Общие понятия об изотопах

ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

Разновидности атомов одно­го и того же химического элемента с одним и тем же количеством протонов и разным количеством нейтронов носят название изотопов (буквальный перевод – «занимающий одно и то же место»).

Изотоп элемента принято обозначать символом соот­ветствующего химического элемента c двумя цифрами - массовым числом А, помещаемым сверху (слева), и атомным номером или зарядом ядра (число протонов), помещаемым внизу (слева). Например, три изотопа хро­ма обозначаются: ₂₄⁵²Сг, ₂₄⁵³Сг и ₂₄⁵⁴Сг. Атомный номер не всегда записывается, так как величина заряда ядра определяется химическим символом элемента. Поэтому пользуются упрощенным написанием c указанием только массового числа элемента, например ⁴⁵Са (кальций-45 или Са-45), ⁶⁰Со (кобальт-60 или Со-60).

Идентичность химических свойств различных изотопов одного и того же элемента лежит в основе метода «меченых» атомов.

Выбор радиоактивных изотопов для исследования ка­кого-либо металлургического процесса определяется фи­зико-химическими свойствами вещества изотопа, видом и энергией излучения, периодом полураспада, общей и удельной активностью. Поэтому далеко не все извест­ные искусственные и естественные радиоактивные изотопы могут служить индикаторами. Количество пригод­ных для использования в металлургии изотопов ограни­чено. Например, желательно, чтобы период полураспада изотопа был минимальным, но не меньше времени экспе­римента, от которого зависит общая начальная актив­ность. B то же время остаточная интенсивность излуче­ния должна быть достаточной для надежной регистра­ции соответствующими приборами. B металлургических исследованиях чаще всего применяются изотопы c пе­риодом полураспада от нескольких до 60 суток.

Если требуется выяснить поведение какого-либо хи­мического элемента в процессе, чрезвычайно желательно использовать радиоактивный изотоп того же элемента и в том же соединении, что и исследуемый элемент.

При исследовании процессов бывает нужно, чтобы вводимый в систему изотоп находился только в металле или только в шлаке. Например, для определения массы металла в металлургическом агрегате следует применять такой радиоактивный изотоп, который не окислялся бы и не переходил в шлак.

Для других целей важны другие физико-химические характеристики. Так, чтобы проконтролировать процесс износа футеровки металлургических агрегатов, следует использовать радиоактивные изотопы, обладающие высокой температурой плавления и большим атомным но­мером.

Большей частью радиоактивный изотоп можно ввести непосредственно в поставляемых ампулах и пеналах, поместив их предварительно в защитные оболочки (кера­мические или металлические ампулы и т. д.). В таком, виде ампула крепится к металлической штанге и вводится в изложницу с жидким металлом, в определенную точку расплава в мартеновской печи и т. д. В других случаях источник излучения помещают в отверстие, вы­сверленное в куске шихтового материала, после чего от­верстие забивают пробкой из того же материала или огнеупорной глиной. Такой способ применяют для приго­товления индикаторной шихты при исследовании движе­ния шихтовых материалов в доменной печи.

Очень часто пометить материал можно только мето­дом пропитки. Так, например, активируют руду и кокс, погружая куски их в раствор соли железа, содержащий радиоактивный изотоп железа-59; известняк мелких фракций для печей кипящего слоя; все исходные мате­риалы при исследовании агломерационного производ­ства; некоторые виды огнеупоров и т. п.

Ввод радиоактивных изотопов. Способов ввода их в жидкие чугун, сталь, шлак может быть очень много. Об­щими требованиями к ним являются простота, радиоло­гическая безопасность и достижение поставленной цели.

Первый пример. Нужно быстро достичь равно­мерного распределения индикатора в шлаке, при этом одновременно вводят несколько ампул (3-5). Материал ампул должен обеспечить бы­строе попадание изотопа в ванну, поэтому применяют либо стальные ампулы с медной крышкой и тонкой стен­кой, либо ампулы из огнеупора (легко растворяющегося в шлаке).

Второй пример. Нужно в период плавления равномерно «заразить» металл каким-либо изотопом. Как известно, в период плавления работать у завалоч­ных окон печи небезопасно. Поэтому изотоп можно в любой ампуле забросить в чугуновозный ковш при на­полнении его металлом из миксера. Ампула растворится в металле при транспортировке чугуна, и изотоп будет введен в печь с залитым чугуном.

