СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ИСТОЧНИКА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING DISTANCE TO GAMMA-RADIATION SOURCE

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, поиска и обнаружения радиоактивных источников, в частности источников гамма-излучения, а также контролю радиационного состояния объектов.
Может быть использовано для дистанционного обнаружения в полевых условиях источников, испускающих гамма-излучение, определения расстояния от источников до места регистрации, а также повышения уровня безопасности проводимых работ.
Известно техническое решение:
Заявка: 2001113992/282001113992/28, 22.05.2001 г. Способ дистанционного обнаружения радиоактивных объектов. Способ заключается в определении расстояния до источника ионизирующего излучения, по измеренным значениям интенсивностей флуоресценции атмосферного азота в УФ диапазоне спектра на длинах волн 315,9 нм, 337,1 нм и 357,7 нм и по различию ослабления излучения атмосферой на этих длинах волн определяют расстояние до источника радиоактивного загрязнения.
Недостатками известного решения являются невозможность получения информации о виде ионизирующего излучения, а также большая погрешность в определении расстояния.
Известно также техническое решение:
а
Патент RU 2072531 С1 от 27.01.1997 г. Устройство для определения местоположения точечных источников излучения. Сущность изобретения: устройство содержит три одинаковые одномерные кодирующие маски, расположенные в одной плоскости по сторонам равностороннего или прямоугольного равнобедренного треугольника с m элементами в каждой маске. На расстоянии  от соответствующих масок расположены три одинаковых одномерных позиционно чувствительных детектора с m чувствительными элементами в каждом детекторе. Каждый элемент детектора снабжен детекторным световодом, на выходе которого установлена восстанавливающая маска, состоящая из m элементов, представляющих собой разнесенные по спектру пропускания цветные светофильтры.
Однако устройство сложно в изготовлении, кодирующие маски не могут обеспечить необходимый энергетический диапазон, что существенно снижает область применения
Известно также техническое решение:
Патент RU 2011100561 от 11/01/2011 г. Способ поиска и определения координат источника гамма-излучения. Способ заключается в регистрации излучения несколькими детекторами, расположенными на платформе мобильного робота. При помощи гамма-визора получают совмещенную картину видео и гамма-изображений исследуемой области, содержащей источники излучения.
Однако реализация способа требует громоздкой коллимированной системы детектирования, проведения измерений в нескольких точках. Положение ИИ определяется геометрически, а для совмещения гамма- и видеоизображений требуется разработка и изготовление дополнительного дорогостоящего нестандартного оборудования. Время проведения измерений весьма значительно.
Указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявляемому.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании технических средств, с помощью которых можно определить расстояние до источников гамма-излучений при отсутствии предварительной информации о их активности, форме, визуализации; и с одного местоположения.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в универсальности и простоте определения расстояния до источников гамма-излучения, достоверности получаемой информации независимо от спектрального состава и активности источников, использование стандартной спектрометрической аппаратуры, а также отсутствие необходимости проводить измерения в нескольких точках и коллимирования детектора.
Решение указанной технической задачи обеспечивается изложенной ниже совокупностью существенных признаков.
Измеренные спектральные значения интенсивности гамма-излучения используются не в качестве абсолютных значений, а относительных (с определенных диапазонов спектра).
Измерение спектра исследуемого источника гамма-излучения производится на двух энергетических участках:
- в области его характеристического пика полного поглощения (ППП),
- в области энергий его комптоновского рассеяния (КР).
Гамма-физические расчеты, с разработанным алгоритмом перехода от количества зарегистрированных импульсов на выбранных участках спектра, к величине расстояния между источником гамма-излучения и местом проведения измерения, при этом выведена зависимость, связывающая количества зарегистрированных импульсов в указанных энергетических диапазонах с искомым расстоянием:
где
L[м] - расстояние между детектором и источником гамма-излучения,
L
кр
nnn
A - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN/dN в исследуемом месте,
0
0кp
0nnn
А - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN/dN на поверхности детектора (L=0),
∂
Ф - коэффициент, зависящий от аппаратурной линии спектрометра,
nnn
кp
0nnn
0кp
dN, dN, dN, dN - количества зарегистрированных импульсов в областях пика полного поглощения и комптоновского рассеяния источника гамма-излучения.
Описание сущности предложенного изобретения
При прохождении пучка гамма-излучения через вещество происходит ослабление его интенсивности вследствие взаимодействия с атомами. В диапазоне энергий 0,05…3 МэВ наиболее существенны три процесса взаимодействия гамма-квантов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование пары электрон и позитрон [1].
При фотоэффекте (фотоэлектонном поглощении) вся энергия гамма-кванта поглощается атомами, а интенсивность пучка можно определить по соотношению:
где
-1
μ - линейный коэффициент ослабления в веществе, м.
В результате комптон-эффекта происходят процессы поглощения и рассеяния.
Интенсивность рассеянного излучения можно определить из соотношения: [2, 4]
Для воздуха в интервале энергий до 3 МэВ процессом образования пар можно полностью пренебречь[1, 4].
