МОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ

Полезная модель относится к области радиационного контроля с использованием сцинтилляционных детекторов и предназначена для обнаружения и локализации источников ионизирующих излучений (ИИИ) в случаях радиационных аварий, или в случаях утери или преднамеренного (злоумышленного) вывоза и захоронения ИИИ, либо в других случаях незаконного (несанкционированного) обращения с ИИИ или с радиоактивными отходами.
Актуальность указанной задачи следует из анализа материалов международных учений по линии МЧС - Barents Rescue 2001, Швеция [1], а также материалов ряда международных совещаний, в частности, ППСР-2009 [2].
Известны разнообразные мобильные комплексы радиационного контроля (КРК) [3-5], размещенные на автомобиле и предназначенные для решения задач радиационного контроля и (или) организации радиационной разведки. К числу таковых устройств относится мобильный комплекс радиационного контроля «Янтарь-МА», изготавливаемый НПЦ «Аспект» [3], который построен на базе пластмассовых сцинтилляционных гамма-детекторов в форме прямоугольных параллелепипедов. Причем последние снабжаются простыми плоскими свинцовыми экранами, размещаемыми сзади и по периметру сцинтиллятора, и, потому имеют широкую диаграмму направленности (угол поля зрения порядка 180°).
Близким к [3] по устройству и принципу работы является КРК [4], который обладает большей чувствительностью по сравнению с [3] за счет применения большого количества детекторов (по 3 шт. по каждому борту) и специальных алгоритмов обнаружения [6, 7].
Еще большей чувствительностью обладает мобильный КРК [5], размещаемый в кузове автомобиля КАМАЗ, и содержащий 9 пластмассовых сцинтилляционных детекторов, которые могут разворачиваться и фиксироваться для наблюдения гамма-излучения по любому (правому, левому или заднему) бортам. Для обеспечения работы комплекса [5] используются те же алгоритмы [6, 7], что и для [4].
Основными общими недостатками указанных выше мобильных комплексов [3-5] являются сильная зависимость результатов контроля от пространственных флуктуации гамма-фона (т.е. флуктуации, связанных с изменением местонахождения движущегося КРК), а также низкая точность локализации обнаруженного ИИИ, т.е. большая погрешность определения местоположения ИИИ.
Особо следует остановиться на проблеме флуктуации гамма-фона. Суть указанной проблемы была подробно описана авторами настоящей заявки ранее [8], и заключается в следующем.
Многочисленные исследования свидетельствуют о весьма сильной зависимости уровня гамма-фона от конкретной координаты точки, в которой выполняются измерения.
Таковая зависимость связана с известными особенностями природы гамма-фона, описанными в литературе. Указанный фактор, как правило, весьма значим в регионах, где имеются выходы скальных пород на поверхность. В таковых регионах наблюдаются весьма значительные и резкие изменения уровня гамма-фона, регистрируемого мобильным комплексом КРК в процессе движения по так называемым «грунтовым» дорогам. Аналогичные флуктуации наблюдаются также при перемещении КРК по дорогам с улучшенным покрытием, для строительства которых используют строительные материалы, сильно различающиеся по уровню радиационной загрязненности. По нашим данным, зачастую в «подушке» дорог используется щебень, дающий 3-5-кратное превышение уровня фонового излучения по отношению к среднему фону вне дороги. (Следует отметить, что таковой повышенный уровень излучения стройматериалов, используемых для строительства дорог, допускается существующими государственными стандартами, в частности, ОСПОРБ-99). Аналогично может регистрироваться повышенное излучение от различных дорожных сооружений: мостов, опор путепроводов дорожных развязок, эстакад, а также от различных придорожных объектов, в частности, от бетонных столбов с осветительными лампами.
В качестве примеров на рис.П1, П2 приложения 1 показаны зависимости скорости счета от времени для различных условий, измеренные при помощи счетного гамма-канала мобильного комплекса «Соратник» [5]. Комментарии приведены под рисунками. Из рисунков видно, насколько сильны флуктуации гамма-фона на некоторых участках федеральной трассы М5. Причем многочисленные «всплески» гамма-фона, обусловленные придорожными сооружениями, имеют большую амплитуду и зачастую совпадают по длительности с сигналами от искомых ИИИ. Происхождение большинства из указанных «всплесков» может быть выявлено путем сопоставления с синхронными видеокадрами, если в комплексе предусмотрено использование видеокамеры, работающей в непрерывном режиме и синхронизированной с процессом измерений. Таковое сопоставление результатов измерений гамма-излучения и видеоряда с привлечением данных от спутниковой навигационной системы (СНС) выполняется обычно в режиме off-line [5]; однако и указанная процедура сопоставительного анализа не обеспечивает требуемую надежность обнаружения (требуемое значение вероятности обнаружения ИИИ).
