Gammasugárzás abszorpciója, folyadékszint- és sűrűségmérés

Szerkesztés alatt!

Az izotópos szintjelzés elve

A mérőberendezés leírása

A mérőberendezés egy hengeres acéledényből, egy, az acélhengeren kívül elhelyezkedő pontforrásokból kialakított "vonalforrásból", és ezzel szemben az acélcső másik oldalán elhelyezkedő lineáris detektorból (G.M.- cső) áll. A detektor egy TSM-11-T típusú ratemeterhez csatlakozik. Az acéledényekhez egy átlátszó közlekedő edény csatlakozik hitelesítési célra (8. ábra).

8. ábra Laboratóriumi folyadékszint mérő berendezés

A 9. és 10. ábrákon az Izotóp Intézet által megvalósított és forgalmazott TSM-11-T elnevezésű átlagbeütésszámmérő kezelő szervei és blokkfelépítése látható. A készülék legfőbb elemét az integrátort a jelformáló egy digitális osztón keresztül hajtja meg. Az integrátor időállandója a K₂ fokozatkapcsolóval változtatható. Ez a kezelőszerv a műszeren kívül is hozzáférhető, ahogyan a 9. ábrán látható. Az integrátort a kijelzést szolgáló egységek követik, a "0" pont eltolást és a hitelesítést vagy skálanyújtást biztosító szervek. Ezeket egy-egy helipot segítségével (P₁ és P₂) lehet beállítani, amelyek szintén kívülről kezelhetők, a 9. ábrán látható P₃ és P₄ potméterek előre megadott határértékek beállítására szolgálnak. A beállított értékek elérésekor az alsó, illetve L₂ felső határértéket jelző lámpák jeleznek a műszer (M) állásának megfelelően. A lámpák jelzéseivel egy időben a készülékben lévő relék egy-egy kapcsoló állapotát megváltoztatják, amelyek valamely más készülék vezérlésére, indítására használhatunk. Az egyéb kezelőszervek a készülék áramellátását, illetve az áramellátás jelzését szolgálják. Az egyéb kezelőszervek megnevezése a 9. ábráról leolvasható.

9. ábra TMS-11-T berendezés kezelőszervei

A ratemeter házában két rekesz csak speciális kivitelnél van kihasználva, ezért a mi méréseinkben ez lehetőséget adott arra, hogy az adott méréshez szükséges elektronika ezekbe a szabadon hagyott rekeszekbe kerüljön. Ezek kezelése az adott mérési feladatoknál megtalálható.

10. ábra TSM-11-T átlagbeütésszám-mérő blokkfelépítése

Mérési feladatok

1. Kapcsolja be a TSM-11-T, TSM-11-R és a Valve Controller műszereket! Bemelegedési idő 2 perc. Győződjön meg a vízvezetékek helyes bekötéséről!
2. Hitelesítse a ratemetert a közlekedő edény melletti magasságskála segítségével! Állítsa a P₁ és a P₂ helipotot 0 állásba! Az időállandót a legrövidebb értékre állítsa! A vízszintet állítsa be 0 értékre! Ezután a P₁ helipottal állítsa be a ratametert (M mutatós műszer segítségével) 0-ra! Mindkét határérték-kapcsolót végkitérés állásba állítva és a kifolyót elzárva töltse fel az edényt a skála 50 cm-es értékéig! Most a P₂ helipottal állítsa a ratemetert végkitérésbe, a 100 értékre (az M mutatós műszer segítségével)! A beömlést elzárva és a kifolyást megindítva kalibrálja a ratemetert a közlekedő edényben! Rajzolja meg a kalibrációs görbét!
3. Szintentartás a feladat. Engedje le a vizet 40, ill. 20 cm-ig és a felső határérték kapcsolót állítsa olyan állásba, hogy a beállított értéknél nyissa-zárja a vezérelt csapot (x=min)! A vízcsap és a kifolyó együttes megnyitása után a magára hagyott rendszer a beállított érték körül ingadozik. Vizsgálja meg az ingadozás mértékét az alsó határérték-kapcsoló, valamint az időállandó beállításának függvényében! Írja le megfigyeléseit! Állítsa be a lehető legkisebb hiszterézist! Ügyeljen arra, hogy a víz befolyási sebessége körülbelül egyezzen meg a kifolyási sebességgel! (A vízbevezető csapot csak kicsit szabad megnyitni!)
4. Kapcsolási hiszterézis vizsgálata. A feladat a víz 27 cm-en való tartása. Állítsa be a vízszintet 25 cm-re! A helipottal állítsa a ratemetert 0-ra! Állítsa be a P₂ helipottal a maximális értéket a ratemeteren (maximális erősítés!). A be- és kifolyás fenntartása mellett a felső határérték-kapcsolóval álljon be 27 cm-re! Vizsgálja meg a hiszterézist az időállandó függvényében és hasonlítsa össze a 3. feladatban tapasztalattal! Keresse meg az optimális alsó határérték állást, ahol a rendszer már nem esik ki a vezérlésből! Írja le tapasztalatait!

