РАДИОМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ В МЕЛИОРАТИВНЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Радио, 1962, №3

При строительстве мелиоративных и других гидротехнических сооружений, а также при прокладке дорог приходится определять плотность и влажность почв, грунтов, стройматериалов, концентрацию в водных потоках, взвешенных частиц. Применяющиеся методы определения этих показателей, как правило, трудоёмки и не оперативны. В последние годы появились новые решения этого вопроса, среди которых наиболее перспективны методы ядерных излучений.

Сущность методов ядерных излучений состоит в просвечивании или облучении объектов гамма-лучами, бета-частицами или нейтронами и измерении радиометрическими приборами степени их ослабления или рассеяния. Источниками излучений обычно служат искусственные радиоактивные изотопы. В зависимости от вида излучения и условий измерения интенсивности его различают гаммаскопию, метод рассеянного гамма-излучения, нейтронный метод и т. д.

Приборы для измерений по методу ядерных излучений состоят из детектора излучения, счётчика импульсов от детектора и источника питания. Счётчик импульсов показывает в конечном итоге количество импульсов.

Гаммаскопическое измерение

Рис. 1. Гаммаскопическое измерение: 1 - гамма-излучатель в контейнере-коллиматоре; 2 - детектор в дюралюминиевой гильзе; 3 - кабель к регистратору импульсов; 4 - держатель контейнера-коллиматора.

При гаммаскопических измерениях между излучателем, находящимся в контейнере-колиматоре, и детектором помещают исследуемый объект (рис. 1). Сравнивая интенсивность излучения в воздухе н интенсивность излучения, прошедшего через измеряемый объект при равных расстояниях, рассчитывают плотность материала объекта ρ в г/см^2)

ρ = (Ln(Iвозд) - Ln(I)) / μL

где μ - эффективный коэффициент ослабления излучения постоянный (для данного типа объекта),
I - толщина объекта исследования,
L - интенсивность излучения.

Для определения плотности по методу рассеянного гамма-излучения в исследуемый объект вводят или прикладывают к поверхности его зонд, представляющий собой тонкостенную гильзу, внутри которой размещены излучатель, детектор и свинцовый разделитель между ними, защищающий детектор от прямых гамма-лучей (рис. 2). Детектор зонда регистрирует излучение, рассеянное объектом. Интенсивность излучения обуславливается в основном плотностью объекта. Искомую плотность на основе результатов измерений находят по заранее составленной калибровочной кривой. Аналогично определяют и концентрацию наносов (рис. 3), но зависимость скорости счёта от концентрации имеет иной характер.

Определение плотности методом рассеянного гамма-излучения

Рис. 2. Определение плотности методом рассеянного гамма-излучения: 1 - гамма-излучатель; 2 - свинцовый разделитель; 3- детектор; 4 - гильза зонда; 5 - кабель к регистратору импульсов.

Применение гамма-излучения для определения концентрации взвешенных наносов

Рис. 3. Определение концентрации взвешенных наносов методом рассеянного гамма-излучения: 1 - гамма-излучатель: 2 - свинцовый разделитель; 3 - гильза зонда; 4 - кабель; 5 - детектор и 6 - гидравлический стабилизатор.

Нейтронный метод является практически единственным методом, пригодным для абсолютных измерений влажности почв, грунтов и стройматериалов. Этот способ основан на способности ядер водорода (а в указанных объектах почти всё количество водорода приходится на влагу), чрезвычайно сильно замедлять быстрые нейтроны. Зонд нейтронного влагомера состоит из источника быстрых и детектора медленных нейтронов (рис. 4). При помещении зонда внутрь или на поверхность объекта скорость счёта медленных нейтронов оказывается тем выше, чем больше влажность объекта. Вариации химического состава и плотности наиболее распространённых объектов на скорости счёта медленных нейтронов практически не отражается. Поэтому для данного типа объекта можно во всех случаях пользоваться единой калибровочной кривой.

Кроме измерений влажности почв, грунтов и стройматериалов нейтронным методом можно определять степень минерализации подземных вод, пористость водонасыщенных грунтов, выделять водоносные пласты и т. д.

