СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ АНОМАЛИЙ В ПРИРОДНЫХ СРЕДАХ В ПОТОКЕ
DETECTION AND IDENTIFICATION OF RADIOACTIVE ABNORMALITIES IN NATURAL MEDIA AND FLOWS

Изобретение относится к области радиоактивных измерений.
Экологический мониторинг прибрежных вод и воздуха приводной атмосферы предполагает, в том числе, и контроль поля радиоактивности природных сред. Цель мониторинга - получение временных рядов данных натурных определений концентраций более или менее полного набора радиоактивных компонентов искусственного и естественного происхождения для анализа пространственно-временного распределения их вариаций (в этом смысле в технике употребляется термин "в потоке"), трендов и пиковых выбросов и, на основе решения фоновой задачи и задачи обнаружения и идентификации, выработки административных, командирских, исследовательских и других решений. Они принимаются в соответствии с разработанными критериями экологической ситуации, критериями опасности по типу "экологического градусника" (лампочки), шкала которого соответствует требуемому решению.
Прежде всего, это чисто дозиметрическая задача радиационной безопасности населения, в этом случае получаемая информация представляет собой статистический временной ряд стандартных значений мощности экспозиционной дозы гамма-излучения на высоте 1 м над поверхностью. Это контроль аварийных ситуаций -мониторинг искусственной радиоактивности в воздушной и водной среде по проявлениям в поле концентраций наиболее репрезентативных ее представителей (Cs, I и др.) Это контроль и изучение процессов динамики воздушных и водных масс по проявлениям в поле концентраций естественной радиоактивности (К-40, Rn и др.)
Как правило, характерные масштабы вариаций активности, интересующие исследователя, составляют десятки метров или десятки секунд, т.е. вариации таких масштабов должен обнаруживать и идентифицировать метод.
Известен стандартный способ регистрации гамма-излучения радионуклидов "in-situ" [1], принятый в качестве прототипа заявленного технического решения.
Детектор излучения (представляющий собой сцинтиблок на основе монокристалла Nal(Tl) или CsI(Tl), ФЭУ или ФД, а также схемы питания и передачи сигнала, помещенные в герметичную капсулу), размещается в среде, и спектрометрическая - по энергии - информация по линии связи передается в бортовое регистрирующее устройство. Для детектирования, идентификации и определения статистических параметров флуктуаций компонентного состава и активности гамма-излучателей используются характерные для них энергетические параметры излучения, а именно: временные ряды счетности в диапазоне энергий пика полного поглощения (ППП) гамма-излучателя, интересующего исследователя.
Для этого в натурных условиях, периодически, измерения прерываются, в исследуемую среду, если это возможно, вносятся образцовые спектрометрические источники излучения (ОСГИ), и проводится калибровка тракта усиления сигнала (энергия излучения-номер канала спектрометра) по ППП образцовых источников излучения. На основании данных калибровки контролируют работу спектрометрического канала, выделяют диапазон каналов спектрометра, содержащий ППП исследуемого излучателя, и получают параметры для критериев выбраковки статистической информации и, наконец, удаляют ОСГИ и продолжают измерения. Процедура длительная, трудоемкая и, в определенной степени, небезопасная.
Кроме того, если фоновые загрузки (счетности) стандартных детекторов в ППП естественных гамма-излучателей составляют ~ 1 имп/с, а естественные флуктуации их активности обеспечивают добавки загрузок ~ 0,01 имп/с, то, исходя из стандартных критериев значимости,  где τ - время экспозиции, α - коэффициент, соответствующий установленному статистическому критерию значимости, время экспозиции, необходимое для детектирования такого изменения активности (ΔΙ), составляет  и для 5%-ного уровня значимости равно 80 000 с, что значительно превышает анализируемые временные масштабы явления.
Преодоление указанных трудностей по обеспечению статистической надежности измерений на малых временах экспозиции, для стандартного способа измерения, возможно за счет увеличения эффективного излучающего объёма среды, поставляющего излучение в детектор, путем увеличения его чувствительного объёма. Однако, при этом счетность растет пропорционально объему детектора, а его стоимость по технологическим причина - пропорционально кубу объема.
Требуется новый подход к анализу информативности гамма-поля. Необходим такой выбор регистрируемых параметров и их анализа, который бы позволил снизить требуемые пороговые загрузки при измерениях и обеспечил бы статистическую надежность получаемой информации.
