Метод меченых атомов основан на том, что атомы радиоактивных и нерадиоактивных изотопов химических элементов обладают одинаковыми свойствами. В то же время радиоактивные атомы могут быть обнаружены в ничтожно малых количествах, благодаря тому что в процессе радиоактивного распада происходит испускание заряженных частиц или γ-лучей. Современная радиоэлектронная аппаратура позволяет зафиксировать каждый акт радиоактивного распада. Таким образом, радиоактивное излучение является меткой, вывеской радиоактивного изотопа. Во всех последующих главах объектом применения будут не сами изотопы, а те излучения, которые сопровождают радиоактивный распад.
Быстрые частицы, проходя через вещество, производят в нем ионизацию, постепенно теряя свою энергию. Пробег частицы в веществе зависит в первую очередь от природы частицы. Наименьшим пробегом обладают α-частицы. Их пробег в твердом веществе измеряется микронами. β-частицы обладают значительно большим пробегом, и в воздухе он может составлять несколько метров. Наибольшим проникающим действием обладают γ-лучи. Они могут проникать даже через свинцовый экран значительной толщины. Пробег частицы зависит также от ее энергии. Естественно, что чем энергия выше, тем больше пробег. В-третьих, пробег зависит от плотности вещества, в котором тормозится излучение. Чем выше плотность, тем интенсивнее торможение. На основе этих особенностей взаимодействия излучения с веществом строятся различные приборы контроля и управления технологическими процессами, всевозможные датчики, сигнализаторы. Этих приборов различного назначения в настоящее время изготавливается очень много. Поэтому мы рассмотрим только небольшую часть наиболее характерных и простых.
Как уже упоминалось выше, α-излучение очень сильно поглощается веществом, производя мощную ионизацию. Поэтому приборы и устройства с α-излучателями используют явление ионизации газа под действием α-частиц. Ионизованный газ проводит электрический ток. Чем больше ионизация, тем больше электропроводность газа.
При производстве непроводящих электрический ток материалов (диэлектриков) — пластмасс, искусственного волокна, бумаги, взрывчатых веществ — в результате трения на них возникают электрические заряды, которые приводят к спутыванию нитей, слипанию поверхностей, к искрению. Не говоря уже о том, что эти явления резко снижают производительность машин, они могут за счет искрения вызвать пожары и взрывы. Если между изоляционным материалом и заземленным корпусом машины установить источник α-излучения, то вследствие ионизации воздуха электрические заряды будут стекать на землю. В результате производительность машин резко возрастает, а опасность аварий сводится к минимуму. Источники α-излучения для снятия электрических зарядов производятся в промышленных масштабах и нашли широкое применение в текстильной промышленности, полиграфии, при производстве пленочных материалов и в других отраслях народного хозяйства. Для изготовления α-излучателей для снятия электрических зарядов чаще всего используется изотоп плутония — Pu239. Для этих же целей применяется прометий-147, испускающий мягкие, т. е. малой энергии, β-частицы.
Мощную ионизацию α-частицами используют для создания различных анализаторов газа и газовых детекторов. Мы уже упоминали о том, что величина ионизации при прочих равных условиях зависит от вещества, с которым взаимодействует излучение. Чтобы произвести ионизацию молекул вещества, необходимо затратить некоторую энергию. Чем меньше энергия ионизации молекул, тем больше образуется ионов, тем большую электропроводность приобретает вещество. Для измерения ионизации в газах пользуются ионизационной камерой, которая представляет собой либо две плоские металлические пластинки, либо металлический цилиндр с центральным тонким электродом. Если между пластинками или между корпусом и центральным электродом приложить электрическое напряжение, то в цепи пойдет очень малый ток, обусловленный слабой ионизацией газа в ионизационной камере за счет космического излучения и теплового движения молекул газа. Если внутри камеры поместить источник α-излучения, ток резко возрастет. Величина тока под воздействием постоянного источника излучения зависит от состава газа внутри ионизационной камеры: изменяется состав газа, изменяется ионизационный ток. На этом принципе построены различные сигнализаторы превышения допустимой концентрации различных опасных газов — метана в шахтах, угарного газа, водорода и др. Ионизационные газовые детекторы применяются для технологического контроля в химической промышленности. В некоторых случаях вместо α-излучающих изотопов — радия, полония применяют и β-излучающие изотопы — прометий-147, стронций-90 и др.
