УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЯ
APPARATUS FOR REMOTE DETECTION OF ALPHA-RADIATION SOURCES

Предлагаемое изобретение относится к области радиационной экологии и может быть использовано для дистанционного поиска остатков ядерного топлива, например плутония, загрязняющих поверхности в результате аварий или в ходе производственных процессов.
Известно устройство для дистанционной регистрации альфа-частиц, описанное в патенте [1], и его модификации, представленные в патентах [2÷8]. В устройстве [1] использована ионизационная камера с проницаемыми сетчатыми электродами, сквозь которые прокачивается воздух, содержащий аэроионы, возникшие в результате ионизации воздуха альфа-частицами. Детектирование излучения осуществляется путем измерения ионизационного тока между электродами.
Модификации устройств, описанные в патентах [2÷8], отличаются формой электродов, режимом подачи напряжения на электроды, способом транспортировки ионов в ионизационную камеру, режимом съема и обработки сигналов с выхода усилителя постоянного тока. Технические решения, используемые в устройствах, представленных в патентах [2÷8], направлены на повышение эффективности регистрации аэроионов, расширение области применения, снижение стоимости оборудования. Например, устройство [4] предназначено для регистрации радона, содержащегося в воздушной пробе, помещенной внутрь рабочего объема детектора. Общим признаком для устройств, представленных в патентах [1÷8], является наличие ионизационной камеры, предназначенной для измерения интегрального ионизационного эффекта, произведенного в воздухе излучениями разной природы, т.е. наряду с источниками альфа-излучения регистрируются источники бета- и гамма-излучения. Измерение ионизационного тока не позволяет различать источники излучения разной природы. Таким образом, с помощью устройств [1÷8] не осуществляется выделение ионизации от альфа-излучения на фоне сопутствующего бета- и гамма-излучения, что является их существенным недостатком.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению и принятым за прототип является устройство [9] для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, и калибровочный альфа-источник, калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному детектору, выполненному газоразрядным, и компаратор, причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, выход - с управляющим входом источника рабочего напряжения, выход которого подключен также к калибровочному детектору.
Особенностью газоразрядного детектора аэроионов, открытого на воздух, является отсутствие плато счетной характеристики, что в традиционных детекторах является недостатком. Это обстоятельство используется для нахождения оптимального рабочего напряжения.
Избирательность регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующего излучения иной природы в прототипе является следствием разницы в эффективности дистанционной регистрации ионных сгустков, образующихся на следах частиц с различной ионизирующей способностью. Средняя плотность ионизации на следах альфа-частиц выше, чем на следах электронов, и это является причиной более высокой эффективности регистрации. Под эффективностью здесь понимается вероятность появления хотя бы одного импульса на выходе детектора при поступлении в рабочий объем всех аэроионов, доставленных со следа ионизирующей частицы. Эффективность регистрации однозначно связана со скоростью счета импульсов с детектора. В работе [10] было показано, что при различных значениях атмосферного давления, температуры и влажности воздуха существует диапазон рабочих напряжений, в котором эффективность дистанционной регистрации частицы зависит от плотности ионизации в ионном сгустке, перемещенном с трека ионизирующей частицы к аноду счетчика. Эффективность тем выше, чем выше плотность ионов в сгустке. Ширина диапазона рабочих напряжений составляет величину порядка 10÷15 В. Например, при изменении атмосферного давления в пределах (750÷770) Торр, температуры - (14÷30)°С и влажности (30÷90)% диапазон рабочих напряжений остается в пределах (3800÷4000) В (приведенные значения справедливы, разумеется, для конкретного детектора). В указанном интервале всегда можно выделить диапазон напряжений шириной 10÷15 В, в котором эффективность регистрации ионных сгустков со следа альфа-частицы в десятки раз превышает эффективность для сгустков со следа электрона. В прототипе отслеживание эффективности регистрации достигается благодаря точной установке рабочего (анодного) напряжения в процессе калибровки, в ходе которой происходит сравнение скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора с заранее заданным значением скорости счета, определяемым активностью калибровочного источника. По результату сравнения компаратором вырабатывается сигнал управления, в соответствии с которым напряжение на выходе источника рабочего напряжения изменяется таким образом, чтобы уменьшить разницу между измеренным значением скорости счета калибровочного детектора и заданным значением вплоть до достижения их равенства с заданной точностью. Коррекция осуществляется в пошаговом режиме с точностью ±3 В. Такая оптимизация позволяет сохранить достаточно высокую эффективность регистрации альфа-частиц на фоне низкоэффективной регистрации сопутствующих бета- и гамма-излучений.
