ما هو مقياس مستوى أشعة جاما؟

مقياس مستوى أشعة غاما هو جهاز متخصص يستخدم خصائص امتصاص أشعة غاما لقياس مستوى سائل ما داخل حاوية. يُستخدم بشكل أساسي في صناعات مثل البترول والكيماويات والأدوية والطاقة والمعادن. يحسب مستوى السائل عن طريق رصد التغير في شدة أشعة غاما بعد اختراقها الحاوية. وبفضل طريقة الكشف غير التلامسية، يُعدّ مناسبًا للبيئات القاسية مثل درجات الحرارة والضغط العاليين والتآكل الشديد.

يعتمد هذا الجهاز على قانون التوهين الأسي لأشعة غاما في المادة. فبتثبيت مقدار امتصاص جدار الحاوية، يصبح تغير شدة الأشعة مرتبطًا فقط بسُمك الوسط. ولحساب الكثافة، تُحسب قيمة الكثافة مع الحفاظ على سُمك ثابت للوسط. يتكون النظام من ثلاثة أجزاء: مصدر إشعاع، وكاشف، وجهاز إرسال. يستخدم مصدر الإشعاع نظائر السيزيوم-137 أو الكوبالت-60؛ وينقسم الكاشف إلى نوعين: غازي وصلب؛ وتتضمن بعض الأجهزة الحديثة آلية رفع لتحسين دقة الكشف والسلامة الإشعاعية.

منذ عام 1970، تُستخدم أجهزة قياس مستوى النظائر المشعة للكوبالت-60 في صناعة الكلور القلوي، لتحل محل طرق الوزن التقليدية القائمة على ضغط الزيت. وقد أدخلت التطورات اللاحقة أنظمة تحكم ذكية، وتقنية الإشعاع المنخفض، ووظائف إنترنت الأشياء، وتتوافق مع المعيار الوطني GB/T 25845-2010.

مبدأ

عندما تمر أشعة جاما عبر جسم ما، فإنها تضعف، وتتبع بدقة انحلالًا أسيًا، أي:

X: شدة الإشعاع المنبعث من المصدر؛

μ: معامل الامتصاص (ثابت يتعلق بالنويدة)؛

ρ: كثافة الوسط؛

د: سمك الوسط؛

Y: شدة الإشعاع بعد مروره عبر جسم ذي كثافة ρ وسمك d.

استنادًا إلى المبدأ المذكور أعلاه، صُمم مقياس مستوى أشعة غاما بحيث يكون امتصاص الحاوية نفسها قيمة ثابتة بعد مرور أشعة غاما عبرها، ويكون التغير مرتبطًا فقط بمستوى (أي سُمك) الوسط الموجود داخل الحاوية. يشبه مبدأ قياس مقياس الكثافة مبدأ مقياس المستوى، لكن الفرق يكمن في أن نقطة القياس تقع غالبًا على الأنبوب، ويكون الوسط الموجود داخل الأنبوب ممتلئًا دائمًا. في هذه الحالة، يظل سُمك الوسط الذي تخترقه الأشعة ثابتًا، وترتبط كمية الامتصاص بالكثافة فقط.

تعبير

يتكون مقياس مستوى الإشعاع عمومًا من ثلاثة أجزاء: مصدر الإشعاع، والكاشف، وجهاز الإرسال. يستخدم مصدر الإشعاع عمومًا أحد النظائر المشعة: Cs-137 أو Co-60.  يأتي في شكلين: مصدر نقطي ومصدر خطي، ويمكن تقسيمه أيضًا إلى مصادر مدمجة وخارجية اعتمادًا على موقع التثبيت. وتتمثل مهمتها في إصدار أشعة جاما.

تتمثل وظيفة الكاشف في رصد أشعة غاما. وتوجد أنواع عديدة من الكواشف، تُصنف حسب شكلها إلى كواشف نقطية وكواشف خطية/قضيبية الشكل؛ وحسب المادة الحساسة إلى كواشف غازية وكواشف صلبة. تشمل الكواشف الغازية فئتين رئيسيتين: أنابيب عداد جايجر-مولر (GM) وغرف التأين. تتميز هذه الكواشف بانخفاض كفاءتها وتأثرها الشديد بدرجة الحرارة، إلا أنها غير مكلفة. أما الكواشف الصلبة، فتُصنف حسب المادة البلورية إلى يوديد الصوديوم، ويوديد السيزيوم، وجرمانات البزموت (BGO)، والبلاستيك، وحزم الألياف البصرية، والبلورات الاصطناعية. ونظرًا لصعوبة تصنيع بلورات يوديد الصوديوم ويوديد السيزيوم وجرمانات البزموت عالية الكفاءة بأحجام كبيرة أو طويلة، فإنها تُصنع فقط على شكل كواشف نقطية الشكل.

