способ измерения уровня или плотности вещества

Формула изобретения

Способ измерения уровня или плотности вещества, при котором с помощью детектора определяют степень поглощения проходящего через вещество ионизирующего излучения и по степени этого поглощения судят о значении определяемого параметра, отличающийся тем, что в качестве детектируемого излучения используют поток вторичного космического излучения, мюоны, а минимальный энергетический порог регистрации детектора выбирают выше максимальной энергии гамма-квантов испускаемых в цепочках распада природных радионуклидов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам бесконтактного контроля технологических параметров различных производственных процессов, а именно измерению уровня или плотности вещества в различных емкостях либо на площадках, основанным на определении изменения интенсивности потока ионизирующего излучения при его прохождении через контролируемое вещество.

Известны и широко используются в промышленности способы бесконтактного контроля технологических параметров различных производственных процессов, в которых источником проходящего через контролируемое вещество излучения служит либо искусственный радионуклидный излучатель, либо естественное природное гамма-излучение.

Известен способ измерения уровня, в котором радионуклидный излучатель и детектор размещаются друг над другом по вертикали, а емкость с контролируемым веществом - между ними [1]. При изменении уровня контролируемого вещества изменяется степень поглощения излучения, что и фиксируется детектором.

Недостатком этого способа является необходимость применения искусственного радионуклидного излучателя, что усложняет реализацию способа и ухудшает экологию. Кроме того, такой способ неприменим при большом уровне (толщине) контролируемого вещества, так как энергии гамма-квантов, генерируемых радионуклидами земного происхождения (природными), а тем более излучателей, используемых в изотопных приборах, не превышают 3 МэВ, что обуславливает небольшой пробег этого излучения в веществе. Для решения некоторых технологических задач требуемая длина пути прохождения излучения через вещество может достигать значения десятков метров и степень поглощения излучения при этом может быть весьма значительной. Так, при уровне (толщине слоя) воды 10 метров поглощение излучения гамма-квантов с энергиями 3 МэВ составит более 10¹⁴ раз. В этом случае для того, чтобы значение достигшего детектор излучения заметно превышало естественный природный гамма-фон, потребуется радиоизотопный излучатель с активностью не менее 10²⁰ Бк, что практически неосуществимо.

Наиболее близким по назначению и признакам к заявляемому является принятый за прототип способ бесконтактного позиционного контроля уровня, в котором определяют степень поглощения проходящего через вещество излучения и по степени этого поглощения судят о значении определяемого параметра, причем в качестве источника излучения используют поток гамма-излучения, генерируемый природными радионуклидами земного происхождения, естественно распределенными в окружающей среде [2].

Недостатком такого способа является еще большее, чем в аналоге, ограничение на толщину контролируемого вещества. Это связано с низкой интенсивностью фонового гамма-излучения от природных радионуклидов и невозможностью ее увеличения. Никакой детектор даже при экранировании его с неинформативных сторон не позволит отличить изменение ослабленного в 10¹⁴ раз фонового излучения от малейших естественных его флуктуаций.

Предложенное техническое решение дает возможность контролирования большого уровня (больших толщин) вещества в емкости или его плотности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе измерения уровня или плотности вещества, при котором с помощью детектора определяют степень поглощения проходящего через вещество излучения и по степени этого поглощения судят о значении определяемого параметра, в качестве информативного детектируемого излучения используют поток космического излучения, преимущественно мюоны, а энергетический порог регистрации детектора устанавливают выше максимальной энергии гамма-квантов, испускаемых в цепочках распада природных радионуклидов.

Схема реализации способа показана на фиг.1. В емкости 1 находится контролируемое вещество 2. Под емкостью 1 расположен детектор 3, который регистрирует поток космического излучения 4. Интенсивность регистрируемого излучения зависит от физических свойств, от уровня и плотности контролируемого вещества 2 в емкости 1, через которую проходит поток космического излучения 4. Поток регистрируемого детектором 3 космического излучения однозначно связан с уровнем вещества 2 при фиксированной плотности в емкости 1, а при фиксированном уровне вещества 2 - с плотностью вещества. Таким образом, фиксируя при измерении часть параметров, можно измерять уровень или плотность вещества.

Используемый в заявляемом способе поток космического излучения состоит преимущественно из порожденных первичным космическим излучением мюонов высоких энергий. Такой поток мюонов ослабляется 10-метровым слоем воды примерно в 2 раза, а таким же слоем грунта - в 3, 4 раза [3].

Проведенные авторами исследования показали, что при использовании в качестве детектора сцинтиллятора NaJ(Tl) размером (D40×250)мм средняя скорость счета от региструемых мюонов вторичного космического излучения в открытом пространстве на уровне земли составляет 2.5-3 имп/с. Расчеты на основе вышеприведенных данных показывают возможность использования заявляемого способа при длине пути прохождения мюонов через вещество более 30 метров.

Как установлено авторами заявляемого способа, при регистрации мюонов вторичного космического излучения сцинтилляционными детекторами с объемом от нескольких см³ большая часть зарегистрированных взаимодействий лежит в области энергий свыше 3 МэВ. Известно также, что в цепочках распада природных радионуклидов образуются гамма-кванты с максимальной энергией около 2.6 МэВ от изотопа Tl(208) [4]. Поэтому при выборе минимального энергетического порога регистрации выше 2,6 МэВ (максимальной энергии гамма-квантов испускаемых в цепочках распада природных радионуклидов) детектором будут регистрироваться только мюоны вторичного космического излучения.

Для проверки предлагаемого способа в ЗАО «НТЦ Экофизприбор» был собран опытный образец измерителя уровня на базе сцинтилляционного детектора NaJ(Tl) размером (D40×250)мм. Испытания опытного образца проводились на бункере сбора угольной пыли на Московской ТЭЦ 22. Высота бункера составляла 10 м, а сечение 6×8 м. Испытания показали, что при насыпной плотности угольной пыли 0,6-0,7 г/см³ и времени усреднения 20 мин погрешность измерения составляет 0,3-0,5 м, что удовлетворяет технологическим требованиям

Таким образом, из вышеизложенного следует, что указанная совокупность существенных признаков необходима и достаточна для достижения указанного технического результата.

Анализ патентной и научно-технической литературы, содержащей описания аналогичных технических решений в рассматриваемой и смежных областях техники, позволяет сделать вывод, что предложенное техническое решение является новым и для специалистов явным образом не следует из уровня техники, имеет изобретательский уровень, промышленно осуществимо и применимо в указанной области, то есть соответствует критериям изобретения.

Литература

1. И.В.Кухаренко и др. Сравнение некоторых радиометрических методов измерения уровня. В сб. «Радиационная техника». Вып.3, М.: Атомиздат, 1969 г., стр.63-68, рис.1в).

2. Патент РФ № 2006000, G01F 23/38, опубл. 15.01.1994.

3. Atmospheric Muon Flux at Sea Level, Underground and Underwater. Phys. Rev. D58,05401,1998.

4. Гусев Н.Г. и др. Радиоактивные изотопы как гамма-излучатели., М.: «Атомиздат», 1964 г., стр.165.