Pomiary izotopowe w przemyśle
| TechnikaDla izotopów wynaleziono dotychczas bardzo wiele zastosowań – od sterylizacji żywności i instrumentów medycznych, przez diagnozowanie i leczenie chorób, po wytwarzanie energii. W artykule przedstawimy zastosowania izotopów w pomiarach przemysłowych – omawiamy fizyczne podstawy tego typu pomiarów, przykładowe urządzenia oraz ich praktyczne aplikacje. Skrótowo dyskutujemy również najważniejsze zasady ochrony radiologicznej.
W ŚWIECIE IZOTOPÓW I PROMIENIOWANIA
Powszechnie znany model budowy atomu to jądro składające się z neutronów i protonów, które otoczone jest przez powłoki z rozmieszczonymi na nich elektronami. Liczba neutronów i protonów w jądrze determinuje właściwości fizyczne i chemiczne danego pierwiastka.
Wiele pierwiastków występuje w kilku odmianach różniących się od siebie liczbą neutronów – mają one podobne właściwości chemiczne, lecz różne fizyczne. Jądra atomów tego samego pierwiastka, zawierające różne liczby neutronów, nazywane są izotopami. Różnią się one między sobą stabilnością – jedne są trwałe, inne istnieją tylko przez pewien czas i ulegając rozpadowi, przekształcają się w odmiany stabilne. W tym miejscu można wprowadzić pojęcie promieniotwórczości.
Definicja mówi, że "promieniotwórczość to zjawisko samorzutnego rozpadu jąder atomów, któremu towarzyszy wysyłanie promieniowania alfa, beta i gamma". Substancja promieniotwórcza (lub inaczej radioaktywna) emituje któryś z wymienionych rodzajów promieniowania.
Czym się charakteryzują poszczególne typy promieniowania? Promieniowanie alfa polega na emisji cząstek składających się z dwóch protonów i dwóch neutronów, natomiast promieniowanie beta to emisja elektronów.
Oba rodzaje promieniowania zaliczamy do promieniowania korpuskularnego, czyli cząsteczkowego. Promieniowanie gamma ma inny charakter. Jest to promieniowanie elektromagnetyczne, którego fale mają długość rzędu 10–10...10–14 metra. Różne typy promieniowania występują łącznie, ale przeważnie jeden z nich jest znacząco silniejszy i tylko on jest brany pod uwagę.
Dla przykładu – rozpadowi atomów izotopu kobaltu Co-60 towarzyszy emisja promieniowania beta i gamma. Ponieważ promieniowanie beta jest pochłaniane, kobalt Co-60 jest traktowany jedynie jako źródło promieniowania gamma. Należy dodać, że w zdecydowanej większości pomiarów przemysłowych wykorzystywane jest właśnie promieniowanie gamma.
Jak wspomniano – promieniowanie związane jest z rozpadami jąder atomów. Istnieje przy tym prosta zależność – im więcej atomów ulega rozpadowi, tym więcej kwantów promieniowania zostaje wyemitowanych. Pojęcie aktywności źródła pozwala ocenić, czy dane źródło jest silne, czy słabe. Aktywność źródła izotopowego to wielkość określająca liczbę rozpadów jąder zachodzących w danej substancji w jednostce czasu. Obowiązującą jednostką aktywności jest 1 Bq (bekerel), który oznacza 1 rozpad w ciągu 1 sekundy.
Jest to jednak jednostka bardzo mała. Na co dzień używa się jednostek pochodnych: 1 MBq (megabekerel), oznaczający milion rozpadów na sekundę oraz 1 GBq (gigabekerel), odpowiadający 1 miliardowi rozpadów w ciągu sekundy.
Wielkością charakterystyczną dla każdego izotopu jest tzw. okres półrozpadu czyli czas, po którym połowa jąder uległa rozpadowi. Zakładając, że początkowa liczba jąder izotopu promieniotwórczego wynosi N0, a okres półrozpadu oznaczymy jako T½, możemy powiedzieć, że po upływie czasu T½ liczba jąder tego izotopu wyniesie 0,5*N0, po upływie kolejnego T½ wyniesie 0,25*N0, itd. Przedstawiając te zależności w postaci wykresu, otrzymamy tzw. krzywą rozpadu opisaną wzorem:
| N = N0 · e | -0,693 · t
|
gdzie: N0 – początkowa liczba atomów izotopu promieniotwórczego, N – liczba atomów tego izotopu po upływie czasu t, T½ – okres półrozpadu tego izotopu. Taka sama zależność jest prawdziwa w odniesieniu do aktywności źródła:
| A = A0 · e | -0,693 · t T½ |
gdzie: A0 – aktywność początkowa, A – aktywność po upływie czasu t, T½ – okres półrozpadu izotopu.