Калибровочный детектор выполнен аналогично измерительному, работает в режиме ограниченной пропорциональности и регистрирует аэроионы, создаваемые калибровочным альфа-источником, расположенным на расстоянии порядка 10 см (т.е. превышающем длину пробега альфа-частицы в воздухе) от детектора. Аэроионы переносятся к анодной проволочке с помощью электрического поля, создаваемого между источником и детектором.
Недостатками данного устройства являются:
Наличие двух газоразрядных детекторов аэроионов - измерительного и калибровочного, характеристики которых не могут быть полностью идентичны. Поэтому оптимальные значения рабочего напряжения для этих детекторов могут не совпадать, следовательно, после выполнения операции калибровки рабочего напряжения эффективность регистрации ионных сгустков со следов альфа-частиц для измерительного детектора может оказаться заметно ниже, чем для калибровочного.
Использование одного калибровочного источника альфа-частиц не позволяет при первоначальной настройке прибора детально исследовать (для калибровочного детектора) рабочий диапазон анодных напряжений с целью выделения в нем поддиапазона, где отношение эффективности регистрации (скорости счета) ионных сгустков со следов альфа-частиц к эффективности регистрации для сгустков со следов электронов будет максимальным, т.е. найти оптимальное значение рабочего анодного напряжения. В соответствии с этим рабочим напряжением и наклоном счетной характеристики может быть найдено «калибровочное» значение скорости счета детектора и допустимая точность его задания.
Кроме того, применение в устройстве радиоактивного источника (даже с малой активностью) создает определенные проблемы при транспортировке и ограничивает область его применения (настройка прибора должна выполняться в специальной лаборатории).
Целью предлагаемого изобретения является повышение избирательности регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих излучений иной природы и расширение области применения устройства.
Поставленная цель достигается тем, что устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, компаратор (цифровой), первый вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, а выход - с управляющим входом источника рабочего напряжения, дополнительно содержит двухэлектродную ячейку (систему) «игла-плоскость» для создания коронного разряда, второй источник напряжения, аналоговый компаратор, резистор-потенциометр и источник опорного напряжения, причем второй вход цифрового компаратора соединен с выходом измерительного счетчика импульсов, двухэлектродная ячейка «игла-плоскость» сопряжена с блоком переноса аэроионов, первый электрод двухэлектродной ячейки - катод (игла) - подключен к выходу второго источника напряжения, а второй - коллектор (анод), выполненный в виде сетки, - подключен к первому входу аналогового компаратора и к первому выводу резистора-потенциометра, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала (заземлен), второй вход аналогового компаратора подключен к выходу источника опорного напряжения, выход соединен с управляющим входом второго источника напряжения.
Совокупность существенных признаков предложенного устройства: «двухэлектродная ячейка (система) «игла-плоскость» для создания коронного разряда, второй источник напряжения, аналоговый компаратор, резистор-потенциометр и источник опорного напряжения, причем второй вход цифрового компаратора соединен с выходом измерительного счетчика аэроионов, двухэлектродная ячейка «игла-плоскость» сопряжена с блоком переноса аэроионов, первый электрод двухэлектродной ячейки - катод (игла) - подключен к выходу второго источника напряжения, а второй - коллектор (анод), выполненный в виде сетки, - подключен к первому входу аналогового компаратора и к первому выводу резистора-потенциметра, второй вывод которого подключен к шине нулевого потенциала (заземлен), второй вход аналогового компаратора подключен к выходу источника опорного напряжения, выход соединен с управляющим входом второго источника напряжения, обеспечивает повышение избирательности регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих излучений иной природы и расширение области применения устройства. Это достигается путем использования при калибровке и измерениях одного и того же детектора аэроионов, что позволяет исключить при переходе от калибровки рабочего напряжения источника питания к измерениям влияние неполной идентичности характеристик измерительного и калибровочного детекторов аэроионов, и благодаря применению при калибровке регулируемого источника аэроионов на основе коронного разряда, что позволяет на этапе калибровки производить более точное определение рабочего напряжения источника питания детектора аэроионов, чем при использовании одного калибровочного альфа-источника.
