Uvod
Radioizotopski merni sistemi se koriste u industrijskim aplikacijama za merenje, praćenje i kontrolu procesa. Metod radioizotopskog merenja se često implementira kada je korišćenje drugih konvencionalnih tehnika merenja nemoguće iz tehničkih ili fizičkih razloga. Radioizotopska merenja se najčešće koriste za merenje nivoa, gustine, debljine, vlažnosti i koncentracije. Radioizotopski merni sistemi koriste radioaktivne izvore različitog tipa i aktivnosti, ali zbog zahtevane snage prodora, najčešće se koriste gama radioaktivni izvori, sa različitim nivoima energije.

Princip merenja je zasnovan na metodi ozračavanja, koja koristi fizički zakon apsorbcije zračenja koje prodire kroz materijal. Zakon slabljenja zračenja izvora je dat izrazom:


Kao rezultat merenja se dobija odnos ( I / I0 ) između neatenuiranog zračenja I0 i zračenja I koje je atenuiralo prilikom prolaska kroz mereni materijal. Jednačina pokazuje da za dati izvor i odgovarajući koeficijent apsorbcije ( μ ) merni efekat zavisi od gustine materijala ( ρ ) i rastojanja ( d ). Praktično, materijal se izlaže radioaktivnom zračenju koje dolazi iz izvora, zatim zračenje slabi i kao takvo dolazi do detektora. Ovaj mereni signal se transformiše u izlazni signal koji je u  direktnoj vezi sa nivom ( ili gustinom…) merenog materijala.
Slika pokazuje osnovnu konfiguraciju radioizotopskih mernih sistema:


Osnovne komponente radioizotopskog mernog sistema su radioaktivni izvor i detektor radioaktvnog zračenja.

Izvori i detektori
Najčešće korišćeni radioaktivni izvori u industrijskim merenjima su Co 60 i Cs 137.
Radioaktivni izvori za industrijsku upotrebu su uvek oklopljeni. Izvor je smešten u kapsulu (kućište) od nerđajućeg čelika i otporan je na hemijska i mehanička delovanja, tako da  je onemogućena kontaminacija. Minimum zaštite ovih izvora je definisan standardom ISO 2919 (  Glavna grupa Z.N8  JUS ISO 2919 59/04 ).

Co 60 poseduje relativno visoku energiju od 1,17 i 1.33 MeV. On se koristi kada zračenje treba da prođe kroz veoma debele cevi ili zidova tankova. Njegovo vreme poluraspada  je 5.27 godina.

Cs 137 njegova energija je 0.66 MeV je dovoljna za prodor kroz uobičajeno korišćene cevi i zidove rezervoara. Zbog manje energije, efekat merenja je bolji nego korišćenjem izvora sa Co 60. Takođe, cena koštanja zaštite izvora Cs 137 je manja nego kada je reč o izvoru sa Co 60. Vreme poluraspada Cs 137 je oko 30 godina.
Detektori su uređaji za otkrivanje radioaktivnog zračenja i merenje njihovih karakteristika. Rad detektora se uglavnom zasniva na jonizujućem dejstvu zračenja, postoje i oni detektori koji rade na nekom drugom principu.U zavisnosti koji fizički proces je u osnovi njihovog rada, detektori mogu biti: gasni detektori ( u ovu grupu spadaju jonizaciona komora, proporcijonalni brojač, Gajger-Milerov brojač i Vilsonova komora ), nuklearne emulzije i scintilacioni brojači.

U najvećem broju aplikacija firme Berthold korišćeni su scintilacioni brojači, tako da njih posebno razmatramo.Opšte karakteristike  scintilacionih detektora su: visoka efikasnost konverzije energije u scintilaciono zračenje, visoka emisivnost, materijalna sredina je transparentna za zračenje koje se u njoj emituje i kratko vreme raspada.

Scintilacioni brojači otkriveni su u prvim danima radioaktivnosi. Britanski fizičar Krokez otkrio je 1903. godine da alfa zraci izazivaju svetlucanje fluorescentnih materijala.. On se sastoji od tri osnovna dela: kristala, fotomultiplikatora i elektronske aparature.Čestica ili zrak prolazi kroz kristal i izaziva emisiju fotona.Oni dopiru u fotomultiplikator čiji je zadatak da od polaznih fotona proizvede električne impulse.To se postiže serijom elektroda. Fotoni izbacuju elektrone iz prve elektrode (fotokatode), koji se zatim  kreću ka sledećoj, a svaki elektron je u stanju da iz nje izbaci od 3-5 elektrona. Na taj način polazeći od jednog elektrona može se dobiti 106 do 109 elektrona.Oni predstavljaju dovoljno veliki impuls za odašiljanje u treći elektronski deo,gde se on meri i odbrojava. Scintilacioni brojač može da služi ili za odbrojavanje čestica ili za merenje energetskog spektra. Sve scintilatore možemo podeliti u dve grupe: organske i neorganske.

