Составные блоки детектирования — новый класс приборов для контроля радиационной обстановки

УДК 539.1.074.3

СОСТАВНЫЕ БЛОКИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ - НОВЫЙ КЛАСС ПРИБОРОВ ДЛЯ КОНТРОЛЯ РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ

НЕКРАСОВ В.В., БОРОДЕНКО Ю.А.,

ГРИНЕВ Б.В, ПИВЕНЬ Л.А,

СЕЛЕГЕНЕВ Е.М.

Описывается впервые разработанный составной блок детектирования, состоящий из двух детекторов типа «сцинтиллятор-фотодиод», которые стыкуются с многовходным микропроцессором, со встроенным аналого-цифровым преобразователем.

1. Актуальность, цель и задачи исследований

Потенциальная опасность атомной энергетики связана с возможностью облучения населения региона размещения атомной станции в случае аварии на ней с выбросом радиоактивных веществ в окружающую среду. Наряду с усилиями по разработке все более совершенных и безопасных конструкций реакторов и блоков атомных станций уделяется много внимания внедрению в практику автоматизированных систем радиационного контроля (АСРК) на АЭС. Такая система является основой для принятия оптимальных организационных мероприятий, связанных с защитой персонала станции, населения и ликвидации последствий аварии.

В комплекс технических средств АСРК входят блоки и устройства детектирования, которые определяют технические характеристики всей системы.

В настоящее время во всех системах контроля радиационной обстановки на АЭС Украины используется аппаратура контроля радиационной безопасности (АКРБ) типа АКРБ-08.

В системе дозиметрического контроля АКРБ-08 использованы разработанные специально для нее блоки детектирования мощности экспозиционной дозы — излучения типа БДМГ-08Р-3, модификации которых охватывают диапазон МЭД от 5Т0-4 до Т103 рентген/ч (р/ч). Эти блоки разработаны на базе галогенных счетчиков типа СБМ-20, СБМ-21, СИ-38М, СИ-3БГ, и по основным параметрам (основная погрешность измерения МЭД — излучения — ± 30%, зависимость чувствительности от энергии у -излучения диапазон ± 30%, диапазон регистрируемых энергий 0,12—3,00 МэВ) не удовлетворяют современным требованиям, предъявляемым к устройствам этого класса, являются морально устаревшими и к тому же не производятся на территории Украины. Поэтому задача разработки и освоения серийного производства блоков детектирования нового поколения для систем АКРБ в Украине является очень важной и актуальной.

Цель — разработать блок детектирования у -излучения на основе системы “сцинтиллятор-фотодиод” для систем радиационной безопасности АЭС.

Задачи: 1) разработать детекторы у -излучения типа “сцинтиллятор-фотодиод”; 2) разработать и изготовить электронные узлы блока детектирования; 3) составить алгоритмы статистической обработки исходной информации; 4) разработать программное обеспечение; 5) провести сравнительные исследования эксплуатационных параметров новых блоков детектирования.

2. Исходные предпосылки

Системы сцинтиллятор-фотодиод” [1] выгодно отличаются как от системы сцинтиллятор-ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), так и от традиционных газоразрядных счетчиков более низким напряжением питания, меньшей потребляемой мощностью, небольшими габаритными размерами, надежностью и стабильностью характеристик, нечувствительностью к магнитным полям. Однако существенным недостатком этих детекторов является необходимость регистрации очень маленьких электрических зарядов, а также сильная энергетическая зависимость чувствительности [2]. В особенности это обнаруживается для детекторов, которые работают в счетном режиме, где, как известно [3], эффективность детектора, отнесенная к измеряемой мощности дозы (так называемый ход с жесткостью” датчика) при условии m/h << 1 (что выполняется для средних и высоких энергий), определяется соотношением:

n сч = V • Р 2 PB E р kmb ,

где РВ — мощность дозы у -излучения, которая падает на детектор Рв = р kmb ' ^0 ; псч — скорость счета, которая регистрируется детектором; E у — энергия излучения, которая регистрируется; р kmb — массовый коэффициент передачи энергии у -излучения в воздухе; р z — линейный коэффициент ослабления у -излучения в материале сцинтиллятора; І0 — интенсивность излучения, которое падает на детектор; V = S-h—объем сцинтиллятора. Из анализа этого соотношения видно, что дозовая

чувствительность

детектора зависит от соотно-

п

сч

Р

B

шения

Е.

