Do Projektu iAutomatyka dołączyli:

https://iautomatyka.pl/wp-content/uploads/2020/02/radioactive-praca.jpg

Pomiary z wykorzystaniem promieniowania jonizującego? Rozpad atomowy w przemyśle


Technika jądrowa zapoczątkowana w Polsce w latach pięćdziesiątych trwa nieprzerwanie przechodząc różne stadia rozwoju – od nieśmiałych prób, przez falę optymizmu do racjonalnego wykorzystania. Niestety dotychczasowe doświadczenia człowieka z energią pochodzącą z atomu nie należą do udanych, przez co temat promieniowania jonizującego wywołuje mieszane uczucia. Z jednej strony plusy w postaci elektrowni atomowych, wykorzystania promieniowania w medycynie, z drugiej minusy – katastrofa w Czarnobylu, bomby atomowe. Pomimo tego promieniowanie jonizujące znalazło wiele implementacji takich jak wcześniej wspomniane elektrownie, medycyna, wojsko, ale też w nauce i co jest tematem tej publikacji – w przemyśle.

Pomiary izotopowe działają tam gdzie konwencjonalne sposoby zawodzą. Wysokie ciśnienie, temperatura, wibracje, toksyczność czy inne trudne warunki procesowe nie stanowią przeszkody. Najczęściej stosowane aplikacje to pomiar i sygnalizacja poziomu oraz pomiar gęstości, ale znajdują też zastosowanie jako sposób na pomiar np. masy (waga izotopowa), stężenia czy rozdziału faz.

Niezbędna teoria

Promieniowanie to strumień cząstek lub fal emitowanych przez ciało. Zaliczamy do tego pojęcia przeróżne rodzaje promieniowania, ale dziś skupimy się na promieniowaniu jonizującym. Jest to taki rodzaj promieniowania który wywołuje jonizację ośrodka czyli wybicie z struktury atomu elektronu lub cząstki. Zaliczamy do niego:

  • Promieniowanie alfa – jest to strumień cząstek alfa czyli jąder atomów helu. Najmniej przenikliwe,  jego zasięg w powietrzu nie przekracza 10 cm, a papier lub folia jest w stanie je zatrzymać.
  • Promieniowanie beta – jest to strumień elektronów lub pozytronów, dużo bardziej przenikliwe niż promieniowanie alfa. Jego zasięg w powietrzu może wynosić do kilku/kilkunastu metrów (w zależności od energii promieniowania).
  • Promieniowanie gamma – promieniowanie falowe przenoszące duże energie w postaci fali elektromagnetycznej. Najbardziej przenikliwe, przenika grube warstwy betonu.

Metodologia pomiaru

Układ pomiarowy składa się z dwóch części: źródła promieniowania gamma oraz detektora. Źródło promieniowania emituje wiązkę fali elektromagnetycznej, które montowane jest po przeciwnej stronie zbiornika/rurociągu niż detektor. Dzięki temu promieniowanie przechodzi przez mierzony ośrodek i w zależności od jego właściwości jest tłumione – następuje zjawisko absorpcji promieniowania. Po przejściu przez ośrodek osłabiona wiązka trafia na detektor który mierzy wielkość promieniowania. Każdy układ pomiarowy działa w taki sposób, różnią się tylko rodzajem i miejscem instalacji źródła promieniowania oraz detektora.

Powyższy rysunek przedstawia realizację pomiaru poziomu w oparciu o punktowe źródło i detektor prętowy. Zmienny poziom w zbiorniku będzie wpływał na ilość promieniowania które dociera do detektora (absorpcja promieniowania przez mierzone medium). Należy zwrócić uwagę na to iż detektor nie działa jako poziomowskaz promieniowania, tylko mierzy jego ilość na całej swojej długości. Poniżej inne aplikacje pokazujące pomiary poziomu.

Jak widać na powyższych rysunkach pomiar z wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych ma jedną zasadniczą zaletę, jest to pomiar bezinwazyjny, bezkontaktowy. Zarówno źródło jak i detektor nie mają kontaktu z medium, a nawet z zbiornikiem. Nie ważne jest też co to za medium, ciecz, ciało stałe, zawiesina, osad. Nie ograniczają nas też warunki takie jak temperatura czy ciśnienie.


Każdy pomiar radiometryczny działa na zasadzie absorpcji promieniowania, tak jak już wcześniej wspomniałem różni się tylko rodzajem źródła i detektora. W celu sygnalizowania poziomu należy zastosować detektor punktowy i źródło o wąskiej wiązce. Jak widać na poniższym rysunku górna wiązka nie jest pochłaniania przez medium- do detektora dociera duża ilość promieniowania. Dolna wiązka promieniowania jest osłabiana przez medium, do detektora nie dociera promieniowanie emitowane przez źródło.

