СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ПОРТАЛ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОБЪЕКТОВ В ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКАХ

Область применения
Полезная модель относится к устройствам детектирования ионизирующего излучения и может быть применена для контроля перемещения (санкционированного и несанкционированного) радиоактивных объектов на автомобильных и железнодорожных транспортных магистралях.
Уровень техники
Из уровня техники известен портальный радиационный монитор (патент RU 36739), включающий портал, состоящий из двух боковых стоек с перекрытием, сцинтилляционные детекторы радиоактивных излучений, соединенные со спектрометрическими усилителями, размещенные в боковых стойках портала, электронную систему обработки сигналов, состоящую из аналого-цифрового преобразователя, системного блока персонального компьютера и дисплея персонального компьютера, а также датчики обнаружения объекта и блок световой и звуковой сигнализации, причем спектрометрические усилители соединены с аналого-цифровым преобразователем, аналого-цифровой преобразователь соединен с системным блоком персонального компьютера, а системный блок персонального компьютера соединен с датчиками обнаружения объекта, дисплеем персонального компьютера и блоком световой и звуковой сигнализации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит размещенные в перекрытии портала и соединенные между собой сцинтилляционный детектор радиоактивных излучений и спектрометрический усилитель, который в свою очередь соединен с аналого-цифровым преобразователем.
Из уровня техники известен патент RU 2191408 на «ПОРТАЛЬНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ МОНИТОР». Сущность изобретения: портальный радиационный монитор включает двухстоечный портал с расположенными в нем сцинтилляционными детекторами и спектрометрическими усилителями, а также включает электронную систему обработки сигналов, блок световой и звуковой сигнализации. Сцинтиллятор представляет собой прямоугольный блок, один из концов которого выполнен плоским, а другой - в форме сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр.
Указанные технические решения предназначены для использования в области охраны окружающей среды, а точнее в области регистрации радиоактивных излучений ядерных материалов и радиационно-опасных веществ, причем наиболее эффективно для регистрации и идентификации радионуклидов при перемещении через монитор с помощью различных объектов ядерных материалов и радиационно-опасных веществ, а также для контроля радиационной обстановки окружающей среды.
Для контроля перемещения (санкционированного и несанкционированного) радиоактивных объектов на автомобильных и железнодорожных транспортных магистралях это решение не применимо.
В настоящее время контроль перемещения радиоактивных объектов, которые находятся в транспортных средствах, осуществляется с помощью порталов, где в качестве чувствительного элемента используется сцинтиллятор, полученный методом блочной полимеризации. Несмотря на высокое качество такого сцинтиллятора он обладает рядом недостатков. Остаточный мономер, присутствующий в основе (полистироле) полимеризированного сцинтиллятора, ограничивает срок его эксплуатации примерно 10-ю годами. Схема сбора сцинтилляционного света непосредственно на фотоприемник не позволяет увеличивать чувствительный объем (в действующих порталах предел составляет около 20 литров) без существенных потерь в светосборе и, соответственно, в чувствительности. Это обусловлено тем, что длина затухания света в сцинтилляторе небольшая (λ~1,5÷2,0 м) и сказывается геометрический фактор. Поэтому накладывается ограничение на скорость прохождения транспортного средства через портал. Для автомобильного транспорта (портал «Янтарь 2Л» научно-производственного центра «Аспект») эта величина составляет 8 км/час при пороге обнаружения 120 кБк для Cs-137 источника (зона контроля - 6 м ширина×4 м высота, 4 детектора по 11,5 л). Для железнодорожного транспорта (портал «Янтарь 1-Ж» научно-производственного центра «Аспект») максимальная скорость 25 км/час при пороге обнаружения 900 кБк для Cs-137 источника (зона контроля 6,2 м×4,5 м, 4 детектора по 13,8 литра).
Среди известных порталов, где в качестве чувствительного элемента используется сцинтиллятор, полученный методом блочной полимеризации, можно отметить систему «Янтарь» (см.: http://aspectserv.narod.ru/yantar.htm), которая предназначена для обнаружения несанкционированного перемещения делящихся и радиоактивных материалов через контрольно-пропускные пункты различных объектов (таможенные склады, склады временного хранения). Система рассчитана на непрерывный круглосуточный автоматический режим работы и включает в себя стойку (стойки) расположенные у прохода (проезда) контролируемой зоны; пульт ПВЦ-01 или компьютер с платой согласования.
Система обнаруживает радиоактивные материалы в зоне контроля, ограниченной проходом (проездом) шириной 3-6 м в зависимости от модели используемого монитора, при перемещениях источника со скоростью не более 15 км/ч или при перемещении источника, с остановкой в контролируемой зоне на время не менее 10 секунд.
Технический результат: возможность обнаружения радиоактивных объектов в транспортных потоках со скоростями движения до 60 км/час.
