УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОРТАТИВНЫЙ РАДИОМЕТР-СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к области обнаружения и идентификации источников радиоактивного излучения и может быть использована в системах надзора за делящимися материалами и радиоактивными веществами, для оснащения подразделений таможенных служб по контролю перемещений радиоактивных веществ, подразделений по противодействию угрозам ядерного и радиологического терроризма, и др. Контроль производится по гамма и нейтронному излучению радиоактивных веществ.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка универсального портативного радиометра-спектрометра, обеспечивающего поиск и идентификацию источников гамма и нейтронного излучения, в том числе - скрытно, без привлечения внимания окружающих людей и систем наблюдения.
Из предшествующего уровня техники известна конструкция поискового радиационного монитора (патент RU 2303277, публик. 20.07.2007 г., Бюл. №20), который включает один детектирующий блок нейтронного или гамма излучения, средства для подключения к каналу связи в виде радиомодема и автономный блок, содержащий второй радиомодем и/или порт проводной связи. В качестве автономного блока может быть использован расположенный на удалении компьютер или блок индикации, размещенный в одежде или в руках оператора.
Недостатком данного устройства является то, что оно может работать только в режиме поиска источников либо нейтронного, либо гамма излучения, не обеспечивая возможность спектрометрии гамма излучения, что накладывает ограничения на функциональные возможности устройства из-за невозможности идентификации обнаруживаемых источников радиоактивных излучений.
Из предшествующего уровня техники известно также другое устройство, с помощью которого осуществляют регистрацию гамма и нейтронного излучения, направленное на решение указанной выше задачи и частично устраняющее недостатки предыдущего аналога (патент RU 2158938, описание опубликовано 10.11.2000 г.). Это устройство выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели по наибольшему количеству сходных признаков.
Известное устройство представляет собой универсальный портативный радиометр-спектрометр и включает два канала регистрации ядерных излучений, при этом гамма-канал состоит из сцинтилляционного кристалла, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), выход которого через усилитель гамма-канала и аналого-цифровой преобразователь связан с микропроцессорной системой, в состав гамма-канала дополнительно введена система стабилизации, включающая светодиод, сопряженный с фотоэлектронным умножителем и соединенный с импульсным генератором тока, вход которого связан с выходом микропроцессорной системы. Управляемый микропроцессорной системой каскад усиления расположен между усилителем гамма-канала и его аналого-цифровым преобразователем, датчик температуры связан с микропроцессорной системой. Нейтронный детектор состоит из гелиевых счетчиков нейтронов, помещенных в специальный замедлитель из полиэтилена, сигнал с которых через усилитель нейтронного канала и дискриминаторы поступает на микропроцессорную систему, имеющую выходы на дисплей и ЭВМ.
Недостатками ближайшего аналога в предполагаемых условиях эксплуатации является применение специального полиэтиленового замедлителя нейтронов, что увеличивает габариты и массу устройства, и необходимость в проводной системе соединения с ЭВМ, что также снижает мобильность устройства и возможность его скрытого использования.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение возможности скрытного обнаружения радиоактивных, в т.ч. делящихся веществ. Дополнительным техническим результатом является многократное уменьшение веса и габаритов устройства при сохранении его чувствительности, а также обеспечение возможности скрытной экспресс-идентификации источников излучения, шифрование информации и передачи ее в удаленный аналитический центр.
Указанный технический результат достигается за счет того, что универсальный портативный радиометр-спектрометр, содержащий детектирующий блок с двумя каналами регистрации излучений - гамма-спектрометрическим каналом, включающим сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), систему температурной стабилизации с цифровым датчиком температуры, и каналом регистрации нейтронов на основе гелиевых счетчиков, а также блок управления и обработки данных, к которому подключают блок детектирования с помощью предусмотренных для этого средств, включает отличительные признаки:
детектирующий блок размещен на теле оператора,
система температурной стабилизации основана на цифровой коррекцией данных, поступающих с гамма-канала,
цифровой датчик температуры имеет тепловой контакт с корпусом фотоэлектронного умножителя,
в качестве средства для подключения детектирующего блока к блоку управления и обработки используют радиомодем стандарта беспроводной связи «Bluetooth»..
Модуль управления и обработки выполнен на основе коммуникатора или смартфона, оснащенного специализированным программным обеспечением.
Размещение детектирующего блока на теле оператора позволяет, во-первых, отказаться от использования специального полиэтиленового замедлителя в конструкции детектора нейтронов, что многократно уменьшает его габариты и вес без потери чувствительности к нейтронам спектра деления, а во-вторых, обеспечивает пространственно-угловую избирательность нейтронного детектора (азимутальную анизотропию чувствительности), что позволяет производить целенаправленный поиск источника нейтронов и способствует упрощению и облегчению контроля.
Использование стандарта беспроводной связи «Bluetooth» обеспечивает возможность связи детектирующего блока со смартфоном или компьютером, поддерживающим этот стандарт, и позволяет создавать распределенные и защищенные системы радиационного контроля с использованием необходимого количества детектирующих блоков. Связь детектирующего блока со смартфоном осуществляется с использованием уникального пароля, устанавливаемого оператором, что исключает возможность подключения к нему посторонних «Bluetooth»-устройств.
