Министерство образования и науки 
Российской Федерации 
 
Национальный исследовательский 
ядерный университет «МИФИ» 
 

 

 

С.В. Исаков  

 

 

 

Ядерно-физические 
 контрольно-измерительные приборы 

 

Рекомендовано  
УМО «Ядерные физика и технологии» 
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений 
 

 

 

 

 

 

Москва 2012 

 

 
УДК 539.1.074(075) 
ББК 22.38я7 
И 85 
 

Исаков С.В. Ядерно-физические контрольно-измерительные приборы: 

Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2012.  – 60 с. 

 

Рассмотрены физические основы, принципы действия, устройство, области 

применения и методы расчета основных параметров ядерно-физических контрольно-
измерительных приборов.  

Предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Физика кинетических 
явлений» и «Методы и аппаратура прикладной ядерной физики».  

 

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ. 

 

Рецензент канд. техн. наук Д.А. Лукьянов 

 

 

ISBN 978-5-7262-1738-3 
© Национальный исследовательский 

ядерный университет «МИФИ», 2012 

 

 

 

 

  

 
 

 

Оглавление 
 
Глава 1. Радиоизотопные приборы……………………………..
 
4 

Глава 2.  Блок источника излучения……………………………
 
8 

Глава 3. Блок детектирования ядерно-физических  
контрольно-измерительных приборов………………………....
 

 
10

Глава 4. Основные характеристики радиоизотопных  
приборов………………………………………………………….
 

 
14

Глава 5. Регистрирующие устройства радиоизотопных  
приборов……………………………………………………….....
 

 
20

Глава 6. Погрешности регистрирующих устройств ЯФКИП…
 
29

Глава 7. Интегральные функции распределения погрешности 
ядерно-физических контрольно-измерительных приборов…...
 

 
34

Глава 8. Ядерно-физические приборы с релейными схемами..
 
39

Глава 9. Радиоизотопные приборы для контроля уровня……..
 
46

Список использованной литературы…………………………...
 
50

Приложение 1. Пример расчета РИП для определения  
степени сгорания теплозащитного слоя обшивки  
космического аппарата…………………………………………..
 

 
 
51

Приложение 2. Примеры современных радиоизотопных  
приборов………………………………………………………… 
 

 
55

Глава 1. Радиоизотопные приборы 
 
Определение радиоизотопного прибора 

Радиоизотопный прибор – радиационно-информационное устройство, 
принцип действия которого основан на использовании 
результатов взаимодействия ионизирующего излучения с объектом 
контроля, имеющее в своем составе закрытый радионуклидный 
источник излучения (ГОСТ 14336-87). 
Радиоизотопные приборы (РИП), предназначенные для автоматизации 
технологических процессов в промышленности, дают возможность 
измерять и автоматически контролировать такие технологические 
параметры, как толщина, плотность, концентрация, 
давление и т.д., а также – могут работать автономно в производственных 
или лабораторных условиях. 
Отличие радиоизотопных от других приборов состоит в том, что 
информация об измеряемом параметре заключена в потоке излучения, 
а также в наличии источника ионизирующего излучения в составе 
прибора. 
 
Физические принципы действия радиоизотопных приборов 
В основе физических принципов действия РИП лежат процессы 
взаимодействия излучения с веществом (поглощение, рассеяние, 
отражение, ионизация и т.д.). 
Любой радиоизотопный прибор состоит из:  
1) источника (И) излучения; 
2) детектора излучения (Д), предназначенного для преобразования 
потока излучения в электрический сигнал; 
3) регистрирующего устройства (РУ), преобразующего электрические 
сигналы в удобную для измерения форму. 
 
Структурные схемы радиоизотопных приборов 
Схема прибора, основанного на прохождении излучения, представлена 
на рис. 1.1, где Аγ – активность источника гамма-
излучения, h – уровень жидкости или сыпучего вещества в сосуде. 
 
 
 
 

Аγ 
                                 
                                h   
                                                    
                                                
      
 
 
 
 
Рис.1.1. Схема прибора, основанного на прохождении излучения 
 
На рис. 1.2 изображена схема прибора, основанного на отражение 
излучения (h – толщина покрытия). 
. 
                    Аγ, Аβ 
                                                                                                
 
                                                                  
                                                                   
  
 
                               
 
 
Рис.1.2. Схема прибора, основанного на отражении излучения 
 
Классификация радиоизотопных приборов 
Радиоизотопные приборы можно классифицировать тремя способами: 

1) по типу измеряемого параметра (уровнемеры, толщиномеры,  
плотномеры, концентратомеры); 
2)  по физическому принципу действия (на поглощение излучения, 
на отражение излучения  и т.д.); 
3)   по типу построения регистрирующих устройств или измерительных 
схем (с релейными схемами, со схемами прямого измерения, 
с дифференциальными схемами, с компенсационными схемами). 

