Czujniki izotopowe w przemyśle

W mojej kolekcji etykiet zapałczanych (które kiedyś zbierało się jak znaczki pocztowe, a zajmowała się tym filumenistyka) znalazła się seria pt. "Izotopowe promieniowanie" z 1962 r., poświęcona zastosowaniu promieniowania jonizującego w różnego rodzaju czujnikach przemysłowych. 

Mierniki te dzielimy pod kątem zasady działania na dwie podstawowe grupy, z których każda ma swoje specyficzne zastosowanie:

• absorpcyjne - mierzą pochłanianie promieniowania w warstwie badanego materiału, czujnik znajduje się po przeciwnej stronie niż źródło, co schematycznie ukazano na w/w etykietach. Są to:
• mierniki poziomu w zbiornikach
• gęstościomierze
• mierniki przepływu w rurociągach
• wskaźniki napełnienia butli z gazem płynnym i miejsc zatkania rurociągów
• grubościomierze do blach, papieru, tkanin, szkła
• mierniki zawartości siarki w ciekłych węglowodorach
• mierniki popiołowości węgla
• wagi absorpcyjne na taśmociągach
• liczniki przesuwających się obiektów
• odbiciowe (rozproszeniowe) - mierzą promieniowanie odbite od materiału, do którego nie ma dostępu z drugiej strony. Wyróżniamy tutaj:
• pomiar cienkiej warstwy jednej substancji nałożonej na drugą, pod warunkiem, że między nimi będzie odpowiednia różnica liczby masowej
• wagi rozproszeniowe
• mierniki poziomu, rejestrujące wzrost rozpraszania promieniowania w momencie, gdy zbiornik zostaje napełniony
• wilgotnościomierze neutronowe, wykorzystujące spowalnianie neutronów na jądrach wodoru, zawartego w wodzie

Różnice w zasadzie działania mierników absorpcyjnych i odbiciowych ilustruje poniższy rysunek:

Niektóre wielkości, np. masę czy gęstość, można mierzyć różnymi czujnikami, zarówno absorpcyjnymi, jak i rozproszeniowymi, w zastosowaniach przemysłowych dominują jednak czujniki absorpcyjne:

https://www.osti.gov/etdeweb/servlets/purl/20269257

Mają one, przez swą zasadę działania, znacznie większą dokładność niż czujniki rozproszeniowe. Niekiedy jednak do badanej substancji jest dostęp tylko z jednej strony, co wymusza zastosowanie czujnika rozproszeniowego. 

***

Spośród mierników izotopowych najczęściej stosowane były różnego rodzaju mierniki poziomu, wykorzystujące absorpcję promieniowania w zawartości danego zbiornika. W zależności od układu konstrukcyjnego mogły one mierzyć poziom substancji w zbiorniku lub tylko sygnalizować jej obecność lub brak:

Oprócz detektora promieniowania (licznika G-M lub komory jonizacyjnej) istotnym elementem takiego układu był przekaźnik, sterujący zewnętrznymi systemami (napełnienia, sygnalizacji) w zależności od poziomu w zbiorniku. Przykładem takiego przekaźnika izotopowego, stosowanego w miernikach poziomu, jest UPR 11-Z-4, wyprodukowany w zakładach Polon - Zielona Góra:

Cały układ zawierał licznik G-M typu VAZ-221, wykrywający promieniowanie, jak również wzmacniacz impulsów, układ progowy i układ formowania sygnału wyjściowego. Gdy zbiornik był pusty, do licznika G-M docierała większość promieniowania ze źródła, co powodowało generowanie na wyjściu sygnału "pusty. Z kolei po napełnieniu zbiornika tylko niewielka część promieniowania była w stanie trafić do licznika G-M, a układ elektroniczny wytwarzał sygnał "pełny". Sygnalizacja stanu przekaźnika następowała poprzez zwarcie lub rozwarcie styków, które mogły włączać lub wyłączać instalację napełniającą zbiornik. O szczegółach technicznych tego przekaźnika więcej napisał Adam na swej stronie [LINK], od którego otrzymałem ten przekaźnik (pozdrowienia!).

Nie jest to oczywiście jedyny model przekaźnika izotopowego, stosowanego w polskim przemyśle. Katalogi z lat 60. oferują następujące modele (w nawiasach wartości progu zadziałania i puszczania):

• IPJ-4, IPJ-TH (0,7/0,15 mR/h)
• IPJ-5, IPJ-6, IPJ-7 (0,4/0,1 mR/h)

Inne rozwiązania czujników poziomu przedstawiono na poniższych rysunkach:

Czujniki izotopowe oprócz wskazywania poziomu, masy czy objętości danej substancji mogły również badać jej skład, głównie obecność domieszek. Najczęściej była to zawartość siarki w płynnych węglowodorach (ropa i produkty ropopochodne) oraz popiołu w węglu. Wykorzystywany był tutaj fakt, że stopień rozpraszania promieniowania w czystej ropie czy węglu o niezmiennej grubości warstwy był stały, zatem ewentualne zmiany rozpraszania pochodziły od domieszek: siarki czy popiołu. 