Т.о., при прохождении гамма- излучения через слой вещества от определенных изотопных источников излучений (ИИИ) можно выделить на их спектрах 2 энергетические области:
- область пика полного поглощения, характеризующаяся только процессами поглощения;
- область комптоновского рассеяния, характеризующаяся процессами рассеяния и поглощения.
кp
nnn
Рассмотрим отношение количества γ-квантов в области КР к их количеству в ППП (dN/dN), (Фиг. 1).
Это отношение зависит от:
а) - энергии монолинии (ППП) выбранного изотопа,
∂
б) - характеристик (химический состав форма и размеры) детектора спектрометра (Ф),
в) - характеристик вещества между источником и детектором,
г) - толщине слоя вещества между источником и детектором.
Пункты
а), б), в) - практически всегда известны и постоянны;
кр
nnn
г) - отношение dN/dN является зависимой от толщины слоя, а для Земной атмосферы расстояния от источника гамма-излучения до места детектирования:
откуда
где
L - расстояние между источником излучения и детектором спектрометра,
∂
Ф - функция аппаратурной линии детектора.
nnn
кp
Следовательно, зная энергию ППП изотопа, аппаратурную линию спектрометра, μ воздуха и определив количество импульсов dN и dN на выбранных участках спектрограммы (Фиг. 1) можно определить расстояние между ИИИ и детектором.
Для определения искомой зависимости были проведены следующие гамма-физические расчеты:
- моделирование типа и конфигурации детектора гамма- излучения;
- моделирование энергетических спектров гамма-излучения при прохождении через детектор и слой воздуха.
Использовалась программа ООО «LCRM» EffVarke [3], метод Монте-Карло.
На спектрограммах выделялись 2 участка в вышеуказанных энергетических областях (ППП, КР) и определялись отношения количеств зарегистрированных импульсов (Фиг. 1).
Данная зависимость, аппроксимированная функцией экспоненты, имеет вид:
где
L[м] - расстояние между детектором и источником гамма-излучения,
L
кp
nnn
A - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN/dN в исследуемом месте,
0
0кp
0nnn
А - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN/dN на поверхности детектора (L=0),
∂
Ф - коэффициент, зависящий от аппаратурной линии спектрометра.
nnn
кp
0nnn
0кp
dN, dN, dN, dN - количества зарегистрированных импульсов в областях ППП и КР источника.
137
8
Для подтверждения работоспособности предлагаемого способа и адекватности проведенных гамма-физических расчетов была проведена экспериментальная проверка с использованием спектрометра гамма-излучения Гелинюк (Exploranium GR-820) и изотопного источника Cs, активноситью 1,1*10 Бк.
Источник устанавливался на расстояниях 0, 10, 40, 80, 100 метров от детектора. Энергетические диапазоны выбирались:
- 630…690кэВ
ППП,
- 300…360кэВ
КР.
Время набора спектров определялось необходимой статистикой.
А° (при L=0) составило …0.37.
∂
Ф (в энергетическом диапазоне 0.3…1 МэВ) - 1.2.
Результаты представлены на Фиг. 2.
Расхождение с расчетными данными не превысило 20% с вероятностью Р=0,95.
В процессе реализации предложенный способ заключается в том, что:
1. предварительно, для используемого спектрометра гамма-излучения и определенных изотопных источников расчетно или экспериментально определяют
0
0кр
0nnn
А=dN/dN, (L=0) на участках спектра ППП и КР;
2. устанавливают гамма-спектрометрическую аппаратуру на исследуемом участке местности и проводят набор спектра;
nnn
кp
3. определяют количество зарегистрированных импульсов в выбранных диапазонах dN, dN и вычисляют их отношение
L
кp
nnn
A=dN/dN;
L
0
4. по предлагаемому в «способе…» соотношению и полученным значениям A и А определяют расстояние между источником гамма-излучения и местом проведения измерений:
где
L[м] - расстояние между детектором и источником гамма-излучения,
L
кp
nnn
A - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN/dN в исследуемом месте,
0
0кp
0nnn
А - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN/dN на поверхности детектора (L=0),
∂
Ф - коэффициент, зависящий от аппаратурной линии спектрометра,
nnn
кp
0nnn
0кp
dN, dN, dN, dN - количества зарегистрированных импульсов в областях ППП и КР источника.
Таким образом, применение данного способа позволяет определять расстояние до источников гамма-излучений при отсутствии предварительной информации о их активности, форме, визуализации и с одного местоположения. Необходимые данные берутся целиком с полученной спектрограммы стандартной спектрометрической аппаратуры, при отсутствии необходимости проведения измерений в нескольких точках и коллимирования детектора.
Литература
1. Практикум по ядерной физике / И.А. Антонов, А.Н Бояркин и др. М.: Изд-во Московского университета, 1988.
2. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. Атомиздат, М., 1967.
3. Программа ООО «LCRM» EffVarke, метод Монте-Карло. URL:http://www.lcm.ru
4. Машкович В.П., Кудрявцева А.В. Защита от ионизирующих излучений.