ТРАНСПОРТНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ МОНИТОР

Изобретение относится к области средств обнаружения и контроля уровня ионизирующего излучения и наиболее эффективно может быть использовано для выявления несанкционированного перемещения ядерных материалов (ЯМ) и радиоактивных веществ (РВ) в железнодорожном и автомобильном транспорте на предприятиях ядерно-энергетического, ядерно-оружейного комплекса и других учреждениях, вовлеченных в процессы производства, хранения, переработки или транспортировки ЯМ и РВ.
Известен транспортный портальный радиационный монитор, реализующий способ выявления источника ионизирующего излучения в движущемся объекте (Патент РФ №2142644, МПК G 01 T 1/166, дата подачи заявки 1998.06.23, дата публикации 1999.12.10). В состав известного радиационного монитора входят две измерительные колонны, блок электроники с микропроцессором, датчики присутствия объекта измерения и система звуковой и световой сигнализации (выносной пульт). В каждой измерительной колонне в верхней и нижней частях расположены блоки детектирования гамма-излучения и блоки детектирования нейтронов. Недостатками известного транспортного портального радиационного монитора являются:
- блок электроники не входит в состав измерительных колонн, выполнен в виде выносного блока, связан с колоннами кабелями и должен располагаться в закрытом отапливаемом помещении, например, в караульном помещении контрольно-пропускного пункта, что усложняет установку радиационного монитора на месте эксплуатации и требует прокладки дополнительных кабельных трасс;
- требуется индивидуальное согласование выходных сигналов каждого блока детектирования с входными устройствами блока электроники, что исключает взаимозаменяемость блоков детектирования без дополнительной подстройки, ограничивает расстояние между измерительными колоннами и блоком электроники, а также усложняет процесс настройки монитора;
- отсутствие в составе измерительных колонн нагревательного элемента увеличивает нижнюю границу температурного диапазона работы радиационного монитора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является портальный радиационный монитор (Патент РФ №2191408, МПК G 01 T 1/167, дата подачи заявки 2000.12.08, дата публикации 2002.10.20), который включает двухстоечный портал с расположенными в нем сцинтилляционными блоками детектирования и спектрометрическими
3
усилителями, а также включает электронную систему обработки сигналов, датчики присутствия объекта и систему звуковой и световой сигнализации. Каждый из сцинтилляционных блоков детектирования состоит из пластикового сцинтиллятора объемом не менее 10000 см, соединенного с преобразователем световых сигналов в электрические (фотоэлектронным умножителем или фотодиодом), снабженным высоковольтным источником питания. Электронная система обработки сигналов состоит из аналого-цифрового преобразователя, дисплея и соединенного с ними системного блока персонального компьютера, причем электронная система обработки сигналов соединена своим системным блоком персонального компьютера с датчиками присутствия объекта, высоковольтными источниками питания преобразователей световых сигналов в электрические и системой звуковой и световой сигнализации, а аналого-цифровым преобразователем через спектрометрические усилители с преобразователями световых сигналов в электрические сцинтилляционных блоков детектирования. Пластиковые сцинтилляторы представляют собой каждый прямоугольный блок, один из концов которого выполнен плоским, а другой в форме сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр. К торцу цилиндра присоединяется преобразователь световых сигналов в электрические. Плоский конец пластикового сцинтиллятора и его боковые поверхности покрыты слоями материалов с различными светоотражающими характеристиками. Соотношения длин слоев вдоль боковой поверхности подобраны таким образом, чтобы на выходе каждого из преобразователей световых сигналов в электрические разница между величинами импульсов фототока, полученных под воздействием световых квантов, образовавшихся в результате радиоактивного облучения любого пластикового сцинтиллятора в его наиболее удаленных друг от друга точках, не превышало бы 10%.
Недостатками известного портального радиационного монитора являются:
- отсутствие в мониторе высокочувствительных блоков детектирования нейтронов, нечувствительных к гамма-излучению, не позволяет раздельно регистрировать гамма-излучение и нейтроны, следовательно, порог обнаружения ЯМ и РВ путем регистрации излучаемых нейтронов завышен в десятки раз по сравнению с мониторами, имеющими в своем составе детекторы, обеспечивающие раздельную регистрацию гамма излучения и нейтронов;
- использование в сцинтилляционных детекторах одного преобразователя световых сигналов в электрические (фотоэлектронный умножитель или фотодиод) не позволяет снизить электронными методами влияние шумов преобразователя на порог обнаружения (особенно при высоких температурах окружающей среды), даже при изменении на нем
высокого напряжения и, соответственно, обеспечить стабильность порога обнаружения в широком диапазоне температур;
- пластиковые сцинтилляторы, представляющие прямоугольный блок, один из концов которого выполнен плоским, а другой в форме сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, не технологичны, сложны в изготовлении и ограничены в изменении своих размеров (длина, ширина, высота);
- отсутствие в составе измерительных колонн нагревательного элемента ограничивает нижнюю границу температурного диапазона работы портального монитора.