***

Rodzaj źródła promieniowania zastosowanego w czujnikach izotopowych zależy od mierzonego materiału. Do pomiaru cienkich warstw i powłok stosuje się zwykle promieniowanie beta (Sr-90, Tl-204, Pm-147), zaś gdy potrzebna jest większa przenikliwość promieniowania, np. przy czujnikach poziomu w zbiornikach, wykorzystuje się promieniowanie gamma (Cs-137, Co-60). Przy wyjątkowo cienkich warstwach można stosować też cząstki alfa, np. w mierniku grubości blach ZP-3 o zakresie 0,1-2,5 mm, który stosował ameryk-241 o aktywności 30 mCi. Z kolei promieniowanie neutronowe, niezbędne w wilgotnościomierzach, otrzymuje się w źródłach amerykowo-berylowych (Am-Be). 

Do detekcji promieniowania w czujnika izotopowych stosowane były praktycznie wszystkie rodzaje detektorów: liczniki Geigera-Mullera, komory jonizacyjne, liczniki scyntylacyjne i proporcjonalne. Komory jonizacyjne stosowano najczęściej przy wysokich poziomach promieniowania, ponieważ są znacznie mniej podatne na zużycie niż liczniki G-M, ceną jest jednak niższa czułość. Z kolei detektory scyntylacyjne pozwalają na rejestrowanie kwantów gamma jedynie o określonych energiach, co ma duży wpływ na dokładność pomiaru, wymagają jednak światłoszczelności i są zależne od temperatury.

***

Mierniki izotopowe mają wiele zalet, z których najważniejsze to:

• brak kontaktu z mierzonym medium, co pozwala na pomiar substancji żrących czy o wysokiej temperaturze, np. poziom szkła w wannie szklarskiej
• możliwość pomiaru grubych warstw różnych substancji 
• możliwość pracy w warunkach wysokiego zapylenia, wilgotności, obecności toksycznych oparów
• duża dokładność
• niski pobór prądu, szczególnie wobec konkurencyjnych metod stosujących lasery, mikrofale czy inne rodzaje promieniowania

Mają też niestety wady:

• konieczność stosowania osłon przed promieniowaniem i ograniczenia w dostępie do okolicy czujnika
• brak możliwości natychmiastowego "wyłączenia" źródła promieniowania w sytuacji awaryjnej
• konieczność nadzoru inspektora ochrony radiologicznej i kontrolowanej utylizacji zużytych źródeł
• ryzyko kradzieży lub zagubienia źródła, które np. może trafić do betonu, z którego zostanie wybudowany blok mieszkalny, jak w Kramatorsku [LINK], zaś złodzieje mogą próbować otworzyć pojemnik ze źródłem, stwarzając zagrożenie napromieniowaniem i skażeniem.

Powyższe przyczyny spowodowały ograniczenie zastosowania czujników izotopowych, są one obecnie używane głównie w górnictwie, metalurgii i energetyce, czyli tam, gdzie trudno je zastąpić równie wydajnymi metodami. Stały postęp techniki pozwolił na użycie innych technologii, np. ultradźwiękowych, laserowych czy mikrofalowych, szczególnie w urządzeniach przenośnych. Do historii odeszła więc większość z poniższych przyrządów (w nawiasach aktywności użytych źródeł):

• tranzystorowy wskaźnik poziomu TWP-1 (0,7 mCi Cs-137) do pomiarów poziomu cieczy i gazów skroplonych w butlach czy gaśnicach oraz wyszukiwania miejsc zatkania rurociągów

• izotopowy miernik grubości blach ZP-3 (30 mCi Am-241) 
• izotopowy miernik grubości blach ZP-3A (30 mCi Sr-90)

• izotopowy miernik grubości tafli szklanej ZPU-201 (30 mCi Am-241)

• izotopowy miernik gęstości cieczy ZPU-200 (50 mCi Cs-137)
• izotopowy miernik gęstości cieczy ZPU-303 (250 mCi Cs-137)

• izotopowy miernik grubości ścianek rurek szklanych ZPU-307 (10 mCi Sr-90)

• izotopowy miernik średnic rurek szklanych ZPU-308 (25 mCi Tl-204)

• izotopowy miernik popiołowości węgla kamiennego IMPW-3 (2x 5 mCi Sr-90)*

• mierniki sygnalizator poziomu cieczy MS-3 i MS-4 z sondą scyntylacyjną SS-3 (brak danych)

• bezkontaktowy grubościomierz izotopowy do blach gorących IMG (blachy cienkie: Sr-90 lub Tm-170, średnie: Cs-137, grube: Co-60)
• bezkontaktowy grubościomierz izotopowy do folii i taśm cienkich IMB (Pm-147, Tl-204, Sr-90)

