معرفی رادیومتریک
اندازه گیری سطح رادیومتریک بر اساس یک اصل اندازه گیری ساده اما بسیار موثر است. با کمک یک منبع میله ای یا یک منبع نقطه ای، یک میدان پرتو گاما ایجاد می شود که مخزن را در محدوده اندازه گیری مورد نظر تابش می کند. هنگام نفوذ به مخزن، شدت تابش گاما ضعیف می شود. با افزایش سطح در این میدان تابش، تشعشع بیشتری جذب می شود.
شدت تضعیف شده توسط محصول در حال اندازه گیری در طرف مقابل ظرف توسط یک آشکارساز بسیار حساس اندازه گیری می شود. از آنجایی که ضخامت دیوار، مسیر تابش و نوع منبع ثابت است، تغییر در سطح پر شدن به تنهایی بر تضعیف تابش تأثیر می گذارد. اندازه گیری سطح رادیومتری بدون تماس است، که یک مزیت بزرگ نسبت به سایر تکنیک های اندازه گیری است.
نتایج اندازه گیری تحت تأثیر دما، گرد و غبار، فشار یا رنگ قرار نمی گیرد. رسانایی ماده ای که باید اندازه گیری شود و خواص شیمیایی محصول نیز تأثیری بر نتایج ندارد. این خوانش دقیق را در هر موقعیتی به شما ارائه می دهد.
اصل رادیواکتیویته
رادیواکتیویته را می توان به طور تقریبی به سه نوع طبقه بندی کرد که هر کدام از آنها در اثر فروپاشی ایزوتوپ رادیواکتیو ساطع می شوند:
- تابش آلفا: تابش ذرات به شکل نوکلئون هلیوم (ذره آلفا)
- تابش بتا: تابش ذرات عنصری به شکل الکترون و/یا پوزیترون (ذره بتا)
- تابش گاما: امواج الکترومغناطیسی پرانرژی مشابه امواج رادیویی و نور
با اندازه گیری تراز و چگالی رادیومتری، فقط از تابش گاما استفاده می شود. تابش آلفا و بتا به اندازه کافی قوی نیستند که بتوانند به مواد جامد نفوذ کنند، اما انرژی بالا و طول موج فرکانس بالا امواج گاما از طریق مواد در مسیر پرتو تابش می کنند.
هنگامی که پرتو گاما از ماده عبور می کند، سرعت جذب با ضخامت لایه، چگالی ماده، سطح مقطع جذب ماده و انرژی موج متناسب است. بنابراین، جذب و انرژی عوامل اصلی هستند که بر اندازه منبع مورد نیاز و کیفیت اندازه‌گیری رادیومتریک تأثیر می‌گذارند.
ایزوتوپ‌های صنعتی معمولی که در کاربردهای رادیومتری استفاده می‌شوند، سزیم-۱۳۷ (Cs-137) و کبالت-۶۰ (Co-60) هستند. این دو ایزوتوپ از نظر ویژگی‌های فیزیکی متفاوت هستند و سزیم نیمه‌عمر بیشتری دارد اما انرژی تابش گامای ساطع‌شده کمتری دارد. کبالت-۶۰ نیمه عمر کوتاه تری با انرژی بالاتر دارد.
نیمه عمر مدت زمانی است که طول می کشد تا منبع تجزیه شود تا زمانی که به نیمی از فعالیت تولید شده توسط ایزوتوپ اصلی برسد. نیمه عمر Cs-137 30.17 سال و Co-60 5.2 سال است. به طور معمول، Cs-137 در کاربردهای صنعتی استفاده می شود، زیرا به تعمیر و نگهداری کمتری نیاز دارد (یعنی جایگزینی منابع) و فعالیت ها یا قدرت آن برای اکثر برنامه ها کافی است. در موارد خاص، Co-60 ممکن است برای تابش از طریق مواد ضخیم یا سیالات با چگالی بالا مورد نیاز باشد.
امروزه چنین محاسباتی در یک برنامه نرم افزاری انجام می شود که تمام حدسیات را از اندازه گیری حذف می کند . اکثر تولید کنندگان یک برنامه اندازه گیری دارند. این برنامه می تواند اندازه منبع و میزان نوردهی را در نگهدارنده منبع و آشکارساز محاسبه کند و از این محاسبات برای تخمین دقت برنامه استفاده کند. همه اندازه‌بندی‌ها بر اساس دستورالعمل‌های «تا حد قابل قبولی کمتر» (ALARA) است. یعنی اندازه منبع محدود به کوچکترین اندازه مورد نیاز برای انجام اندازه گیری مورد نیاز است.