р kmb

Р

z

и обратно пропорциональна энергии

3. Алгоритм работы и принцип построения составного блока детектирования

Современная элементная база дает возможность одновременно с измерением средней скорости счета импульсов, возникающих в детекторе при регистрации у -квантов во всем энергетическом диапазоне, проводить и анализ распределения амплитуд импульсов, пропорциональных энергиям у -излучения. Это возможно при использовании спектро-

РИ, 2004, № 2

17

метрических усилителей, разработанных специально для системы сцинтиллятор ’’фотодиод” и многовходных микропроцессоров со встроенным аналого-цифровым преобразователем. Наличие нескольких независимых входов в микропроцессоре дает возможность одновременного получения как величины N — средней скорости счета, так и распределения амплитуд, регистрируемых несколькими детекторами у -излучения с разными объемами сцинтиллятора, что позволяет более оптимально распределить дозовую нагрузку на детекторы. Формула (1) при этом имеет такой вид:

( ,, X

• F

Р

В

, z

И kmb

где фактор Fe , который получен экспериментально и заложен в память микропроцессора, компенсирует как зависимость 1/Е, так и “невоздухоэквивалентность” сцинтиллятора детектора.

Наши исследования показали, что для перекрытия диапазона регистрируемых мощностей доз (10-5— 1,0 р/ч) вполне достаточно двух детекторов типа “сцинтиллятор-фотодиод” на основе сцинтиллятора Cs(Tl) с объемами (2 х 2 х 2) см3 и (0,5 х 0,5 х 0,5) см3 соответственно.

Рабочая формула такого составного детектора имеет вид:

N1

I NlEdE • F1E

Р Emax___

+ J N2EdE • F2e

^ Emin

,

E

P

E

P

1

где индекс 1 — присвоенный детектору большого объема (а соответственно - большей чувствительности) , который работает в диапазоне мощностей доз, начиная из фона уровня a =Pmjn до величины Р = Pi • N imax, соответствующей максимальной загрузке для этого детектора; индекс 2 — детектору малого объема, который рассчитан для работы в диапазоне мощностей доз, начиная с Рі и вплоть до максимальной мощности дозы, равной ~ 1,0 р/ч. Блок-схема описанного устройства имеет вид, приведенный на рисунке.

Блок-схема составного детектора: 1.1 — детектор типа “сцинтиллятор-фотодиод” на первый поддиапазон; 1.2 — комбинированный детектор (ППД+”СЦ-ФД”); 2.1, 2.2 - спектрометрические усилители; 3 -контроллер на базе микропроцессора

Таким образом, составной блок детектирования имеет два детектора, каждый из которых оптимизирован на конкретный участок рабочего диапазона энергий и мощностей доз:

— детектор счетного режима на средние и высокие энергии, охватывает диапазон энергий 0,2-3МэВ, представляет собой детектор типа “сцинтилляторфотодиод”, оснащенный сцинтиллятором Cs(Tl) увеличенного размера (~25 х 25 мм), и соответ-

ственно повышенной чувствительности в диапазоне мощностей доз, начиная от уровня фона ~ 10 мкР/ч и до ~ 20 мР/ч;

— комбинированный детектор счетного режима, используемый для энергий 0,02-0,2 МэВ как ППД-кремниевый детектор в диапазоне мощностей доз 10-5—2Т0-2р/ч и как детектор типа “сцинтилляторфотодиод” для энергий (0,02-3 МэВ) в диапазоне мощностей доз (~0,02- 1р/ч.); конструктивно представляет собой сборку, состоящую из фотодиода площадью 10 х 10 мм и сцинтиллятора Cs(Tl) размерами 5 х 5 мм.