Таким образом, описанная проблема, связанная с флуктуациями гамма-фона при движении по дорогам, весьма серьезно препятствует решению задач обнаружения источников гамма-излучения средствами мобильных КРК.
2
Что касается низкой точности локализации обнаруженного ИИИ средствами известных комплексов КРК, то она обусловлена следующим. При движении по трассе с жестко закрепленными детекторами можно определить только положение линии, перпендикулярной участку трассы, на которой может находиться обнаруженный ИИИ. Расстояние же от трассы до ИИИ может быть определено с весьма большой погрешностью, превышающей ±50%, а если еще учесть и широкую диаграмму направленности детекторов, используемых в известных КРК, то итоговая точность локализации, т.е. размеры «области неопределенности» с обнаруженным ИИИ, превышают значения 500-1000 м.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является «Высокочувствительное сканирующее устройство для обнаружения и локализации источников гамма-излучения» [9]. Основу указанного устройства составляет сканирующий гамма-детектор (СкГД), размещенный на автомобиле. Кроме того, указанный прототип [9] содержит промышленный компьютер, предназначенный для обработки информации от СкГД и спутниковую навигационную систему (СНС).
В принципе применение способа сканирования при локализации обнаруженного ИИИ является полезным (продуктивным), поскольку очевидно, что при построении на некоторой плоскости двух прямых, показывающих направление от разных точек стояния КРК на источник ИИ, точка пересечения этих прямых и укажет местоположение ИИИ. Следовательно, можно полагать, что при использовании сканирующего гамма-детектора точность локализации обнаруженного ИИИ должна повыситься. Причем существенным достоинством применения СкГД является исключение пространственной составляющей флуктуации гамма-фона, обусловленной влиянием излучения от самой дороги, что позволяет понизить пороги обнаружения.
В то же время устройство [9] обладает целым рядом принципиальных недостатков:
ПЗ
ПЗ
ПЗ
1. В работе [9] не приведен параметр «угол поля зрения гамма-детектора α. Анализируя представленные в работе фотографии и эскизы элементов СкГД, можно утверждать, что указанный угол составляет величину порядка α≅90°. Такое большое значение угла α приводит к большой погрешности определения направления на источник и, в конечном счете, местоположения ИИИ. (Вопросы обоснования характеристик КРК, обеспечивающих требуемую точность локализации, подробнее описаны в Приложении 2).
2. В [9] ничего не говорится о методике выполнения измерений. А выбор методики проведения обследования с помощью КРК непосредственно определяет требования к его основным техническим характеристикам и конструктивным особенностям. Автор работы [9] однозначно не указывает, осуществляется ли непрерывное сканирование окружающего пространства в процессе движения комплекса по выбранному маршруту или измерения выполняются при остановках в определенных точках. Из описания принципа работы устройства [9] следует, что гамма-детектор непрерывно вращается с довольно большой скоростью (1 оборот за 6 секунд), однако совершенно очевидно, что использование такого режима работы, по крайней мере, при первом обследовании трассы, может привести к большой вероятности пропуска.
Действительно, детальный анализ реальных, «обычно применяемых» параметров при сканировании в процессе перемещения по трассе показывает, что на траектории движения будут оставаться так называемые «мертвые зоны», которые и будут обусловливать высокую вероятность пропуска ИИИ. В частности, нетрудно убедиться, что даже при скорости движения комплекса около 20 км/ч источник, размещенный на расстоянии порядка ≤15 м от трассы, может быть пропущен комплексом-прототипом [9], даже если ИИИ довольно мощный (~1 ГБк). Соответственно, при увеличении скорости до «обычно практикуемой для КРК» на трассах - порядка 40 км/ч - размер таких «мертвых зон» увеличивается в 2 раза!
3. Автором [9] не обоснован выбор большой угловой скорости при сканировании и в стационарном состоянии КРК - 1 оборот за 6 с (т.е. 60 град/с). При такой скорости сканирования резко уменьшается чувствительность (т.к. полезный сигнал становится чрезвычайно коротким, длительностью менее 0,5 с). Следует особо отметить, что «высокочувствительным» комплекс, описанный в [9], назвать достаточно сложно. И автор сам этого не отрицает в тексте доклада, приводя в работе огромные значения активностей источников, обнаруживаемых с помощью комплекса [9] на расстояниях порядка 70 м - единицы и более ГБк. По нашим оценкам, комплекс, описанный в [4], способен обнаруживать подобные источники (1,2 ГБк) на расстоянии более 220 м, даже в условиях сильного влияния пространственных флуктуации гамма-фона. (Но в то же время автор [9] почему-то называет свой КРК «высокочувствительным», см. заголовок его доклада).