В радиометрических приборах в качестве детектора гамма-лучей чаще всего используют галогенные газоразрядные счётчики типа СТС, работающие при напряжении около 400 В и обеспечивающие амплитуду импульсов в несколько десятков вольт. Счётчики сцинтилляционные, состоящие из сцинтиллятора и фотоумножителя, используют реже, так как для питания фотоумножителя требуется стабилизированное напряжение.

Медленные нейтроны детектируют специальными газоразрядными и сцинтилляционными счётчиками чувствительными к таким нейтронам. Амплитуда импульсов от газоразрядных нейтронных счётчиков измеряется лишь несколькими милливольтами. Эти импульсы требуют значительного усиления по напряжению. Медленные нейтроны можно детектировать обычными газоразрядными гамма-бета-счётчиками, например, счётчиками типа СТС, с применением кадмиевых или серебряных экранов. В первом случае такие нейтроны детектируются по гамма-излучению кадмия. Как известно, кадмий является сильнейшим поглотителем медленных нейтронов и при захвате их испускает интенсивное гамма-излучение. Во втором случае нейтроны детектируются по наводимой бета-активности серебра. Серебро, захватывая медленные нейтроны, становится радиоактивным.

Регистраторы импульсов, непосредственно характеризующие скорость счёта, так называемые интенсиметры, в работе весьма удобны, но скорость счёта при малой интенсивности измеряемого излучения сопровождаются большой ошибкой. Поэтому для точных определений тех или иных показателей методом ядерных излучений интенсиметры мало приемлемы.

Точные измерения интенсивности возможны при подключении детекторов к регистраторам импульсов, представляющих собою радиотехнические пересчётные устройства.

Измерение влажности объекта нейтронным методом

Рис. 4. Абсолютное измерение влажности объекта нейтронным методом: 1 - источник быстрых нейтронов; 2 - детектор медленных нейтронов; 3 - гильза зонда; 4 - кабель.

Принципиальная схема радиометра М-30 на тиратронах МТХ-90

Рис. 5. Принципиальная схема радиометра М-30 с галогенным газоразрядным счётчиком. Нумерация сопротивлений и конденсаторов в каждой пересчётной ячейке повторяется.

Широкое применение в практике использования методов ядерных излучений нашёл полевой радиометр М-30, изготавливаемый Рижским заводом гидрометеорологических приборов. Этот радиометр (рис. 5) состоит из детектора (газоразрядный галогенный счётчик), пересчётной схемы, электромеханического нумератора и источника питания (галетные батареи на 140 и 450 В или низковольтные элементы на 2,5-3 В и транзисторный преобразователь напряжения). Для стабильной работы напряжение, подаваемое на счётчик, стабилизируется стабилитроном СГ-7с. Напряжение питания пересчётного устройства регулируется потенциометром R13. Индикатором напряжения питания служит микроамперметр с добавочным сопротивлением R11.

Схема транзисторной приставки для счёта медленных нейтронов

Рис. 6. Схема приставки на транзисторах для счёта медленных нейтронов.

Для подключения к подобным пересчётным устройствам газоразрядного счётчика медленных нейтронов можно воспользоваться приставками, принципиальная схема одной из которых приведена на рис. 6.

Отрицательные импульсы от счётчика поступают на эмиттерный повторитель, усиливаются двухкаскадным усилителем с отрицательной обратной связью и, пройдя через второй эмиттерный повторитель, передаются по кабелю на дискриминатор. С выхода дискриминатора, собранного на трёх транзисторах, импульсы от медленных нейтронов передаются на оконечный усилитель с трансформаторным выходом, где усиливаются до 25-30 В. Импульсы же от гамма-лучей, испускаемых самим источником нейтронов и ядрами элементов объекта в результате захвата замедлившихся нейтронов, через дискриминатор не проходят, так как они имеют значительно меньшую амплитуду в сравнении с импульсами от нейтронов.

Приставки получают питание от двух батареек КБС-Л-0,5 и одного элемента ФБС, служащего источником опорного напряжения транзисторного стабилизатора. Для питания счётчика служит транзисторный преобразователь, обеспечивающий 1500 В.

Канд. с.-х. наук В. Емельянов

BACK