Устройство ионизационного газового детектора ясно из представленной на схемы. Две идентичные ионизационные камеры «запитываются» (5) навстречу друг другу. Если источники α- или β-излучения, подаваемое на камеры напряжение и состав газов в эталонной и рабочей камере одинаковы, то и ионизационные токи в обеих камерах будут одинаковы. На высокоомном сопротивлении (4) эти токи будут взаимно скомпенсированы, и подаваемое на усилитель напряжение будет равно нулю. На практике трудно выполнить условия полной идентичности обеих камер и режима их работы. Поэтому перед усилителем устанавливается устройство коррекции нулевого отсчета. Если в рабочей камере состав газа изменится, изменится и ионизационный ток. В результате на усилитель поступит сигнал, величина которого будет соответствовать величине изменения состава газа. Ионизационный детектор — прибор весьма чувствительный. В некоторых случаях он позволяет зафиксировать изменение состава газа в сотые и тысячные доли процента.
При постоянном составе газа ионизационный ток в камере зависит от его давления. Чем выше давление, тем сильнее ионизация. Эта зависимость используется для создания очень чувствительных ионизационных манометров. Особенно эффективно их применение для измерения низких давлений.
Ток в ионизационной камере зависит также и от содержания твердых взвешенных в газе частиц. На этом принципе построены противопожарные сигнализаторы дыма и другие устройства.
Под воздействием ионизирующего излучения радиоактивных изотопов некоторые вещества (люминофоры) испускают видимый свет. Различные смеси люминофоров со следами радиоактивных изотопов позволяют создавать светящиеся в темноте разнообразными цветами составы. Эти составы используют для производства светознаков ограждения, шкал и стрелок приборов, используемых в затемненных помещениях. Как правило, в целях безопасности обслуживающего персонала в светосоставах используют α-излучатели и мягкие β-излучатели.
Значительное число приборов контроля и автоматизации технологических процессов построено на явлении поглощения ионизирующих излучений веществом. Если на пути потока β-частиц или γ-лучей установить экран из какого-либо вещества, то поток за экраном будет слабее исходного, а при значительной толщине экрана практически полностью исчезнет. Ослабление потока ионизирующего излучения экраном зависит от энергии излучения, толщины экрана и его химического состава. Можно всегда подобрать такой радиоактивный изотоп, чтобы поглощение при заданной толщине экрана составляло заметную величину.
Поглощение γ-лучей веществом подчиняется весьма простой зависимости. Если поток γ-лучей, исходящий от источника, обозначить через I0, а поток прошедших через вещество — толщиной x—Ix, то Ix = I0-μx, где μ — коэффициент поглощения, зависящий от энергии γ-лучей и состава поглощающего вещества. Таким образом, измеряя начальный и конечный потоки при известном значении коэффициента поглощения, можно вычислить толщину поглощающего слоя. Поглощение β-частиц сложнее. Быстрые электроны, проходя через вещество, за счет взаимодействия с атомами постепенно теряют свою энергию. Для них существует так называемая толщина полного поглощения, зависящая от энергии электронов и состава поглощающего вещества. Если имеется поток быстрых моноэнергетических электронов заданной энергии, то, проходя через слой вещества (достаточно тонкий), на выходе остается тот же поток, но с электронами меньшей энергии. В этом случае о толщине экрана можно судить по уменьшению энергии частиц. Если толщина станет равной или большей толщины полного поглощения, поток за экраном полностью исчезнет.
При радиоактивном распаде, как уже упоминалось, поток электронов (β-частиц) не моноэнергетический, а представляет собой набор электронов с энергией от нуля до некоторого максимального значения. Поэтому при прохождении через экран определенной толщины меняется не только энергия, но и величина потока. Если поглощение не превышает 70—80%, в первом приближении можно пользоваться формулой, приведенной для γ-лучей.
Если между источником β-частиц или γ-лучей и ионизационной камерой или счетчиком поместить поглощающее вещество, то величина ионизационного тока или скорость счета будет уменьшаться с увеличением толщины поглощающего вещества. На этом принципе работают различного типа толщиномеры. Для измерения толщины тонких полимерных пленок или тонкой бумаги в качестве источника ионизирующего излучения применяют радиоактивные изотопы, испускающие мягкие β-частицы. Для металлической фольги, картона и тому подобных листовых материалов применяют источники с жесткими β-частицами; для металлического проката — γ-излучение различной жесткости. Если связать выход ионизационной камеры или счетчика с исполнительным механизмом прокатного стана, каландровой машины или устройством, регулирующим зазор между валками, то можно осуществить автоматическое регулирование толщины изготовляемого материала. Для определения толщины различных покрытий можно использовать свойство отражения β-частиц от поверхности. Степень отражения зависит от толщины и материала покрытия. Таким образом можно измерить толщину лакокрасочных покрытий на металлах, толщину изоляционного лака на проводах и т. д. Такой толщиномер также может служить датчиком для автоматического регулирования толщины покрытия.