-5
-7
-7
-9
Основой такого подхода для исследований гамма-поля являются особенности спектрального состава гамма-излучения в среде с распределенными источниками. Во-первых, рассеянное излучение в среде появляется в результате комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар и фотоэффекта, на каждый первичный гамма-квант рождается от 4 до 8 квантов более мягких энергий. Во-вторых, этот спектр излучения в среде появляется за 10 - 10 с, что значительно меньше времени экспозиции, поэтому обладает свойством синхронности появления. И, наконец, распад ряда радионуклидов, связанных с задачами обнаружения, сопровождается каскадным излучением с характерным временем 10 - 10 с, т.е. обладает этим же свойством синхронности. Можно предположить, что анализ синхронности флуктуаций счетности в отдельных диапазонах спектрального состава гамма-излучения среды, как элементов фазового пространства (ФП) поля гамма-излучения, при их адекватной нормировке, даст существенную прибавку информативности относительно поставленной задачи.
Специфичность поля радиоактивности природных сред состоит в системности. Она заключается в том, что любые воздействия на природную среду вызывают адекватные изменения многих компонент поля радиоактивности, они связаны -изменения системны. Это обстоятельство позволяет осуществлять экологическую интерпретацию воздействия не по значениям отдельных измеряемых параметров, но и по их взаимодействию (системный эффект). Экологические факторы, - параметры воздействия, выявляются не самими измеряемыми параметрами (концентрациями радионуклидов), а их системным эффектом, даже простейшего типа: в попарном соотношении. Это касается прямого воздействия, например, инжекция группы искусственных радионуклидов в природную среду в результате аварии атомного реактора через атмосферные выпадения вызывает системный радиоэкологический эффект на радиационную безопасность человека через целый ряд пищевых, ингаляционных и др. цепочек. Аналогично системное воздействие непрямых факторов, например, смена воздушной массы с другим составом естественных радионуклидов (морской или континентальной) в результате общей циркуляции атмосферы. Причем точный учет всех процессов от самой аварии или процессов в верхней атмосфере до самочувствия человека практически не возможен, а системный анализ "воздействие-эффект" вполне осуществим с получением реальных прогностических данных статистического типа.
Известна результативность такого подхода к решению задач, связанных с полями радиоактивности природных сред. Например, все методы радиоактивного датирования основаны не на анализе концентраций отдельных радионуклидов, а на системном анализе соотношений их концентраций, а именно, на простейшем варианте - анализе попарных соотношений концентраций, С-14/С-12 или Pa-231/Th-230. Именно соотношение концентраций несет системную информацию о геологическом возрасте. Впечатляющим примером системного анализа радиоактивности в океанологии являются исследования соотношений концентраций 0-18/0-16 для оценки параметров регионального обмена океан-атмосфера [2]. Целенаправленный поиск отклонений от стандарта соотношения концентраций изотопов U-235/U-238 позволили доказать существование ЕЯР (естественного ядерного реактора) на территории урановых рудников в Габоне. В то время как отдельные значения концентраций этих изотопов, хотя и несут информацию о природных ядерных катаклизмах, она завуалирована последующими геологическими процессами. В этой связи, большие надежды для подтверждения адекватности ЕЯР-концепции возлагаются на системные исследования соотношений других пар радионуклидов, трансформация которых может нести системный эффект при ЕЯР-процессах, а также других параметров геологических структур, изменения которых связаны с этими процессами [3]. Эффективность такого подхода продемонстрирована Георгиевским [4] для получения радиоэкологических параметров при оценке радиационной ситуации после чернобыльской аварии путем анализа именно соотношений концентраций Cs-137/Sr-90, Ru-106/Ce-144, Zr-95/Sr-90, Sr-89/Sr-90 и др.
Во всех этих случаях системный анализ сводился к простейшей операции - анализу попарных отношений концентраций. Естественно, возникает вопрос о более общем подходе - анализе многомерного образа явления.
Процедура системного анализа состоит в конформном отображении фонового многомерного образа поля в экспериментально полученный образ под действием вектора событий, в общем случае. В зависимости от способа формализации многомерного образа поля выбирается инструмент системного анализа.
Отмеченная ситуация присуща и системе гамма-излучающих изотопов природных сред, т.е. она проявляется и в поле гамма-излучения. Системный эффект при этом состоит как в том, что "воздействия-задачи" вызывают определенные, с трого связанные изменения в комплекте радионуклидов, инжектируемых в окружающую среду, так и в том, что среди них всегда имеются гамма-излучающая составляющая, создающая, детерминированный по интенсивности и спектральному составу, компонент гамма-поля.