W celu pomiaru gęstości również użyjemy punktowego źródła i punktowego detektora. W zasadzie to samo co przy sygnalizacji poziomu, jednak teraz potrzebujemy inaczej skalibrowanego detektora z funkcją pomiaru gęstości. Poniżej realizacja pomiaru gęstości medium przepływającego przez rurociąg. Im większa gęstość tym promieniowanie jest bardziej absorbowane i dociera go mniej do detektora.

Źródła

Na rysunkach jako źródła rysowane były okrągłe, żółte kształty. Tak naprawdę jest to tylko pojemnik na źródło który umożliwia przede wszystkim jego przechowywanie w bezpieczny dla otoczenia sposób, otwieranie i zamykanie wiązki. Co to oznacza? Każdy pojemnik wyposażony jest w mechanizm umożliwiający jego zamkniecie, w celu osłonięcia wiązki wskutek czego promieniowanie jest prawie całkowicie pochłaniane uniemożliwiając wydostanie się na zewnątrz. Dzięki temu w czasie remontu, modernizacji itp. człowiek może pracować w pobliżu bez narażenia na promieniowanie (kwestie bezpieczeństwa omówię na końcu). Pojemnik zbudowany jest tak aby umieszczone wewnątrz źródło promieniowało wiązkę w określonym kierunku i kształcie. Na każdym pojemniku musi być umieszczona tabliczka znamionowa z następującymi danymi: data produkcji źródła, typ izotopu, moc dawki z odległości 1m, producent, grubość i rodzaj materiału z jakiego wykonana jest osłona, aktywność źródła i jego numer. Pojemnik przystosowany jest do założenia kłódki, aby nieuprawniona osoba nie mogła go zamknąć/odtworzyć. Oprócz tego pojemnik powinien być zamontowany w taki sposób aby uniemożliwić jego demontaż i kradzież. Poniżej przykładowe pojemniki.

W pojemniku znajduje się źródło, w przemysłowych aplikacjach najczęściej spotykanymi są izotopy Co-60 (Kobalt) i Cs-137 (Cez). Każde z nich ma swoją określoną aktywność czyli ilość rozpadów promieniotwórczych na sekundę, jednostką aktywności jest Bekerel [Bq] – jeden rozpad na sekundę. Im dłuższa jest wiązka i materiał przez który ma przejść promieniowanie tym większa musi być aktywność źródła. Drugim bardzo ważnym parametrem jest okres półrozpadu, jest to czas w jakim źródło traci połowę aktywności czyli rozpadnie się połowę atomów, dla Co-60 jest to 5,3 lat, a dla Cs-137 30 lat. W zastosowaniach przemysłowych źródło to tak naprawdę szczelna ampułka zawierająca pierwiastek promieniotwórczy. Nazywamy ją źródłem zamkniętym, z którego teoretycznie nie może wydostać się pierwiastek (nie może dojść do skażenia). Taka ampułka montowana jest w pojemniku za pomocą gwintu lub innego mocowania. Poniżej przedstawione są przykładowe źródła zamknięte.

Detektory

Obecnie najczęściej stosowanymi urządzeniami są przetworniki oparte o detektor w postaci licznika scyntylacyjnego i licznika GM (Geigera-Müllera). Działają bardzo podobnie, zliczają impulsy w czasie, różnią się tylko układem detekcji promieniowania. Licznik scyntylacyjny opiera się o zjawisko scyntylacji czyli powstania błysku świetlnego pod wpływem promieniowania w niektórych substancjach (substancja pochłania część energii promieniowania i emituje w postaci fotonu). Błyski świetlne są powielane i zamieniane na prąd przez fotopowielacz. Licznik GM działa dzięki zjawisku jonizacji, pod wpływem wpadającego do detektora promieniowania, następuje jonizacja gazu i przepływ prądu pomiędzy elektrodami spolaryzowanymi wysokim napięciami.

