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

Заявляемое 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.
Из существующего уровня техники 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.
Недостатком данного устройства является сложность обеспечения (практически недостижимость) максимальной чувствительности устройства при регистрации альфа-излучения на фоне сопутствующих излучений другой природы (т.е. при сохранении селективности), что объясняется сложностью задания оптимального рабочего напряжения на аноде измерительного газоразрядного детектора, вызванной неидентичностью геометрических параметров двух детекторов невозможностью получения в процессе изготовления тождественных геометрических параметров двух детекторов (измерительного и калибровочного). Следует иметь в виду, что даже микронные отклонения в центровке тонкой анодной проволочки (диаметр ~ 30 мкм) относительно плоских пластин - катодов приводят к заметному отличию значений анодных напряжений (3÷10 В), при которых показания счета двух детекторов в аналогичных условиях оказываются с приемлемой точностью одинаковыми. Это означает, что при одном и том же рабочем напряжении скорость счета кластеров аэроионов от одного и того же источника альфа-излучения для этих детекторов может отличаться в несколько раз. Следовательно, после выполнения операции калибровки рабочего напряжения эффективность регистрации ионных сгустков со следов альфа-частиц для измерительного детектора может оказаться либо заметно ниже, чем для калибровочного, что означает потерю чувствительности устройства, либо значительно выше, что может привести к потере селективности - устройство может начать регистрировать сгустки аэроионов со следа электрона, что недопустимо. Кроме того, неоптимальная установка рабочего напряжения на аноде измерительного детектора не дает возможности использовать устройство для количественной оценки активности обнаруженных источников альфа-излучения, что позволило бы расширить функциональные возможности устройства.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении чувствительности устройства при регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих излучений иной природы и расширение его функциональных возможностей.
Технический результат 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 измерительному счетчику импульсов, калибровочный детектор, аналогичный измерительному, сопряженный с калибровочным источником альфа-излучения и соединенный с калибровочным счетчиком импульсов и с источником питания соответственно, причем выход калибровочного счетчика импульсов соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, а выход - с управляющим входом источника напряжения, дополнительно содержит первый и второй резисторы, переменный резистор (потенциометр) и блок памяти, причем первый вывод первого резистора подключен к измерительному детектору и первому входу переменного резистора, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и входом блока памяти, второй вывод второго резистора подключен к общей точке, второй вывод переменного резистора и подвижной отводной контакт объединены и подключены к выходу источника питания.
Совокупность существенных признаков предложенного устройства: первый и второй резисторы, переменный резистор (потенциометр) и блок памяти, причем первый вывод первого резистора подключен к измерительному детектору и первому входу переменного резистора, второй вывод первого резистора соединен с первым выводом второго резистора и входом блока памяти, второй вывод второго резистора подключен к общей точке, второй вывод переменного резистора и подвижной отводной контакт объединены и подключены к выходу источника питания.
Сущность изобретения заключается в значительно более точном задании рабочего напряжения измерительного детектора, что обеспечивает существенную и стабильную разницу (в десятки раз) между эффективностями регистрации ионных сгустков со следов альфа-частиц и электронов. Она поясняется чертежом на фиг.1, на котором представлена блок-схема предлагаемого устройства для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения.
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 1 и подключенный к измерительному счетчику 3 импульсов, калибровочный детектор 4, аналогичный измерительному детектору 1, сопряженный с калибровочным источником 5 альфа-излучения и соединенный с калибровочным счетчиком 6 импульсов и с источником 7 питания соответственно, причем выход калибровочного счетчика 6 импульсов соединен с первым входом компаратора 8, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа 9, а выход - с управляющим входом источника 7 питания, первый резистор 10, один вывод которого подключен к измерительному детектору 1 и первому входу переменного резистора 11 (потенциометра), другой вывод первого резистора 10 соединен с первым выводом второго резистора 12 и входом блока 13 памяти, второй вывод второго резистора 12 подключен к общей точке, второй вывод переменного резистора-потенциометра 11 и подвижной отводной контакт объединены и подключены к выходу источника 7 питания. Исследуемая поверхность, содержащая источники альфа-излучения, обозначена позицией 14.
2
2
Измерительный детектор 1 и калибровочный детектор 4 могут быть выполнены в виде плоскопараллельного счетчика (регистратора) заряженных частиц с проволочным анодом, снабженным охранными электродами аналогично описанному в [9]. 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 заявляемом устройстве использованы стандартные элементы современной техники.
