CC BY
38
© В.В. Кудряшов, 2015
УДК 622.807.2:411.511 В.В. Кудряшов
РАДИОИЗОТОПНЫЙ МЕТОД В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМЫ ПЫЛЕВОГО КОНТРОЛЯ В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ
Рассмотрен радиоизотопный метод измерения массы пылевого осадка. Обоснован и выбран тип излучения и его источник. Установлены пределы измерения поверхностной плотности осадка. Оценены ошибки измерения. Рассмотрены способы реализации полученных результатов в пылемерах и датчиках пылеотложения.
Ключевые слова: радиоизотопный метод, пыль, концентрация, взрывоопасный осадок, измерение.
Внедрение высокопроизводительной горной техники на предприятиях угольной промышленности повысило в десятки раз интенсивность добычи и переработки угля и привело к соответствующей интенсивности образования пыли и выделения ее в рудничную атмосферу. В итоге происходит ухудшение условий труда, увеличение вероятности заболевания горнорабочих пневмокониозами, увеличение пылеотложения горных выработках и повышается вероятность взрывов угольной пыли. В результате становится очевидной необходимость строгого контроля пневмоконоозоопасного состояния воздуха рабочей зоны и взрывоопасного состояния горных выработок.
Пневмокониозоопасность для человека зависит от массы пыли, отложившейся в легких при дыхании. Непосредственно измерить массу пыли, осевшей в легких, невозможно. Поэтому ее определяют через концентрацию в воздухе п, объем легочной вентиляции я и время 1, то есть т = п-я-"1. Так как величина Я определена в зависимости от тяжести труда, а 1 - задаваемая, то п = т/Я" служит мерой опасности пыли для организма и определяется при помощи приборов весовым методом: запыленный воздух протягивается через фильтр аспиратором, имеющим производительность я, в течение времени 1:, а масса пылевого осадка определяется по разности весов фильтра после и до отбора пробы.
Вместо весового метода определения массы пылевого осадка предлагалось и до сих пор предлагается измерять массу по какому-либо физическому свойству частиц или осадка, косвенно связанному с массой частиц: способностью поглощать или рассеивать свет или радиационное излучение, нести электрический заряд или оказывать сопротивление воздуху, протекающему через пылевой осадок, и др. [1]. В этих случаях, чем больше масса пыли, тем больше величина сигнала, поступающего от частиц. Очевидно, что величина сигнала зависит не только от массы, но и от физических свойств частиц, особенно от дисперсного состава, который весьма неустойчив в рудничной атмосфере. В результате косвенным методам измерения массовой концентрации витающей пыли и пылевого осадка свойственны методические погрешности, дополнительные к погрешностям измерения массы пыли. Эти погрешности достаточно велики и обусловлены изменчивостью физических характеристик пыли [2].
Среди упомянутых косвенных методов измерения массы пыли и ее концентрации в воздухе особое место занимает радиоизотопный, основанный на зависимости поглощения радиоактивного излучения от массы вещества или массы, приходящейся на единицу поверхности.
Тип и источник излучения для измерения массы пылевого осадка.
Для использования в пылеизмерительных приборах наиболее удобными в конструктивном отношении и доступными источниками проникающего излучения являются радиоизотопы. Как известно, радиоактивные изотопы испускают в основном три типа излучений: а, в и у. Тип излучения должен выбираться с учетом характера взаимодействия излучения с веществом, свойств излучения (энергетического спектра частиц) и простоты регистрации его.
Поскольку взаимодействие частиц с веществом зависит от энергии частиц [3], ограничимся рассмотрением этого взаимодействия при энергиях частиц, меньших 0,5-1 МэВ, так как чувствительность метода измерения массы осадка пыли на фильтре по поглощению излучения с большей энергией частиц будет недостаточной, а источник этих частиц потребует специальной защиты.
а-частицы - ядра гелия, вылетающие из радиоактивного «родительског» ядра, обладают высокими и практически одинаковыми скоростями около 2-109 см/с. Пролетая через атом, а-частица отдает электронам малую часть своей энергии, выбивая их и ионизируя атом.
Поскольку масса а-частиц велика, то радиационные потери их ничтожны. Ядерные же взаимодействия имеют небольшую вероятность.
В результате многократных столкновений с атомами вещества а-частицы останавливаются. Это происходит при указанных скоростях примерно после 105 столкновений с разбросом около 3 %. Зависимость между интенсивностью потока и величиной пройденного пути имеет вид кривой, представленной на рис. 1.