A mérés befejezésekor zárja el a vízcsapot és a kifolyót!

Ellenőrző kérdések

• Mi a pontszerű és mi a lineáris sugárforrás?
• Állandó folyadék-szint mellett, hogyan változik az átlag beütésszám? Mi a szerepe az időállandónak?
• Hogyan változik a kifolyás sebessége a vízmagasság függvényében?
• Hogyan működik a határérték-kapcsolós szelepszabályozás?
• Hogyan lehet a két-pont szabályozás hiszterézisét csökkenteni? Erősítés? Időállandó?
• Hogy működik a ratemeter?
• Miért használunk γ-sugárforrást?
• Miből áll a mérőberendezés?

Gamma-sugárzás abszorpciós sűrűségmérés és alkalmazása

A folyamatellenőrzés és irányítás gyakran igényli az anyagsűrűség folyamatos mérését. A sűrűség

 

$\[\rho= \frac{m}{V}\]$

(5)

ahol m az anyag tömege és V az általa kitöltött térfogat.

Az iparban a sűrűségmérést számos területen alkalmazzák, ilyen pl. a bányászat, vegyipar, kőolajipar, textilipar, stb., elsősorban különböző transzport vagy egyéb technológiai folyamatok ellenőrzésére, szabályozására. A leggyakoribb probléma különböző folyadékok, oldatok, emulziók és szuszpenziók (zagyok) sűrűségének mérése. Az ipari alkalmazások szempontjából érdekes sűrűségtartomány a 500-2500 kg/m³. A radioaktív izotópos méréstechnikán alapuló sűrűségmérés elsősorban érintkezésmentes jellege miatt a legtöbb esetben jelentős előnyt kínál a többi sűrűségmérő módszerrel szemben (úszós, hidrosztatikus, mérleges, pneumatikus), sőt nemegyszer ez az egyetlen üzembiztos megoldás.

A Gamma-sugár abszorpciós sűrűségmérés elve

Ha az I vastagságú vizsgált mintát párhuzamos A₀ intenzitású sugárnyalábbal sugározzuk be, akkor annak intenzitása az anyagon áthaladva a

 

$\[A= A_0\cdot e^{-\mu \cdot I} = A_0\cdot e^{-\mu'\cdot \rho\cdot I}\]$

(6)

törvény szerint változik, ahol μ az ún. lineáris, abszorpciós együttható, $\setbox0\hbox{$\mu' {{=}} \frac{\mu}{\rho}\left[\frac{cm^2}{g}\right]$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a tömegabszorpciós együttható. Mivel μ a sűrűséggel közelítőleg lineáris kapcsolatban van, a tömegabszorpciós együttható sűrűségfüggését első közelítésben elhanyagolhatjuk, csak a mért anyag minőségétől, a használt sugárzás energiájától függ. Ez utóbbiakat, valamint a mért anyagvastagságot, I-t állandónak tartva a dózisintenzitás ΔA megváltozása a Δρ sűrűségváltozástól függ. (6.)-t differenciálva

 

$\[\Delta A= \frac {\partial A}{\partial \rho} \cdot \Delta \rho= \frac{\partial}{\partial \rho} \left(A_0 \cdot e^{-\mu' \cdot\rho \cdot I}\right)\cdot \Delta\rho =\mu'\cdot I\cdot A \cdot \Delta \rho\]$

(7)

A (7.) egyenletből látható, hogy a mérés érzékenysége nagy, ha jól abszorbeálódó sugárzást emittáló sugárforrást használunk (μ’ nagy), illetve ha a mérési úthossz (I) és a forrás aktivitása (A₀) megfelelően nagy. A sűrűségmérő elvi elrendezése a 11. ábrán látható.