Substancje promieniotwórcze mogą mieć różną postać fizyczną: proszku, cieczy, drutu itd. Aby zabezpieczyć użytkownika przed bezpośrednim kontaktem z materiałem promieniotwórczym oraz uniemożliwić niekontrolowane rozprzestrzenianie się tego materiału, w przemyśle stosuje się tzw. zamknięte źródła izotopowe. Źródło takie ma postać hermetycznie zamkniętej, metalowej kapsułki (tzw. źródła punktowe) lub rurki (źródła liniowe).
Ważną własnością promieniowania jest jego przenikliwość. Ma ona związek zarówno z charakterem promieniowania (cząsteczkowe lub falowe), jak i niesioną przez nie energią. Promieniowanie cząsteczkowe alfa i beta mają stosunkowo małą przenikliwość, np. cząstki alfa są całkowicie zatrzymywane przez kartkę papieru, a beta – przez cienką warstwę szkła. Przenikliwość promieniowania gamma jest bez porównania większa. O tym rodzaju promieniowania mówimy, że jest "twarde".
Powiedzmy przy okazji kilka słów o warstwie połowicznego osłabienia. Pojęcie to w odniesieniu do każdego materiału oraz rodzaju promieniowania oznacza taką grubość warstwy materiału, po przejściu przez którą natężenie promieniowania maleje o połowę. Grubość tej warstwy jest zależna od rodzaju materiału oraz od energii emitowanego promieniowania (czyli od zastosowanego izotopu). Im większa gęstość materiału prześwietlanego, tym większe osłabienie promieniowania.
Zauważmy też, że energia promieniowania emitowanego np. przez kobalt jest znacznie większa od tego, które wysyła cez. Aby uzyskać odpowiednią ochronę przed promieniowaniem, należy zastosować materiał o dużej gęstości lub grubą warstwę ochronną. Pojemniki ochronne stosowane w przemyśle są najczęściej wykonane ze stali (mocna konstrukcja) i wypełnione ołowiem (duża gęstość, lepsze pochłanianie).
Ostatnim wprowadzanym pojęciem jest promieniowanie tła. W przypadku pomiarów przemysłowych oznacza ono promieniowanie pochodzące ze źródeł naturalnych (promieniowanie kosmiczne, promieniowanie substancji zawartych w skorupie ziemskiej lub materiałach budowlanych) oraz sztucznych (np. promieniowanie od znajdujących się w otoczeniu izotopowych układów pomiarowych). Wartość promieniowania tła stanowi poziom odniesienia dla prowadzonego pomiaru.
IZOTOPOWE UKŁADY POMIAROWE
Każdy układ pomiarowy wykorzystujący źródła promieniowania składa się zawsze z takich samych elementów: detektora promieniowania, źródła izotopowego w pojemniku ochronnym oraz przetwornika (jednostki sterującej). W zależności od jego przeznaczenia wymienione elementy mogą się różnić wielkością, budową i sposobem wykonania, jednak ich funkcje pozostają w każdym przypadku takie same.
Detektor i pojemnik ochronny ze źródłem są zawsze instalowane w miejscu, w którym należy wykonać pomiar, tzn. przy zbiorniku czy reaktorze, na przenośniku lub na rurociągu. Wzajemne położenie tych elementów jest takie, że mierzony obiekt znajduje się pomiędzy nimi. Przetwornik najczęściej jest umieszczany w sterowni, a z detektorem łączy się go za pomocą odpowiednio dobranych przewodów.
Niektórzy producenci upraszczają budowę układu pomiarowego poprzez umieszczenie elektroniki przetwornika w obudowie detektora. W takiej sytuacji sygnał pomiarowy z detektora trafia bezpośrednio do systemu sterowania, np. w formacie prądowym 4...20mA lub w postaci cyfrowej.
Detektor ma za zadanie mierzyć natężenie promieniowania, które dociera do niego po przejściu przez badany obiekt. Zmiany natężenia powodowane są, zależnie od przeznaczenia układu pomiarowego, przez zmieniającą się gęstość produktu, zmieniający się poziom w zbiorniku lub ilość produktu na przenośniku. Mierząc sygnał wyjściowy z detektora (liczbę impulsów lub wartość prądu), nie jesteśmy więc w stanie powiedzieć, jaką wielkość fizyczną mierzy układ pomiarowy.