Podsumowując w obu typach detektorów wartością wyjściową są impulsy prądowe (impulsy na sekundę), jednak powstają one w inny sposób. Licznik scyntylacyjny jest dokładniejszy od licznika GM, zatem do pomiaru poziomu częściej wykorzystywany jest scyntylator a do sygnalizacji licznik GM.  Dalsza część przetwornika kończąc na wyjściu prądowym 4-20mA lub wyjściu przekaźnikowym jest zależna od producenta. Obecnie nie stosuje się już prostych wzmacniaczy i liczników tylko wysoce skomplikowane moduły mikroprocesorowe, niesie to za sobą ogrom zalet i możliwości kalibracji urządzenia. Dodatkowo większość dostępnych na rynku urządzeń nie skupiają się tylko na jednej aplikacji, zawierają w sobie praktycznie wszystkie możliwe metody i rodzaje pomiarów izotopowych, dzięki temu mamy jedno urządzenie które np. może sygnalizować poziom ale po przekalibrowaniu może też mierzyć gęstość. Jednak mimo iż przetwornik na to pozwala, na rynku mamy dostępne wiele różnych detektorów. Główną różnicą jest długość samego detektora promieniowania. Do sygnalizacji poziomu lub pomiaru gęstości użyjemy krótkiego punktowego detektora, do pomiaru poziomu: długiego lub kilku krótszych połączonych w kaskadę. Poniżej kilka przykładowych przetworników.

Niektóre detektory są wyposażone w przetworniki, niektóre potrzebują oprócz detektora zewnętrznego urządzenia. Większość z nich posiada wyjście 4-20mA (oprócz niektórych prostych sygnalizatorów), wyjścia przekaźnikowe, komunikacje przez HART, bluetooth lub inne protokoły producenta. Jeżeli są takie potrzeby producenci gwarantują również prace w strefach EX oraz zapewniają certyfikat SIL. Wszystko zależy od potrzeb użytkownika, każdy pomiar jest dostosowywany do warunków środowiskowych i technicznych, podczas składania zamówienia wymieniamy nasze potrzeby takie jak na przykład: długość detektora, rodzaj źródła, typ komunikacji, mocowanie itp.

Jako ciekawostkę omówię krótko jeden z przetworników. Jest on wyposażony w elastyczne kryształy scyntylacyjne w postaci światłowodów. Dzięki temu możliwe jest jego wyginanie i dopasowanie do kształtu zbiornika. Dostępne są również detektory o różnych wymiarach. Poniżej przykład.

Kilka słów o kalibracji

Przetwornik działa prawidłowo tylko wtedy kiedy jest dobrze skalibrowany. Najczęściej do wyboru mamy możliwość kalibracji z wbudowanego w przetwornik wyświetlacza i przycisków, poprzez HART lub w przypadku urządzeń dwuczęściowych z przetwornika połączonego z detektorem. Oczywiście każdy przetwornik kalibruje się inaczej, ale są pewne punkty wspólne. Jeżeli przetwornik może wykonywać różne pomiary na początku musimy wybrać co chcemy mierzyć, dla przykładu wybieramy pomiar poziomu. Następnie wybieramy typ użytego izotopu, przetwornik uwzględnia okres pół rozpadu dzięki temu nie występuje błąd pomiarowy związany z słabnącym źródłem. Do wyboru mamy właściwie dwie metody kalibracji jedno i dwupunktowa. Zalecaną i najczęściej stosowaną jest z użyciem dwóch punktów dlatego skupimy się na niej.


Jednym z pierwszych parametrów jest ilość impulsów dla tła. Jest to ilość impulsów jaka powstaje w detektorze przy zamkniętym źródle pod wpływem promieniowania naturalnego. W przypadku kalibracji dwupunktowej następnym krokiem jest otwarcie pojemnika z źródłem. Musimy pokazać przetwornikowi ilość impulsów dla zbiornika pustego i pełnego. Dla pustego zbiornika będzie to duża ilość impulsów ponieważ do detektora dociera duża ilość promieniowania (absorpcja zachodzi tylko w ściankach zbiornika). Następnie napełniamy zbiornik, medium absorbuje część promieniowania, w detektorze powstaje mniej impulsów, odczytujemy i wpisujemy.

Tak w uproszeniu wygląda proces kalibracji, mamy właściwie trzy parametry: ilość impulsów tła, ilość impulsów dla pustego i pełnego zbiornika. Niestety nie jest to tak prosta spawa np, jeżeli mamy do czynienia z sypkim medium, powstaje stożek lub jeżeli zbiornik ma nieregularne kształty lub jest to po prostu lejek – kalibracja nie jest tak prosta, promieniowanie nie jest pochłanianie liniowo, zachodzi potrzeba linearyzacji pomiaru. Na szczęście producenci przygotowali odpowiednie narzędzia w sofcie przetwornika.