A1
A2
A1
A2
Работает устройство следующим образом. На первом этапе предварительной настройки (подготовка устройства к работе) проводятся сравнительные испытания двух детекторов, предназначенных для применения в устройстве в качестве измерительного и калибровочного, либо непосредственно в устройстве, либо на специальном стенде, в качестве которого может быть использована секция заявляемого устройства, включающая следующие элементы: калибровочный детектор 4, сопряженный с калибровочным источником 5 альфа-излучения, калибровочный счетчик 6 импульсов, источник 7 питания, причем выход калибровочного счетчика 6 импульсов соединен с первым входом компаратора 8, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа 9, а выход - с управляющим входом источника 7 питания и резисторы 10-12 и переменный резистор (потенциометр) 11, причем отводной контакт резистора-потенциометра 11 должен быть установлен в крайнее левое положение (сопротивление резистора-потенциометра 11 в этом состоянии равно нулю). На калибровочный детектор 4 (в роли которого используется один из двух тестируемых детекторов) подается анодное напряжение с источника 7, соответствующее нижней границе диапазона регулирования рабочих напряжений. При этом напряжении регистрации импульсов аэроионов, возникших на следах частиц от калибровочного альфа-источника 5 не происходит. Затем производится ступенчатое повышение этого напряжения (с шагом ~3 В), поскольку в этой ситуации с выхода компаратора 8 на управляющий вход источника 7 поступает сигнал, соответствующий команде на повышение напряжения на выходе источника 7, так как на втором входе компаратора 8 присутствует сигнал, соответствующий заданной на шине 9 скорости счета. Наступает момент, когда напряжение на аноде детектора 4 достигает значения, при котором начинается регистрация импульсов аэроионов, возникших на следах частиц от калибровочного альфа-источника 5 (это значение определяется совокупностью внешних факторов: давлением, температурой и влажностью и геометрическими размерами детектора 4). Зарегистрированные импульсы аэроионов с выхода калибровочного детектора 4 через калибровочный счетчик 6 поступают на первый вход компаратора 8. Компаратор 8 производит сравнение скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора 4 с заранее заданной на шине 9 величиной скорости счета и вырабатывает сигнал на проведение дальнейшей коррекции рабочего анодного напряжения, который поступает на управляющий вход источника питания 7. Коррекция напряжения продолжается до момента, когда скорость счета импульсов с выхода калибровочного детектора 4 станет равной значению скорости счета, заданному на шине 9. Следует иметь в виду, что временные периоды измерений на каждой «ступени» должны быть достаточно длительными с учетом флуктуации процесса ионизации. Соответствующее значение анодного напряжения (U) измеряется с помощью прецизионного делителя напряжения, состоящего из резисторов 10-12 и фиксируется в блоке 13 памяти. Затем, на втором этапе предварительной настройки, на стенде (в «калибровочной» секции) в качестве калибровочного используется второй детектор из тестируемой пары и операция, описанная выше, повторяется. Определяется и фиксируется в блоке 13 памяти значение анодного напряжения (U), при котором достигается та же скорость счета (с приемлемой точностью), что и для первого детектора. Эти значения анодного напряжения U и U (для первого и второго детекторов соответственно) сравниваются и в качестве измерительного выбирается детектор с меньшим значением рабочего (анодного) напряжения (если детекторы имеют одинаковое рабочее напряжение, что маловероятно, то измерительным может быть любой из двух детекторов). После этого при отключенном питании необходимо провести подстройку (корректировку) резистивного делителя, состоящего из резисторов 10-11-12 в цепи питания измерительного детектора, путем изменения сопротивления резистора-потенциометра 11 с целью обеспечения соответствующего сдвига напряжения (обычно на величину 3÷12 В) на аноде измерительного детектора 1 относительно детектора 4 (естественно, что должно выполняться соотношение R10>>R11, R12). Естественно, что в качестве резистора-потенциометра 11 должен быть использован многооборотный потенциометр, а в качестве высоковольтного резистора 10 - прецизионный (с точностью не ниже 0,1%) резистор с большим сопротивлением или цепочка последовательно включенных прецизионных резисторов. Следует отметить, что подключение газоразрядного детектора к источнику питания осуществляется через резистор достаточно большой величины [9], поэтому влияние резистора 11 на процесс регистрации ионного кластера можно считать пренебрежимо малым.
После завершения процедуры предварительной настройки (калибровки) устройство работает аналогично прототипу. Т.е. в начале каждого цикла измерений производится поиск рабочего напряжения в соответствии с условиями окружающей среды аналогично первой фазе описанной выше процедуры. После определения оптимального рабочего напряжения начинается фаза измерений. Аэроионы, возникшие на следах альфа-частиц вблизи исследуемой поверхности 14, переносятся в рабочий объем измерительного детектора 1 с помощью блока 2 для переноса ионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору. Перенос ионов осуществляется с помощью воздушного потока или электрического поля, создаваемого измерительным детектором 1 и исследуемой поверхностью 14. Импульсы от зарегистрированных ионов с выхода измерительного детектора 1 поступают на измерительный счетчик 3, выход которого является информационным выходом устройства. Для обеспечения высокой чувствительности устройства и точности измерений при проведении длительных циклов измерений и при изменении условий окружающей среды (давление, температура, влажность) калибровку следует производить периодически.
Заявляемое устройство обладает по сравнению с прототипом более высокой чувствительностью (и точностью) 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 и имеет большие функциональные возможности.
Предложенное устройство было разработано при выполнении работ по проекту РНП 2.1.2/954 «Исследование нового метода оперативного контроля загрязнения воды альфа-активными радионуклидами» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)», финансируемой Министерством образования и науки Российской Федерации. 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, том 15, вып.12, с.53-54, июнь 1989 г.