اِلمان های گاما
سیستم تراز یا چگالی گامای معمولی از چهار بخش تشکیل شده است: منبع رادیواکتیو، نگهدارنده منبع، آشکارساز و براکت‌ها برای نصب اجزا به مخزن فرآیند یا خط لوله. عملکرد نگهدارنده منبع صرفاً نگه داشتن منبع رادیواکتیو به روشی ایمن است. نگهدارنده منبع یک ظرف سربی با یک شکاف برای هدایت موج گاما به سمت فرآیند است. زاویه انتشار از طریق شکاف معمولاً حدود ۶ درجه عرض و ۵، ۲۰ یا ۴۰ درجه است. این بدان معناست که سطوح تشعشع در نگهدارنده منبع بسیار کم است، مگر اینکه شخصی مستقیماً در مسیر پرتو باشد.
اگرچه توصیه نمی شود، اما یک فرد باید دو ساعت و نیم بر روی یک نگهدارنده منبع بنشیند تا دوز تشعشعی مشابه پرواز از نیویورک به میامی را در هواپیما دریافت کند. مسیر پرتو باید محافظ یا غربال باشد تا از قرار گرفتن تصادفی انگشت یا دست کسی در این مسیر پرتو جلوگیری شود. طبق دستورالعمل‌های کمیسیون تنظیم مقررات هسته‌ای، نگهدارنده منبع باید دارای یک مکانیزم دریچه قفل شونده برای جلوگیری از تابش یا مکانیزمی برای چرخاندن منبع به دور از دهانه باشد. این موضوع نگهدارنده منبع را ایمن می کند و به پرسنل تعمیر و نگهداری اجازه می دهد تا کار را انجام دهند و نگهدارنده منبع را نصب یا جدا کنند.
آشکارسازها در چند سال گذشته بسیار تغییر کرده اند و بسیار حساس تر و پاسخگوتر شده اند. هدف آشکارساز تشخیص و تعیین مقدار تابش دریافتی است. در سیستم‌های گاما قدیمی‌تر، یک محفظه یونی معمولاً در کاربردهای چگالی استفاده می‌شد. آشکارسازهای مدرن از سنسور لوله سوسوزن استفاده می کنند. لوله سوسوزن فوتون گاما را جذب کرده و آن را به یک پالس نور تبدیل می کند. این پالس های نوری یک فوتوالکترون در کاتد عکس ایجاد می کنند، جایی که ضرب می شوند و به یک پالس الکتریکی تبدیل می شوند. این پالس ها یا شمارش ها تعیین می کنند که چقدر تشعشع توسط آشکارساز دریافت می شود.
با یک لوله آشکارساز سوسوزن ساخته شده از کریستال یدید سدیم (NaI) یا پلاستیک PVT، انرژی مورد نیاز برای اندازه گیری دقیق حداقل است. برای مثال، یک خط لوله دوغاب ۱۸ اینچی ممکن است به منبع ۲۵۰ mCi Cs-137 نیاز داشته باشد تا فعالیت کافی برای کارکرد نوع قدیمی‌تر آشکارساز یونی داشته باشد. با یک آشکارساز لوله سوسوزن، منبع ۳۰ mCi Cs-137 همان کاربرد را انجام می دهد. تشعشعات کاهش یافته ایمنی افرادی را که در منطقه کار می کنند تضمین می کند و آشکارسازها حتی با تغییرات دما زیاد پایدارتر هستند. آشکارسازهای سوسوزن انعطاف پذیر نصب آسانی را ارائه می دهند اما ممکن است به اندازه سوسوزن های صلب حساس نباشند.
در کاربرد چگالی، هر چه نرخ شمارش بیشتر باشد، چگالی کمتر است. در یک برنامه سطح، همین امر صدق می کند، هر چه نرخ شمارش بیشتر باشد، سطح در ظرف فرآیند کمتر می شود. آشکارساز حاوی یک فرستنده است که نرخ شمارش را به سیگنال خروجی HART 4-20 میلی آمپر تبدیل می کند تا به سیستم کنترل یا نظارت ارسال شود. خروجی های PA یا FOUNDATION Fieldbus Profibus نیز ممکن است در دسترس باشند.
با آشکارسازهای سوسوزن حساس‌تر امروزی، اغلب امکان افزایش عمر سیستم گاما وجود دارد. آشکارسازهای سبک قدیمی به انرژی بسیار بیشتری نیاز دارند، به طوری که با نزدیک شدن به نیمه عمر منبع، به طور قابل اعتمادی کار نمی کنند. یک آشکارساز به سبک سوسوزن عمر منبع را افزایش می دهد و نیاز به خرید منبع جدید و هزینه دفع منبع قدیمی را از بین می برد.
