ТРАНСПОРТНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ МОНИТОР

Техническое решение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области радиационного контроля и преимущественно может быть использовано для обнаружения источников гамма- или гамма-нейтронного излучения - ядерных материалов и радиоактивных веществ - при проезде транспортных средств через контрольно-пропускные пункты предприятий, организаций и служб и выработки сигнала оповещения при обнаружении ядерных материалов или радиоактивных веществ.
Транспортный монитор является устройством, предназначенным для обнаружения ядерных материалов или радиоактивных веществ в транспортных средствах при пересечении ими контролируемого пространства. На основании ГОСТ Р 51635-2000 этот монитор относится к устройствам радиационного контроля, которые вырабатывают сигнал в том случае, если контролируемые параметры нейтронного и/или гамма-излучения ядерных материалов превышают пределы установленных пороговых значений.
Из уровня техники известны радиационные мониторы, разработанные фирмой «НТЦ РАТЭК» (http://www.ratec-spb.ru), которые предназначены для обнаружения радиоактивных веществ и ядерных материалов в транспортных средствах, пересекающих контролируемое пространство. Одна из разработок фирмы защищена патентом РФ №2384865, где описан портальный радиационный монитор, представляющий собой двухстоечный портал с размещенным в портале контроллером и подключенным к последнему блоком сигнализации. Монитор содержит детекторы гамма-излучения и блок обнаружения объекта и регистрации расстояния. На наружной поверхности портала монитора установлен датчик обнаружения объекта, а в створе портала установлены два датчика пересечения. Известное устройство обеспечивает обнаружение и регистрацию только гамма-излучения и не обладает возможностью регистрировать нейтронное излучение. Кроме того, устройство не имеет технических средств, предназначенных для уменьшения вероятности ложных срабатываний монитора, связанных с влиянием объекта на уровень фона в зоне контроля монитора.
Частично лишены указанных недостатков устройства радиационного контроля транспортных средств, разработанные научно-производственным центром "Аспект". Отдельные разработки этой компании защищены патентами. Например, техническое решение по патенту РФ №2129289 решает задачу повышения эффективность работы устройства для обнаружения радиоактивных материалов. Для получения технического результата, который заключается в обеспечении возможности регистрации материалов, имеющих одновременно гамма- и нейтронное излучение, в устройство, включающее блок детектирования гамма-излучения, датчик присутствия объекта в контролируемой зоне, датчик вскрытия, контроллер обработки информации, блок сигнализации, блок электропитания и пульт управления, введен блок детектирования нейтронного излучения. Однако, как и предыдущее техническое решение, данное устройство не содержит в своем составе технических средств, предназначенных для уменьшения вероятности ложных срабатываний монитора, связанных с влиянием объекта на уровень фона в зоне контроля монитора.
Известен также транспортный портальный радиационный монитор по патенту РФ №2245563. Для решения задачи повышения вероятности обнаружения радиоактивных материалов и предотвращения несанкционированного проезда транспорта, авторы изобретения предлагают монитор, который включает в себя две боковые стойки с детекторами, четыре угловые стойки с детекторами, датчики присутствия, по одному на каждой из четырех угловых стоек, блок звуковой сигнализации, прямоугольный весовой датчик, дорожные блокираторы, установленные у входа и выхода прямоугольного весового датчика, блок электроники с микропроцессором, соединенный с выносным пультом, блоком отображения, прямоугольным весовым датчиком, датчиками присутствия и дорожными блокираторами. Преимуществом данного монитора является наличие дорожных блокираторов, блокирующих несанкционированный проезд транспорта. Наличие в мониторе четырех угловых стоек с детекторами и датчиками присутствия, установленными по одному на каждой из четырех угловых стойках, также является преимуществом, так как повышает вероятность обнаружения радиоактивных веществ и ядерных материалов, но и одновременно - недостатком, так как существенно усложняет конструкцию монитора. В этом мониторе также не предусмотрены меры, направленные на уменьшение вероятности ложных срабатываний монитора, связанных с влиянием объекта на уровень фона в зоне контроля монитора.
Общим недостатком вышеперечисленных устройств является наличие жесткой стационарной конструкции, не позволяющей, в зависимости от предъявляемых к монитору требований, изменять ее конфигурацию.