На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для дистанционного обнаружения альфа-частиц, на фиг.2 - один из возможных вариантов выполнения измерительного детектора.
Устройство для дистанционного обнаружения альфа-частиц содержит измерительный открытый на воздух детектор 1 аэроионов, сопряженный с блоком 2 переноса аэроионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору и подключенный к источнику 3 рабочего напряжения и к измерительному счетчику 4 импульсов соответственно, компаратор 5 (цифровой), один вход которого подключен к шине 6 наперед заданного числа, другой вход - к выходу счетчика 4 импульсов, а выход компаратора 5 - к управляющему входу источника 3 рабочего напряжения, двухэлектродную ячейку «игла-плоскость» 7 для создания коронного разряда, первый электрод которой - игла - соединен с выходом второго источника 8 напряжения, а второй электрод - коллектор, выполненный в виде сетки, - к первому входу аналогового компаратора 9 и к первому выводу резистора-потенциометра 10 соответственно, другой вывод которого соединен с шиной нулевого потенциала, второй вход аналогового компаратора 9 подключен к источнику 11 опорного напряжения, а выход аналогового компаратора 9 подключен к управляющему входу второго источника 8 питания. Исследуемая поверхность, содержащая источники альфа-излучения, обозначена позицией 12.
2
2
Измерительный детектор 1 (см. фиг.2) может быть выполнен в виде плоскопараллельного счетчика (регистратора) заряженных частиц с проволочным анодом, снабженным охранными электродами. Две заземленные катодные плоскости 13 выполнены из проводящего материала. Анодная проволочка 14 из нержавеющей стали расположена симметрично между катодами параллельно их плоскостям. Охранные электроды 15 связаны с анодом через сопротивления утечки 16. Рабочее значение потенциала на аноде зависит от температуры, давления и влажности и в результате калибровки устанавливается в пределах 3800÷4100 В. Газоразрядная регистрация аэроионов осуществляется за счет образования свободных электронов в процессах соударения отрицательных ионов кислорода с молекулами O и N в области электрического поля напряженностью 100 В/(см·Торр).
В предлагаемом устройстве использованы стандартные элементы современной техники.
Устройство работает следующим образом. После включения питания устройства выполняется операция калибровки рабочего напряжения детектора 1 аэроионов, на первом этапе которой осуществляется установка тока коронного разряда двухэлектродной ячейки 7 «игла-плоскость», на первый электрод которого - иглу - подается отрицательное напряжение от второго источника 8 напряжения. Эта установка выполняется с помощью аналогового компаратора 9, на первый вход которого поступает напряжение, определяемое током сетки-коллектора двухэлектродной ячейки 7 и резистором-потенциометром 10, на второй вход - напряжение, формируемое источником 11 опорного напряжения, а выход соединен с управляющим входом второго источника 8 напряжения. Ток второго электрода (коллектора) двухэлектродной ячейки 7 благодаря выравниванию напряжений на входах компаратора 9 однозначно определяется выходным напряжением источника 11 опорного напряжения. При этом большая часть тока коронного разряда, формируемого у первого электрода - иглы - замыкается на коллектор-сетку благодаря ее экранирующим свойствам, однако часть тока проходит через коллектор-сетку в блок 2 переноса аэроионов (выбором размера ячейки сетки и толщины проволоки, ее образующей, эту долю ионного тока можно изменять) и далее к детектору 1 аэроионов. В процессе первоначальной настройки устройства величина тока коронного разряда, а следовательно, и ионного тока, проходящего через коллектор-сетку, может регулироваться с помощью резистора-потенциометра 10. После установки тока коронного разряда непосредственно выполняется калибровка рабочего напряжения источника 3, причем она должна выполняться либо в «чистом», т.