Физический принцип работы плотномеров iDensity основан на измерении степени поглощения гамма-излучения от радиоизотопного источника (Na-22, Co-60 или Cs-137) при прохождении через сосуд (трубу, резервуар, лоток или желоб), плотность вещества в котором необходимо измерить.
Основная формула, используемая при расчётах плотности смеси веществ:
(1)
где N – количество прошедших гамма-квантов, N0 – количество падающих гамма-квантов, σm – сечение рассеяния вещества , ρm – парциальная плотность вещества, l – длина пути пучка гамма-квантов в смеси веществ.
Стоит отметить, что сечение рассеяния σm – величина, характеризующая способность атомов вещества взаимодействовать с гамма-квантами, зависит как от самого вещества, так и от энергии падающих гамма-квантов (разные вещества поглощают гамма-кванты разных энергий с разной эффективностью).
Вышеприведенная формула (1) применима только для узких моноэнергетических пучков гамма-квантов. Для рассмотрения полного спектра излучения необходимо значительное усложнение формулы (1), поскольку каждой линии спектра излучения источника соответствует свое сечение рассеяния вещества, как следствие свой коэффициент поглощения в смеси веществ.
Дополнительное затруднение в определении плотности смеси веществ по интенсивности прошедшего пучка гамма-квантов вносит наличие различных механизмов взаимодействия гамма-квантов с веществом (рассеяния).
Существует три основных вида взаимодействия гамма-квантов с веществом в диапазоне энергий излучения используемых в промышленности изотопов.
Основным фактором, влияющим на погрешность измерений, является комптоновское рассеяние, поскольку после такого взаимодействия гамма-квант продолжает существовать и может быть зарегистрирован детектором.
При измерении спектра излучения источника, на примере Cs-137, видно значительное количество детектированного рассеянного излучения. Процент рассеянного излучения в значительной степени зависит от химического состава просвечиваемого объекта.
Избежать большей части этих сложностей позволяет обработка спектра, прошедшего вещество излучения, выделяющая только основной моноэнергетическую линию спектра источника, поглощение которого рассчитывается простой экспоненциальной формулой (1). Таким образом, зависимость измерений от химического состава измеряемой среды сведена до минимально возможной с точки зрения физики процесса.
Электроника плотномеров iDensity обрабатывает индивидуальные импульсы тока, вызванные попаданием гамма-кванта в сцинтиллятор или ионизационную камеру.
Современная элементная база электроники, на которой построен плотномер iDensity, позволяет реализовать регистрацию единичных гамма-квантов также эффективно и с той же точностью, как и потоки в 1 млн. гамма-квантов в секунду. При этом, даже при 1 млн. импульсов в секунду, обрабатывается каждый импульс и точно определяется энергия гамма-кванта его вызвавшего. Это обеспечивает высокий динамический диапазон работы плотномер (отличие в уровнях излучения до 10 000 раз).
