Методы и приборы для анализа состава и измерения параметров веществ общие сведения. Классификация методов и приборов для анализа состава и измерения параметров веществ

РАДИОИЗОТОПНЫЙ МЕТОД АНАЛИЗА ЖИДКОСТЕЙ

Основное преимущество радиоизотопного метода — бесконтактность измерения. Это облегчает анализ агрессивных и весьма вязких жидкостей, а также жидкостей при высоких температурах и давлениях. В радиоизотопных анализаторах жидкости обычно используют β- и мягкое γ-излучение. Мягким считают γ -излучение с энергией примерно до 100—150 кэВ.

Интенсивность J энергетически однородного пучка γ -лучей, прошедших через слой жидкости толщиной х и плотностью ρ, описывается соотношением
(1)
где — интенсивность γ-излучения на поверхности слоя; μ — массовый коэффициент ослабления пучка γ –лучей. Для веществ сложного атомного состава

где — массовый коэффициент ослабления пучка γ-лучей различными компонентами вещества; C_i — массовая концентрация (или доля) отдельных компонентов в веществе.
Полное ослабление пучка мягких γ-лучей веществом определяется суммарным действием фотоэффекта и комптоновского рассеяния. При достаточно малых энергиях излучения основную роль играет фотоэффект, т. е. . Массовый коэффициент фотоэлектрического ослабления мягких γ-лучей

где k — коэффициент пропорциональности; Z — атомный номер поглощающего вещества; А — атомная масса поглощающего вещества; Е_γ — энергия γ-излучения.
Величина коэффициента k скачкообразно изменяется при переходе через значения, соответствующие энергиям связи электронов на оболочках атома. Зависимость от Z весьма резкая. Ее можно использовать для аналитического определения элементов с достаточно отличающимися атомными номерами. Если анализируемая среда состоит из суммы относительно легких элементов Б со средним коэффициентом ослабления . и тяжелого контролируемого элемента А, то массовый коэффициент фотоэлектрического поглощения

где С_а — массовая доля компонента А.
Рис. 1. Функциональная схема радиоизотопного автоматического компенсационного анализатора жидкости
Отсюда следует

Зная плотность ρ и толщину х слоя жидкости и измерив интенсивность J, можно определить искомое С_А. Примеры таких задач — определение серы в нефтепродуктах, хлора в хлорорганических жидкостях и др.
На рис. 1 приведена функциональная схема автоматического компенсационного анализатора жидкости. Излучение от двух источников 1 (изотопы ⁵⁵Fe), прерываемое обтюратором 9, проходит попеременно через рабочий и сравнительный каналы прибора. В рабочем канале расположена кювета 2 с проточной контролируемой жидкостью, в сравнительном — компенсационный полиэтиленовый клин 3. Ослабленные в равной степени потоки поступают на один сцинтилляционный детектор 4 — фотоэлектронный умножитель ФЭУ. Импульсы напряжения с выхода ФЭУ поступают на усилительное устройство 5, где они усиливаются по мощности и амплитуде и интегрируются. Величина и фаза сигнала на выходе усилительного устройства определяются величиной и знаком разности J_р — J_ср, где J_р и J_cp — интенсивности потоков излучения, прошедших соответственно рабочий и сравнительный каналы. С устройства 5 сигнал поступает на реверсивный двигатель 6, кинематически связанный с компенсационным клином 3 и вторичным прибором 7. В зависимости от фазы сигнала реверсивный двигатель перемещает клин в определенном направлении до тех пор, пока интенсивности потоков в обоих каналах не будут равны; при этом сигнал обращается в нуль. Положение компенсационного клина является мерой концентрации контролируемого компонента. Нулевая точка шкалы устанавливается заслонкой 8. Диапазон шкалы регулируется изменением хода компенсационного клина.
При использовании в анализаторах жидкости β-излучения возможны два способа измерения — ослабление жидкостью пучка β -частиц и его отражение. Первый способ основан на измерении интенсивности β -излучения, прошедшего через анализируемую среду, второй — на измерении интенсивности р-излучения, отраженного анализируемой средой. При втором способе радиоактивный источник и детектор излучения устанавливают так, чтобы прямое излучение в детектор не попадало.
Ослабление пучка β -частиц при его прохождении через слой веществ описывается зависимостью
(2)
где N_x — число β -частиц, прошедших в веществе слой толщиной х; N₀ — число β -частиц, попавших в вещество; N — число Авогадро; S — площадь геометрического сечения вещества, просвечиваемого β -частицами; — площадь эффективного сечения ослабленного пучка β -частиц, отнесенная к одному атому i-гo компонента; C_i — массовая доля i-гo компонента; ρ — плотность вещества.
Таким образом, число β -частиц, прошедших слой вещества толщиной х, зависит от плотности поглощающей среды в целом и отношений для каждого компонента вещества. Для большей части легких элементов отношение можно считать практически постоянным. В этом случае
(3)
где μ — массовый коэффициент ослабления пучка β -частиц (постоянная величина).
Из уравнения (2) видно, что если в жидкости есть компонент, для которого отношение существенно отличается от аналогичных отношений для других компонентов жидкостей, то, измерив N_x, можно определить содержание определяемого компонента. Если все компоненты жидкости поглощают β -излучение примерно одинаково, то, измерив N_x, можно из уравнения (3) определить плотность жидкости.
Отражение β -излучения элементом с атомным номером Z можно описать уравнением , где N_отр — число β -частиц, отразившихся от жидкости; k — коэффициент пропорциональности, постоянный для элементов одного периода периодической системы. Для химических соединений или смесей различных элементов вводят представление об эффективном атомном номере , где Z_i — атомный номер i-гo компонента.
Итак, интенсивность β -излучения, отраженного жидкостью, описывается выражением . На основе этого выражения возможен анализ бинарных жидкостей и жидкостей, в которых есть компонент с атомным номером, существенно отличным от мало различающихся номеров остальных компонентов.
Использование β - и γ-излучений позволяет также создать анализаторы состава жидкостей, включающих три компонента и более. Эту задачу можно решать различными способами. Для анализа трехкомпонентных жидкостей можно использовать, например, одновременное измерение коэффициентов ослабления и отражения пучков β -частиц, так как эти эффекты по-разному зависят от состава пучков мягкого у-излучения с достаточно разными энергиями Е_γ. В обоих случаях результаты измерений описываются следующей системой уравнений:

