Способ определения плотности вещества

 

Использование: в измерительной технике в устройствах для определения плотности вещества. Сущность изобретения: плотность определяют по методу узкого пучка. Используют в качестве источника гамма-квантов пучок моноэнергетических аннигиляционных гамма-квантов позитронов. Регистрируют парные аннигиляционные гамма-кванты, испускаемые в противоположных направлениях, один из которых проходит через измеряемое вещество. 2 ил.

Изобретение относится к способам измерения плотности вещества, основанным на поглощении проникающих излучений, и может быть использовано в горнодобывающей, обогатительной, нефтехимической и пищевой промышленности, а также в промышленности строительных материалов при исследовании высококонцентрированных дисперсных систем: суспензий, порошков, эмульсий, в частности, при измерении распределения плотности дисперсных систем в процессе седиментации.

Известен способ определения плотности вещества путем облучения его проникающими ядерными излучениями и измерения интенсивности рассеянного веществом или прошедшего через него излучения [1] Недостатком этого способа является низкая точность.

Наиболее близким к предлагаемому способу является гамма-метод измерения плотности в модификации узкого пучка, заключающийся в облучении изучаемого вещества узким пучком испускаемого радиоактивным источником гамма-излучения и регистрации детектором прошедшего через вещество первичного гамма-излучения [2] Поглощение и рассеяние гамма-квантов, испускаемых источником, зависит от плотности среды, поэтому измерение ослабленного гамма-излучения источника позволяет определить плотность. По степени ослабления первичного гамма-излучения, используя экспоненциальный закон, рассчитывают плотность поглощающей среды.

Сущность изобретения заключается в том, что позитроны античастицы по отношению к электронам, испускаемые источником позитронов, попадая в мишень, аннигилируют в столкновениях с электронами, испуская в каждом акте аннигиляции два аннигиляционных гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ в противоположных направлениях. При этом один из аннигиляционных гамма-квантов проходит через измеряемое вещество и регистрируется детектором, в то время как второй гамма-квант регистрируется непосредственно вторым дополнительным детектором. Наличие в устройстве схемы двойных совпадений обеспечивает регистрацию только парных аннигиляционных гамма-квантов, пришедших одновременно на оба детектора. Это позволяет с высокой степенью надежности обеспечить выделение первичных аннигиляционных гамма-квантов, прошедших через измеряемое вещество, и исключить регистрацию вторичного рассеянного излучения.

Таким образом, для выделения первичного гамма-излучения осуществляется наряду с геометрической коллимацией и пороговой дискриминацией, обеспечиваемой с помощью детектора, чувствительного к первичному гамма-излучению третий коллимационный канал аннигиляционный, что обеспечивает выполнение экспоненциального закона поглощения и, следовательно, высокую точность определения плотности измеряемого вещества.

На фиг. 1 представлена схема установки (аннигиляционного зонда) для измерения плотноcти вещеcтва; на фиг. 2 показаны кривые распределения плотности ρ по высоте кюветы n в процессе осаждения.

Установка для осуществления способа содержит источник 1 позитронов, мишень 2, где позитроны аннигилируют с электронами вещества мишени, свинцовые коллиматоры 3, вырезающие узкий пучок аннигиляционных гамма-квантов, и контейнер 4 с измеряемым веществом.

Величина диафрагмы коллиматоров определяет ширину потока гамма-квантов и может изменяться в широких пределах в зависимости от условий измерения.

Установка содержит также детектор 5, где регистрируются прошедшие через коллиматоры и измеряемый объект аннигиляционные гамма-кванты, и дополнительный детектор 6, где регистрируются аннигиляционные гамма-кванты, парные по отношению к гамма-квантам, регистрируемым детектором 5. Оба детектора соединены через схему 7 двойных совпадений, соединенную с блоком 8 записи.

Установка работает следующим образом.

Излучаемые источником 1 позитронов, которым может служить радиоактивный изотоп (Na²², Cu⁶⁴ и т.п.), позитроны направляются на мишень 2, где после торможения аннигилируют с электронами вещества мишени, испуская при аннигиляции жесткие аннигиляционные гамма-кванты. Материал мишени подбирается таким образом, что при аннигиляции в ней позитронов в каждом акте аннигиляции пары античастиц электрон-позитрон испускается два гамма-кванта с энергией 0,511 МэВ каждый.

При второй гамма-аннигиляции гамма-кванты испускаются в противоположных направлениях, отклоняясь на небольшой угол Θ (порядка нескольких миллирадиан) от 180^о, зависящий от импульса электрона, на котором произошла аннигиляция.

Излучаемые мишенью жесткие аннигиляционные гамма-кванты проходят через свинцовые коллиматоры 3, между которыми помещается контейнер 4 с измеряемым веществом. Прошедшие через коллиматоры и измеряемый объект аннигиляционные гамма-кванты регистрируются детектором 5, а парные гамма-кванты регистрируются непосредственно детектором 6. Импульсы с детекторов 5 и 6 поступают на схему 7 двойных совпадений, имеющую разрешающее время, обеспечивающее регистрацию исключительно парных гамма-квантов, пришедших одновременно на оба детектора.