Среди других видов излучения гамма-поле обладает, в этом плане, рядом достоинств: оно содержит полную информацию о покомпонентном составе радиоактивности, имеет линейчатый спектр, исключительно высокую скорость передачи информации, а также оптимальные транспортные параметры излучения (средняя длина свободного пробега в среде превышает характерные конструктивные размеры детекторов, но меньше пространственных масштабов исследуемых процессов). Достаточно простой способ регистрации излучения, высокая эффективность регистрации современными детектирующими системами по сравнению с другими типами радиоактивных излучений и широкий набор ядернофизических параметров излучателей, обусловливающий высокую информативность поля для их идентификации, дополняет этот ряд. Поэтому системный анализ статистических параметров поля гамма-излучения природной среды позволяет решать обозначенные задачи мониторинга, являясь, в то же время, наиболее перспективным способом автоматизации процесса измерения. И подразумевают под ним организацию специальной конфигурации измерительного комплекса, а также методику измерения и обработки полученных данных, позволяющую представлять их интерпретацию не только по отдельным измеряемым параметрам, но по их совокупности, а в общем случае по всему многомерному образу поля.
В основу изобретения поставлена задача создания способа обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий в природных средах в потоке, совокупностью существенных признаков которого достигается новое техническое свойство - возможность адекватного выбора элементов ФП гамма-поля и системного анализа счетностей в них. Указанное новое свойство обеспечивает технический результат изобретения - повышение оперативности статистически обеспеченного детектирования вариаций радиоактивности природной среды с десятков тысяч секунд до единиц секунд, что повышает точность обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий.
Поставленная задача изобретения решается тем, что в способе измерения и анализа статистических параметров поля гамма-излучения природных сред, при котором используют один или несколько идентичных независимых друг от друга спектрометрических детекторов гамма-излучения и регистрируют временной ряд интенсивности первичного гамма-излучения радионуклида за выбранный интервал времени, новым является то, что регистрируют временной ряд спектров общего и каскадного гамма-излучения радионуклидов природной среды с установленным временем экспозиции, осуществляют расчет коэффициентов корреляций всех элементов спектрального состава между собой на выбранном интервале времени, производят нормировку коэффициентов корреляций и составляют матрицу коэффициентов парных корреляций, по которой обнаруживают и идентифицируют радиоактивные аномалии.
Сущность изобретения поясняется следующим. Используют детекторы, позволяющие регистрировать спектры гамма-фона за короткое, относительно масштабов анализируемого явления, время экспозиции, представляющие собой мгновенный (в смысле синхронности) образ гамма-поля по элементам фазового пространства. В их состав входят:
- собственно детектирующая система - сцинтилляционный детектор с ФЭУ или ФД, предварительный усилитель сигнала и система питания;
- анализатор импульсов (АИ), состоящий из усилителя, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и специальной вычислительной техники для построения энергетических спектров излучения, их калибровки и трансформации к удобному виду;
- интерфейс связи АИ с более или менее мощной ЭВМ;
- и, собственно, ЭВМ, позволяющая получать статистические выводы и связи для временных рядов спектров излучения.
Все позиции, начиная со второй, в приведенном списке молено заменить стандартным компьютером с установленным на нем пакетом программ Matlab с моделирующей программой Simulink. В этом случае импульсный сигнал с преду-силителя вводится на микрофонный вход звуковой карты, внутренний АЦП которой преобразует его в цифровой код, а в Simulink строятся соответствующие дискриминаторы, усилитель и дифференциальные счетчики на 1024 канала для стандартной спектрометрии, фиксируется номер канала 1024-канального спектрометра, в котором появился импульс и текущее время его появления для поимпульсной записи сигнала. Важно подобрать звуковую карту, мертвое время АЦП которой составляло бы менее 0,5 мке, с соответствующим масштабом оцифровки временной метки.
Программная часть комплекса состоит из двух пакетов программ, отличающихся принципиально назначением и, соответственно, быстродействием.