Выполнение температурной стабилизации на основе цифровой системы коррекции данных гамма-спектрометрического канала позволяет обеспечить компенсацию температурной нестабильности гамма-спектрометрического канала более простым способом в сравнении с прототипом, что также способствует упрощению скрытного контроля.
Выполнение блока обработки и управления на основе смартфона или другого устройства со специализированным программным обеспечением позволяет производить поиск и экспресс идентификацию источников ионизирующего излучения скрытно, не привлекая внимания, и, при необходимости осуществлять шифровку и передачу информации в удаленный аналитический центр.
На фиг. 1 изображен общий вид заявляемого универсального радиометра-спектрометра, где:
1 - корпус нейтронного детектора;
2 - блок электроники нейтронного детектора;
3 - разъемы соединительного кабеля;
4 - соединительный кабель;
5 - нейтронные счетчики;
6 - микропроцессорный модуль;
7 - тумблер включения/выключения питания;
8 - разъем для заряда аккумулятора;
9 - индикаторные светодиоды состояния аккумуляторной батареи (заряд/разряд, готовность);
10 - корпус гамма-детектора;
11 - аккумуляторная батарея;
12 - блок источника высокого напряжения для сцинтилляционной сборки;
13 - цифровой датчик температуры;
14 - сцинтсборка (кристалл, ФЭУ, делитель ФЭУ);
15 - винты крепления верхних крышек корпусов.
3
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить универсальный радиометр-спектрометр (УРС), представленный на фиг. 1. УРС в двухблочном варианте, причем возможна работа гамма-спектрометра отдельно. Гамма-детектор выполнен на основе сцинтилляционного кристалла NaI (TI) диаметром 25 мм и длиной 76 мм и ФЭУ Hamamatsu R3998-02, помещенных в магнитный экран. Для компенсации температурной нестабильности используют цифровой датчик температуры, выполненный в виде интегральной микросхемы ADT 7301, имеющей тепловой контакт с корпусом ФЭУ. Нейтронный детектор выполнен на основе четырех гелиевых (He) счетчиков типа 8NM5,5. Блок электроники гамма- канала включает усилительный тракт, анализатор, радиомодем для связи с модулем обработки. Модуль управления и обработки выполнен на основе смартфона. Специализированное программное обеспечение, установленное в смартфоне, обеспечивает управление детектирующим блоком, сбор и анализ данных, визуализацию процесса и результатов контроля, шифровку и обмен данными с удаленным аналитическим центром.
Порядок работы заявляемого устройства заключается в следующем.
При включении устройства тумблером 7 по индикаторным светодиодам 9 контролируют состояние аккумуляторной батареи 11 и при необходимости зарядки подключают к разъему 8 зарядное устройство. После включения устройства включают смартфон и запускают специализированное программное обеспечение. Смартфон по протоколу беспроводной связи Bluetooth автоматически соединяется с устройством, при этом включается режим самодиагностики устройства, по прохождении которого происходит включение источника высоковольтного напряжения 12 для сцинтилляционной сборки 14 и блока электроники 2 нейтронных счетчиков 5, после чего устройство готово к работе.
Устройство может работать в двух режимах - счетном (режим поиска) и спектрометрическом (режим идентификации).
В режиме поиска устройство производит непрерывный контроль скоростей счета в гамма- и нейтронном канале регистрации, на основе чего оператор локализует места с повышенным уровнем гамма и/или нейтронного излучений. Световые вспышки, образующиеся в кристалле сцинтсборки 14, регистрируются ФЭУ, далее поступают на блок электроники с микропроцессором 6, преобразуются в цифровой сигнал и через радиомодем передаются на смартфон. При изменении температуры, регистрируемой температурным датчиком 13, цифровой сигнал через радиомодем передается на смартфон, где происходит смещение спектрального распределения гамма-квантов по энергии. При регистрации нейтронного излучения имеет место падение напряжения на нейтронных счетчиках 5, которое обрабатывается блоком электроники 2 и передается на блок электроники с микропроцессором 6, где преобразуются в цифровой сигнал и через радиомодем передаются на смартфон.
После этого, в случае необходимости идентификации излучателя, в обнаруженных местах с аномальным уровнем излучения регистрируют спектральное распределение гамма квантов по энергии, при этом контроль производится в течение более длительного времени с целью получения информации, достаточной для последующего спектрометрического анализа.
Идентификацию радиоизотопных источников производят на основе сравнения полученных данных с библиотечными характеристиками радиоизотопов, используемыми в специализированном программном обеспечении устройства.
Смартфон выполняет следующие функции: управление детектирующим блоком, анализ и отображение спектра, сравнение результатов анализа с библиотекой стандартных спектров (идентификация), передача первичных данных и результатов анализа в аналитический центр (при необходимости). Реализация последней функции использует сжатие и шифрование данных. Функционирование заявляемого устройства возможно как в автономном режиме, так и в составе комплексных систем безопасности предприятий.
Проведенные испытания устройства подтвердили возможность идентификации устройством ряда специальных ядерных, промышленных и медицинских изотопов, при этом заявляемое устройство обладает, по сравнению с прототипом, большими функциональными возможностями, более просто в применении и, имея малые размеры и вес, позволяет использовать его для скрытно, не привлекая внимания.