 
  
Д 

 
  РУ 

*

Д 
РУ 
* 

h 

Области применения радиоизотопных приборов 
1.  На производстве в тяжелых условиях эксплуатации (агрессивные 
и взрывоопасные среды) в атомной, металлургической, химической 
и горнодобывающей промышленности. 
2.  В тех случаях, где обычные приборы не работают или быстро 
выходят из строя. 
3.  Для посадки и стыковки летательных аппаратов, слежения за 
низколетящими объектами и т.п. 
 
Достоинства РИП 
1.  Бесконтактное получение информации о контролируемом объекте, 
т.е. отсутствие механического, электрического или другого 
контакта между измерительной аппаратурой и контролируемым 
материалом, информация о котором заключена в потоке излучения. 
Например, РИП позволяет бесконтактно измерять и регулировать 
уровень в сосудах при высоких температурах и давлениях. 
2.  Внешние условия не влияют на результат измерения, особенно 
для приборов с релейными схемами, которые способны функционировать 
в агрессивной и взрывоопасной среде. 
3.  Некоторые производственные процессы можно автоматизировать 
только с помощью радиоизотопных приборов. Например, бесконтактное 
измерение толщины покрытия (лак, краска), нанесенного 
на неметаллическую основу. 
4.  Радиоизотопные приборы обладают достаточной точностью измерения 
и высокой надежностью. 
 
Недостатки РИП 
1. Наличие статистической погрешности измерения, связанной с 
вероятностным характером процессов взаимодействия излучения с 
веществом и регистрации излучения. Уменьшение статистической 
погрешности возможно за счет увеличения активности источника 
излучения, а также за счет увеличения времени измерения. 
2.  Наличие источника ионизационного излучения приводит к возможной 
радиационной опасности, хотя она сведена к минимуму. 
 
 
 

Контрольные вопросы 
1. Что такое радиоизотопный прибор? 
2. Перечислите физические принципы действия и структурные 
схемы  радиоизотопных приборов. 
3. Назовите области применения радиоизотопных приборов. 
4. Каковы достоинства и недостатки РИП? 
5. Каким образом классифицируются радиоизотопные приборы? 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Блок источника излучения 
 
Основной блок радиоизотопного прибора – блок источника 
излучения, который состоит из источника излучения и защитного 
контейнера. Блок источника излучения предназначен 
для получения пучка ионизирующего излучения, а также 
защиты персонала и окружающей среды от вредного воздействия 
излучения. 
В ядерно-физических контрольно-измерительных приборах 
(ЯФКИП) применяются источники α-, β-, γ-, n-излучений. Источником 
излучения могут служить радиоактивные изотопы (радионуклиды), 
рентгеновские трубки, генераторы излучения. В ЯФКИП 
используют источники только закрытого типа. 
Источником закрытого типа называется экологически чистый, 
герметично упакованный и удовлетворяющий требованиям радиационной 
безопасности по вибро-, влаго-, температуроустойчивости 
и устойчивости к высокому давлению. 
 
Характеристики источников ионизационного излучения, 
используемых в радиоизотопных приборах 
Основные характеристики источника излучения – тип излучения, 
активность, энергия излучения, к дополнительным характеристикам 
относятся период полураспада, геометрическая форма, 
стоимость. 
Следует выбирать источники с периодом полураспада не менее 
одного года. Минимально необходимая активность источника излучения 
может быть рассчитана по заданным характеристикам 
проектируемого прибора – быстродействию и надежности. 
Источник должен функционировать в условиях агрессивной 
среды, повышенной влажности, высокой температуры и выдерживать 
ускорения до 10 g. 
Источники альфа-излучения обычно применяются в ионизационных 
манометрах и газоанализаторах (например, 239Pu, Еα =          
= 5,18÷5,33 МэВ, Т½ = 2·10⁴ лет). 
Бета-источники применяются в РИП, предназначенных для измерения 
толщины покрытия, малых толщин и анализа состава ве-

щества. Например, бета-источники используют в радиоизотопном 
методе измерения концентрации пыли в воздухе.  
Гамма-источники (например, 137Cs, Еγ =0,662 МэВ, Т½ = 30,5 лет) 
применяют в РИП для измерения уровня, толщины, плотности. 
Нейтронные источники (например, 252Cf) используют в РИП для 
измерения влажности материала, уровня вещества в сосуде. 
 