Z tych powodów bardzo ważną czynnością jest kalibracja układów izotopowych. Jest ona niczym innym jak przyporządkowaniem określonych wartości wielkości mierzonej konkretnym wartościom sygnału z detektora. Dla użytkownika ważne jest, że kalibracja układu może odbywać się dopiero po jego zainstalowaniu. Nie ma sensu wykonywać jej u producenta lub w warsztacie, gdyż rzeczywista konfiguracja układu pomiarowego jest zawsze inna. Konieczne jest tutaj posiadanie informacji na temat rzeczywistych wartości mierzonej wielkości – musi istnieć możliwość sprawdzenia poziomu w zbiorniku (np. przez wziernik), możliwość pobrania próbki do zbadania w laboratorium (przy pomiarze gęstości) czy zważenia przetransportowanego materiału.
JAK DZIAŁA DETEKTOR?
Detektor promieniowania składa się z elementu wrażliwego na promieniowanie oraz układu elektronicznego wzmacniającego i formującego sygnał pomiarowy. W zależności od przeznaczenia detektora, jako element reagujący na promieniowanie są stosowane liczniki Geigera-Műllera lub układy z kryształem (scyntylatorem) i fotopowielaczem. Wymienione wersje różnią się przede wszystkim czułością (liczniki ze scyntylatorem mają czułość większą o rząd wielkości), zakresem pracy, a także ceną (przykładowo liczniki GM są tańsze).
Promieniowanie trafiając na licznik GM wywołuje lawinowy przepływ prądu, który jest zamieniany przez układ elektroniczny na impuls. W przypadku scyntylatora powoduje ono pojawienie się fotonów (błysków światła), które następnie docierają do tzw. fotopowielacza – lampy elektronowej zawierającej kilka elektrod. Pojedynczy błysk zostaje wzmocniony i, podobnie jak w przypadku licznika GM, jest widoczny jako impuls na wyjściu układu.
W obu przypadkach liczba generowanych przez układ impulsów jest proporcjonalna do natężenia promieniowania docierającego do detektora. Pojemnik ochronny ma za zadanie nadać wiązce promieniowania właściwy kształt i kierunek, a także zabezpieczyć przed promieniowaniem otoczenie i ludzi w nim przebywających. Jego obudowa najczęściej wykonana jest ze stali, co zapewnia właściwą wytrzymałość mechaniczną.
Wypełnienie stanowi materiał o możliwie dużej gęstości (najczęściej ołów), dzięki czemu promieniowanie zostanie znacznie osłabione. Grubość warstwy ołowiu jest zależna od aktywności źródła umieszczonego w pojemniku. Przyjąć można, że im większa aktywność, tym również większy ciężar pojemnika. Informacje te są istotne już na etapie planowania układu pomiarowego, należy bowiem przewidzieć sposób zamontowania pojemnika i zapewnić mu odpowiednie podpory.
W osłonie ołowianej wykonany jest zawsze odpowiednio ukształtowany otwór kolimacyjny. Wiązka promieniowania wychodząca na zewnątrz może mieć kształt stożka o małym kącie np. 9° (dla sygnalizacji poziomu lub pomiaru gęstości) albo płaskiej kurtyny o kącie 45° dla układów ciągłego pomiaru poziomu lub przepływu masy. Konstrukcja pojemnika umożliwia jego zamknięcie i zasłonięcie otworu wylotowego promieniowania.
Jak wspomniano wcześniej, izotopy są źródłem promieniowania gamma wykorzystywanego w pomiarach przemysłowych. Najczęściej stosowane tutaj Cs-137 i kobalt Co-60, różnią się od siebie czasem półrozpadu (czyli żywotnością) i energią promieniowania. Cechy te decydują o wyborze pierwiastka do danej aplikacji. Promieniowanie cezu ma mniejszą energię, wobec czego izotop ten stosuje się do zbiorników i rur o cienkich ścianach oraz małych wymiarach. Dla zbiorników grubościennych lub przy dużych odległościach pomiędzy źródłem i detektorem konieczne jest użycie promieniowania o większej energii, czyli źródła kobaltowego. Niedogodnością jest to, że źródło kobaltowe trzeba będzie wymienić po krótszym czasie użytkowania (kobalt ma 6-krotnie krótszy okres półrozpadu niż cez).