Отбор проб и регистрация излучений. Специфика ра­бот в большегрузных металлургических агрегатах за­ключается в том, что радиоактивностью «заражаются» большие массы металла и шлака. Для снижения радио­логической опасности, предельного уменьшения концент­рации радиоактивных веществ в исходной продукции и удешевления стоимости препаратов, расходуемых на один опыт, нужно максимально снижать общий и удель­ный расход радиоиндикаторов.

Проблема снижения расхода изотопов на опыты в металлургии связана с размерами и массой отбираемых проб, а также с чувствительностью аппаратуры, реги­стрирующей радиоактивные излучения. Что касается ме­тодики отбора проб, то она, прежде всего, зависит от характера изучаемого объекта. В зависимости от постав­ленных задач отбор проб производится из одной или нескольких точек объекта, единовременно или последо­вательно по мере развития процесса. Так, пробы шлака из сталеплавильной печи отбирают намораживанием на стальную трубу или пробной ложкой сталевара. Пробы металла отбирают специальными пробницами.

Из конвертера пробы металла и шлака отбирают по ходу продувки различными способами. В большинстве случаев для этого останавливают продувку и наклоняют конвертер. Иногда изготовляют специальные штанги с пробницами, которые опускают в конвертер сверху. В та­ком случае пробы удается отобрать без прерывания про­дувки. Конструкции пробниц и размеры отливаемых проб металла (при отборе ложкой) определяются типом детектора (детектировать - «обнаруживать») излучения и регистрируемой аппаратурой.

Под регистрацией излучения понимается качествен­ное обнаружение и количественное определение ядерно­го излучения данного радиоактивного препарата. В на­стоящее время известно много методов регистрации из­лучений. В зависимости от эффекта взаимодействия излучения с веществом их можно подразделить на сле­дующие основные типы.

Ионизационные методы. Регистрация излучения про­изводится при помощи соответствующих детекторов излучения: ионизационных камер и газоразрядных счетчи­ков (счетчиков Гейгера-Мюллера).

Сцинтилляционные методы основаны на свойстве люминесценции некоторых веществ (йодистые соединения щелочных металлов, нафталин, антрацен, сульфиды кадмия и цинка и др.), т. е. способности превращать энер­гию ядерного излучения в световую, которая при по­мощи фотоэлектронного умножителя преобразуется в электрическую. Чувствительность и эффективность это­го типа детекторов в несколько десятков раз выше чув­ствительности газонаполненных счетчиков, потому в на­стоящее время они получили наибольшее распростране­ние. В названных методах регистрации излучения активность препарата выражается в относительных единицах скорости счета (импульс/мин, импульс/с, или имп/мин_, имп/с).

Радиографические методы основаны на химическом действии радиоактивных излучений на фотоэмульсию. Преимущество метода в том, что с его помощью можно получить общую картину распределения радиоактивныхатомов в веществе и обнаружить локализацию исследуе­мого элемента в очень мелких структурных участках. В металлургии метод дает возможность визуально наблюдать за поведением большинства химических элементов, составляющих основу стального слитка, проследить за­кономерности его кристаллизации.

При радиографировании плит металла или темплетов рентгеновскую пленку накладывают на образец (или на­оборот). После экспозиции и проявления пленки полу­чают картину распределения введенных в жидкий ме­талл радиоактивных индикаторов. Для получения качественной радиограммы концентрация изотопа в пробе должна быть не ниже определенного уровня, который находят чаще всего опытным путем; он зависит от вида энергии излучения изотопа, качества и свойств фотоматериалов и т. п.

При проведении промышленных опытов имеются не^­которые особенности регистрации излучения радиоактивных изотопов.

В большинстве случаев не требуется знать абсолют­ную активность препарата, вполне достаточно опреде­лить его относительную активность. Результаты измере­ния радиоактивности образцов, обязательно проведённых в одинаковых условиях, сравнивают между со­бой.

Особенно строго нужно соблюдать стандартный раз­мер проб и их плотность. Регистрируемая интенсивность излучения изотопов зависит от химического состава проб. Излучения отражаются и рассеиваются различными ма­териалами в различной степени. Это необходимо учиты­вать при сравнении радиоактивности проб металла и шлака.