СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ФАКТИЧЕСКОЙ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ДИСТАНЦИОННЫМ МЕТОДОМ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ТРАССЫ СКАНИРОВАНИЯ
METHOD FOR REMOTE DETECTION OF ACTUAL RADIATION ENVIRONMENT WITH VERTICAL SCANNING ROUTE

Использование: для решения задач оперативного выявления и оценки фактической радиационной обстановки (РО) при проведении воздушной радиационной разведки местности (ВРРМ).
Сущность изобретения заключается в реализации возможностей дистанционного метода измерения флуоресценции атмосферного азота над радиоактивно загрязненной местностью (РЗМ) в ультрафиолетовой (УФ) области спектра для решения задач ведения ВРРМ в интересах войсковых подразделений.
Технический результат: получение панорамного изображения РЗМ, обеспечивающего повышение достоверности выявления и оценки РО за счет учета неоднородностей радиоактивного загрязнения.
Изобретение относится к области обеспечения защиты войск, действующих в условиях воздействия радиационных поражающих факторов, возникающих в результате применении ядерного оружия (ЯО) или радиационной аварии.
Анализ состояния вопроса и актуальность изобретения
При проведении оценки РО (прогнозирование доз излучения для военнослужащих, действующих в зонах радиоактивного загрязнения) по данным инструментальных измерений с использованием датчиков, основанных на локальных методах получения информации, суммарная погрешность прогноза дозы характеризуется значительной ошибкой (>50%), связанной с отсутствием учета неоднородностей радиоактивного загрязнения, формирующегося при оседании радиоактивных веществ.
Образующиеся участки со значительно отличающимися уровнями радиации (аномальные участки) появляются за счет турбулентности атмосферы, влияния рельефа местности и сепарации изотопов (Фигура 1). Так как локальные методы регистрации уровней радиации на подстилающей поверхности основаны на принципе измерения мощности дозы (МД) гамма-излучения в точках земной поверхности под движущимся летательным аппаратом (ЛА) и последующей линейной аппроксимацией полученных значений, уровни радиации на «аномальных» участках усредняются при интерполяции функции общего поля МД. За счет этого возникает значительная погрешность в прогнозе доз излучения, выдаваемом для подразделений, находящихся на аномальных участках.
Снижение погрешностей оценки дозы возможно за счет разработки способа ведения ВРРМ, основанного на дистанционных методах получения информации. Одним из наиболее перспективных методов, по мнению авторов [1], является регистрация и измерение эффекта флуоресценции атмосферного азота над РЗМ в УФ-области спектра.
Метод дистанционной регистрации УФ-излучения уже используется для решения задач радиационной разведки (РР), в частности реализован в различных типах аппаратуры дистанционного обнаружения (АДО) источников ионизирующих излучений (ИИИ) для специальной техники войск РХБ защиты [2]. Кроме того, разработан наземный способ дистанционного обнаружения радиоактивных объектов, основанный на данном методе [3].
К сожалению, созданные образцы могут обнаруживать ИИИ только на небольших расстояниях (до 20 метров). Кроме того, данные устройства определяют угловые координаты и интегральные характеристики свечения всего объема светящейся области воздуха, попадающего в поле зрения прибора, в связи с чем измерение и привязка к местности значений уровней радиации не проводятся.
Широкое использование данных образцов для решения задач РР не получило дальнейшего развития ввиду низкой эффективности их применения на горизонтальных трассах, где влияние прямого УФ-излучения Солнца очень велико.
Однако при ведении разведки с вертикальных трасс сканирования (с ЛА) влияние прямого УФ-излучения будет значительно ниже. Зоны загрязнения в этом случае могут быть представлены в виде проекции пространственно-яркостной структуры, светящейся в УФ-области атмосферы, на подстилающую поверхность. Значения энергетической яркости для любой точки этой проекции будут зависеть от поглощенной энергии ИИ в атмосфере над подстилающей поверхностью и, следовательно, изображение РЗМ в УФ-диапазоне может быть «проградуировано» в уровнях радиации.
Научные исследования, проведенные с участием авторов в работах [4, 5], показали, что реальная картина, получаемая оператором, будет представлять собой изображение самосветящейся (в УФ-диапазоне) локальной зоны, распределенной по подстилающей поверхности (Фигура 2). Получаемое изображение может состоять из нескольких участков (пятен), характеризующихся неоднородностью свечения с постепенно возрастающей яркостью к местам с наибольшей интенсивностью излучения. При таком способе получения информации достоверность прогноза дозы возрастает, так как оценка дозы будет проводиться по выявленным фактическим значениям уровней радиации в аномальных участках.
Реализация способа предлагает разработку математической модели ведения дистанционной воздушной разведки местности, представленную фигурой 3.
Будем считать, что при малом R наблюдаемая поверхность РЗМ представляет собой плоский изотропный ИИИ. Источником флуоресценции будут являться точки пространства (элементарного объема), расположенные над ИИИ внутри конуса высотой Н и радиусом R.