На протяжении значительного участка пути интенсивность потока а-частиц не меняется, а затем резко падает. Наличие малого участка, где имеется зависимость интенсивности потока частиц от толщины поглощающего слоя, делает неудобным использование поглощения а-частиц пылевым осадком для определения массы последнего.
В пылеизмерительных приборах а-излучение, полученное от умеренно активных изотопов, допускаемых к использованию без существенной защиты, поглощается полностью в слое пыли толщиной 7-10 мкм [4]. Для измерения концентрации витающей пыли в угольных шахтах, размеры которой достигают 60100 мкм, метод с использованием а-частиц непригоден.
Рис. 1. Кривая поглощения а-частиц веществом: Ла - интенсивность потока а-частиц; I - толщина поглотителя
Рис. 2. Кривая поглощения р-частиц веществом: Лр - интенсивность потока р-частиц; I - толщина поглотителя
р-частицы - электроны или позитроны - испускаются при радиоактивном распаде с различными скоростями. Частицы, обладающие малыми энергиями (<0,5 - 0,7 МэВ), пролетая в веществе, тратят энергию в основном на ионизацию и частично на тормозное излучение. Наличие энергетического спектра у р-частиц и упомянутых потерь приводит к характеру поглощения р-частиц веществом, представленному на рис. 2.
Кривая на значительном участке близка к экспоненте. Здесь из пучка электронов выбывают в основном те, которые имели малую начальную скорость. По мере увеличения 1 интенсивность р-частиц в веществе падает по более сильному, чем экспоненциальный, закону и при вполне определенном значении толщины Нтах поглотителя становится равной нулю. Это соответствует максимальной энергии электронов, образующихся при радиоактивном распаде.
Установлены эмпирические зависимости между величиной пробега Ятах и энергией р-излучения Етах. В интервале 0,05 < Етах < 3 МэВ имеем
=-0,11 + >/0,012 + 0,27Етах . (1)
Ярко выраженная экспоненциальная зависимость имеет место для мягкого р-излучения с энергией до 0,7 МэВ с непрерывным спектром* и при толщинах слоя о < 0,3 Итах.
Итак, в относительно большом диапазоне изменения толщины поглотителя закон ослабления р-излучения выражается в виде
N = М0 , (2)
где N0 - число частиц, падающих на за время /"; N - число частиц, прошедших через поглотитель без взаимодействия за это же время /"; о - толщина поглотителя, г/см2; - - массовый коэффициент ослабления, см2/г.
Закон ослабления р-излучения слоем вещества можно записать в форме
J = ^ е-* , (3)
* Вообще говоря, р-спектры могут быть весьма сложными и сопровождаться у-излучением. Поэтому при выборе изотопа следует учитывать и эту характеристику р-распада [5].
где ^ - число частиц, падающих на поглотитель в единицу времени, с-1; J - число частиц, прошедших через поглотитель в единицу времени, с-1.
Массовый коэффициент ослабления представляет собой выражение N Z
ц = к^, (4)
где к - константа; NA - число Авогадро; Z - атомный номер вещества поглотителя; А - атомный вес элемента, составляющего поглотитель.
Отношение Z/A для различных веществ меняется в узких пределах: для легких ядер ^ < 40), исключая водород, Z/A =0,5, а для тяжелых Z/A = 0,4.
В угольных шахтах полезное ископаемое и вмещающие породы, которые разрушаются и загрязняют атмосферу, состоят из элементов, имеющих Z < 26—30. следовательно, при измерениях запыленности воздуха в угольных шахтах по прохождению р-частиц через слой пыли результат не будет зависеть от плотности вещества, составляющего пылевой осадок на фильтре, то есть будет измеряться масса и породной и угольной пыли независимо от их соотношения в осадке.
у-излучение представляет собой коротковолновое электромагнитное излучение. Испускаемое возбужденными атомными ядрами при аннигиляции протонов, оно является моноэнергетическим.
При взаимодействии у-лучей с веществом в интересующей нас области энергий имеют место фотоэлектрическое поглощение у-квантов и Томсоновское рассеяние. А закон прохождения у-лучей через вещество носит строго экспоненциальный характер: Ny = N° е^ , (5)
где № - число квантов, падающих не поглотитель; - число квантов, прошедших через поглотитель без взаимодействия;
ц = cZAГ + 0,4 А, (6)
где ц, - массовый коэффициент ослабления, в котором с - величина, зависящая от энергии у-кванта.