4. Неудачные (непродуманные) методики выполнения измерений устройством СкГД привели автора [9] к неудачным конструкторским решениям. Также оценочно, из фото и схем, приведенных в [9], можно увидеть, что масса предлагаемого в [9] коллиматора составляет величину порядка 200-250 кг. Такую массу (да еще вращающуюся) устанавливать на крыше легкового автомобиля весьма нежелательно, даже если не принимать во внимание допустимые величины нагрузки на крышу автомобиля, т.к. при этом резко снижается безопасность эксплуатации транспортного средства.
Из анализа постановки задачи поиска (обнаружения) и локализации ИИИ очевидна противоречивость требований к углу поля зрения сканирующего гамма-детектора. Действительно, для решения задачи обнаружения ИИИ при первом обследовании трассы угол поля зрения детектора должен быть достаточно большим и составлять не менее 90° [5-7], с тем, чтобы обеспечить максимальную чувствительность и одновременно минимизировать вероятность пропуска. А для решения задачи локализации с требуемой точностью, как нетрудно показать, угол поля зрения СкГД должен быть довольно малым (<30°). Подробности и аргументы по оценке требуемого угла поля зрения сканирующего детектора поисковых комплексов приведены в приложении 2.
Задачей предлагаемой полезной модели комплекса радиационного контроля (КРК) является обеспечение высокой чувствительности КРК и повышение точности локализации объекта обнаружения - источника ионизирующего излучения (ИИИ) - при одновременном снижении вероятности пропуска источника.
Для решения сформулированной задачи в состав комплекса предлагается дополнительно ввести несканирующий широкоугольный гамма-детектор, связанный через блок связи с компьютером, а также видеоканал, содержащий видеокамеру и устройство оцифровки видеоизображения, причем сканирующий гамма-детектор предлагается выполнить с углом поля зрения ≤30° и с диапазоном углов сканирования не более 180°.
Блок-схема предлагаемой полезной модели представлена на рис.1.
На блок-схеме рис.1 широкими стрелками показаны электрические (информационные) связи, а штриховыми линиями - механические связи.
В схеме рис.1 использованы следующие обозначения:
1 - электронный блок связи (БС) компьютера с периферийным оборудованием;
2 - промышленный компьютер;
3 - спутниковая навигационная система (СНС);
4 - сканирующий гамма-детектор;
5 - несканирующий широкоугольный гамма-детектор;
6 - видеоканал;
7 - транспортное средство.
Полезная модель оборудована спутниковой навигационной системой (СНС), связанной с компьютером. Видеоканал включает в свой состав видеокамеру, устройство оцифровки видеосигнала, устанавливаемое в свободный слот компьютера, и программное обеспечение, обеспечивающее управление видеокамерой и сохранение видеокадров, синхронизированных с выполняемыми измерениями гамма-излучения, в базе данных.
2
8 качестве детекторов для дополнительного несканирующего широкоугольного гамма-детектора предлагаемой полезной модели целесообразно использовать пластиковые счетные гамма-детекторы, аналогичные, например, детекторам типа БДП-Н [4], либо детекторам, используемым в комплексе [3] НПЦ «Аспект». Таковые детекторы отличаются большой площадью (обычно 80×13 см), и следовательно - большой чувствительностью. Предлагаемая полезная модель работает следующим образом. Вся процедура поиска и локализации разбивается на 2 этапа:
1. Поиск (обнаружение) ИИИ и грубая, предварительная локализация обнаруженного источника без использования сканирующего режима. На данном этапе комплекс при непрерывном движении со скоростью не более 20 км/ч регистрирует гамма-излучение вдоль трассы. При этом используется только несканирующий широкоугольный гамма-детектор. После проезда по некоторому заданному участку трассы выполняется обработка всей зарегистрированной информации в режиме off-line. Важно отметить, что с учетом описанного выше сильного влияния на уровень гамма-фона дорожного покрытия, и придорожных сооружений, на первом этапе поиска для «отфильтровывания» ложных сигналов используются данные от дополнительных информационных каналов, в том числе и от видео-канала, и данные СНС в сочетании с картографической информацией. Результатами анализа полученных данных работы КРК на 1-м этапе являются:
a) точки по маршруту обследования, «подозрительные» в плане наличия ИИИ;
0
b) оценочное значение расстояния r от трассы до предполагаемой точки местонахождения ИИИ, определенное с погрешностью порядка ±50%.