Заявляемый транспортный радиационный монитор устраняет указанные недостатки прототипа и решает следующие задачи:
- раздельно регистрирует гамма-излучение и нейтроны, с высокой чувствительностью в любой точке по высоте контролируемого пространства;
- обеспечивает стабильность основных характеристик и надежность работы монитора в широком диапазоне температур.
При этом обладает следующими преимуществами:
- технологичностью изготовления, сборки и настройки;
- простотой и удобством в эксплуатации;
- возможностью создавать различные модификации транспортных радиационных мониторов, отличающихся, как по составу блоков детектирования, так и по высоте измерительных колонн.
Задачи решаются следующим образом. В транспортный радиационный монитор, включающий две измерительные колонны с расположенными в них датчиками присутствия объекта, блоками детектирования гамма-излучения, и систему световой и звуковой сигнализации, введены блоки детектирования нейтронов, датчики несанкционированного доступа, датчики температуры, тепловентиляторы и блок управления системой детектирования, который соединен с блоками детектирования гамма-излучения и нейтронов, датчиками присутствия объекта, системой световой и звуковой сигнализации, датчиками несанкционированного доступа, датчиками температуры и тепловентиляторами.
Измерительные колонны выполнены на основе электротехнических шкафов производства компании RITTAL. В состав колонн входят: блоки детектирования гамма-излучения, блоки детектирования нейтронов, датчик несанкционированного доступа, тепловентилятор и, в состав одной из колонн - блок управления системой детектирования.
3
Блок детектирования гамма-излучения конструктивно выполнен в виде «моноблока» и состоит из сцинтиллятора на основе полистирола, представляющего параллелепипед объемом не менее 10000 см, длиной не менее 100 см и окруженного светоотражающими покрытиями, двух фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), закрепленных на незащищенном светоотражающим материалом торце пластикового сцинтиллятора, высоковольтного источника питания для ФЭУ, усилителя-формирователя сигналов с ФЭУ, устройства амплитудно-временного отбора сигналов с ФЭУ, защитного кожуха с разъемом для питания блока детектирования и съема с него логических сигналов, поступающих на блок управления системой детектирования. Наличие устройства амплитудно-временного отбора снижает влияние шумов ФЭУ при высоких температурах окружающей среды (до +50°С) и, соответственно, уменьшает порог обнаружения ЯМ и РВ.
Блок детектирования нейтронов также представляет собой «моноблок» и включает в себя: Не-3 пропорциональный счетчик объемом не менее 0,8 литров, длиной не менее 100 см и помещенный в полиэтиленовый замедлитель, высоковольтный источник питания пропорционального счетчика, предусилитель-формирователь сигналов со счетчика, дискриминаторы верхнего и нижнего уровня, защитный кожух с разъемом для питания блока детектирования и съема с него логических сигналов поступающих на блок управления системой детектирования. Дискриминаторы верхнего и нижнего уровня обеспечивают отбор сигналов с пропорционального счетчика соответствующих регистрации нейтронов.
«Моноблочная» структура построения блоков детектирования гамма-излучения и нейтронов обеспечивает взаимозаменяемость блоков без их перенастройки, повышает устойчивость к воздействию внешних факторов.
Для обеспечения защиты блоков детектирования и электронных устройств от резкого перепада температуры снаружи колонн, внутренние поверхности колонн покрыты теплоизолирующим материалом - пеноплексом толщиной не менее 35 мм.
Расположение блоков детектирования в измерительной колонне выполнено таким образом, чтобы обеспечить однородность чувствительности по высоте транспортного радиационного монитора к гамма-нейтронному излучению не более ±15%, определенной вдоль вертикальной оси симметрии монитора.
Блок управления системой детектирования включает в себя микропроцессор, плату питания блоков детектирования, плату питания и управления тепловентиляторами. Блок управления системой детектирования соединен с блоками детектирования,
системой световой и звуковой сигнализации, датчиками присутствия объекта, датчиками несанкционированного доступа, датчиками температуры и тепловентиляторами.
Сигналы от датчиков температуры поступают в блок управления системой детектирования, который управляет работой тепловентиляторов, обеспечивающих подогрев измерительных колонн изнутри при низких температурах окружающей среды (до -50°С).
Для повышения чувствительности нейтронных блоков детектирования к нейтронам спектра деления и, соответственно, снижению порогов обнаружения ЯМ, они помещены в дополнительный полиэтиленовый замедлитель.