Как видно из изложенного, прохождение мягкого у-излучения через слой пыли будет сильно зависеть от изменчивости ее вещественного состава (в пятой степени от 21). Поэтому использование у-излучения для измерения массы пыли, осажденной на фильтр из атмосферы угольных шахт, нецелесообразно; колебания породной составляющей будут давать большие ошибки измерения концентрации пыли в воздухе [6].
Изложенное выше позволяет сделать выбор типа излучения и его источник.
1. В зависимости от проникающей способности и характера поглощения в веществе для использования в пылеизмери-тельных приборах наиболее подходящим является р-излучение. При этом измеряемая величина практически не будет зависеть от минералогического состава пыли угольных шахт 2/А = 0,5).
2. Учитывая характер энергетического спектра р-излучения и характер поглощения р-частиц в веществе следует использовать изотоп с мягким р- излучением (Етах <0,7 МэВ). Препараты с энергией до 0,3-0,4 МэВ не требуют специальной защиты.
3. Изотоп следует выбирать с непрерывным р-спектром; при сложном р-спектре регистрация излучения будет затруднена.
4. Период полураспада должен быть значительным, чтобы не было заметного уменьшения активности препарата.
Согласно материалам, имеющимся в каталогах изотопной продукции, этим требованиям отвечают четыре изотопа, характеристики которых с учетом известных фильтров представлены в табл. 1.
Таблица 1
Характеристика радиоактивных изотопов с мягким р-изпучением
Изотоп Период полураспада X, лет Е ^шаи МэВ ^шах, мг/см2 1шах, мкм 1шах-1ф4, мкм 1шах-1ф3, мкм
3Н 12,46 0,019 0,7 4,7 0 0
14С 5730 0,155 22 146 101 132
85Кг 10,776 0,15 21 136,4 94,4 125,4
99Тс 2,1-105 0,29 41 >150
Примечание: - толщина слоя полного поглощения; /ф4, ф - толщина фильтра НЭЛ-4 и НЭЛ-3, соответственно, мкм.
Наиболее подходящим для использования в радиоизотопных пылемерах следует считать источник с изотопом С14. Станем
дартные излучатели изотопа С выполнены в виде плоского диска, кольца или разработанного нами полого конуса с активным слоем 1 мкКюри и интенсивностью излучения 1,25-104 с-1.
При использовании изотопа С14 в качестве источника р-частиц толщина слоя, при котором начинается значительное отступление от экспоненциального закона, описывающего прохождение р-частиц через слой вещества, будет
сшах = 0,3 Ятах = 0,3 • 22 = 6,6 мг/см2 (7)
Поэтому желательно, чтобы масса пыли на фильтре (мг/см2) не превышала
аи = (6,6 - оф), (8)
где ошэх - масса одного квадратного сантиметра фильтра, мг/см2.
Вместе с тем р-частицы будут полностью поглощаться пылинками размером более 132 мкм, то есть прибор будет чувствителен к пыли крупностью менее 130 мкм в диаметре. Этот факт должен учитываться при разработке приборов и датчиков массы пылевого осадка.
Ошибки измерения массы пылевого осадка радиоизотопным методом и пути их уменьшения
Ошибка измерения массы или поверхностной плотности вещества радиоизотопным методом обусловлена статистическим характером радиоактивного распада изотопа.
Распределение во времени частиц, излучаемых долго живущим радиоактивным веществом, подчиняется закону Пуассона.
Вероятность того, что N частиц (и не более) появляются в течение времени /", равна
Р = ^еN / N! (9)
где N - среднее число частиц, поступающих за время Л
Закон Пуассона определяется одним параметром N, который является математическим ожиданием и дисперсией
случайной величины. Поэтому разброс результатов подсчета р-частиц, прошедших через массу поглощающего вещества, характеризуется величиной ожидаемого стандартного отклонения от среднего значения и вычисляется по формуле
где sN - абсолютное статистическое отклонение общего числа отсчетов.
