Л.А. Донской, В.П. Пылев, Б.А. Рабинович

Описан принцип действия приборов, использующих для измерения плотности газовой среды источники альфа-частиц. Приведены основные технические характеристики серийно выпускаемых ЦНИИ РТК приборов "Аргус" и "Камера", применяемых для контроля герметичности на космических аппаратах (КА), а также результаты исследований возможности применения альфа-ионизационной камеры для контроля газового состава.

Одним из оригинальных направлений работ ЦНИИ РТК, смежных с фотонной техникой, является создание датчиков плотности воздушной среды. Эти датчики нашли, в частности, применение в системах контроля герметичности КА и других замкнутых объемов. К достоинствам датчиков можно отнести отсутствие прецизионных механических узлов и прямое преобразование величины плотности в электрический сигнал. К датчикам этого типа относятся и серийно изготавливаемые приборы "Аргус" и "Камера", разработанные по техническому заданию НПО "Энергия", и система "Сигнализатор" (по техническому заданию КБОМ).

Приборы "Аргус" и "Камера" предназначены для работы в системах контроля герметичности КА и обеспечивают выдачу в систему автоматики сигналов при аварийной разгерметизации или аварийном наддуве во время выведения или спуска КА. Принцип действия прибора "Аргус" основан на зависимости длины свободного пробега альфа-частицы от плотности газовой среды (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема прибора "Аргус"

Детектор регистрирует излучаемые источником альфа-частицы, при этом амплитуда импульса на выходе детектора пропорциональна их энергии. При прохождении через газовую среду энергия альфа-частицы уменьшается, расходуясь на ионизацию молекул газа. С увеличением плотности газовой среды потери на ионизацию возрастают и, соответственно, уменьшается амплитуда импульса на выходе детектора. Выбором расстояния между источником альфа-частиц и детектором, а также порога срабатывания схемы накопления электрических сигналов, поступающих от детектора, задается значение плотности газовой среды, при которой формируется дискретная команда, управляющая исполнительными устройствами системы контроля герметичности. Выдача такой команды может происходить как при превышении заданной величины плотности газовой среды, так и при ее уменьшении ниже заданного значения. В качестве источника альфа-излучения в датчике "Аргус" используется закрытый источник альфа-излучения типа АИП-8 с энергией альфа-частиц около 5,0 Мэв, а в качестве детектора - ДКПС. Для обеспечения высокой надежности выдачи команд в приборе "Аргус" предусмотрено трехкратное резервирование.

Принцип действия датчика прибора "Аргус" не позволяет производить непрерывное измерение плотности газовой среды в широком диапазоне плотностей. Поэтому большие возможности по применению дает альфа-ионизационный датчик плотности газовой среды, использованный в приборе "Камера" (рис. 2). В нем под воздействием альфа-частиц, излучаемых источником, помещенным в ионизационную камеру, происходит ионизация газа. Электрический ток, протекающий через ионизационную камеру, пропорционален количеству образовавшихся ионов. При правильно выбранных геометрических размерах ионизационной камеры, энергии альфа-частиц и напряжении, подаваемом на анод ионизационной камеры, может быть получена практически линейная зависимость тока ионизационной камеры от плотности газовой среды. Область непрерывного измерения плотности газовой среды, обеспечиваемая прибором ''Камера", соответствует давлению от 10 до 1000 мм рт.ст. при нормальных условиях. Благодаря непрерывному измерению плотности газовой среды, с одной стороны, обеспечивается широкий диапазон выбора точек выдачи исполнительных команд, а с другой стороны, возможность контроля динамики изменения плотности, что важно для оценки и диагностики процессов, протекающих в контролируемых объемах.

Основные технические характеристики приборов "Аргус" и "Камера":

максимальная погрешность выдачи исполнительных команд в фиксированных точках не превышает 0,008 кг/м3 (соответствует 5 мм рт.ст. воздуха при нормальных условиях);
количество исполнительных команд - 3;
резервирование - трехкратное;
активность источника ионизации (30 ... 50) МБк;
вероятность безотказной работы 0,999 за время наработки 1200 часов, назначенный срок службы - 10 лет;
питание изделия осуществляется от источника постоянного тока напряжением(24 ... 34) В, потребляемая мощность не более 30 Вт;
масса около 2,0 кг.

К несомненным достоинствам приборов можно отнести отсутствие прецизионных механических узлов и прямое преобразование величины плотности в электрический сигнал. Приборы "Аргус" и "Камера" используются в спускаемых аппаратах транспортного корабля "Союз ТМ" и грузового корабля "Прогресс-М".

