Раздел 2. Ионизационные преобразователи

Ионизационные преобразователи - это такие преобразователи, в которых измеряемая неэлектрическая величина функционально связана с током электронной и ионной проводимости газовой среды.

Поток электронов и ионов получается в ионизационных преобразователях либо ионизацией газовой среды под воздействием того или иного ионизирующего агента, либо путем термоэлектронной эмиссии, либо путем бомбардировки молекул газовой среды электронами и т.д.

Обязательными элементами любого ионизационного преобразователя являются источник и приемник излучений.

Ионизирующие агенты

В качестве ионизирующих агентов применяются    - лучи и рентгеновские лучи.

 - частицы являются ядрами гелия и несут положительный заряд. Это более тяжелые частицы и потому они обладают большей энергией и являются наиболее сильным ионизирующим агентом. Однако проникающая способность их очень мала. Наибольшая длина пробега их в воздухе равна 90 мм, а в твердых телах они поглощаются уже в слоях порядка единиц или десятков микрон (например, для алюминия длина пробега равна 0,05 мм). Поэтому при использовании - частиц в качестве ионизирующего агента излучатель помещается внутри преобразователя.

 - частицы являются потоком отрицательно заряженных частиц (электронов). Они обладают меньшим запасом энергии, но проницаемость их достигает нескольких мм в твердых телах (например, для алюминия длина пробега равна 1,75 мм).

Поэтому в измерительной технике используется в основном проникающая способность -лучей, и излучатель помещается вне преобразователя.

 - лучи представляют собой электромагнитные колебания весьма малой длины волны. Электромагнитная энергия излучается не непрерывно, а квантами или фотонами, которые не несут электрического заряда, и потому не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем.  -лучи распространяются со скоростью света и обладают наибольшей проникающей способностью (например, у алюминия- до 12 см).

Рентгеновские лучи являются электромагнитными колебаниями, но большей длины волны. Они обладают теми же свойствами, что и  -лучи и могут излучаться почти всеми веществами, если последние подвергаются бомбардировке электронами или другими частицами достаточной энергии.

Использование их в измерительной технике основано на способности этих лучей проникать через светонепроницаемые тела.

Чаще всего применяется метод ионизации газовой среды лучами радиоактивных веществ или рентгеновскими лучами. Такие преобразователи носят название ионизационных камер и счетчиков.

Принцип действия ионизационной камеры показан на рис. 4.27.

Рис 4.27. Ионизационная камера.

Газовая среда в камере 1 подвергается ионизации под воздействием ионизирующего агента 2. В камере расположены два электрода 3, к которым подводится напряжение U. При ионизации газа в камер возникает упорядоченное движение электронов и положительных ионов этого газа, т. е. иониза­ционный ток, который является функцией приложенного на­пряжения, свойств ионизирующего агента, ионизируемой сре­ды, стенок камеры, а также других тел 4, находящихся на пути излучения ионизирующего агента.

Рис 4.28. Ионизационная камера объемом 500 см³

 Технические характеристики ионизационной камеры, приведенной на рис. 4.28:

Применение: фотоны 40 кэВ – 10 МэВ

Измеряемые величины:

•  поглощенная доза и мощность поглощенной дозы в воде

•  амбиентный эквивалент дозы

•  керма в воздухе

•  экспозиционная доза

Диапазон измерения мощности поглощенной дозы в воде:

   •  чувствительный диапазон 0,006 – 12 мкГр/с

   •  средний диапазон 0,012 – 1,2 мГр/с

   •  грубый диапазон 1,2 – 12 мГр/с *

Диапазон измерения интеграла мощности поглощенной дозы в воде:

   •  чувствительный диапазон 0,06 мкГр – 0,384 Гр

   •  средний диапазон 0,024 мГр – 38,4 Гр

   •  грубый диапазон 2,4 мГр – 0,384 кГр *

Диапазон поглощенной дозы в воде:

   •  чувствительный диапазон 0,06 – 60 мкГр

   •  грубый диапазон 0,06 – 6 мГр

Основная относительная погрешность измерений:

   •  в диапазоне 0,006 – 0,06 мкГр/с 4+0,18/D

   •  в остальном диапазоне 4%

Измерительный объем 500 см3

Рабочее напряжение камеры 300 В

Максимальное напряжение камеры ± 400 В

Типичное значение чувствительности камеры 0,7 мГр/нКл

Ток утечки с кабелем после проведения компенсации, не более ± 0,01 пА (± 0,04 мкГр/с)

Длина кабеля 5 – 10 м

Энергетическая зависимость: менее ± 2 % от типовой в диапазоне энергий

   •  фотонного излучения 0,045 – 1,33 МэВ

Материал стенок токопроводящая тканеэквивалентная пластмасса

Используя зависи­мость ионизационного тока от всех этих факторов можно при­менять ионизационные преобразователи для измерения раз­личных физических и геометрических величин.