Считая, что среднее число частиц N близко к числу N сосчитанных частиц (при достаточно большом значении последних)
Закон Пуассона представляет собой хорошее приближение к истинному закону распределения во времени числа распадающихся ядер при условии, что доля распадающихся ядер от общего числа их мала. Это соблюдается для радиоактивного
При помощи математической статистики можно оценить точность измерений, а также разработать такую методику, при которой ошибки, обусловленные случайной природой процесса, будут минимальными. Кроме того, теория позволяет проверить, вносит ли аппаратура и объект измерений дополнительные погрешности кроме тех, которые связаны со статистической природой явления. Для этого следует сравнить действительное распределение числа отсчетов с тем, которое предсказывает статистическая теория.
На рис. 3 представлена зависимость стандартного отклонения от числа сосчитанных импульсов. График показывает, что измеренная ошибка от числа сосчитанных импульсов хорошо согласуется с теоретической и величина измеряемой поверхностной плотности не влияет на ошибку измерения. При наборе менее 600-1000 импульсов средняя квадратичная ошибка резко возрастает. Следовательно, при измерениях поверхностной плотности пыли в препарате следует считать много более 1000 импульсов.
(10)
(11)
14
распада ядер С .
Рис. 3. Зависимость величины стандартного отклонения Л от числа отсчитанных импульсов Nимп
Кроме того, из рассмотрения полученной зависимости вытекает возможность выбора методики измерения поверхностной плотности пыли на фильтре по поглощению излучения
/"114
изотопа С и оптимального числа регистрируемых импульсов, дающих приемлемую ошибку. Эта задача должна решаться с учетом возможных методических и приборных ошибок, в конкретном случае с оценкой ошибки измерительной схемы и изменчивости поверхностной плотности фильтра, дисперсного и вещественного состава частиц.
Таким образом, ошибка от характера распада зависит от числа сосчитанных импульсов. В зависимости от того, во сколько раз будет ослабляться интенсивность р-частиц при прохождении минимальной и максимальной поверхностной плотности пыли на подложке-фильтре, следует использовать и методику определения.
При этом возможны два варианта. В первом варианте поверхностная плотность пыли измеряется по числу регистрируемых импульсов за фиксированное время. В этом случае используется зависимость
= /(с) = . (12)
N
Ошибка измерения будет расти с увеличением о, так как N будет уменьшаться.
Во втором варианте измеряется время набора одного и того же числа импульсов, то есть вместо зависимости (12) используется
Т = у(°) = ^ . (13)
В этом случае ошибка измерения поверхностной плотности, связанная со статистическим характером распада ядер С , не зависит от о.
Неравномерность плотности фильтровальной ленты может дать значительную ошибку, особенно при измерении малых поверхностных плотностей поглотителя, если исключить операцию предварительного замера плотности фильтра перед отбором проб. Как показали измерения (рис. 4.), меньшей ошибкой, вызванной неравномерностью плотности фильтра, обладает лента НЭЛ-3.
Относительная величина этой ошибки с увеличением измеряемой поверхностной плотности будет уменьшаться. Для расчетов же можно использовать значение абсолютной ошибки, равное 0,02 мг/см2. В дальнейшем все рассуждения будут проводиться с учетом характеристик фильтровальной ленты НЭЁ-3.
Рис. 4. Изменение (р %) величины плотности фильтровальной ленты НЭЛ-3 (1) и НЭЛ-4 (2) по длине I
Итак, величиной, подлежащей измерению, является поверхностная плотность поглотителя - пылевого осадка
ся = с™ -°Ф, (14)
где от - поверхностная плотность фильтра с пылью. То есть масса фильтра с пылью, отнесенная к поверхности, мг/см2; Оф - масса одного см2 облучаемого фильтра (поверхностная плотность фильтра), мг/см2.
При измерении поверхностной плотности пылевого осадка по времени набора заданного количества импульсов (13) и при исключении предварительного замера Оф выражение для поверхностной плотности пылевого препарата запишется в виде
1. Т
= — 1п--с
Т
■I п
Ся =- 1П^Т -сф , (15)
- Т0
где Т - время набора N импульсов при измерении поверхностной плотности пыли с фильтром от; Т0 - время набора N импульсов при отсутствии пыли и фильтра.