0
2. На втором этапе поиска по данным, полученным на 1-м этапе, с помощью сканирующего гамма-детектора выполняется повторное обследование «подозрительных» точек (координаты которых зафиксированы средствами СНС). Положения точек, из которых должно проводиться сканирование, выбираются на трассе до места обнаружения «подозрительной» точки с ИИИ и после нее, причем на расстоянии, не превышающем r. Достаточно двух точек, из которых определяются направления (углы азимута) на предполагаемый ИИИ. Угловая скорость сканирования ω выбирается сравнительно небольшой (не более 0,5-1 град/с); конкретное значение ω устанавливается тем меньшее, чем меньшая амплитуда сигнала от предполагаемого НИИ выявлена на 1-м этапе измерений. В результате сканирования получают две линии азимута на ИИИ, в точке пересечения которых расчетным путем (по данным СНС) определяется положение ИИИ. Далее перемещаются к следующей «подозрительной» точке и выполняют измерения, аналогичные описанным.
Использование предлагаемой полезной модели позволяет получить следующие преимущества по сравнению с прототипом [9]:
- Из описания последовательности поиска с использованием предлагаемой полезной модели видно, что так называемые «мертвые зоны» в принципе отсутствуют, т.е. вероятность пропуска ИИИ сводится к минимуму.
- Благодаря уменьшению угла поля зрения СкГД до значения порядка ≤30° (приложение 2) использование предлагаемой полезной модели позволяет существенно снизить погрешность локализации обнаруженного ИИИ по сравнению с прототипом [9].
- Из описанной последовательности работы предлагаемой полезной модели становится очевидным, что сканирование достаточно осуществлять по только борту наблюдения, т.е. диапазон углов поворота по азимуту - не более 180°. Следовательно, отпадает необходимость устанавливать СкГД на крыше транспортного средства для вращения в угле 2 я; Таковое техническое решение приводит к существенному упрощению конструкции КРК и повышению устойчивости транспортного средства.
Дополнительное преимущество предлагаемого технического решения, приводящее к упрощению конструкции СкГД, обусловлено тем, что в предлагаемой модели отпадает проблема обеспечения электрической связи вращающихся вокруг своей оси детекторов СкГД с блоком связи и компьютером.
Предлагаемые технические решения проверены на макетном образце мобильного КРК.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. http://www.mchs.gov.ru/mchs/activities/index.php?ID=4004&lang=eng&print=Y
2. Материалы XI-го Международного совещания «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии - 2009 (ППСР-2009)». http://www.ekosf.ru
3. Дубна, НПЦ «Аспект». http://www.aspect.dubna.ru/new/page.php?page=411
4. Мобильный комплекс радиационного контроля. //А.В.Кружалов, В.Л.Петров, А.С.Шеин, В.С.Андреев, Л.В.Викторов, А.Л.Крымов, Г.А.Кунцевич, Шульгин Б.В. Тезисы доклада на ХI-м Международном совещании «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии-2009 (ППСР-2009)», 20-25 сент. 2009, стр 23.
5. Андреев B.C., Благовещенский М.Н., Викторов Л.В., Ивановских К.В., Кружалов А.В., Крымов А.Л., Кудашов Д.И., Кунцевич Г.А., Петров В.Л., Пустоваров В.А., Райков Д.В., Сафин Ю.Р., Соколкин В.В., Шеин А.С., Шульгин Б.В. Разработка комплексов специального радиационного контроля для детектирования излучений радиоактивных и делящихся материалов // Вестник ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, Вып.5 (76), Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005, С.108-118.
6. Способ обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений / Л.В.Викторов, А.В.Кружалов, А.С.Шеин, Б.В.Шульгин и др. Пат. 2140660 РФ. Заявл. 10.02.1998; опубл. 27.10.1999. Бюл. №30.
7. Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений / Л.В.Викторов, К.В.Ивановских, Ю.Г.Лазарев, В.Л.Петров, А.С.Шеин, Б.В.Шульгин // Патент РФ №2242024. Б.и., 10.12.2004, №34.
8. Андреев B.C., Викторов Л.В., Петров В.Л., Шеин А.С.Статистические характеристики флуктуации гамма- и нейтронного фона. // Тезисы докладов VI Международного совещания «Проблемы прикладной спектроскопии и радиометрии. Москва. ВНИИФТРИ. 2002 г. С.32.
9. С.К.Васильев. Доклад «Высокочувствительное сканирующее устройство для обнаружения и локализации источников гамма-излучения» // ППСР-2009. Сайт: http://www.ekosf.ru