Система звуковой и световой сигнализации состоит из двух блоков: выносной индикатор (ВИ) и выносной индикатор - CAN (ВИ-CAN). ВИ устанавливается на одной из боковых поверхностей измерительной колонны в непосредственной близости от оператора, осуществляющего контроль работы монитора. ВИ-CAN размещается в караульном помещении контрольно-пропускного пункта. ВИ-CAN помимо звукового излучателя и светодиодных излучателей содержит релейный выход для оповещения внешнего контура охраны об обнаружении ЯМ и РВ в контролируемом пространстве монитора, кнопку «Сброс» и разъем РС-4 для подключения и внешней ЭВМ. С помощью внешней ЭВМ и сервисной программы проверяется работа транспортного радиационного монитора в различных режимах, тестируется работа гамма- и нейтронных каналов обнаружения и устанавливаются параметры, определяющие работу монитора. В случае обнаружения ЯМ или РВ кнопка «Сброс» переводит монитор в исходное состояние.
При открывании дверей измерительных колонн во время работы монитора срабатывают датчики несанкционированного доступа и подается сигнал на блок управления системой детектирования.
Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-2, где на фиг.1 представлен внешний вид транспортного радиационного монитора, где обозначено:
1 - измерительные колонны;
2 - датчики присутствия объекта;
3 - выносной индикатор;
4 - выносной индикатор - CAN.
На фиг.2 представлена структурная схема транспортного радиационного монитора, где обозначено:
2 - датчики присутствия объекта;
3 - выносной индикатор;
4 - выносной индикатор - CAN.
5 - блоки детектирования гамма-излучения;
6 - блоки детектирования нейтронов;
7 - датчики температуры;
8 - датчики несанкционированного доступа;
9 - тепловентиляторы;
10 - блок управления системой детектирования.
3
Транспортный радиационный монитор, содержит две измерительные колонны 1 с расположенными в них датчиками присутствия объекта 2, блоками детектирования гамма-излучения 5, блоками детектирования нейтронов 6, датчиками несанкционированного доступа 8, датчиками температуры 7, тепловентиляторами 9 и блок управления системой детектирования 10, который соединен с блоками детектирования гамма-излучения и нейтронов 5 и 6, датчиками присутствия объекта 2, датчиками и несанкционированного доступа 8, датчиками температуры 7, тепловентиляторами 9 и системой световой и звуковой сигнализации, состоящей из выносного индикатора (ВИ) 3, установленного на одной из боковых поверхностей колонны 1 или рядом с оператором монитора, и выносного индикатора CAN (ВИ-CAN) 4, имеющего релейный выход для оповещения внешнего контура охраны об обнаружении ядерных материалов или радиоактивных веществ в контролируемом пространстве, кнопку «Сброс» для перевода монитора в исходное состояние, разъем для подключения к внешней ЭВМ и установленного в караульном помещении контрольно-пропускного пункта. Блок детектирования гамма-излучения 5 состоит из пластикового сцинтиллятора в форме параллелепипеда со светоотражающими покрытиями, объемом не менее 10000 см и длиной не менее 100 см, двух фотоэлектронных умножителей, закрепленных на незащищенном светоотражающим материалом торце пластикового сцинтиллятора, высоковольтного источника питания для фотоэлектронных умножителей, усилителя-формирователя сигналов с фотоэлектронных умножителей, устройства амплитудно-временного отбора сигналов с фотоэлектронных умножителей, защитного кожуха с разъемом для питания блока детектирования гамма-излучения и съема с него логических сигналов, поступающих на блок управления системой детектирования. Блок детектирования нейтронов 6 состоит из Не-3 пропорционального счетчика объемом не менее 0,8 литров и длиной не менее 100 см и помещенного в полиэтиленовый замедлитель, высоковольтного источника питания пропорционального счетчика, предусилителя-формирователя сигналов со счетчика, дискриминаторов верхнего и нижнего уровня, защитного кожуха с
разъемом для питания блока детектирования нейтронов 6 и съема с него логических сигналов, поступающих на блок управления системой детектирования 10. Внутренние поверхности колонн 1 покрыты теплоизолирующим материалом толщиной не менее 35 мм. Блок управления системой детектирования 10 содержит микропроцессор, плату питания блоков детектирования 5 и 6, плату питания и управления тепловентиляторами 9.
Управление работой транспортного радиационного монитора (МТ) осуществляет блок управления системой детектирования 10, который обрабатывает информацию, поступающую от блоков детектирования гамма-излучения 5, блоков детектирования нейтронов 6, датчиков присутствия объекта 2, датчиков несанкционированного доступа 8, датчиков температуры 7 и вырабатывает управляющие сигналы на тепловентиляторы 9 и систему звуковой и световой сигнализации ВИ 3 и ВИ-CAN 4.