Предельная абсолютная ошибка измерения оя будет
Ася ЛТ + Дсф . (16)
я дТ дсф
В этом выражении дс 1 дс я дс
дТ -Т' дСф
Поэтому 1 -ДТ
дс„
= 1
Ас,, =
-Т
■ Ас„
(17)
Так как точность измерения оценивается по среднеквадратичным ошибкам или кратным им, то относительную среднеквадратичную (или кратную ей) ошибку можно записать как
Г 1 5Т" 2
5с» ± - Т + 5сф
с < с с
я 1
(18)
Из полученного выражения следует, что относительная ошибка в измерении осадка пыли будет зависеть: а) от величины самого осадка (ог - Оф) и при он ^ 0, 5он ^ ■»; б) от относительной ошибки измерения времени Т набора N импульсов; в) от изменчивости плотности фильтра. При вычислении 5он полагаем
8N 8—
N ~ Т '
В случае предварительного замера фильтра или какой-либо подложки
„.=11п Т - 1;п Т,
Т ц Т
Ц
'0 ^ 'о
где Тф - время набора импульсов по прохождении частиц через фильтр.
Теперь
2
5а" ± 8Т 8ТФ
-Я 1 Т Т 1п — Т ТФ 1пТ
1 Т Ф 1 Ф
(19)
В табл. 2 представлены ошибки измерения он, рассчитанные по формуле (18) для различных значений N и при различной достоверности а того, что ошибка не будет превышать указанных значений. При этом за 5оф принята величина 0,02 мг/см2.
Таблица 2
Ошибка измерения поверхностной плотности препаратов пыли ан с достоверностью а в зависимости от величины ан при различных значениях N
Ян N=10000 N=20000 N=40000 N=80000
а а а а
0,9 0,95 0,99 0,9 0,95 0,99 0,9 0,95 0,99 0,9 0,95 0,99
0,2 32.5 38,8 49,3 24,0 28,3 35.6 18,4 21,2 26.1 14,8 16,6 19,8
0,25 26,0 27,6 39,5 19,2 22.7 28,5 14,7 17,0 21,1 11,9 13,3 15,8
0,5 13,0 15.5 19,7 9,6 11,3 14,2 7,4 3,5 10,5 5,9 6,6 7.9
1,0 6,5 7,8 9,9 4,8 5.7 7,1 3,7 4,25 5,2 2,9 3,3 3,9
5,0 1,3 1,5 2.0 0,96 1,1 1,4 0,7 0,8 1,0 0,6 0,7 0,8
За достоверность получения ошибки, не превышающей заданную, следует принять а = 0,95.
График зависимости ошибки 5он/он от поверхностной концентрации пыли Он представлен на рис. 5.
Строго говоря, упомянутые погрешности оценивались при прохождении р-частиц через сплошное вещество или пленку, которая уподоблялась пылевому осадку на фильтре.
На самом деле пылевой осадок представляет поверхностной концентрации пыли собой частицы разного «V 1 - N =40000; 2 - N =80000. а = размера и минералогиче- 0,95
ского состава, уложенные хаотично в слой. Поэтому идентичность пылевого осадка пленке и погрешность измерения поверхностной плотности осадка, связанные с изменчивостью дисперсного и вещественного составов пыли, определялись вначале с использованием монодисперсных частиц заданного размера, а затем - пылевых частиц разных минералов.
Монодисперсные частицы образовывались при сушке монодисперсных капель водного раствора поваренной соли и мочевины. Они имели строго сферическую форму и стабильный размер [8]. Частицы осаждались на фильтр НЭЛ-3. Масса их измерялась взвешиванием на микроаналитических весах и по поглощению р-частиц при помощи установки «Волна». На рис. 6 представлена связь поверхностной плотности, измеряемой по поглощению р-частиц осадком, с поверхностной плотностью, определенной взвешиванием. Погрешность определения поверхностной плотности взвешиванием составила от ±0,05 до ±0,1 мг/см2, погрешность по поглощению р-частиц -0,01мг/см2. Разброс данных в большей степени определяется погрешностью взвешивания.
%г 0,25 0,5 1 Рис. 5. Зависимость ошибки дон/он от
6 5 4 3
1 О
1 г 3 к 5 6
Рис. 6. Влияние дисперсного состава пыли на радиоизотопный метод измерения поверхностной плотности пылевого осадка:
1 - 2,1 мкм; 2 - 4,9 мкм; 3 - 12 мкм; 4 - 20 мкм
Полученные результаты позволили исследовать влияние минералогического состава пыли на полидисперсных образцах ее. Методика проведения эксперимента аналогична использованной при оценке влияния крупности пыли на метод измерения. Пыль получали измельчением образцов различных пород и выделением фракции -40 мкм путем отсева. Результаты (рис. 7) показали отсутствие ярко выраженного влияния вещественного состава на радиоизотопный метод измерения поверхностной плотности пыли.