где С₁, С₂, С₃ — массовые доли компонентов среды; Ф₁, Ф₂ — функции, описывающие взаимосвязь исследуемых эффектов с составом среды; J₁, J₂ — измеряемые интенсивности излучения.
Применив автоматические устройства как для измерения J₁ и J₂, так и для решения системы уравнений, можно определить искомые концентрации. Практически важен случай, когда изменяющаяся плотность трехкомпонентной жидкости — неоднозначная функция ее состава (например, хлорорганические соединения, нефтепродукты с примесью серы). Для полного описания таких сред нужна система из четырех уравнений. Эту систему можно получить, проведя совместное измерение коэффициентов ослабления и отражения пучка γ-частиц и ослабления пучка мягких γ -лучей.
В большей части задач технологического контроля диапазоны измерения концентраций компонентов малы. Это позволяет линеаризовать уравнения связи измеряемых интенсивностей излучений с составом среды. В этих условиях решение систем уравнений относительно исследуемых компонентов выражается линейной комбинацией измеряемых интенсивностей. Например, решение системы из четырех линейных уравнений относительно C₁ можно представить в виде
(4)
где А, В, D, Е — постоянные величины.
Рис. 2. Функциональная схема радиоизотопного анализатора жидкости с использованием β- и γ-излучения
На рис. 2 приведена схема радиоизотопного анализатора, в котором для анализа жидкостей использованы β- и γ-излучения. Прибор содержит три измерительных канала и один сравнительный. В каждом из измерительных каналов расположены радиоизотопные излучатели, проточные кюветы и ионизационные камеры. В ионизационной камере 3 детектируются β-излучение источника ), прошедшее через жидкость в кювете 2; в ионизационной камере 7 — мягкое γ-излучение источника 4, прошедшее через жидкость в кювете 6; в ионизационной камере 9 — β-излучение источника 10, отраженное жидкостью в кювете 8. Для настройки прибора на определение контролируемого компонента служат заслонки 5, регулирующие соотношение между интенсивностями излучения так, чтобы силы ионизационных токов камер были пропорциональны членам уравнения (4). Знаки сил ионизационных токов в соответствии с уравнением (4) определяются полярностью напряжения на электродах камер.
Сравнительный канал, включенный по отношению к измерительным каналам дифференциально, состоит из источника излучения 11, ионизационной камеры 13 и заслонки 12 установки нуля. Его основное назначение — ослабление зависимости положения начальной точки шкалы прибора от внешних условий (т. е. от давления и температуры вне камеры) и периода полураспада радиоактивных источников. В начальной точке шкалы сигнал в сравнительном канале равен по величине и противоположен по знаку суммарной силе ионизационного тока измерительных каналов. При этом автоматически учитывается свободный член уравнения (4). Суммарная сила ионизационного тока камер, поступающего в усилитель 14, пропорциональна концентрации контролируемого компонента, о которой судят по показаниям вторичного прибора 15. Наличие в уравнении (4) коэффициента А при измеряемой концентрации С₁ учитывают при градуировании прибора.