве регистраторов используются различные приборы: показывающие, самопишущие и устройства в системе автомати­ ческого регулирования.

Рассмотрим различные типы приборов с радиоизотопными источниками излучения. В технической литературе их для крат­ кости называют радиоизотопными приборами, хотя этот термин не вполне удачен.

П р и б о р ы с п р я м ы м изм ерен и ем п л отн ости п о т о к а излучения.

Это наиболее простой тип радиоизотопных приборов. Такие при­ боры состоят из источника излучения, детектора, усилителя и выходного отсчетного устройства с непрерывной шкалой или са­ мописца с непрерывной записью электрического сигнала от де­

тектора.

Основными достоинствами приборов с прямым измерением плотности потока излучения являются их простота, дешевизна и надежность в работе. Однако такие приборы имеют и недос­ татки: высокую погрешность измерения и нелинейность шка­ лы. Аппаратурные погрешности обусловлены двумя основными причинами: нестабильностью плотности потока излучения и не­ стабильностью работы измерительного устройства.

П р и б о р ы с перем енной геом етр и ей пучка излучения. Вслед­ ствие изменения положения источника излучения по отношению к детектору может произойти изменение геометрии пучка излу­ чения, падающего на детектор. На этом принципе основаны ра­ диоизотопные приборы, предназначенные для измерения рассто­ яний, перемещений, уровней и других геометрических перемет-

ров.

На рис. 11.4 изображена схема поплавкового радиоизотоп­ ного детектора уровня. Плотность потока излучения (обычно у- излучения), падающего на детектор, зависит от положения уров­

373

ня жидкости, на поверхности которой плавает радиоизотопный источник излучения. Шкала прибора будет нелинейной, так как плотность потока излучения, регистрируемая детектором, обрат­ но пропорциональна квадрату расстояния между источником и детектором.

Детектор

Рис. 11.4. Поплавковый радиоизотопный детектор уровня.

П р и б о р ы с перем ен н ы м о сл а б л е н и е м изл учени я . В таких при­ борах геометрия пучка излучения сохраняется неизменной. Плот­ ность потока излучения, падающего на детектор, может изме­ няться вследствие изменения поглощающих свойств среды, рас­ положенной между источником излучения и детектором. Такими приборами можно измерять плотность слоя вещества посто­ янной толщины (см. § 3 гл. 7), толщину слоя постоянной плот­ ности или массу вещества в расчете на единицу площади при постоянной площади. В этих случаях используется экспоненци­ альный закон ослабления у-излучения (1. 67). В тех случаях, когда поверхностная плотность вещества меньше 1 г/см2, мож­ но использовать источники p-излучения. Ослабление потока 13излучения описывается приближенной экспоненциальной зави­ симостью (1. 53). Когда плотность среды однозначно определя­ ется ее химическими свойствами, по изменению плотности пото­

гистрируется рассеянное излучение. Взаимное расположение из­ лучателя, рассеивателя (объекта измерения) и детектора схема­ тически показано на рис. 11.5.

374

Поток рассеянного излучения зависит от плотности, толщи­ ны и состава рассеивающего материала. Поэтому с помощью приборов, основанных на регистрации рассеянного излучения, можно контролировать такие показатели, как плотность, толщи­ на, состав среды и концентрация веществ. Эти приборы имеют важное преимущество — источник излучения и детектор распо­ ложены с одной стороны объекта измерения, что создает опреде­ ленную компактность прибора, в чем можно было убедиться, на­ пример, при рассмотрении гамма-гамма-плотномеров (см. § 3 гл. 7). В качестве источников излучения используют |3- и у-из- лучатели.

Источник излучения

г

Детектор

Контролируемая среда

Рис. 11.5. Схема радиоизотопного прибора с перемен­ ным альбедо (регистрация рассеянного излучения).