11. ábra γ-sugár abszorpciós sűrűségmérés. SF sugárforrás, T tartály, A mérendő anyag, D detektor, E elektronikus jelfeldolgozó, M kijelző, R regisztráló

Szemcseméret-eloszlás mérése sugárabszorpciós módszerrel

A gyakorlatban számos esetben előfordul, hogy szuszpenziókban, azaz folyadékokban lebegő - ülepedő szilárd szemcsézettel rendelkező anyagokban az átlagos szemcseméretet, a szemcseméret eloszlását kell meghatározni. Gyors és pontos módszer erre az ülepedés mérése sugárabszorpciós módszerrel. A mérés elvi elrendezése a 12. ábrán látható.

12. ábra Szemcseméretűeloszlás mérése. SF sugárforrás, E ülepítő edény, D detektor

Az ülepítő közegben egyenletesen elkevert szemcsés anyag az I átmérőjű edényben van. A felszíntől x távolságra levő SF sugárforrásból kilépő, a folyadékfelszínnel közel párhuzamos sugárnyaláb intenzitását a D detektor méri.

Az abszorpció a tiszta ülepítő közegben

 

$\[A_v = A_0\cdot e^{-\mu'_v \cdot \rho_v \cdot I}\]$

(8)

míg valamely c_s szuszpenziósűrűség jelenlétekor

 

$\[A_v = A_0\cdot e^{-\left(\mu'_v \cdot \rho_v + \mu'_s \cdot c_s \right) \cdot I}\]$

(9)

ahol a v index az ülepítő közegre (pl. víz) az s a szuszpenzióra vonatkozik, A₀ a belépő intenzitás A_v illetve A_s pedig a detektort érő intenzitások, c_s pedig a szilárd anyag átlagos sűrűsége.

 

$\[c_s = \frac{m_s}{V_v}\]$

(10)

ahol m_s a V_v térfogatú ülepítő közegben lebegő szilárd részecskék tömege. c_s a (8.) és (9.) egyenletekből megkapható, ugyanis $\setbox0\hbox{$ln\frac{A_v}{A_s} {{=}} \mu' \cdot c_s \cdot I$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, tehát

 

$\[c_s = \frac{1}{\mu'\cdot I} ln\frac{A_v}{A_s}\]$

(11)

Ha a t=0 időpontban egyenletesen felkevert szuszpenziót magára hagyjuk, a szilárd szemcsék ülepedése miatt x mérési magasságban cs időben változik, csökken, következésképpen A_s nő. (Itt jegyezzük meg, hogy a TSM-11 berendezésben elektromos kapcsolás megoldás révén a kimenőjel nem az As értéket, hanem egy olyan V feszültséget szolgáltat a mérés során amelyre igaz, hogy $\setbox0\hbox{$V {{=}} K-A_s$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$, ahol a K potméterrel beállítható érték, részletesen ld. később.) Az

 

$\[f(t) = \frac{c_s(t)}{c_s(0)}\]$

(12)

függvény azon szemcsék súlyszázalék arányát adja meg, melyek ülepedési sebessége kisebb, mint $\setbox0\hbox{$v=\frac{x}{t}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$.

A d átmérőjű ρ_s sűrűségű v sebességgel mozgó szemcsére ható erők:

a nehézségi erő

 

$\[F_g = \frac{4\pi}{3} \cdot \frac{d^3}{8} \cdot \rho_s \cdot g\]$

(13)

a felhajtó erő

 

$\[F = \frac{4\pi}{3} \cdot \frac{d^3}{8} \cdot \rho_v \cdot g\]$

(14)

a súrlódási erő

 

$\[F_s = 5 \pi \eta \cdot \frac{d}{2} \cdot v\]$

(15)

PDF formátum

• Gammasugárzás abszorpciója, folyadékszint- és sűrűségmérés