تُقسم أجهزة الكشف ذات الشكل العصوي إلى نوعين: صلبة ومرنة. تتميز البلورات الاصطناعية الصلبة بقطر يبلغ حوالي 50 مم وطول يصل إلى مترين، مع كفاءة كشف عالية. أما حزم الألياف الضوئية المرنة، فيبلغ قطرها حوالي 25 مم وطولها يصل إلى 6-7 أمتار، ولكنها تتميز بكفاءة كشف منخفضة وتتأثر بشدة بدرجة الحرارة. يُعد جهاز الكشف مكونًا أساسيًا في مقياس مستوى الإشعاع، وتُعد حساسيته واستقراره عنصرين حاسمين في تقنية قياس الإشعاع.

تتمثل وظيفة جهاز الإرسال في تحويل شدة أشعة غاما المكتشفة إلى إشارة قياسية مشتركة عبر دوائر إلكترونية، ثم إرسالها إلى نظام المراقبة. يُنجز جهاز الإرسال العديد من وظائف جهاز قياس الإشعاع، مثل التعويض التلقائي للتوهين، والضبط التلقائي للجهد العالي للكاشف، وثابت زمني تكيفي للتغيرات المفاجئة في مستوى المادة، وقياس درجة حرارة الكاشف ذاتيًا مع إصدار إنذار، والفحص الذاتي لأداء الكاشف، ووظائف التحديد الذاتي للتداخل. تُصنف أجهزة الإرسال عمومًا إلى نوعين: ميداني وغرفة تحكم، وتتنوع خيارات إشارات الخرج، مثل 0/4-20 مللي أمبير، وFSK، وHART، وFF، وRS232، وRS484. المزايا

بفضل مبدأ قياسه الفريد، لا يتطلب مقياس مستوى الإشعاع اتصالاً مباشراً بالوسط، ولا يتأثر بدرجة حرارة الوسط أو لزوجته أو تبلوره أو تآكله أو سميته أو حالته. كما أنه لا يتقيد بضغط الحاوية أو مادتها أو سمك جدارها أو شكلها، مما يجعله حلاً شاملاً لقياس المستوى. ولذلك، فقد ساهم في حل العديد من مشاكل القياس في صناعات مثل البترول والكيماويات وصناعة الألياف الاصطناعية.

التركيب والصيانة

يجب أن يتم تركيب وإزالة المصدر المشع بواسطة فنيين متخصصين تلقوا تدريبًا متخصصًا ويحملون رخصة تشغيل مصادر مشعة. يُجرى تركيب المصدر المشع عادةً قبل بدء تشغيل المحطة. يجب وضع خطة تنفيذية مفصلة قبل التركيب والإزالة، ووضع لافتات تحذيرية في المنطقة الخطرة لمنع دخول الأفراد غير المصرح لهم. أثناء توقف المحطة للصيانة، يجب أن يكون المصدر المشع مغلقًا أو مُزالًا ومخزنًا في مكان آمن.

بعد تثبيت مقياس مستوى الإشعاع بالكامل، يجب على الشركة المصنعة توفير منحنى المعايرة. إذا كانت الشركة المصنعة تفتقر إلى الخبرة والثقة، فمن الضروري إجراء "معايرة المياه" للتحقق من دقة الحسابات النظرية للشركة المصنعة باستخدام بيانات المعايرة الفعلية. يجب إجراء تعديل نقطة الصفر الساخنة قبل تغذية المواد، عندما تصل درجة حرارة التشغيل والضغط إلى ظروف التشغيل العادية. يجب تعديل إعداد الوقت الثابت وفقًا لمعدل تغير مستوى السائل؛ عادة، يكون ثابت الوقت 60 ثانية، ولكن يمكن تقليله بشكل مناسب عندما يتغير مستوى السائل بسرعة.