Защитные контейнеры 
Защитный контейнер (ЗК) – устройство для хранения или 
транспортировки источника излучения, обеспечивающее безопасность 
обслуживающего персонала в пределах принятых норм радиационной 
безопасности, а также предназначенное для обеспечения 
безопасного ремонта РИП. 
 
Требования к защитным контейнерам 
1.  Защитный контейнер рассчитывается исходя из типа и энергии 
излучения Еист, активности источника А, а также особенностей прибора. 

2.  Мощность дозы на поверхности защитного контейнера не 
должна превышать 3 мкР/с, а на расстоянии 1 м  –  0,1 мкР/с.  
3.  Необходимо, чтобы защитный контейнер имел минимально 
возможные массу и размер. 
4.  Защитный контейнер должен быть оснащен устройством для 
перекрывания пучка во время ремонта РИП и транспортировки источника 
излучения. 
5.  Защитный контейнер должен обеспечивать удобство замены 
источника. 
 
Контрольные вопросы 
1. Назовите типы применяемых в РИП источников излучения. 
2. Что такое источник закрытого типа? 
3. Каковы требования к защитным контейнерам? 
4. В чем назначение защитных контейнеров в РИП? 
 
 
 
 

Глава 3. Блок детектирования ядерно-физических  
контрольно-измерительных приборов 
 
Блоком детектирования (датчиком) радиоизотопного прибора 
называется устройство, предназначенное для преобразования потока 
излучения, несущего информацию об измеряемом параметре, в 
электрический сигнал. 
 
Состав блока детектирования 
1. Один или несколько детекторов. 
2.  Элементы согласования детектора с регистрирующим устройством. 

3.  Устройства для предварительного усиления сигнала. 
 
Виды детекторов, применяемых в радиоизотопных приборах 
1. Ионизационные камеры. 
2. Газоразрядные детекторы. 
3. Сцинтилляционные детекторы. 
4. Полупроводниковые детекторы. 
 
Существует два режима работы  детектора: импульсный (дискретная 
информация на выходе детектора) и токовый (аналоговая 
информация на выходе детектора). 
В импульсном режиме на выходе детектора можно получить: 
среднюю частоту n, число импульсов N, амплитуду импульсов V и 
т.д. 
Амплитуда сигнала для различных детекторов лежит в следующих 
диапазонах: 
1) газоразрядный – 1÷50 В; 
2) сцинтилляционный – 0,1÷1 В; 
3) полупроводниковый – 0,1 В. 
 
Токовый режим работы детектора применяется для ионизационных 
камер и газоразрядных детекторов.  
Средний ток в счетчике [4] при средней скорости счета n =         
= 100÷1000 c-¹   
 i = K·n·(Uc – Uο),  

где Uc – напряжение питания счетчика, Uο = 300 В, K = const, зависящая 
от типа счетчика (К≈10¹º с/Ом). 
При работе детектора в токовом режиме необходима высокая 
стабильность напряжения питания и температуры окружающей 
среды. Значительное «мертвое время» может вызывать «захлебывание» 
счетчика при перегрузках.   
 
Эксплуатационные параметры детекторов 
При проектировании радиоизотопных приборов необходимо 
учитывать внешние факторы, которые могут изменить параметры 
блоков приборов и нарушить их работоспособность. То есть необходимо 
обеспечить устойчивость работы детектора к воздействию 
внешних факторов (изменение напряжения питания, колебания 
температуры и влажности, наличие вибрации, электрических и 
магнитных полей). 
При проектировании РИП необходимо учитывать следующее: 
1) при применении сцинтилляционных детекторов необходимо 
учитывать, что стабильность фотоэлектронного умножителя сильно 
зависит от внешних и внутренних факторов. Под нестабильностью 
фотоэлектронного умножителя понимается изменение его интегральной 
чувствительности от анодного тока во времени. Для 
фотоэлектронного умножителя следует обеспечить такой режим 
работы, при котором анодный ток фотоэлектронного умножителя 
не превышает 10−10÷10−9 А. Сцинтилляторы оказывают незначительное 
влияние на стабильность работы детектора в целом; 
2) газоразрядные детекторы имеют более высокую стабильность 
параметров при воздействии внешних факторов, чем сцинтилляционные. 
На характеристики газоразрядных детекторов могут оказывать 
влияние изменения состава и давления газа (в основном гасящего); 

3) нестабильность полупроводниковых детекторов определяется в 
основном изменением свойств материала из-за радиационных повреждений 
и нарушения высокоомного контакта.