Первый содержит пакет программ для приема с АЦП - кода амплитуды сигнала, а с таймера - кода временной метки поступления характерной особенности амплитуды аналогового сигнала на АЦП (например, по достижении 0,7 амплитуды) или появления кода с АЦП и сквозной записи кода сигнала в оперативную память. Важное свойство устройства регистрации сигнала - быстродействие, на уровне 0,5 мкс. в данном случае несет головная часть этого пакета. Средняя скорость поступления аналоговых сигналов с детекторов составляет для реальных морских условий до 10 имп/с, поэтому условия стандартной спектрометрии нетрудно обеспечить существующими аппаратными средствами. Для обеспечения работы каналов каскадного излучения (время разрешения не хуже 1 мкс) необходимо введение дополнительных АЦП, по одной на канал для регистрации кода сигналов разных каналов путем создания виртуальных микропроцессоров, работающих параллельно. Отсутствие пропуска сигналов в этом случае обеспечивает программный дискриминатор импульсов, отбраковывающий импульсы с амплитудами менее ~ 50 кэВ.
Второй пакет программ служит:
- для организации массивов многомерных временных рядов счетностей спектрального состава излучения природной среды;
- определения параметров спектрального распределения излучения среды и контроля качества статистической информации;
- обнаружения моментов значимых изменений интенсивности излучения, выделения репрезентативного участка изменения, определения его величины и идентификации причины вариации гамма-поля;
- расчета статистических параметров процедуры детектирования и идентификации причины радиоактивной аномалии в формализме вероятностей обнаружения, пропуска сигнала и ложных тревог.
Инструментом формализации многомерного образа гамма-поля выбран аппарат корреляционной спектрометрии. Полную информацию о структуре синхронных флуктуаций активности компоненты несет корреляционная матрица - матрица коэффициентов парных корреляций (МКПК), составленная по всем элементам ФП - таблица Μ χ Μ коэффициентов корреляции.
<mrow><msubsup><mi>N</mi><mi>i</mi><mi>k</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>N</mi><mi>j</mi><mi>k</mi></msubsup></mrow>
Временной ряд (индекс к) счетностей в выделенных элементах ФП с номерами i и j составляет
и
и коэффициент корреляции
где К - длина реализации.
Для построения доверительного интервала коэффициента корреляции его нормализуют с помощью преобразования Фишера [5]. Статистика
хорошо аппроксимируется [6] нормальным распределением с параметрами
В этом случае доверительный интервал для q имеет вид thZ,<Z<thZ2,
1
2
где Ν, - нормированная функция Лапласа для l-% доверительного интервала. Значения величин Z и Z можно найти в таблицах, например, [6].
i
j
Применимость такого условия обеспечена нормальностью N и N. В каждом конкретном случае она должна исследоваться специальным образом, во всяком случае, такой метод дает надежные оценки для счета N>30.
Более того, выполнимость этого критерия оказывается не необходимой. Фишером аналитически исследован характер распределения Ζ от величины q. Иллюстрация результатов этих исследований представлена в [6]. Отличий распределений для q=0 и q=0,8 от нормального нет. За рамками исследований осталась зависимость Ζ от характера распределения значений Ν, в элементах ФП.
i
j
Численное моделирование плотности вероятности распределения Ζ для различных Ν, имеющих пуассоновское распределение, осуществлялось методом Монте-Карло прямым моделированием двух пуассоновских рядов, состоящих из участков с '  и  Для моделирования значений рядов применялся метод Неймана, что позволяет ожидать некоррелированность результатов выборки для 106 событий. Результаты моделирования подтвердили предположение о независимости распределения Ζ от величины загрузок Ν, вплоть до единиц импульсов в элементах ФП. Для модельных рядов  при длине реализаций 103 отклонения от нормальности не зависят от Ν и Ν и для выборок ~10 000 не превышают 0,5%.
Таким образом, минимальные пространственно-временные масштабы изменчивости структуры гаммы-поля природной среды, которые могут быть статистически надежно идентифицированы предложенным способом, определяются пороговыми загрузками в элементах ФП гамма-поля, не превышающими единиц импульсов за время экспозиции.
Для принятия решений, соответствующих экологической ситуации, требуется обобщенный многомерный экологический образ природной среды преобразовать в простой одномерный обобщенный параметр или простую плоскую картинку, элементы которой отражают то или иное состояние среды (экологический статус) и временную его траекторию. Одномерный образ фактически представляет собой некую шкалу состояния среды, выбранную в зависимости от предъявляемых требований, или "экологический градусник". Его цена деления задается некоторыми реперными состояниями среды, полученными расчетным или опытным путем, в том числе и фоновым состоянием. Математический инструмент такого отображения представляет собой аппарат анализа многомерных временных рядов со всеми его составляющими: метод главных компонент, кластерный анализ, факторный анализ, нелинейное шкалирование, иммитационные статистические эксперименты на основе различных способов рандомизации (например, будстрэп-операции).