Необходимое разрешающее время схемы совпадений определяется интенсивностью источника позитронов. Импульсы с выхода схемы двойных совпадений подаются на блок 8 записи, снабженный таймером и выводом на цифропечать. В качестве блока записи может использоваться ЭВМ.

Контейнер с измеряемым веществом может перемещаться по отношению к коллиматорам, осуществляя тем самым сканирование измеряемого объекта пучком аннигиляционных гамма-квантов. Весь процесс измерения может производиться в автоматическом режиме.

По величине ослабления первичного потока аннигиляционных гамма-квантов рассчитывается эффективная плотность вещества в месте прохождения через него пучка аннигиляционных гамма-квантов.

Изменяя место прохождения пучка гамма-квантов, можно получить распределение плотности вещества в измеряемом объекте. Измеряя скорость счета гамма-квантов в случае, когда пучок гамма-квантов фиксирован в данном положении объекта измерения, можно наблюдать изменение плотности вещества во времени, например в процессе седиментации.

В качестве иллюстрации возможностей предлагаемого метода аннигиляционного гамма-зонда ниже приведены результаты исследования процесса осаждения дисперсных частиц гамма-окиси железа γ Fe₂O₃ в водно-глицериновой среде. Размер частиц порошка γ Fe₂O₃ 3-4 мкм. Массовая концентрация дисперсной фазы в системе составляла 50% так что исследуемая седиментирующая система относится к категории высококонцентрированных.

Для измерений использовалась кювета прямоугольной формы, изготовленная из органического стекла, толщина стенок кюветы 5 мм, внутренний размер кюветы (толщина поглощающего слоя D) 70 мм.

Активность источника позитронов 5 мКи. Размер щелей коллиматоров 0,8 мм. Расстояние от источника аннигиляционных гамма-квантов до детекторов 1 м.

Время однократного измерения плотности составляет 30 с. Измерения проводились с шагом по высоте кюветы 1 мм, так что время для получения полной картины распределения плотности в системе при высоте кюветы 24 мм составляло 12 мин.

Плотность вещества в системе рассчитывалась, исходя из экспоненциального закона поглощения, по формуле ρ ρ_o где Φ скорость счета аннигиляционных гамма-квантов, прошедших сквозь систему; Φ_a скорость счета для пустой (ρ= 0) измерительной кюветы; Φ_в скорость счета случайных совпадений (фон); Φ_n скорость счета для кюветы, заполненной веществом с заранее известной плотностью (ρ_o).

При указанных параметрах измерения отношение фона к полезному сигналу не превышало 0,5% При этом точность определения плотности составляла Δρ/ρ 0,2% На фиг. 2 показано, как изменяется вид распределения плотности ρ по высоте n в исследуемой системе в процессе осаждения. Перед началом измерения система тщательно перемешивалась, так что плотность в системе была практически постоянная по всей высоте кюветы (пунктир на фиг. 2). Кривые 1-7 распределения плотности соответствуют состоянию системы при времени 1, 2, 3, 4, 5, 7 и 24 ч с момента начала осаждения. На фиг. 2 видно, как в процессе осаждения образуется и перемещается скачок плотности на границе раздела дисперсионная среда осадок и сложное распределение плотности вещества в самом осадке и в дисперсной среде.

Приведенный пример демонстрирует большие возможности предлагаемого метода аннигиляционного зонда при изучении объектов, где применение традиционных коллоидно-химических методик крайне затруднено, а в большинстве случаев просто невозможно.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА, включающий облучение исследуемого объекта основным узким пучком гамма-квантов источника, регистрацию прошедших через исследуемый объект первичных гамма-квантов основным детектором, размещенным на оси основного узкого пучка, с последующим расчетом плотности вещества исследуемого объекта по степени ослабления первичного потока гамма-квантов с учетом фона, отличающийся тем, что источник гамма-квантов формируют посредством облучения мишени позитронами источника позитронов, выбор материала мишени и геометрии облучения осуществляют из условия обеспечения излучения мишенью в противоположных направлениях парных аннигиляционных моноэнергетических гамма-квантов, которые формируют в основной узкий и расположенный с ним на одной оси, но противоположно направленный вспомогательный пучки гамма-квантов, гамма-кванты последнего регистрируют непосредственно вспомогательным детектором, размещенным на одной оси с основным детектором, с выходов основного и вспомогательного детекторов осуществляют селекцию парных аннигиляционных гамма-квантов с последующим измерением их скорости счета, при этом предварительно измеряют скорости счета парных аннигиляционных гамма-квантов в отсутствие исследуемого объекта, для объекта с заданной плотностью и фоновую скорость счета, затем рассчитывают искомую плотность на основе результатов измерений.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2