Число фотонов флуоресценции, выходящих из элементарного объема dV, будет равно:
2
где I - квантовый выход фотонов УФ-флуоресценции, 1/(Р/ч)см·с;
Р - мощность дозы ионизирующего излучения, Р/ч;
t - время измерения, с.
Мощность дозы в любой точке над плоским изотропным ИИИ гамма-излучения на высоте h определяется с помощью формулы:
где h - высота точки над плоским ИИИ, м;
С - коэффициент, зависящий от размерности величин, отн. ед;
γ
Е - энергия гамма-излучения, МэВ;
2
А - плотность поверхностной активности, Ки/м;
kb
b
-1
µ, µ - линейные коэффициенты поглощения и ослабления гамма-излучения в воздухе, м;
1
1
E(x)=-E(-x) - интегральная показательная функция:
2
В точку нахождения детектора О будет приходить излучение dФ (Вт/м) из элементарного объема dV с учетом поглощения на трассе L:
ф
ф
где Е - энергия флуоресценции, приходящая в точку О из элементарного объема dV, равная энергии фотона флуоресценции Е на число фотонов флуоресценции N, Дж;
f
-1
α - коэффициент поглощения флуоресценции атмосферой, м.
Проинтегрировав выражение (3) по объему конуса, в котором происходит флуоресценция азота воздуха, получаем зависимость плотности энергетической яркости флуоресценции от высоты полета ЛА, МД над РЗМ и угла наблюдения:
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 под обозначением а) представлена конфигурация прогностического следа осаждения радиоактивных частиц из облака ядерного взрыва, построенная по данным измерений датчиков, основанных на локальных методах регистрации ионизирующих излучений, цифрой 1 обозначены зоны радиоактивного загрязнения, получаемые расчетными методами при проведении оценки радиационной обстановки. Под обозначением б) представлена реальная конфигурация радиоактивного следа, отражающая наличие участков с неоднородным радиоактивным загрязнением, указанных цифрой 2.
На фигуре 2 представлено изображение вида проекции пространственно-яркостной структуры УФ-излучения РЗМ на подстилающей поверхности, образуемой радиоактивными выпадениями трех ЯВ,полученное в результате математического моделирования. Цифрой 1 обозначены зоны наиболее сильного радиоактивного загрязнения, имеющие оранжевый цвет. Цифрой 2 обозначены зоны умеренного загрязнения, имеющие зеленый цвет. Цифрой 3 обозначены зоны слабого загрязнения, имеющие синий цвет.
На фигуре 3 представлена схема, отражающая математическую модель реализации способа выявления фактической радиационной обстановки с вертикальной трассы сканирования на основе дистанционного метода регистрации флуоресценции атмосферного азота в УФ-области спектра, где:
ИИИ - плоский изотропный источник гамма-излучения, имеющий форму круга;
R - радиус ИИИ, м;
Н - высота ведения радиационной разведки местности (полета ЛА), м;
О - точка расположения детектора, находящегося в ЛА (вершина конуса);
dV - элементарный объем воздуха, являющийся источником УФ-излучения;
L - расстояние от точки О до излучающего объема dV, м;
θ - угол между линией, обозначающей высоту конуса, и линией отражающей длину трассы L, град;
α - угол поля зрения детектора регистрирующего УФ-излучение, град.
Список использованных источников
1. Соловых С.Н. Совершенствование возможностей метода дистанционного обнаружения радиоактивных объектов в подсистеме технических средств радиационной разведки и контроля войск РХБ защиты. // Научно-технический сборник. / ВА РХБЗ МО РФ. - Кострома, 2009. - №1(51). - С.257-261. - Инв. №17879.
2. Пояснительная записка к техническому проекту на ОКР, шифр «Антидетонатор»: БУТИ 201219.703ПЗ. - СПб.: ГУДП СКБ ТНВ, 2001. - 139 с.
3. Пат. 2219566 РФ, МПК 7 G01Т 1/169. Способ дистанционного обнаружения радиоактивных объектов. / С.Н.Соловых, А.И.Манец [и др.]; Заявитель и патентообладатель в/ч 61469. - №2001113992; Заявлено 22.05.01; Опубликовано 20.12.03, Бюл. №35. - 8 с.
4. Садовников Р.Н. Математическая модель выявления радиационной обстановки с летательных аппаратов дистанционным прибором обнаружения зон радиоактивного загрязнения местности панорамного типа в УФ-диапазоне. / Р.Н.Садовников, С.Н.Соловых [и др.] // Научно-технический сборник «Необратимые процессы в природе и технике». МГТУ им. Н.Э.Баумана. - М., 2005. - 415 с.
5. Разработка технических требований к элементам комплекса средств выявления радиационной, химической и биологической обстановки: Отчет о НИР №6154 (промежуточный, этап 5); Руководитель Н.И.Алимов; исполнители: С.Н.Соловых [и др.]. - Вольск-18: в/ч 61469, 2004. - 220 с. - Инв. 23670.