ЦНИИ РТК имеет опыт применения аналогичных приборов в качестве параметрического высотомера. Одна из модификаций прибора "Аргус" – "Аргон-1" применялась в качестве высотомера, выдающего две отметки высоты (6 500 м и 1 500 м) для введения парашютов на возвращаемых зондах ВЗАФ-С Омского ПО "Полет" при проведении исследований атмосферы Земли с помощью геофизических ракет "Вертикаль" (12 пусков в период 1976 - 1982 гг.). Имеющийся в настоящее время научно-технический задел позволяет создавать параметрические высотомеры для высот до 50 км.

Рис. 2. Функциональная схема прибора "Камера

На базе прибора "Камера" создана система "Сигнализатор", назначение которой - контроль за приращением плотности газовой среды в замкнутом объеме при проведении работ с перекисью водорода. Эта система позволяет измерять приращение плотности газовой среды в замкнутом объеме до величины 0,2 кг/м3 (эквивалентно парциальному давлению 114 мм рт.ст. О2 при температуре 20°С). Диапазон начальной плотности газовой среды - от 0,9 кг/м3 (630 мм рт. ст. воздуха при 40°С) до 1,4 кг/м3 (800 мм рт. ст. воздуха при 5°С), погрешность определения приращения плотности - не более 0,01 кг/м3.

Так как ток ионизационной камеры зависит от плотности газовой среды, т.е. ее состава, давления и температуры, то известны способы ее применения для измерения давления и температуры газа, влажности воздуха [1]. В статье [2] описан ионизационный детектор для измерения воздушного аэрозольного загрязнения. В ходе исследований, проведенных в ЦНИИ РТК, разработана конструкция ионизационной камеры, которая может быть использована для контроля за составом газовой среды.

Проведенные исследования и лабораторные испытания прибора с такой ионизационной камерой показали, что он может найти применение в качестве индикатора изменения газового состава, реагируя на изменение содержания почти всех компонент газовой среды. Чувствительность прибора, т.е. его способность с заданной достоверностью определять изменение процентной доли содержания заданной компоненты в газовой среде, зависит от компонента. Для проведенных исследований с кислородом, пропаном, метаном, парами бензина, ацетона, аммиака она составила от 1 до 5%. Прибор может работать в широком диапазоне давлений (от 600 до 900 мм рт. ст.) и температур (от 5 до 40°С), обладает высоким быстродействием (не более 5 с), имеет малое потребление (не более 10 Вт), масса прибора не превышает 1,5 кг. Его область применения: контроль газового состава в замкнутых объемах, обнаружение мест утечки газообразных продуктов и аэрозолей, регистрация выбросов токсичных и вредных веществ, газов и аэрозолей. Предварительные исследования показывают, что перспективным является создание прибора, реагирующего на градиент изменения состава газовой среды, его чувствительность (порог обнаружения) по оценке составляет (0,1 - 1)% в минуту в зависимости от конкретного компонента (газы, пары жидкостей, аэрозоли).

При использовании приборов, содержащих источники ионизирующего излучения, всегда возникает вопрос об их безопасности для окружающих и защите от ионизирующего излучения. С этой точки зрения используемое альфа-излучение является наиболее безопасным по сравнению с бета- и гамма-излучениями. Из-за малой проникающей способности альфа-частицы полностью поглощаются внутри ионизационной камеры, конструкция которой и прибора в целом исключает выход альфа-частиц за пределы прибора даже в случае его непреднамеренного разрушения. Применяемые источники альфа-излучения обладают, кроме того, слабым и мягким побочным гамма-излучением. Однако оно почти полностью поглощается в конструктивных элементах прибора и дополнительной защиты от излучения не требуется. Таким образом, конструктивное исполнение приборов при соблюдении правил эксплуатации обеспечивает их радиационную и экологическую безопасность. Сфера применения приборов, содержащих источники альфа-излучения, ограничивается специальными и промышленными установками, технологическим оборудованием, производственными помещениями и площадками и др., где обеспечивается жесткий контроль за их наличием и состоянием.

Контактный тел.: (812) 552-45-44; E-mail: kafedra@rtc.ru

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дмитриев М.Т. Электрические методы измерения давления атмосферы и радиоактивно-ионизационные манометры. Труды НИИ ГМП, 1965 г., вып. 14.
2. Kovacs Istvan. Aeroszolok meresere szolgalo ionizacios detektor fejlesztese. Meres es Automatika, 36. evf., 1988. 5.Szam. 140-143.