МТ имеет четыре основных режима работы: «Прогрев», «Набор фона», «Ожидание» и «Измерение».
Включение МТ осуществляется подачей на него напряжения от внешней сети. После подачи питания на МТ он автоматически переходит в режим «Прогрев». На старте режима подается короткий звуковой сигнал. Режим «Прогрев» предназначен для приостановки работы МТ на время выхода аналоговых устройств в рабочий режим. В этом режиме, чередуясь с интервалом в 1 секунду, мигают красный и желтый индикаторы на ВИ 3 и ВИ-CAN 4.
По окончании прогрева МТ переходит в режим «Набор фона». В режиме набора фона происходит тестирование блоков детектирования 5 и 6 и набор значений скорости счета фонового гамма- и нейтронного излучений. При старте и при завершении режима подается короткий звуковой сигнал, на ВИ 3 и ВИ-CAN 4 с интервалом в 1 секунду мигает желтый индикатор. Набранные значения скорости счета будут в дальнейшем являться базовыми при принятия решения о наличии ЯМ или РВ у объекта измерения. Во время набора фона доступ в контролируемое пространство МТ (пространство, ограниченное расстоянием между измерительными колоннами 1 и их высотой) запрещен. При срабатывании датчиков присутствия 2 подается продолжительный звуковой сигнал, и набор фона прекращается. После удаления из контролируемого пространства МТ объекта, вызвавшего срабатывание датчиков присутствия 2, набор фона продолжается.
После завершения набора фона МТ переходит в режим «Ожидание» и на ВИ 3 и ВИ-CAN 4 загорается зеленый индикатор. В отсутствие объекта измерения МТ производит автоматическое слежение за изменением фона и периодический контроль состояния блоков детектирования 5 и 6. При изменении радиационной обстановки в месте расположения МТ выше заданной подается короткий звуковой сигнал, на ВИ 3 и
ВИ-CAN 4 с интервалом в 1 секунду мигает желтый индикатор. По истечении 5 секунд или при нажатии кнопки «Сброс» на ВИ-CAN 4 монитор возвращается в режим «Ожидание». На ВИ 3 и ВИ-CAN 4 загорается зеленый индикатор.
В случае выхода из строя одного из блоков детектирования 5 и 6 неисправный блок детектирования автоматически отключается и осуществляется передача сообщения на внешнюю ЭВМ. МТ продолжает находиться в режиме «Ожидание», при этом порог обнаружения монитора ухудшается.
После появления объекта в контролируемом пространстве датчики присутствия 2 вырабатывают соответствующий сигнал, МТ прекращает отслеживание фона и переходит в режим «Измерение». На ВИ 3 и ВИ-CAN 4 гаснет зеленый индикатор и загорается желтый.
В режиме «Измерение» производится анализ содержимого счетных каналов, набранного за заданный период времени от срабатывания датчиков присутствия 2. В случае превышения интенсивности гамма- или нейтронного излучения над порогом обнаружения, заданным относительно уровня фона, подается длительный звуковой сигнал, на ВИ 3 и ВИ-CAN 4 загорается красный индикатор, сопровождаемый мигающим желтым или зеленым индикатором. Сочетание горящего красного и мигающего зеленого индикатора соответствует обнаружению по каналу регистрации гамма-излучения, горящего красного и мигающего желтого означает обнаружение по каналу регистрации нейтронов, а горящего красного с мигающими желтым и зеленым - обнаружение одновременно по каналу регистрации гамма-излучения и по каналу регистрации нейтронов.
При обнаружении ЯМ и РВ работа МТ приостанавливается. После удаления объекта контроля на расстояние не менее 10 м от МТ, нажатием кнопки «Сброс» на ВИ-CAN 4 или автоматически через 20 секунд монитор переводится в режим «Ожидание».
В случае отсутствия ЯМ или РВ у объекта по окончании процедуры контроля на ВИ 3 и ВИ-CAN 4 гаснет желтый индикатор и загорается зеленый, после чего МТ готов к продолжению работы.
При открывании дверей измерительных колонн 1 срабатывают датчики несанкционированного доступа 8 и подается продолжительный звуковой сигнал.
При падении температуры внутри измерительных колонн 1 ниже заданной, включаются тепловентиляторы 9. После повышения температуры до уровня, достаточного для нормального функционирования электронных устройств измерительных колонн 1, тепловентиляторы 9 выключаются.
Опыт эксплуатации транспортного радиационного монитора на различных предприятиях подтвердил его заявленные преимущества и показал широкие возможности
монитора в решении различных задач по противодействию незаконному обороту ядерных материалов и радиоактивных веществ.