Сигналы с обоих детекторов (1.1, 1.2), усиленные спектрометрическими усилителями (2.1, 2.2), подаются на контроллер составного блока детектирования 3, который представляет собой двухканальную систему обработки данных, обеспечивает одновременное измерение средних скоростей счета импульсов по обоим каналам, автоматическое переключение детекторов в зависимости от регистрируемой мощности дозы и энергии излучения. В памяти микропроцессора, используемого в контроллере, находятся корректирующие коэффициенты и факторы F(E), полученные экспериментально для каждого конкретного экземпляра детектора и компенсирующие зависимость 1/Е. В результате обработки_на выходе контроллера формируется величина N — средняя скорость счета (значение которой пропорционально мощности дозы у -излучения, падающей на блок детектирования, и неизменное при одинаковых мощностях дозы в диапазоне энергий 0,05-3 МэВ), которая через интерфейс RS-485 подается на систему отображения данных. Исследования и анализ экспериментальных данных показали достаточно высокую воспроизводимость параметров детекторов (система “сцинтиллятор-фотодиод-предусилитель”), разработанных и освоенных в исследовательском производстве в НТК “Институт монокристаллов”.

4. Результаты испытаний составного блока детектирования

В табл. 1 приведены результаты комплексных исследований одного из составных блоков детектирования, а также значения погрешностей измерений мощности поглощенной дозы (МИД) в диапазоне мощностей доз от уровня фона до величин ~1500Д0-6 мкГр/с в зависимости от энергии излучения. В выделенных строках даны погрешности измерений, которые получены при одинаковых МИД для энергий 0,059 МэВ (241Am), 0,661 МэВ (137Cs) и (1172+13325) МэВ (6“Co). В последней графе приведено распределение (в процентном соотношении) энергий регистрируемых g-квантов, которые попали в соответствующие интервалы энергий: 1 канал — 0,03-0,5 МэВ; 2 канал — 0,5-0,8 МэВ; 3 канал — 0,8-1,4 МэВ; 4 канал — 1,4-3 МэВ.

Анализ данных, приведенных в табл. 1, позволяет сделать следующие выводы:

—погрешность измерений мощности поглощенной дозы СБД не превышает ±10 % в диапазоне мощностей доз от уровня фона до 1500-10-6 мкГр/ с и в диапазоне энергий 0,059—1,3 МэВ;

18

РИ, 2004, № 2

— по процентному распределению энергий по каналам есть возможность идентификации регистрируемых радионуклидов.

Эти выводы подтверждают данные, полученные в результате аналогичных исследований с использованием источников 137Cs активностью ~101000 Бк (набор ОСГИ №700) и типа ГС7.012.1 №824 активностью 6,0Л06 Бк, которые приведены в табл. 2.

5. Выводы

Таким образом, использование в ПРК составных блоков детектирования у -излучения системы «сцин-тиллятор-фотодиод-предусилитель-микропроцес-сор» позволило существенно повысить точность измерения мощности поглощенной дозы во всем диапазоне энергий и мощностей доз регистрируемых у -излучений. Исследования показали, что погрешность измерения ПДД в диапазоне мощностей доз (24,36-10-6 — 2,436 мкГр/с) и энергий 0,05— 3 МэВ не превысила ±10%.

Научная новизна: впервые создан составной блок детектирования, в состав которого входят два детектора типа “сцинтиллятор-фотодиод”, состыкованные с многовходовым микропроцессором.

Сравнительный анализ: использование спе-циально разработанного алгоритма обработки сигналов, поступающих с детекторов на микропроцессор, позволило скорректировать “ход с жесткостью” детектора, повысить чувствительность и в 100 раз (по сравнению с аналогами, например,

БДМГ- 41) при сохранении рабочего диапазона измерения мощностей доз излучения и снизить погрешность измерений до ±10% во всем рабочем диапазоне мощностей доз и энергий у -излучения.

Практическое значение: разработанный составной блок детектирования пригоден для использования в качестве датчика излучения автономных постов АСКРО и систем безопасности АЭС вместо БДМГ, используемых в настоящее время. На его основе в НТК «Институт монокристаллов» разработана, сделана и опробована система АСКРО, которая состоит из центрального поста и 8 автономных постов радиационного контроля.