Пределы измерения поверхностной плотности пылевого осадка.
Из рассмотрения данных таблицы 2 и рис. 5, а также учитывая, что изменчивость плотности фильтра (подложки) при он = 0,2 мг/см2 дает ошибку около 10 %, за нижний предел поверхностной плотности пылевого осадка следует принять атт = 0,25 мг/см2 и считать при этом 80000 - 40000 импульсов. Ошибка измерения при этом не будет превосходить 13-17 % при достоверности а = 0,95.
5
а — *
о —
• —
+ - <1
е — 5 / +
Д- 6 ■лГ
А - 7 ■ Д
□ - 9
к - 9
□ /о
В
• э_ » >
г *
Рис. 7. Влияние вещественного состав пыли на радиоизотопный метод измерения поверхностной плотности пылевого осадка: 1 - пыль из фильтров (угольная); 2 - гранит-порфир; 3 - хлоритовый сланец; 4 - серпентинит; 5 - кварц; 6 - кварцево-сульфидная жила; 7 - березит; 8 - галенит; 9 - сфалерит
При выборе отах необходимо учитывать следующее.
1. Величина отах должна быть меньше максимального пробега р-частиц, который для С14 с Етах = 0,155 МэВ в соответствии с табл. 1 равен 22 мг/см2. Следовательно, величина отах должна быть меньше 22 мг/см2. С другой стороны, учитывая, что отступление от экспоненциального закона наступает при о = 0,3Ятах = 6,6 мг/см2, максимальную величину осадка желательно иметь равной отах = 6,6 - оф = 6,6 - 1,4 = 5.1 мг/см2.
2. Поверхностная плотность пылевого препарата он должна быть такой, чтобы пыль не ссыпалась с фильтра. Опыты с отбором проб пыли на фильтры НЭЛ-3 показали, что пыль не ссыпается с фильтра при он = 10 мг/см2.
3. Следует принимать во внимание время измерения пылевого осадка, которое растет по экспоненте в зависимости от его величины. Поэтому отах должна быть не очень большой.
Ограничением величины отах является аэродинамическое сопротивление фильтра, которое зависит от величины осадка и плотности пыли. Это следует учитывать при разработке пылемеров.
Таким образом, за отах можно принять он = 5-10 мг/см2. Эти величины удовлетворяют всем перечисленным выше условиям. При этом кратность изменения о на фильтре будет находиться в пределах 20-40.
Приемлемость выбранных значений минимальной и максимальной поверхностной плотности пыли должна оцениваться еще и по времени измерения отп и отах. Последнее определяется интенсивностью излучения источника.
Поверхностная плотность пылевого осадка и возможность измерения взрывоопасного пылеотложения в выработках угольных шахт.
Взрывоопасное состояние горных выработок определяется массой пыли, осевшей на их поверхности и способной прийти во взвешенное состояние с образованием взрывоопасной концентрации в воздухе.
Взрывоопасные концентрации зависят от выхода летучих и зольности углей, влажности пыли, наличия в выработке метана. С учетом влияющих факторов значения нижнего предела взрывоопасных концентраций пв лежат в интервале 10100 г/м3 [9].
Величина пылевого осадка в выработке длиной 1 м, шириной и высотой, равными 2,5 м будет равна массе витающей пыли, осажденной из объема выработки, и деленной на ее поверхность. При выше приведенных значениях нижнего предела взрывчатых концентраций взрывоопасная поверхностная плотность будет находиться в пределах 0,625-6,25 мг/см2. Таким образом, она может измеряться по поглощению мягкого р-излучения.
Реализация радиоизотопного метода измерения массы пылевого осадка в приборах пылевого контроля для шахт и рудников.
История разработки радиоизотопных приборов для измерения концентрации пыли насчитывает несколько десятилетий.