Przetwornik i jednostka sterująca to element wyposażony w wyświetlacz oraz przyciski umożliwiające lokalne odczytywanie wartości mierzonej, a także odczyt i zmianę parametrów układu oraz przeprowadzanie kalibracji. Jednostka sterująca wyposażona jest w wyjście pomiarowe, najczęściej analogowe 4-20mA, oraz wyjścia przekaźnikowe do sygnalizacji lub alarmów. Istnieje często możliwość zdalnego dostępu do danych pomiarowych – np. poprzez cyfrową sieć Profibus. Przetwornik może być montowany lokalnie, w obudowie naściennej lub w sterowni w typowej kasecie 19". Stosowane obecnie przetworniki udostępniają funkcję automatycznej kompensacji zmiany aktywności źródła (rozpadu). Funkcja ta pozwala uniknąć konieczności okresowego powtarzania kalibracji.
ZASTOSOWANIA W PRZEMYŚLE
Najczęściej spotykanym pomiarem izotopowym jest pomiar gęstości produktu płynącego rurociągiem. Detektor i pojemnik ochronny ze źródłem montowane są na specjalnej konstrukcji nośnej bezpośrednio na rurze. Jako źródła promieniowania używa się prawie zawsze cezu, co zapewnia przynajmniej piętnastoletni okres pracy. Produkty, dla których stosowany jest pomiar izotopowy, to zawiesiny wapna i gipsu, sok z buraków cukrowych, czarny ług i kwas siarkowy.
Dużą grupę pomiarów izotopowych stanowią pomiary poziomu. Tutaj zdecydowaną przewagę mają sygnalizatory, czyli układy wykrywające określony stan zapełnienia zbiornika. Ponieważ często zbiornik ma dużą średnicę albo konieczne jest prześwietlenie grubych ścian betonowych lub stalowych, jako izotop stosowany jest głównie kobalt. Układy sygnalizacji spotkamy w silosach węgla, piecach wapiennych, zasobnikach wielkiego pieca, ale także w lejach elektrofiltrów lub kanałach zsypowych.
Układy do pomiaru ciągłego wymagają zastosowania detektora lub źródła o długości odpowiadającej zakresowi pomiarowemu. Możliwe są trzy konfiguracje układu pomiarowego:
– źródło punktowe (najczęściej cez),
– detektor prętowy,
– punktowy detektor – źródło prętowe (kobalt),
– detektor prętowy – źródło prętowe.
Ze względu na mniejsze wymiary pojemnika, a co za tym idzie łatwiejszy transport i montaż, najczęściej wykorzystywany jest układ ze źródłem punktowym. Układy ciągłego pomiaru poziomu znajdziemy m.in. w zakładach tłuszczowych (ekstraktory, tostery), papierniczych (silosy zrębków) i chemicznych (reaktory) oraz w hutach szkła (wanny szklarskie i zasilacze) i stali (krystalizatory na liniach COS).
Bezkontaktowy charakter pomiaru izotopowego jest przydatny, gdy należy zmierzyć ilość produktu sypkiego transportowanego przez przenośnik. Żadnego problemu nie sprawia pomiar na taśmociągu – waga tensometryczna jest dokładniejsza i tańsza. Jeżeli jednak mamy do czynienia z przenośnikiem zgrzebłowym, kubełkowym lub ślimakowym – zastosowanie wagi izotopowej jest bez porównania łatwiejsze.
PODSUMOWANIE
Na zakończenie kilka słów na temat bezpieczeństwa. Większości ludzi pojęcia "promieniowanie" czy "źródło izotopowe" kojarzy z zagrożeniem. W opisanych wyżej układach przemysłowych stosowane są źródła zamknięte (hermetyczne), przeważnie o niewielkiej aktywności, na dodatek umieszczane w pojemnikach ochronnych. Nie ma więc praktycznie możliwości rozprzestrzenienia się skażenia, nawet w przypadku zniszczenia lub stopienia pojemnika.
Państwowa Agencja Atomistyki wydaje zezwolenie na stosowanie źródeł izotopowych tylko wtedy, gdy użytkownik spełnia wszystkie wymagania. Także dalsza eksploatacja układów odbywa się pod nadzorem PAA. Jeżeli więc użytkownicy urządzeń izotopowych będą je wykorzystywali zgodnie z przeznaczeniem, stosując wymogi programów bezpieczeństwa i regulaminów pracy, to nie będą one powodowały zagrożeń większych niż inne przemysłowe instalacje.
Jerzy Janota
Introl Sp. z o.o.