Бета-излучатели (например, 204Т1 или 90Sr—90Y) используют в измерителях толщины тонких покрытий, а также в измерите­ лях концентрации компонентов в бинарных смесях (бета-кон- центратомер). В приборах с переменным альбедо, которые реги­ стрируют рассеянное |3-излучение, как правило, в качестве детекторов используют ионизационные камеры.

Пример использования регистрации рассеянного у-излучения для определения плотности почвогрунтов уже рассматривался нами в § 3 гл. 7. На этом же принципе основан прибор для изме­ рения и контроля толщины слоя материала. Для регистрации, кроме газоразрядных счетчиков, применяют сцинтилляционные счетчики. Зависимость потока рассеянного излучения от толщи­ ны слоя рассеивателя весьма сложна, и ее устанавливают опыт­ ным путем (снятием калибровочной кривой).

П р и б о р ы с п р я м ы м и сп ол ьзов а н и ем и он и зи р у ю щ е г о дей стви я излучения . К приборам такого типа относятся, например, иони­ зационные манометры и расходомеры газов.

Линейная плотность ионизации (ЛПИ) заряженных частиц (например, а- и р-частиц) при прохождении их через вещество зависит от его плотности и химического состава (см. гл. 1). Ес­ ли заряженные частицы проходят через газ, то число пар ионов, об­ разующихся на единице пути в газе, зависит от состава газа и его плотности или давления. Отсюда следует, что по суммарной ионизации, создаваемой потоком заряженных частиц в газе, можно определить давление газа. На этом принципе и построе­

375

ны ионизационные манометры. Как правило, для ионизационных манометров используют источники a-излучения, которые обла­ дают наибольшей ЛПИ по сравнению с другими видами иони­ зирующих излучений. Такой а-излучатель помещают в ионизаци­ онную камеру, в которую вводят контролируемый газ. Размеры ионизационной камеры избирают такими, чтобы пробег а-частиц превышал линейные размеры камеры, т. е. при этом использует­ ся начальный участок кривой Брегга (см. рис. 1.6). Это условие необходимо для получения линейной зависимости между иони­ зационным током и давлением газа (при постоянной темпера­ туре) .

Эффект ионизации газа под действием ионизирующего излу­ чения может быть использован для измерения скорости потока или расхода газа. Принцип работы таких ионизационных ане­ мометров основан на том, что через ионизационную камеру, в которой а- или (5-излучением создается ионизация газа, пропус­ кается контролируемый газ в направлении, перпендикулярном к электрическому полю между электродами камеры. Камера ра­ ботает в режиме тока насыщения. Под действием потока газа часть образовавшихся ионов уносится из камеры, что приводит к уменьшению тока в ионизационной камере. Степень этого уменьшения зависит от скорости потока газа.

Ионизационные газоанализаторы. Ток в ионизационных ка­ мерах зависит не только от плотности газа в ней, но и от его хи­ мического состава. В связи с этим появилась возможность опре­ делять концентрацию газов в газовых смес-ях с помощью иони­ зационных камер. Как правило, в ионизационных газоанализа­ торах в качестве источников излучения используют а-излучате- ли (210Ро, 239Ри). Ионизационные газоанализаторы очень чувст­ вительны к примесям паров органических веществ. Поэтому их, например, используют для определения концентрации вредных органических веществ, в частности некоторых органических ядо­ химикатов (гербицидов, инсектофунгицидов и т. п.), в воздухе. В сельском хозяйстве могут найти применение также ионизацион­ ные газоанализаторы для определения в воздухе концентра­ ции двуокиси углерода, метана и других низкомолекулярных газов.

Выше отмечалось, что радиоизотопные приборы, работающие по принципу прямого измерения плотности потока излучения, обладают существенным недостатком — значительной (10— 15%) аппаратурной погрешностью — свойственным всем приборам прямого измерения.

Меньшей погрешностью измерения обладают приборы с ре­ лейными и импульсными устройствами. Работа таких приборов практически не зависит от изменений плотности потока излуче­ ний. Релейные и импульсные радиоизотопные приборы просты, дешевы и надежны. Это обусловливает их широкое применение в народном хозяйстве.

376