همانطور که بحث شد، منابع رادیواکتیو با سرعت خاصی تجزیه می شوند. در سیستم‌های گامای قدیمی‌تر، کالیبراسیون مکرر برای جبران کاهش فعالیت منبع مورد نیاز بود. آشکارسازهای امروزی دارای جبران پوسیدگی منبع داخلی هستند. آنها به طور خودکار پوسیدگی را جبران می کنند و نیازهای کالیبراسیون و هزینه های نگهداری را کاهش می دهند.
برخی از آشکارسازها از لوله گایگر مولر برای تشخیص تشعشع استفاده می کنند. این واحدها به اندازه آشکارسازهای لوله سوسوزن حساس نیستند، اما برای تشخیص سطح نقطه به خوبی کار می کنند و هزینه کمتری دارند.
شمارنده گایگر توسط فیزیکدانان آلمانی هانس ویلهلم گیگر و فیزیکدان بریتانیایی ارنست رادرفورد در سال ۱۹۰۸ مفهوم سازی و طراحی شد. ایجاد اولیه آنها فقط می توانست ذرات آلفا را تشخیص دهد. این دو نفر از شمارنده خود برای مطالعه ذرات آلفا استفاده کردند و در سال ۱۹۱۱، یافته های چندین آزمایش پیشگامانه، مانند آزمایش ورق طلا را منتشر کردند که در نهایت هسته اتم ها را به جهان نشان داد. بین سال‌های ۱۹۲۵ و ۱۹۲۸، گایگر و دانشجوی دکترای او، والتر مولر، حساسیت شمارنده را برای تشخیص انواع پرتوهای یونیزان بهبود بخشیدند. طراحی شمارنده Gieger-Muller در شمارنده های Gieger که امروزه استفاده می شود نسبتاً بدون تغییر باقی مانده است.
تداخل خارجی
تابش از منابع خارجی می تواند یک مشکل بزرگ برای سیستم های مبتنی بر گاما باشد. تشعشع خارجی می تواند از مواد رادیواکتیو موجود در محیط فرآیند، سایر دستگاه های ساطع کننده گاما یا آزمایش رادیوگرافی باشد. پالایشگاه‌ها، کارخانه‌های پتروشیمی و کارخانه‌های شیمیایی سنگین ممکن است آزمایش‌های رادیوگرافی معمولی خطوط لوله و کشتی‌ها را برای اطمینان از یکپارچگی آنها انجام دهند.
هر بار که تکنسین ها از یک لوله یا رگ عکسبرداری با اشعه ایکس انجام می دهند، موج عظیمی در تابش پس زمینه ایجاد می شود. خروجی یک آشکارساز مبتنی بر گاما در کارخانه به احتمال زیاد تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. افزایش تشعشع پس زمینه توسط آشکارساز گاما دریافت می شود و باعث می شود فرستنده سطح بسیار پایین تری را نسبت به آنچه که وجود دارد گزارش کند. این می تواند باعث ناراحتی های عمده در روند شود و ممکن است خطر ایمنی ایجاد کند.
در گذشته، کارخانه جات سعی می کردند از آشکارسازهای گاما محافظت کنند یا حلقه کنترل را در طول آزمایش رادیوگرافی به صورت دستی قرار دهند تا از اختلالات فرآیند جلوگیری کنند. امروزه، یک مدولاتور گاما می تواند هر مشکلی را از تشعشعات خارجی حذف کند.
یک مدولاتور گاما بین نگهدارنده منبع و فرآیند نصب شده است. این شامل دو میله جاذب است که با سرعت ثابت مستقیماً در مسیر پرتو گاما می چرخند. هنگامی که میله های جاذب در یک راستا با پرتو گاما قرار می گیرند، انرژی گاما را کاهش می دهند بنابراین هیچ انرژی به آشکارساز نمی رسد و آشکارساز گاما تابش پس زمینه را می خواند. همانطور که میله های جاذب به موازات مسیر پرتو گاما می چرخند، پرتوهای گاما از بین میله های جاذب عبور کرده و تا ظرف فرآیند و آشکارساز ادامه می یابد.
آشکارساز برای جستجوی این انرژی گامای مدوله شده پیکربندی شده است. در داخل، زمانی که مدولاتور در موقعیت باز قرار دارد، خوانش تشعشع پس زمینه را کم می کند (شکل ۵). بنابراین مقدار حاصل تحت تأثیر تابش پس زمینه قرار نمی گیرد.
سیستم‌های گامای مدرن برای اندازه‌گیری تراز یا چگالی قابل اعتماد، دقیق و ایمن هستند و اغلب در برنامه‌های تراز و چگالی کار می‌کنند که راه‌حل‌های دیگر چنین نیستند. کاربران نهایی باید مطمئن شوند که تامین کننده آنها در مورد الزامات مجوز گاما آگاه است و می تواند پشتیبانی کامل گاما را برای تسهیلات شما ارائه دهد.