Концентрация пыли опре-
анв
деляется выражением п = ,
V
где он - поверхностная плотность пылевого осадка, определяемая по поглощению р-частиц; 5 - площадь, занимаемая пылью на фильтре; V - объем воздуха, из которого осаждена пыль. Все приборы отличаются друг от друга пробоотборными устройствами и радиометрическими схемами измерения. Отбор проб осуществляется на фильтр или фильтровальную ленту при помощи аспираторов. Первый отечественный прибор ИКП был разработан для регистрации массовой концентрации по поглощению бета-излучения пылью, осажденной на фильтры АФА, затем разработаны приборы «Приз», «Приз-2», «Приз-3», РИП-5, ЦРИП-905 и др. В последующем совершенствовались пробозоборные устройства, радиометрические узлы, решались вопросы метрологии. В итоге разработана (в ИПКОН РАН) серия радиоизотопных концентратомеров пыли РКП (ИКАР): РКП-5, РКП-7, РКП-11 и др. В них предусмотрена воз-
Рис. 8. Структурная схема экспресс-пылемера «ИКАР» (РКП-11): 1 — трубка воздухоза-борная, 2 — механизм перемещения воздухозаборной трубки, 3 — источник излучения специальной формы, 4 — кассета с фильтровальной лентой, 5 — камера разряжения, 6 — счетчик бета-частиц, 7 — плата оптрона, 8 — двигатель, 9 — микро насос, 10 — плата усилителя 400 В, 11 — микроманометр
можность подсоединения устройств для выделения различных фракций пыли. Наилучшим по большинству параметров следует считать отечественный прибор ИКАР (РКП-11). Структурная схема его приведена на рис. 8.
Процесс измерения концентрации пыли в нем автоматизирован. Масса прибора 2 кг. В настоящее время прорабатывается вариант с массой 0,5 кг.
Представляет интерес новая разработка концентратомера, в котором процесс отбора пробы пыли совмещен по времени с измерением массы осадка [10], что позволяет отслеживать концентрацию пыли во времени. Разработка может быть перспективной для непрерывного контроля запыленности атмосферы окружающей среды.
Радиоизотопный метод измерения массы пылевого осадка реализован в приборе для измерения пылеотложения, то есть для контроля взрывоопасного состояния горных выработок угольных шахт [9, 11]. В приборе используется обратное бета-рассеяние от подложки. Необходимым условием для измерений является достаточно заметное отличие атомного номера материала основы от атомного номера материала покрытия, то есть угольной пыли. Особенностью используемого метода является то, что измеряется чистая угольная составляющая в пылевом осадке. В результате не учитывается зольность пыли и получаются завышенные показания взрывоопасного состояния выработок. Поэтому для получения истинных значений взрывчатости пылевого осадка следует измерять еще его общую массу по поглощению р-частиц, затем из общей массы необходимо вычесть угольную составляющую и определить расчетом зольность, которая будет характеризовать степень взрывчатости пыли. Для измерения общей массы пыли можно использовать подложку из ленты НЭЛ-3, лавсановой пленки или алюминиевой фольги, располагаемую на подвижной платформе, которая периодически по мере накопления пыли перемещается в пространство между источником излучения и счетчиком р-частиц, размещенными в корпусе радиометрического узла, где происходит измерение массы осадка.
Таким образом, рассмотренный метод измерения массы пылевого осадка позволяет решить проблему разработки инструментального обеспечения пылевого контроля на предприятиях угольной промышленности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудряшов В.В. Разработка приборного обеспечения пылевого контроля в угольных шахтах. //Труды Международного симпозиума «Неделя горняка-2013». Сб. статей. ГИАБ. Отд. вып. М.: «Горная книга». - 2013 -№ОВ1 - С. 512-535.
2. Кудряшов В.В. К вопросу о точности косвенных методов пылевого контроля. - В кН.: Проблемы аэрологии. М.:.Госгортехиздат, 1959, с. 257261.
3. Экспериментальная ядерная физика. / Под ред. Э. Сегре. М.: Изд-во иностр. лит., 1955, 662 с.
4. Марков К.П., Ситаев А.Г. Радиационные методы определения запыленности воздуха. - В кн.: Сборник трудов НИИприборостроения. М.: Ин-т приборостроения, 1969, с. 67-70.
5. Аглинцев К.К. Дозиметрия ионизирующих излучений. М.: Гостехиз-дат, 1957, 502 с.
6. Арцыбашев В.А. Гамма-метод измерения плотности. М.: Атомиздат, 1965, 120 с.
7. Карасев А.И. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Статистика, 1970, 246 с.
8. Кудряшов В.В., Иванов Е.С. Генератор монодисперсных аэрозолей -установка для научных исследований в области борьбы с пылью и пылевого контроля. //Труды Международного симпозиума «Неделя горняка-2014». ГИАБ. Отд. вып. 1. - М.: «Горная книга». - 2014- С. 476-489.5.
9. ПетрухинП.М., Нецепляев М.И., КачанВ.Н., Сергеев В.С. Предупреждение взрывов пыли в угольных и сланцевых шахтах. М.: Недра, 1974. 304 с.