По патенту РФ №60739 известен транспортный радиационный монитор, имеющий в своем составе две измерительные колонны с расположенными в них датчиками присутствия объекта, блоками детектирования гамма-излучения, блоками детектирования нейтронов, систему световой и звуковой сигнализации, 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. Этот монитор позволяет в любой точке по высоте контролируемого пространства раздельно регистрировать гамма-излучение и нейтроны. Однако здесь не решена проблема повышения чувствительности, поскольку корпус измерительных колонн выполнен из стали и не позволяет регистрировать гамма-излучение низких энергий. Кроме того, датчики присутствия объекта размещены на измерительных колоннах и состоят из одной пары инфракрасных датчиков, что не позволяет учесть влияние объекта (транспортного средства) на уровень фона в зоне контроля монитора и использовать информацию с дополнительных датчиков для уменьшение вероятности ложных срабатываний монитора.
Задачей заявляемого технического решения является разработка транспортного радиационного монитора, обладающего высокой технологичностью конструкции, позволяющей на основе базовой разработки создавать различные модификации монитора, высокой надежностью обнаружения источников гамма- и нейтронного излучения или гамма-излучения и обладающего высокой чувствительностью, особенно для излучателей мягких гамма-квантов и рентгеновского излучения, что особенно важно при регистрации излучений ядерных материалов, а также низкой частотой ложных срабатываний. Дополнительной задачей, решаемой полезной моделью, является возможность контроля наличия транспортного средства на регламентированном расстоянии от зоны контроля, что позволяет соблюдать определенный регламент пропуска транспортных средств через зону контроля монитора.
Для решения поставленной задачи транспортный радиационный монитор содержит систему измерения уровня излучения в зоне контроля, систему контроля присутствия объекта, систему световой и звуковой сигнализации и блок управления, при этом
- система измерения уровня излучения состоит из блоков детектирования гамма- и нейтронного излучения или блоков детектирования гамма-излучения и размещена в двух измерительных колоннах, причем напротив каждого блока детектирования гамма-излучения корпус колонны, ориентированный на зону контроля, оснащен окном, перекрытым экраном, обеспечивающим регистрацию гамма-излучения с низкой энергией и рентгеновского излучения;
- система контроля присутствия объекта содержит, по меньшей мере, один датчик контроля присутствия объекта в зоне контроля и, по меньшей мере, один датчик контроля наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля;
- система световой и звуковой сигнализации связана с системой измерения уровня излучения и системой контроля присутствия объекта через блок управления.
Система измерения уровня излучения, состоящая из блоков детектирования гамма- и нейтронного излучения или блоков детектирования гамма-излучения и размещенная в двух измерительных колоннах, позволяет выполнять регистрацию гамма- и нейтронного излучения или только гамма-излучения. Оснащение корпуса колонны, ориентированного на зону контроля окном, которое размещено напротив каждого блока детектирования гамма-излучения и перекрыто экраном, обеспечивающим регистрацию радиоактивных источников с низкой энергией гамма-излучения и рентгеновского излучения, позволяет существенно повысить чувствительность монитора. Снабжение монитора системой контроля присутствия объекта, которая содержит, по меньшей мере, один датчик контроля присутствия объекта в зоне контроля и, по меньшей мере, один датчик контроля наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля позволяет обеспечить учет влияния транспорта (в первую очередь, большегрузного) на уровень естественного радиационного фона, то есть повысить обнаружительную способность монитора и уменьшить частоту ложных срабатываний, а наличие системы световой и звуковой сигнализации, которая связана с системой измерения уровня излучения и системой контроля присутствия объекта посредством блока управления, обеспечивает визуализацию состояния монитора и выработку сигнала тревоги при превышении уровнем гамма- и нейтронного излучения или гамма-излучения заданного порога.
Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- измерительные колонны дополнительно содержали термодатчики и тепловентиляторы, что позволяет расширить температурный диапазон работы монитора, а также предотвратить возникновение ситуаций, приводящих к выходу из строя оборудования;
- измерительные колонны дополнительно содержали датчики несанкционированного доступа, что предотвратит возможность взлома или повреждения колонны;
- экран был выполнен из материала, слабо поглощающего гамма-излучение низких энергий и рентгеновское излучение, например из пластика, что значительно повысит чувствительность монитора особенно для излучателей мягких гамма-квантов и рентгеновского излучения;
- датчик контроля присутствия объекта в зоне контроля и датчик контроля наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля были выполнены в виде инфракрасных, или ультразвуковых, или магнитных датчиков;
- блок управления был выполнен на основе контроллера, имел энергонезависимую память, информационные и релейные выходы;
- дополнительно были включены средства управления перемещением объекта, что позволит управлять перемещением и регулировать движение транспортного средства в зоне контроля и вне указанной зоны.
Указанные преимущества, а также особенности настоящего технического решения поясняются лучшим вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры. На фигурах изображены:
фиг.1 - общий вид монитора;
фиг.2 - временная гистограмма монитора при проезде транспорта без задержки;
фиг.3 - временная гистограмма монитора при проезде транспорта с задержкой перед зоной контроля (датчики наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля не используются);
фиг.4 - временная гистограмма монитора при проезде транспорта с задержкой перед зоной контроля (датчики наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля используются в алгоритме определения значения порога срабатывания).