Применение. В зависимости от свойств ионизирующих агентов иониза­ционные преобразователи используются в приборах для изме­рения самых различных величин. Так, преобразователи с -излучателями могут быть применены для измерения:

1) перемещения, так как ток ионизационной камеры зави­сит от расстояния между электродами;

2) плотности газов;

3) скорости течения газов;

4) количества дымовых примесей и влажности газа, так как неподвижность ионов зависит от этих величин.

Ионизационные преобразователи с -излучателями могут применяться вместо -излучателей в некоторых вышеперечис­ленных случаях, а также для измерения бесконтактным мето­дом толщины листового материала и толщины покрытий.

Ионизационные преобразователи с -излучателями, обла­дающими большой проникающей способностью, используются для измерения плотности вещества, больших толщин, уровня, для дефектоскопии деталей.

Излучатель -лучей применяется часто в ионизационных уровнемерах. Принципиальная схема уровнемера типа ИУ-З приведена на рис. 4.29.

Рис. 4.29. Схема толщиномера ИУ-3.

На противоположных сторонах объекта, в котором измеря­ется уровень жидкости, расположены источник и приемник  - лучей. Источник излучения 1 в виде проволоки из Сo дли­ной 150 мм располагается в защитной камере 2.

С другой стороны объекта располагается счетная труб­ка 3. При изменении уровня жидкости изменяется величина поглощения  - лучей средой, а следовательно, - ионизацион­ный ток.

Ионизационные уровнемеры являются приборами, не тре­бующими непосредственного контакта с испытуемой средой, а поэтому они применяются в наиболее трудных условиях изме­рения, например, при высоких давлениях, высоких темпера­турах (уровень расплавленного металла), а также в случаях измерения уровня агрессивных сред.

Достоинства: Особенностью ионизационных преобразователей является то, что они дают возможность проводить измерения без непо­средственного контакта с измеряемым объектом. Вследствие этого с их помощью можно производить измерения в агрес­сивных средах, при высокой температуре, давлении и т. д.

Погрешности измерения с помощью ионизационных преоб­разователей прежде всего определяются несовершенством используемой измерительной аппаратуры. Особенно велика погрешность, вносимая усилителем постоянного тока. Поэтому часто для уменьшения этой погрешности приборы с иониза­ционными преобразователями выполняются по нулевому ме­тоду с автоматическим уравновешиванием посредством сле­дящего привода с реверсивным двигателем.

Кроме того, нужно учитывать погрешность, обусловлен­ную постепенным распадом радиоактивного вещества и, сле­довательно, нестабильностью источника излучения во вре­мени.

(4.9)

Активность источника излучения А изменяется во време­ни по закону

где А₀ - начальная активность источника;

T_0,5 - период полураспада.

По величине допустимой погрешности и периоду полураспада T_0,5 определяется время смены изо­топов.

(4.10)

Радиоактивные изотопы характеризуются тем, что числа распадов в равные промежутки неодинаковы и колеблются около некоторого среднего значения. Поэтому при конечном времени измерения это приводит к возникновению большой случайной погрешности, среднее квадратическое значение ко­торой определяется формулой

(4.11)

где n = f_Nt_изм - число частиц, зарегистрированных при­емником за время измерения t_изм; f_N - частота попадания частиц в приемник;  - эффективность приемника (т. е. отно­шение поглощенных лучей к падающим).

Погрешность очевидно будет тем меньше, чем больше время измерения и чем больше ак­тивность источника А, определяющая частоту F_N частиц, попадающих в приемник.

Таким образом, для повышения точности или быстродей­ствия этих приборов нужно значительно увеличить мощность источника. Это возможно в тех случаях, когда зона располо­жения источника недоступна для человека или хорошо защи­щена экранами.

Последнее однако, связано с резким утяжелением аппа­ратуры; так для стократного ослабления интенсивности излу­чения необходим свинцовый экран толщиной 90 мм.