• przenośny izotopowy miernik poziomu PIMP-3 (500 µCi Cs-137) o przeznaczeniu takim samym jak w/w TWP-1

• izotopowy grubościomierz Beta-X (Pm-147, Tl-204 lub Sr-90, wykorzystywane do generowania promieniowania hamowania, powstającego w wyniku zderzeń cząstek beta z elektronami atomów materiału tarczowego)
• grubościomierz odbiciowy MIR-1(30 µCi Co-60)**

• izotopowy miernik grubości powłok GIL-21 (brak danych)***
• izotopowy przekaźnik rozproszeniowy IPR-2 (1 mCi Cs-137)****
• miernik blach zimnych typ 1208 (100 mCi Am-241 do 3 mm lub źródło beta-X, wykorzystujące 500 mCi Sr-90 do generowania promieniowania hamowania, służące do pomiarów grubości do 5 mm)
• izotopowa waga taśmociągowa typ 110 (Cs-137) do pomiaru małych obciążeń taśmociągu, rzędu 2-10 kg/m.
• izotopowa waga taśmociągowa 210 - zakres obciążeń 8-40 kg/m
• izotopowa waga taśmociągowa 310 - obciążenie do 140 kg/m
• przenośny miernik gramatury PMG (<10 mCi Kr-85) do pomiaru gramatury tkanin, dzianin, cerat, folii i papieru, zarówno rozpiętych, jak i zwiniętych w bele*****

• radiometryczny miernik i regulator napełnienia wałka papierosowego ZPU-1301 (Sr-90)

• gęstościomierz cieczy P-2302 (610 mCi Cs-137)
• izotopowy miernik grubości blach gorących ZPU-1203/A (<5,3 Ci Cs-137)
• miernik grubości ścianek szklanych ZPU-1308 (20 mCi Sr-90)

W powyższym zestawieniu pominąłem defektoskopy, czyli urządzenia do wykrywania nieciągłości w materiałach np. przy kontroli spawów, odlewów itp., ponieważ nie są to urządzenia zaliczane do automatyki przemysłowej czy przyrządów pomiarowych. Omówię je w osobnej notce. 

Elementy czujników izotopowych czasami pojawiają się na portalach aukcyjnych, zwykle są to albo moduły sterujące albo drobne akcesoria. Przykładem może być moduł od wagi izotopowej typu 110

Źródło - oferta sklepu Grotex - LINK

Dwukrotnie na aukcjach pojawił się PIMP-3, który może służyć jako przenośny radiometr lub dawca części, głównie liczników G-M. Zastosowanie pozostałych elementów elektronicznych od przyrządów izotopowych w praktyce dozymetrysty amatora jest ograniczone, choć mogą służyć jako postawa do własnych konstrukcji.

Na koniec jeszcze jedna uwaga. Przyrządy izotopowe, trafiające na rynek wtórny lub przeznaczane na złom, mogą stwarzać zagrożenie, jeśli nie usunięto z nich źródeł promieniowania. Szczególnie niebezpieczne są mierniki zawierające cez-137, którego czas półrozpadu wynosi 30 lat. Oznacza to, że nawet po 60 latach, które już minęły od wyprodukowania najstarszych przyrządów, źródło nadal będzie mieć 25% początkowej aktywności, co przy silniejszych źródłach grozi poważnym napromieniowaniem. Obudowy źródeł powinny być oznaczane malowanym lub naklejanym symbolem "koniczynki", często jednak brak takich oznaczeń. 

***

Jeżeli mieliście do czynienia z takimi czujnikami w swojej praktyce zawodowej lub dysponujecie dodatkowymi informacjami na ich temat, dajcie znać w komentarzach.

-------------------------------------

* dane w tej i poprzednich pozycjach wg katalogu Katalog 37-R - izotopowa aparatura przemysłowa  i radiometryczna, Wydawnictwa Przemysłu Maszynowego "Wema",  Warszawa 1969

** dane w tej i poprzednich pozycjach wg katalogów Aparatura jądrowa - informator techniczny, wyd. Biuro Urządzeń Techniki Jądrowej, Warszawa brw [1961 i 1963]. Obie publikacje mam w wersji cyfrowej, osoby zainteresowane proszę o kontakt przez formularz bloga

*** opis w: "Postępy Techniki Jądrowej", nr 51/423 z 1969 r.

**** cyt. za: Postępy techniki izotopowej w nauce i gospodarce narodowej. Materiały przedstawione na krajowym sympozjum 21-25 października 1975 r, w Zakopanem, Kraków 1976, s. 51 [LINK]

***** cyt. za: A. Piątkowski, W. Scharf, Elektroniczne mierniki promieniowania jonizującego - poradnik, Warszawa 1979