На фиг.1 позициями обозначены:
1 - измерительная колонна,
2 - блок детектирования нейтронного излучения,
3 - блок детектирования гамма-излучения,
4 - окно с экраном, выполненное в корпусе колонны 1,
5 - датчики контроля присутствия объекта в зоне контроля,
6 - датчики контроля наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля:
а) - ультразвуковой,
б) - магнитная петля,
7 - блок световой и звуковой индикации,
8 - выносной блок индикации.
На фиг.2 позициями обозначены:
9 - текущий уровень гамма-излучения, измеряемый монитором,
10 - значение порога срабатывания,
11 - состояние датчиков присутствия (верхний уровень - объект в зоне действия датчиков).
На фиг.3 позициями обозначены:
12 - текущий уровень гамма-излучения, измеряемый монитором,
13 - значение порога срабатывания,
14 - состояние датчиков присутствия объекта в зоне контроля (верхний уровень -объект в зоне действия датчиков),
А - выработка сигнала «тревога» - ложное срабатывание.
На фиг.4 позициями обозначены:
15 - текущий уровень гамма-излучения, измеряемый монитором,
16 - значение порога срабатывания,
17 - состояние датчиков присутствия объекта в зоне контроля (верхний уровень -объект в зоне действия датчиков),
18 - состояние датчиков наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля (верхний уровень - объект в зоне действия датчиков).
Транспортный радиационный монитор (фиг.1) включает две измерительные колонны 1, расположенные на регламентированном расстоянии друг от друга по разные стороны дорожного полотна. Для обеспечения работы блоков детектирования и электронных устройств в широком диапазоне температур, внутренние поверхности каждой колонны 1 покрыты теплоизолирующим материалом; для обеспечения поддержания температуры внутри каждой колонны не ниже заданной, а также циркуляции воздуха внутри колонны (для исключения образования конденсата), используются тепловентиляторы, управляемые термодатчиками (на чертеже не показаны). Колонны радиационного транспортного монитора защищены от несанкционированного вскрытия специальными датчиками - датчиками несанкционированного доступа (на чертеже не показаны). При вскрытии колонны 1 соответствующее сообщение передается на рабочее место оператора (на чертеже не показано) и в случае, если данная опция установлена при настройке, раздается непрерывный звуковой сигнал.
3
Система измерения уровня излучения включает блоки детектирования нейтронного излучения 2 и блоки детектирования гамма-излучения 3, которые размещены в измерительных колоннах 1. Блок детектирования гамма-излучения 3 выполнен из сцинтиллятора на основе полистирола объемом не менее 10000 см и двух фотоэлектронных умножителей, включенных в схему совпадений. Для повышения «обнаружительных» свойств монитора к гамма-излучению блоки детектирования 3 с трех сторон окружены свинцовой защитой. Блок детектирования нейтронов 2 представляет собой Не-3 пропорциональный счетчик, помещенный в полиэтиленовый замедлитель.
Напротив каждого блока детектирования 3 в корпусе измерительной колонны 1 располагается окно 4, перекрытое экраном. Экран изготовлен из материала, слабо поглощающего гамма-излучение с низкой энергией по сравнению с материалом самого корпуса колонны, например из пластика. Это позволяет существенно повысить чувствительность монитора для излучателей мягких гамма-квантов и рентгеновского излучения, что особенно важно при регистрации излучений ядерных материалов.
Для регистрации факта наличия объекта измерения (транспортного средства, на чертеже не показан) в контролируемом пространстве, монитор оснащается системой контроля присутствия, в состав которой входят датчики контроля 5 присутствия объекта в зоне контроля, а также датчики контроля 6 (на чертеже - 6а и 6б) наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля, которые используются для снижения частоты ложных срабатываний монитора. В качестве датчиков контроля 5 присутствия объекта в зоне контроля могут быть использованы инфракрасные, ультразвуковые датчики, индукционные магнитные петли и другие датчики присутствия и движения. Использование нескольких датчиков позволяет скомпенсировать эффекты депрессии уровня фонового излучения большегрузным транспортом. Датчики контроля 6 наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля также могут быть выполнены в виде инфракрасных, ультразвуковых датчиков, индукционных магнитных петель и других типов датчиков.
Для отображения режимов работы и состояния монитора и его составных частей, а также визуализации сигнала тревоги при превышении уровнем гамма- и нейтронного излучения или гамма-излучения заданного порога, предназначена система световой и звуковой индикации, которая может включать, например, блок 7 световой и звуковой индикации, выносной блок индикации 8.