Краткое описание чертежей
На Фиг.1 показано конструктивное устройство детектора, где 1 - Корпус; 2 - Спектросмещающее оптоволокно; 3 - Пластины из литьевого сцинтиллятора; 4 - Переходная втулка для крепления фотодетектора.
На Фиг.2 показана схема умножителя напряжения для фотоприемника, где 5 - фотоприемник; 6 - емкостно-диодный умножитель напряжения; 7 - повышающий трансформатор; 8 - транзисторные ворота; 9 - мастер-генератор; 10 - контрольная схема; 11 - цифро-аналоговый преобразователь; 12 - усилитель; 13 - компаратор; 14, 15 - стабилизаторы напряжения.
Осуществление полезной модели
Заявленный технический результат достигается за счет того, что сцинтилляционный портал (см. Фиг.1) для обнаружения радиоактивных объектов в транспортных потоках, содержащий чувствительный объем (пластический сцинтиллятор), фотодетектор (ФЭУ), электронику (см. Фиг.2) для обработки информации и электропитания, отличающийся тем, что в качестве чувствительного объема используется набор сцинтилляционных пластин (3), выполненных методом литья под давлением на термопластавтоматах, а в качестве светособирающего и светопроводящего элемента используется cпектросмещающее оптическое волокно (2).
2
Предложенная полезная модель дает возможность изготавливать порталы с большой чувствительной площадью (до 50 м), что сокращает время экспозиции и, соответственно, позволяет не ограничивать существенно скорость движения транспортных потоков.
В конструкции используется в десятки раз большая чувствительная площадь сцинтиллятора. Это достигается тем, что полезная модель содержит спектросмещающее оптическое волокно, функцией которого является работа в качестве светособирающего и светопроводящего элемента, а в качестве чувствительного объема (пластического сцинтиллятора) используется набор сцинтилляционных пластин, выполненных методом литья под давлением на термопластавтоматах.
Пластины (3) из литьевого сцинтиллятора выполняют функцию выполняют функцию светоизлучающего элемента. Сцинтилляционный свет возникает при прохождении через сцинтилляционные пластины ионизирующего излучения от радиоактивных объектов. Переходная втулка (4) служит для крепления фотоприемника (ФЭУ) (5) к корпусу (1) детектора.
2
В качестве светособирающего и светопроводящего элемента в полезной модели используется спектросмещающее оптическое волокно (2). Длина затухания света в оптоволокне λ=3,5 м, что позволяет собирать свет с расстояния 2 м с потерями порядка 50%. Использование волоконных петель на противоположной от фотоприемника стороне чувствительного объема и различных типов отражателей (TYVEK на дальней стороне и обычная бумага на ближней к фотоприемнику стороне) позволяет увеличить эффективную длину затухания и обеспечивает однородность светосбора 20% по чувствительному объему детектора порядка 100 л (площадь 2 м). Расчеты и измерения показывают, что количества собираемого света достаточно для обеспечения заявленных параметров детектора.
Применение спектросмещающих волокон в качестве светособирающего элемента позволяет достичь однородности светосбора с чувствительного объема детектора порядка 15% при достаточном количестве собираемого света. Длина затухания света в спектросмещающих волокнах (более 3 м) позволяет доставлять переизлученный свет к фотоприемнику без значительных потерь. Такая схема светосбора позволяет использовать фотоприемники с уменьшенным диаметром фотокатода (30-50 мм) и, соответственно, уменьшить затраты на этот элемент конструкции.
В качестве сырья для производства литьевого сцинтиллятора, из которого состоит чувствительный объем детектора, используется гранулированный промышленный полистирол. Из-за отсутствия остаточного мономера в гранулированном полистироле (это требование к безопасности изделий из полистирола) литьевой сцинтиллятор имеет практически неограниченный срок эксплуатации в нормальных условиях (при отсутствии облучения с дозой более 100 крад/год). Литьевой сцинтиллятор обладает также упрочненной внешней поверхностью - эта поверхность не подвержена растрескиванию со временем, как это происходит в полимеризованном сцинтилляторе после механической обработки.
-3
В качестве фотоприемника (5) используется фотоумножитель (ФЭУ) с фотокатодом диаметром 50 мм и квантовой чувствительностью до 20% в области длин волн 490 нм. В качестве источника питания для фотоприемника может быть использована, например, схема на основе принципа умножителя напряжения Кокрофт-Волтона с низковольтным питанием ±18 В (принципиальная блок-схема представлена Фиг.2). Измерения показали, что эта схема обеспечивает стабильность питания на уровне 10.
2
Исследования показали, что сцинтилляционный портал, составленный из 24 таких детекторов с чувствительным объемом 2400 л и площадью 48 м позволяет обнаружить Cs-137 источник с порогом 60 кБк в зоне контроля 6 м×4 м при скорости транспортного средства около 60 км/час.