Organski scintilatori se najčešće dele u tri grupe i to na kristalne, tečne i plastične scintilatore. Pri prolasku naelektrisane čestice kroz materiju dolazi do jonizacije, a zatim ti pobuđeni joni emituju najčešće plavu ili zelenu svetlost. Ovaj proces je posebno naglašen kod onih organskih supstanci koje sadrže aromatične prstenove kao što su polistiren (PS) i poliviniltoluen (PVT).

U praksi se najviše koriste plastični organski scintilatori zbog svoje niske cene, ali i mogućnosti oblikovanja po potrebi konstrukcije detektora. Plastični scintilacioni detektori obično pored scintilacionog materijala imaju i dodatni detektor svetlosti (npr. fotomultiplikator) koji transformiše svetlosni u električni signal. Gustina plastičnih scintilatora se kreće od 1.03 do 1.20 g/cm3. Svetlosni odziv je na nivou 1 foton po 100 eV deponovane energije a 1 MIP (minimalno jonizujuća čestica) stvori u 1 cm3 približno 2×104 fotona.Važna karakteristika organskih scintilacionih detektora je efikasnost sakupljanja signala i njegov transport do fotomultiplikatora.

Neorganski kristali čine grupu scintilacionih materijala mnogo veće gustine nego što su organski plastični scintilatori. Njihove gustine su najčešće 4-8 g/cm3 sa mnoštvom različitih karakteristika koje su povoljne za scintilacione detektore. Zahvaljujući njihovoj velikoj gustini i velikom broju atoma, mogu se koristiti kada je potrebna velika snaga zaustavljanja ili velika efikasnost konverzije elektrona ili fotona. Ovo uključuje i elektromagnetne kalorimetre koji totalno apsorbuju energiju, i koriste se pri detekciji gama zraka širokog opsega energija. Mnogi od ovih kristala imaju veoma veliku emisivnost i na taj način obezbeđuju odličnu energijsku rezoluciju čak i na malim energijama (nekoliko stotina keV). Neki kristali su unutrašnji scintilatori u kojima luminescenciju stvara deo same kristalne rešetke. Međutim, druge kristale je potrebno donirati jonima talijuma (Tl) ili cerijuma (Ce) koji su odgovorni za stvaranje scintilacione svetlosti. Neorganski scintilacioni detektori se koriste kada je neophodna visoka gustina materijala i dobra energetska rezolucija.

Merenje nivoa rabljenog ulja u Rafineriji Beograd

Krajem septembra prošle godine u Rafineriji Beograd instalirana je oprema, renomirane firme Berthold, za merenje nivo radioizotopskom metodom.

Bilo je potrebno izmeriti nivo rabljenog ulja koje se tretira propanom. Reč je o fluidu koji predstavlja mešavinu rabljenog ulja, propana, asfaltno-smolastih materijala i lož ulja. Smeša se nalazi u sudu visine 1 000 mm i prečnika 800 mm, zidovi suda su od čelika debljine 20 mm i izolovani staklenom vunom debljine 40 mm. Na kraju je čitav sud oklopljen aluminijumom debljine 1 mm. Na slici 2 se vidi oblik i dimenzije suda.

U ovom slučaju nijedna od uobičajenih metoda merenja nivoa nije mogla da se primeni. Merenje nivoa pomoću pokretnih delova ( plovka i itd. ) nije bilo moguće zbog  velicine i oblika suda, kao i radnih uslova. Kapacitivna merenja takođe nisu dolazila u obzir zbog karakteristika same smeše.Usamom sudu dolazi i do povremenog  lepljenja smeše na zidove. Sve su ovo razlozi koji su uslovili korišćenje radioizotopske metode merenja nivoa. Gustine  fluida koji ulaze u smešu su  0.49 g/cm3 i 0.65 g/cm3 . Temperatura na kojoj se proces odvija je 105 C˚ , pri pritisku od 4400 kPa, viskoznost na 100 ˚C je 20-100 cSt.