Управление работой всех систем монитора осуществляется контроллером, расположенном в блоке управления монитора (на чертеже не показан). Блок управления имеет энергонезависимую память. Для подключения внешней ЭВМ и возможности включения монитора в единую информационную сеть используются стандартные протоколы обмена данными (TCP/IP, CAN). Информационные и релейные выходы могут использоваться также для подключения средств наблюдения и управления перемещением объекта (система видеонаблюдения, светофоры, шлагбаумы и пр.).
Рассмотрим типовой алгоритм работы портального транспортного монитора. Система измерения уровня излучения осуществляет регистрацию гамма- или гамма- и нейтронного излучения, измеряет скорости счета детекторов гамма-квантов и нейтронов, входящих в состав блоков детектирования 2 и 3, соответственно, а также, в соответствии с заданным алгоритмом, отслеживает изменения уровня фонового излучения и определяет пороговое значение, при превышении которого вырабатывается сигнал тревоги. При срабатывании хотя бы одного датчика контроля 5 присутствия объекта (транспортного средства, на фиг.1 не показан) в зоне контроля (момент 11 на фиг.2), монитор прекращает адаптацию уровня фонового излучения, фиксирует значение порога и проводит измерение уровня излучения от объекта. Хорошо известен эффект влияния самого объекта на уровень фонового излучения, особенно ослабление этого уровня большегрузным автотранспортом (линия 9 на фиг.2). При проезде автомобиля через зону контроля без остановки при описанном выше алгоритме, этот эффект не оказывает влияния на увеличение вероятности ложных срабатываний. Однако, рассмотрим вариант, когда большегрузный транспорт останавливается непосредственно перед зоной контроля (например, для досмотра или проверки документов). При этом датчики контроля 5 присутствия объекта в зоне контроля еще не срабатывают, монитор продолжает измерять фоновые значения гамма-излучения и адаптировать пороговое значение (линии 12 и 13 на фиг.3), а влияние объекта на уровень фона уже заметно, фон подавляется. Затем, при движении транспорта через зону контроля, происходит измерение уровня излучения от объекта, и при выезде, когда транспорт уже не экранирует фон, может произойти превышение установленного порога и выработка сигнала тревоги (момент А на фиг.3), то есть ложное срабатывание. Аналогичная ситуация может возникнуть при остановке транспорта непосредственно после зоны контроля. После выезда транспорта из зоны контроля и срабатывании датчика контроля 5 в зоне контроля может выработаться сигнал ложной тревоги.
Для исключения подобной ситуации необходимо «запретить» монитору измерение изменений фона и адаптации порога на регламентированном расстоянии от зоны контроля - там, где заметно влияние объекта на уровень фона. Для этого используют датчики контроля 6 наличия объекта на регламентированном расстоянии от зоны контроля. При срабатывании хотя бы одного датчика контроля 6 (момент, обозначенный линией 18 на фиг.4), монитор прекращает адаптацию уровня фонового излучения, фиксирует значение порога. Измерение уровня излучения от объекта начинается при срабатывании хотя бы одного датчика контроля 5 присутствия объекта в зоне контроля (момент, обозначенный линией 17 на фиг.4), сигнал ложной тревоги не вырабатывается.
При пояснении сущности технического решения использован вариант конфигурации устройства, когда монитор (фиг.1) включает две измерительные колонны, причем каждая колонна состоит из двух шкафов, размещенных вертикально друг над другом. При этом система измерения уровня излучения включает как блоки детектирования гамма-, так и блоки детектирования нейтронного излучения. В вариантном исполнении, в зависимости от конкретных требований потребителя, вместо блоков детектирования нейтронов могут быть установлены блоки детектирования гамма-излучения. Кроме того, шкафы в колоннах монитора могут быть размещены горизонтально рядом друг с другом. Помимо этого, для контроля малогабаритного транспорта, например, каров, погрузчиков, багажных лент, конструкция монитора может быть выполнена в виде колонны из одного измерительного шкафа.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет решить задачу повышения надежности обнаружения источников гамма- и нейтронного излучения или только гамма-излучения. Заявляемый монитор обладает высокой чувствительностью и позволяет выполнять обнаружение не только радиоактивных источников с высокой энергией гамма-излучения, но и с низкой энергией (менее 60 кэВ) гамма-излучения и рентгеновского излучения, что особенно важно при регистрации излучений ядерных материалов, обладает низкой частотой ложных срабатываний.
Модульность конструкции и гибкость алгоритма работы позволяют, в зависимости от обстановки на объекте контроля и требований заказчика, формировать большой набор различных модификаций радиационных мониторов.