На свойстве поглощения излучения веществом основана работа важных приборов технологического контроля — сигнализаторов и измерителей уровня жидких и сыпучих веществ. Сигнализаторы уровня представляют собой систему, состоящую из источника ионизирующего излучения и детектора (ионизационная камера, счетчик), помещенную в технологическом аппарате у верхней крышки или у днища. Если пространство между источником и детектором заполняется жидкостью или сыпучим веществом (зерно, песок и т. д.), то сигнал детектора резко уменьшается. Таким образом, система, установленная вблизи крышки, является сигнализатором переполнения аппарата, а у днища — опорожнения.
Вполне понятно, что сигналы детектора могут быть введены в систему автоматического управления технологическим процессом.
Принцип работы уровнемера с радиоактивным источником несколько отличен. Источник ионизирующего излучения помещается в герметический поплавок, перемещающийся по вертикальной направляющей. Детектор помещается на крышке. При изменении уровня жидкости изменяются расстояние между источником и детектором и в соответствии с этим величина сигнала детектора. Этот сигнал может быть подан на показывающий или записывающий вторичный прибор, шкала которого тарирована в литрах или кубометрах, либо в систему автоматического управления.
Для источников ионизирующего излучения в уровнемерах, как правило., используют γ-излучающие радиоактивные изотопы, такие, как кобальт-60, цезий-137 и др.
К этому же классу приборов и устройств технологического контроля относятся дефектоскопы. Рентгеновский аппарат, с помощью которого производятся снимки внутренних органов, является одним из ранних видов дефектоскопов. Рентгеновские лучи неодинаково поглощаются различными органами и тканями, в силу чего на фотопленке или светящемся под действием рентгеновских лучей экране, помещенными за объектом просвечивания, возникает изображение, по которому можно установить имеющие место отклонения от нормы. Однако для рентгеновских лучей достаточно прозрачными являются биологические объекты, обладающие небольшой плотностью, сравнительно тонкие слои древесины и пластмассы и только очень тонкие слои металлов. Кроме того, рентгеновская аппаратура громоздка и тяжела. Как же проверить качество отливки или сварного шва? Часто возникает необходимость просветить трубу или аппарат, заглянуть в двигатель или компрессор, не вскрывая их. С рентгеновской аппаратурой здесь не подступиться, да и жесткость рентгеновских лучей здесь недостаточна. На помощь приходят изотопные дефектоскопы с мощными источниками γ-излучающих изотопов в сотни, тысячи и даже десятки тысяч кюри. Обычно это те же кобальт-60 и цезий-137. В тех случаях, когда требуется более мягкое излучение, могут быть использованы европий-155, таллий-204 и другие изотопы.
Четкость изображения, или, как говорят, разрешающая способность дефектоскопа, тем выше, чем меньше размер источника и чем дальше он находится от просвечиваемого объекта. Чтобы выполнить это условие, и необходимы очень мощные источники.
Проверку разрешающей способности дефектоскопа производят при помощи специального эталона из того же материала, что и просвечиваемая деталь или устройство. Эталон представляет собой прямоугольный параллелепипед с пазами различной глубины. Глубина паза выражена в процентах от толщины. Таким образом, сравнивая контрастность обнаруженного дефекта с контрастностью паза, можно определить размеры и глубину дефекта.
Некоторые радиоактивные изотопы испускают рентгеновское излучение непосредственно, например тулий-170. Кроме того, при торможении сравнительно мягких β-частиц возникает тормозное рентгеновское излучение. На этом принципе могут быть построены очень портативные рентгеновские аппараты, не требующие электрических источников энергии и высоковольтного оборудования. Они могут быть размещены в небольшом чемоданчике. Такой аппарат совершенно незаменим в руках врача, обслуживающего высокогорные пастбища, полярные экспедиции, геологические партии — людей, находящихся в труднодоступных районах.
Дефектоскопия сварных соединений, отливок и различных узлов получила самое широкое распространение, а в ряде процессов стала обязательным методом контроля качества.
Наконец, в методах контроля и управления применяются различные счетчики деталей и изделий, движущихся по конвейеру или другому транспортному устройству. Их принцип также основан на поглощении ионизирующего излучения деталями или изделиями, проходящими между источником и детектором. На этом же принципе работают бесконтактные счетчики оборотов.