10. Кудряшов В.В., Палкин А.Б. Непрерывное измерение концентрации пыли радиоизотопным методом. //ГИАБ.- М.: «Горная книга». - 2000 - №9 -С. 110.
11. Рассолов Н.И., Скляренко И.П. Разработка способа контроля отложения угольной пыли в горных выработках. В кН. «Вопросы безопасности в угольных шахтах», т. XIII. МакНИИ. М.: Госгортехиздат. 1962. С. 219-240.
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Кудряшов Валерий Викторович — доктор технических наук, профессор, Институт проблем комплексного освоения недр РАН, [email protected]
UDC 622.807.2:411.511
RADIOISOTOPE METHOD IN SOLVING PROBLEMS OF DUST CONTROL IN COAL MINES
Kudryashov V.V., Doctor of technical Sciences, Professor,
Institute of comprehensive exploitation of mineral resources of the Russian Federation, kudr_ipkon@mail. ru
Radioisotope method of measuring the mass of the dust sediment was considered. Type of radiation and its source was substantiated and selected. Limits of the measurements of surface density sediment were presented. Measurement errors were estimated. The methods of implementation of the results obtained in the dust meters and dust deposits were considered.
Key words: radioisotope method, dust, concentration, measurement, explosive sediment.
REFERENCES
1. Kudrjashov V.V. Razrabotka pribornogo obespechenija pylevogo kontrolja v ugol'nyh shahtah (Development of instrumentation for dust control in coal mines). //Trudy Mezhdunarodnogo simpoziuma «Nedelja gornjaka-2013», Sb. Statej, Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', Otd. Vyp, 2013, no. OV1, pp. 512-535.
2. Kudrjashov V.V. K voprosu o tochnosti kosvennyh metodov pylevogo kontrolja (To the question about the accuracy of indirect methods of dust control), Problemy ajerologii, Moscow, Gosgortehizdat, 1959, pp. 257-261.
3. Jeksperimental'naja jadernaja fizika (Experimental nuclear physics), Pod red. Je. Segre, Moscow, Izd-vo inostr. lit., 1955, 662 p.
4. Markov K.P., Sitaev A.G. Radiacionnye metody opredelenija zapylennosti vozduha (Radiation methods for the determination of airborne dust), V kn., Sbornik trudov Nllpribor-ostroenija, Moscva, In-t priborostroenija, 1969, pp. 67-70.
5. Aglincev K.K. Dozimetrija ionizirujushhih izluchenij (Dosimetry of ionizing radiation), Moscow, Gostehizdat, 1957, 502 p.
6. Arcybashev V.A. Gamma-metod izmerenija plotnosti (Gamma is a method of measuring the density), Moscow, Atomizdat, 1965, 120 p.
7. Karasev A.I. Teorija verojatnostej i matematicheskaja statistika (Probability theory and mathematical statistics), Moscow, Statistika, 1970, 246 p.
8. Kudrjashov V.V., Ivanov E.S. Generator monodispersnyh ajerozolej - ustanovka dlja nauchnyh issledovanij v oblasti bor'by s pylju i pylevogo kontrolja (Generator monodisperse aerosols - setting for research in the area of dust control and dust control), Trudy Mezhdu-narodnogo simpoziuma «Nedelja gornjaka-2014», Gornyi informatsionno-analiticheskii byulleten', Otd. vyp. 1, 2014, pp. 476-489.
9. Petruhin P.M., Necepljaev M.I., Kachan V.N., Sergeev V.S. Preduprezhdenie vzry-vov pyli v ugol'nyh i slancevyh shahtah (Prevention of dust explosions in coal and shale mines), Moscow, Nedra, 1974, 304 p.
10. Kudrjashov V.V., Palkin A.B. Nepreryvnoe izmerenie koncentracii pyli radio-izotopnym metodom (Continuous measurement of dust concentration of radioisotope method), Moscow, Gornaja kniga, 2000, no. 9, 110 p.
11. Rassolov N.I., Skljarenko I.P. Razrabotka sposoba kontrolja otlozhenija ugol'noj pyli v gornyh vyrabotkah (Development of a method of controlling the deposition of coal dust in mines), V kN. «Voprosy bezopasnosti v ugol'nyh shahtah», t. XIII, MakNll, Moscow, Gosgortehizdat, 1962, pp. 219-240.