Odgovarajućim proračunima došlo se do konfiguracije koja koristi dva radioaktivna izvora i jednim detektorom. Izvori su takvi da emituju zračenje pod uglom od 45˚. Gornji izvor poseduje aktivnost od 1850 MBq, a donji izvor je nešto slabiji, sa aktivnošću od 740 MBq. U realizovanoj aplikaciji korišćen je detektor u oliku štapa (rod detector) dužine 1 000 mm ( maksimalne spoljne induktivnosti 0,15 mH i maksimalne spoljašnje kapacitivnosti 344 nF ). Dužina napojnog voda ovog detektora ne sme da bude veća od 1 000 m, i detektor ne zahteva hlađenje ( hlađenje je neophodno ako je ambijentalna temperatura veća od 55 C˚).
Na slici je prikazan položaj oba izvora i detektora.

Početna kalibracija čitavog sistema izvršena je kada je sud bio prazan, dok su naknadna podešavanja izvršena kada je sud napunjen i kada su postignuti radni uslovi. U kontrolnu jedinicu ( a radi kalibracije ) su uneti podaci koji su dobijeni iz proračuna.


Grafik zavisnosti nivoa smeše u sudu od jačine detektovanog signala.

Zaštita od zračenja
Svojstvo emitovanja radioaktivnih zraka imaju svi hemijski elementi čije je atomsko jezgro nestabilno, pa podleže transformaciji (dezintegraciji, raspadu) pri čemu se emituju alfa, beta i gama zraci. Ovakvi elementi se stoga nazivaju radionuklidi. Jedinica za radioaktivnost je Bekerel (Bq): jedna dezintegracija atoma u jednoj sekundi je 1Bq. Posledice po čoveka zavise od energije koju apsorbuje od izvora zračenja. U prisustvu izvora zračenja iste aktivnosti, ljudi će primiti različitu energiju (dozu) u zavisnosti od udaljenosti od izvora, primenjene zaštite i slično. Jedinica za apsorbovanu dozu zračenja je sivert (Sv). Čovek iz prirodnih izvora unese u organizam dozu zračenja koja je, u zavisnosti od nadmorske visine i terena, između 2 i 3 milisiverta (mSv) godišnje. Ova doza se smatra bezopasnom.

Po propisu Međunarodne komisije za zaštitu od radioaktivnog zračenja, osobe koje su profesionalno izložene ovom zračenju ne smeju da prime više od 20 mSv godišnje. Kada se radi o ostalim osobama, među kojima ima i dece, trudnica, starih i hroničnih bolesnika, koji su osetljiviji na zračenje, po našem zakonu se dozvoljava doza do 1 mSv godišnje.

Jačina ekvivalentne doze zračenja na spoljnim površinama stacionarnih uređaja sa zatvorenim izvorima jonizujućih zračenja ne sme biti veća od 1 mSv/h, a na rastojanju od 1 m, ne sme biti veće od 0,02 mSv/h.

Institut za nuklearne nauke ‚‚Vinča” je izvršio doziometrijska merenja čitave instalacije nakon montiranja i potvrdio da ne postoji opasnost od kontaminacije u toku eksploatacije, i da su svi važeći propisi ispoštovani.

Rezultati merenja
•    Fon                                                                                                               0,08-0.,1  μSv/h
•    Kontaktno na kontejneru-kontaktno na olovnoj ploči           55,0    μSv/h
•    Na 2,0 m od prednje strane kontejnera                                         0,6    μSv/h
•    Kontaktno sa detektorom                                                                    1,1   μSv/h
•    Na 1,0 m levo od kontejnera                                                              1,1   μSv/h
•    Platforma iznad izvora                                                                          0,3   μSv/h
•    Ispot izvora kota “0”                                                                              0,2  μSv/h

Zaključak
U zavisnosti od geometrije problema i zahtevane tačnosti možemo primeniti nekoliko konfiguracija izvora i detektora (kao što je prikazano na slici):


Na osnovu svega gore navedenog možemo konstatovati da radioizotopska merenja imaju mnoštvo prednosti kao što su:
•    ne vrše promene merenog materijala
•    ne zavisi od visoke temperature, pritiska i vakuma
•    mogućnost merenja lako isparljivih materijala, kao i biološki opasnih materijala
•    otporni na korozivna svojstva materijala koji se meri
•    nezavisnost na fizička i hemijska svojstva procesa i proizvoda
•    prilagodiv svim oblicima posuda ( tankova )
•    opseg merenja do 10 m
•    on-line merenja
•    nema pokretnih delova
•    minimalna održavanja
•    jednostavna kalibracija
•    pouzdana tehnologija

Radioizotopska merenja su pogodna u hemijskoj, petrohemijskoj i metalnoj industriji; kao i u industriji stakla, papira i hrane.


Više informacija: UNICOM doo, Cerska 69, Vračar, 11000 Beograd, Srbija, tel./fax: (+381 11) 283 5635, http://www.unicom.rs