Bezpieczeństwo i ochrona radiologiczna

Podczas pracy z źródłami od lat stosowana jest zasada ALARA (As Low As It Reasonably Achievable) co oznacza, że należy tak planować i wykonywać pracę aby otrzymane dawki były możliwie jak najmniejsze. W praktyce w celu ochrony stosuje się trzy reguły: odległość, czas i osłona. Znaczy to że im dalej od źródła tym bezpieczniej, im krótsze narażenie tym bezpieczniej, im lepsza osłona tym bezpieczniej. Dlatego pracując z narażeniem na promieniowanie powinniśmy posiadać dozymetr wskazujący w czasie rzeczywistym dawkę promieniowania.

Największą wadą pomiarów izotopowych jest właśnie izotop, który wytwarza promieniowanie. Jeżeli zdecydujemy się na taki sposób to oczywiście kupujemy detektor i źródło, montujemy, kalibrujemy i gotowe. Niestety nie, aby kupić, zamontować i eksploatować źródła promieniowania musimy spełnić wiele warunków, są one określone w Prawie Atomowym. Wszystko co się dzieje w Polsce związane z promieniowaniem jonizującym nadzoruje Państwowa Agencja Atomistyki. Każdy pracownik pracujący z źródłami musi posiadać uprawnienia Inspektora Ochrony Radiologicznej, aby je uzyskać trzeba zdać państwowy egzamin który w powszechnej opinii jest bardzo trudny. Oprócz tego każdy pracownik narażony na promieniowanie objęty jest kontrolą otrzymywanej dawki (rejestracja dawek indywidualnych). Dodatkowo firma musi posiadać zezwolenie na działalność z użyciem źródeł promieniowania jonizującego, a każde źródło musi być regularnie badane (badania szczelności i ocena narażenia). Temat jest bardzo rozległy, chętnym pogłębienia tematu polecam stronę Państwowej Agencji Atomistyki.

Podsumowanie

Pomiar izotopowy mimo swojej największych zalet – brak kontaktu z medium, dokładność i stabilność nie jest najlepszym możliwym rozwiązaniem. Wadami tego rozwiązania są między innymi: wysokie koszty, wymagania prawne, wykwalifikowani pracownicy, co w większości przypadków dyskwalifikuje tą metodę.

Pracując z źródłami promieniowania musimy pamiętać że korzystamy z zjawiska którego nie widać, nie czuć, nie słychać. Bezpieczeństwo naszego życia i zdrowia to sprawa kluczowa.

Artykuł został nagrodzony w Konkursie iAutomatyka – edycja Luty 2020. Nagrodę Voucher na szkolenie + kubek termiczny + zestaw gadżetów  dostarcza ambasador konkursu, firma MITSUBISHI ELECTRIC.


Utworzono: / Kategoria: , , ,

Reklama

Newsletter

Zapisz się i jako pierwszy otrzymuj nowości!



PRZECZYTAJ RÓWNIEŻ



NAJNOWSZE PUBLIKACJE OD UŻYTKOWNIKÓW I FIRM

Reklama



POLECANE FIRMY I PRODUKTY
  • Monitorowanie obciążenia i rozdział potencjałów w jednym kompletnym rozwiązaniu To innowacyjny system dystrybucji napięcia 24 V DC zapewniający monitorowanie obciążenia i dystrybucję potencjałów w jednym kompletnym rozwiązaniu. Bezawaryjna ...
  • Poniższy poradnik jest zbiorem schematów połączeń elektrycznych. W poradniku zapoznamy się z podstawami wprowadzenia do systemów przekaźnikowych, sekwencji przełączeń przekaźników, porównania systemów przekaźnikowych z systemami tradycyjnym...
  • Seria EX-Z Czujniki z serii EX-Z to jedne z najmniejszych urządzeń tego typu na świecie. Najcieńszy model posiada grubość jedynie 3 mm co zostało osiągnięte przez zastosowanie nowych półprzewodników i dzięki temu wyeliminowanie przewodów. B...
  • Czym jest PRRT? PRRT oznacza Power Remote Reset Technology, opatentowaną funkcję, którą posiadają wybrane switche przemysłowe PoE i media konwertery firmy Antaira. Prezentowana funkcja umożliwia łatwe zresetowanie zasilanego urządzenia w zd...
  • SCADA z wbudowanym serwerem sieci Web i routerem, bez licencji, bez limitów rejestrów! Brzmi dobrze? A to dopiero początek! Jest to urządzenie umożliwiające zarządzanie zarówno w sieci lokalnej jak i przez Internet z komputera, bądź urządze...
  • Chcieliby Państwo być informowani z wyprzedzeniem o stanie maszyny lub techniki napędowej? Nic prostszego! Aplikacja DriveRadar® oferuje kompleksowe zarządzanie konserwacją w oparciu o cyfrowe rejestrowanie danych, na podstawie których możl...