Важно отметить, что именно многомерный образ (в нашем случае МКПК) содержит максимальную информацию об экологическом состоянии среды, и любое его отображение в одномерные или плоские картинки выхолащивает эту информативность. Критерием достаточности информативности и, соответственно, эффективности процедуры отображения (выбора шкалы экологического градусника) является оценка ее чувствительности и возможности решения обратной задачи.
Способ осуществляют, например, следующим образом.
Аппаратно в среде размещаются три идентичных независимых друг от друга гамма-спектрометрических детектора излучения. Получают спектры общего и каскадного гамма-излучения, в том числе регистрированием временного ряда интенсивности первичного гамма-излучения радионуклидов за выбранный интервал времени. Осуществляют, например, с помощью соотношений (1), (2) расчет коэффициентов корреляций всех элементов спектрального состава между собой на выбранном интервале времени. Производят, например, с использованием соотношения (3) нормировку коэффициентов корреляций. Составляют матрицу коэффициентов парных корреляций, по которой обнаруживают и идентифицируют радиоактивные аномалии - по виду матрицы идентифицируют флуктуирующий радионуклид на выбранном интервале времени, а по изменению матрицы во времени определяют начало активности флуктуации и ее развитие в пространстве или во времени.
Для оптимального использования статистики вводится нелинейная капиб-ровка спектрометрических трактов. Регистрируемый энергетический спектр имеет экспоненциальный вид, поэтому каналы мягких энергий имеют избыток счета, по сравнению с приведенным критерием статистической обеспеченности, в то же время в каналах жестких энергий (больше 2 МэВ) счет составляет не более 0,1-0,01 имп/с. Для выравнивания поканальной статистической обеспеченности программно вводится нелинейная энергетическая калибровка спектрометрических трактов, обеспечивающая равномерную поканальную загрузку тракта. Это позволяет, с одной стороны, оптимально использовать имеющиеся загрузки, а с другой - увеличивает число каналов спектрометра в мягкой части спектра, где идентификационные возможности метода по ППП существенно снижены.
Для осуществления калибровки спектрометрических трактов в процессе измерения в среде может проводиться непрерывная калибровка по ППП естественных излучателей (К-40, Bi-214, Pb-214). Это позволяет избавиться от дорогостоящей процедуры калибровки по ОСГИ без прерывания процесса измерения.
Для коррекции плавания коэффициента усиления спектрометрического тракта может быть программно введена непрерывная плавающая калибровка спектрометрического тракта и, соответственно, коррекция границ каналов спектрометра.
Программно между идентичными и независимыми каналами может быть осуществлен перекрёстный контроль флуктуаций счетности. По синхронности срабатывания трактов временные ряды для каналов корректируются или выбраковываются на основании выбранных критериев значимости.
В состав измерительного комплекса могут быть дополнительно введены аналоговые измерительные каналы (температура, давление, скорость звука, электропроводимость, метеопараметры и пр.), позволяющие, в отличие от квантовых - радиоактивных, в одних случаях повысить достоверность процессов детектирования, идентификации и определения статистических параметров, в других - служат критерием достоверности идентификации флуктуаций по радиоактивным параметрам.
Для управления выборкой с целью обработки статистической информации но откорректированным временным рядам в связи с изменением калибровочных параметров трактов может быть введена поимпульсная запись спектрометрической информации. Это позволяет вводить более тонкие способы обработки статистической информации на этапе анализа многомерного образа поля излучения.
Источники информации:
1. Б.В. Гринев, В.Д. Рыжиков, В.П. Семиноженко. Сцинтилляционные детекторы и системы контроля радиации на их основе. Киев, Наукова думка, 2007 г., С. 451.
2. В.Η. Еремеев, Б.Н. Нелепо. Кислород-18 как индикатор процессов регионального обмена в системе океан - атмосфера. Физические аспекты загряз нения атмосферы - Вильнюс- 1976. Т. 2. - С. 225-227.
3. И.Ф. Лукашин. Концепция ЕЯР. В кн. Системы контроля окружающей среды. Севастополь, 2007. - С. 311-313.
4. В.Б. Георгиевский. Экологические и дозовые модели при радиационных авариях. Киев. Наукова думка. 1994. - 235 с.
5. Fisher R.A., Biometrika, 10, (1915), 507.
6. Худсон Д. Статистика для физиков. М., Изд. Мир, 1970, с. 296.