Бороденко Юрий Афанасьевич, канд. техн. наук ИСМА НТК «Институт монокристаллов». Научные интересы: рост и термомеханическая обработка оптических и сцинтилляционных кристаллов для различных отраслей науки и техники. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр. Ленина, 60, тел. 30-79-44.

Гринев Борис Викторович, д-р техн. наук, член.-корр. АН Украины, директор ИСМА НТК «Институт монокристаллов». Научные интересы: ядерная физика и сцинтилляторы. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр. Ленина, 60, тел. 30-70-56.

Пивень Леонид Алексеевич, канд. физ.-мат. наук, вед. н. сотрудник, ИСМА НТК «Институт монокристаллов». Научные интересы: разработка новых типов детекторов радиационного излучения. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр. Ленина, 60, тел. 30-83-68.

Селегенев Евгений Михайлович, канд. физ.-мат. наук, ст. н. сотрудник, ИСМА НТК «Институт монокристаллов». Научные интересы: проблемы ядерной физики. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр. Ленина, 60, тел. 30-83-68.

Таблица 1

Таблица 2

Литература: 1. Даншин Е.А., Пивень Л.А., Рыжиков В.Д., Селегенев Е.М. Использование в дозиметрии детектора типа сцинтиллятор-фотодиод в счетном режиме // ПТЭ. 1991. №4. С. 65-69. 2. Даншин Е.А., Пивень Л.А., Рыжиков В.Д., Селегенев Е.М. Дозиметр на базе сцинтиэлектронного детектора // ПТЭ. 1995. №6. С.75- 80. 3. ИвановВ.И. Курс дозиметрии. М.: Атомиздат, 1969. 392с.

Поступила в редколлегию15.05.2004

Рецензент: д-р физ.-мат. наук,

проф.Толмачев А.В.

Некрасов Василий Владимирович, канд. техн. наук ИСМА НТК «Институт монокристаллов». Научные интересы: радиационное приборостроение. Адрес: Украина, 61001, Харьков, пр. Ленина, 60, тел. 30-74-13.

РИ, 2004, № 2

Е, МэВ г, см D, (мкГр/с)- •10б V, 1/с D, (мкГр/с)-10'6 (измере- ние) AD, % Распределение по каналам, %

0,059 4,41 166,72 232 172,96 3,7 99; 0; 0; 0

3,41 278,82 375 279,53 0,2 99; 0; 0; 0

2,41 558,33 764 569,54 2,0 99; 0; 0; 0

0,661 7,75 277,7 372 277,7 0,0 64; 35; 0; 0

6,25 426,79 563 419,72 -1,6 О о СП so

5,25 605,10 858 639,45 5,7 59; 40; 0; 0

4,25 923,24 1400 1043,58 13,0 56; 43; 0; 0

3,25 1579,06 2331 1712,14 8,4 51; 47; 0; 0

1,1732 + 1,3325 9,3 210,64 276 205,72 -4,8 45; 38; 15; 0

8,10 277,70 354 263,82 -8,1 44; 39; 15; 0

7,30 341,77 432 322,04 -5,7 46; 44; 9; 0

6,30 458,94 593 442,13 -3,6 44; 48; 7; 0

5,30 648,59 824 614,12 -5,3 44; 52; 2; 0

4,30 985,31 1302 970,50 -1,5 34; 44; 20; 0

Источник излучения г, см D, (мкГр/с)- •10'6 V, 1/с D, (мкГр/с)- 10'6 (измерение) AD, %

ОСГИ №700 137Cs А=101189 Бк 7,75 277,70 372,00 277,70 0,0

6,25 426,79 563,00 419,72 -1,6

5,25 605,10 858,00 639,45 5,7

4,25 923,24 1400,00 1043,58 13,0

3,25 1579,06 2331,00 1712,14 8,4

ТТ7СІ типу ГС 7.012.1 №824 А=6,0Юб Бк 15,00 4311,72 13,65 4433,52 2,8

10,00 9744,00 31,65 10279,92 5,5

5,00 38976,00 32,00 42873,60 10,0

2,50 155904,00 5175,00 168084,00 7,8

1,50 431172,00 1402,50 45532,00 5,6

1,00 974400,00 3075,00 998760,00 2,5

19