е. заведомо свободном от загрязнения альфа-активными нуклидами помещении, либо блок 2 переноса аэроионов должен быть надежно изолирован от окружающей среды («потенциально загрязненной» поверхности с помощью специальной диафрагмы-фильтра). Зарегистрированные импульсы, возникшие при попадании в рабочий объем детектора 1 аэроионов, доставленных блоком 2 переноса аэроионов от ячейки 7 с помощью электрического поля, существующего между двухэлектродной ячейкой 7 и детектором 1, с выхода измерительного счетчика 4 импульсов поступают на другой вход цифрового компаратора 5. В результате сравнения скорости счета импульсов с выхода измерительного детектора 1 с заранее заданной величиной скорости счета на шине 6 наперед заданного числа (на соответствующем входе компаратора 5), определяемой в процессе первоначальной настройки предлагаемого устройства и соответствующей оптимуму рабочего напряжения, компаратор 5 вырабатывает сигнал на проведение коррекции рабочего напряжения, который поступает на управляющий вход источника 3 рабочего напряжения, подаваемого на измерительный детектор 1. Коррекция напряжения осуществляется пошагово с точностью ±3 В. При достижении заданного значения скорости счета с выхода детектора 1 коррекция прекращается. Таким образом устанавливается оптимальное рабочее напряжение на измерительном детекторе 1 и операция калибровки завершается. В режиме измерений аэроионы, возникшие на следах альфа-частиц вблизи исследуемой поверхности 12, доставляются в рабочий объем измерительного детектора 1 с помощью блока 2 переноса аэроионов. Перенос осуществляется с помощью воздушного потока и электрического поля. Импульсы от зарегистрированных аэроионов с выхода измерительного детектора 1 поступают на вход измерительного счетчика 3, выход которого является информационным выходом устройства.
Предлагаемое устройство обладает по сравнению с прототипом более высокой избирательностью при дистанционной регистрации источников альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих бета- и гамма-излучений благодаря надежному обеспечению более существенной разницы между эффективностями регистрации ионных сгустков со следов альфа-частиц и электронов. Кроме того, предлагаемое устройство не содержит в своем составе источника радионуклидов, что обеспечивает свободную его транспортировку и, тем самым, облегчает его широкое применение, поскольку в противном случае настройка прибора может производиться лишь в специальной лаборатории.
Предложенное устройство было разработано при выполнении проекта «Разработка опытного образца портативного прибора для оперативного обнаружения альфа-радиоактивных загрязнений газоразрядным методом в целях экологического мониторинга, предупреждения радиационного терроризма, в случае техногенных катастроф или военных действий» по контракту №7327 р/10171 от 21.09.2009 г., финансируемого Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Проведенные в рамках этого проекта исследования подтвердили достижение в предложенной совокупности существенных признаков поставленной цели изобретения.
Список литературных источников
1. США, пат. №5184019 от 2.02.1993 г., 250/380, H01J 47/02.
2. США, пат. №5194737 от 16.03.1993 г., 250/382, G01T 1/18.
3. США, пат. №5187370 от 16.02.1993 г., 250/379, G01T 1/185.
4. США, пат. №5281824 от 25.01.1994 г., 250/380, H01J 47/02.
5. США, пат. №5311025 от 10.05.1994 г., 250/384, G01V 5/00.
6. США, пат. №5525804 от 16.06.1996 г., 250/380, G01T 1/02.
7. США, пат. №5550381 от 27.08.1996 г., 250/380, G01T 1/18.
8. США, пат. №5877502 от 02.03.1999 г., 250/382, G01T 1/185.
9. Патент РФ №2158009 от 20.10.2000 г., кл. G01T 1/167.
10. В.П.Мирошниченко, Б.У.Родионов, В.Ю.Чепель. Аэроионная регистрация ионизирующих частиц. // Письма в ЖТФ. - 1989. - Т.15. - Вып.12. - С.53-54.