УСТРОЙСТВО НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам контроля делящихся материалов без нарушения их структуры и состава и может быть использована для контроля сохранности количества, состава и конфигурации делящихся материалов, содержащихся в контейнере, без его вскрытия при паспортизации изделий из таких материалов.
Такие регистрируемые характеристики делящегося, материала как энергетическое распределение гамма-квантов и относительная скорость счета нейтронов, связаны с массой, изотопным составом и геометрической формой образца делящегося материала, что позволяет применять метод радиационной паспортизации при осуществлении контроля за сохранностью этих материалов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение оперативности контроля и возможности работы в различных условиях внешнего радиационного фона.
Известны устройства неразрушающего дистанционного контроля делящихся материалов, с помощью которых можно осуществить количественный метод определения их массы и изотопного состава при проведении проверки сохранности. Так, например, известен гамма-спектрометрический детектор [патент US 4617466, 14.10.86], определяющий количество и изотопный состав делящихся материалов по интенсивности и форме измеряемого гамма-спектра. Использование такого детектора ограничивается недостаточной универсальностью, длительностью контрольных процедур, высокой стоимостью оборудования и повышенными требованиями к квалификации персонала.
Известно устройство контроля делящихся материалов, предназначенное для дистанционного одновременного детектирования нейтронного и гамма-излучения, регистрации источников нейтронов на фоне гамма-излучения, которое используют в дозиметрической таможенной практике для решения задач Госатомнадзора, для систем радиационного мониторинга и систем специального радиационного технического контроля [патент RU 2189057, 10.09.2002]. В состав устройства входит детектор нейтронов, включающий размещенные в едином корпусе внешний нейтронный сцинтиллятор, выполненный из чувствительного к быстрым нейтронам водородсодержашего вещества на основе пластмассы (СН)n или стильбена, внутренний чувствительный к гамма-излучению сцинтиллятор NaI-Tl размещенный в колодце внешнего сцинтиллятора, фотоэлектронный умножитель в качестве сенсорного элемента и блок электронной обработки сигналов, включающий схему временной селекции и спектрометрический анализатор сцинтилляционных импульсов, и радиаторы-конверторы, выполненные в виде чехлов, изготовленных из борсодержащего материала на основе нитрида или карбида бора, обеспечивающих реакцию (n,α,γ), причем первый радиатор-конвертор охватывает внешний органический сцинтиллятор, а второй радиатор-конвертор охватывает контейнер внутреннего сцинтиллятора NaI-Tl и расположен в колодце внешнего сцинтиллятора. Толщину радиаторов-конверторов выбирают достаточной для возможно более полного поглощения тепловых нейтронов. Устройство обеспечивает счет нейтронов и спектрометрический анализ гамма-квантов.
Хотя известное устройство, наряду с регистрацией нейтронов, обеспечивает регистрацию гамма-излучения в спектрометрическом режиме с энергетическим разрешением 6-8%, однако энергетическое разрешение сцинтилляторов оказывается низким, а габариты - большими.
Известно другое устройство неразрушающего дистанционного контроля делящихся материалов, применяемое для обнаружения этих материалов [патент RU 2129289, 20.04.1999], которое наряду с гамма-излучением регистрирует и нейтронное излучение. Устройство предназначено для обнаружения несанкционированно перемещаемых в ручной клади, грузах и багаже указанных материалов через проходные и контрольно-пропускные пункты таможен и других объектов народно-хозяйственного назначения. Изобретение может также применяться для регистрации потоков гамма- и нейтронного излучений в составе систем непрерывного мониторинга окружающей среды. Указанное устройство выбрано в качестве ближайшего аналога и включает в себя детектор гамма-излучения, состоящий из сцинтиллятора и сопряженных с ним фотоумножителей, детектор нейтронного излучения, состоящий из счетчиков медленных нейтронов, окруженных замедлителем нейтронов, усилителей сигналов и системы электронной обработки информации, в которую входит контроллер, представляющий собой интеллектуальное микропроцессорное устройство, принимающее на свои четыре входа информацию от двух блоков детектирования, обрабатывающее эту информацию в соответствии с заранее установленной программой и выдающее управляющие команды. Устройство может работать как от сети, так и от блока аккумуляторов.
Блок детектирования гамма-излучения состоит из сцинтиллятора, в котором энергия гамма-квантов преобразуется в световую вспышку; световода, по которому световая вспышка транспортируется к фотоумножителю; фотоумножителя, в котором световая вспышка трансформируется в электрический сигнал; усилителя этих сигналов; амплитудного дискриминатора уровня сигналов.
3
3
3
Блок детектирования нейтронного излучения состоит из полиэтиленового замедлителя нейтронов и заполненного гелием Не счетчика медленных нейтронов. Регистрация тепловых нейтронов счетчиком происходит за счет реакции Не(n, p)H. Электрические импульсы, возникающие за счет ионизации газа счетчика получающимися в этой реакции протонами, усиливаются усилителем для последующей передачи на амплитудный дискриминатор. К одному усилителю подключается два счетчика нейтронов.
Плата усилителя состоит из двух каналов, каждый из которых включает в себя собственно усилитель и дифференциальный дискриминатор.
Известное устройство имеет небольшие массогабаритные характеристики, однако, применение его ограничено, т.к. контроль делящихся материалов с помощью этого известного устройства представляет собой только сам факт обнаружения или отсутствия в закрытых объемах контролируемых материалов. Кроме того, известное устройство в процессе регистрации гамма-излучения не может обеспечить спектрометрический режим с высоким энергетическим разрешением, что также ограничивает его применение.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является расширение функциональных возможностей путем осуществления не только контроля наличия, но также контроля сохранности делящихся материалов в контейнерах без вскрытия. В результате контроля должно быть подтверждено соответствие содержимого контейнера заявленному ранее.
3
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве неразрушающего дистанционного контроля делящихся материалов, включающем модуль детектирования нейтронов, выполненный на основе расположенных в полиэтилене двух гелиевых He счетчиков медленных нейтронов с усилителем сигналов, соединенным с блоком аккумуляторов, гамма-спектрометрический модуль со сцинтиллятором и фотоумножителем, блок управления и электронной обработки сигналов, поступающих or указанных модулей детектирования для последующего преобразования сигналов и их спектрального анализа, который также соединен с блоком аккумуляторов и в который входит микропроцессорное устройство с заранее установленной программой, новым является то, что сцинтиллятор снабжен термодатчиком, в качестве микропроцессорного устройства используют персональный мини-компьютер с дисплеем, накопителем на SD-диске и программным обеспечением, позволяющим дополнительно проводить диагностику состояния, устанавливать пороговые уровни регистрации, производить калибровку и установку времени измерений, осуществлять анализ и хранение данных, формирование и сравнение специализированных массивов данных, при этом персональный мини-компьютер записывается от блока, включающего преобразователи входного напряжения, выполненные на основе конвертора DC-DC и транзисторного ключа и совмещающего в себе функции управления запуском устройства и измерения температуры сцинтиллятора, с возможностью передачи данных в персональный мини-компьютер, а блок аккумуляторов выполнен с возможностью соединения с зарядным устройством, причем все модули и блоки объединены единым корпусом, на одной из внешних сторон которого размешен дисплей персонального мини-компьютера.
Снабжение сцинтиллятора термодатчиком позволяет измерять температуру с последующей передачей этих данных в персональный мини-компьютер для коррекции температурной нестабильности при эксплуатации устройства.
Использование в качестве микропроцессорного устройства персонального мини-компьютера с накопителем на SD-диске и программным обеспечением, позволяющим дополнительно проводить диагностику состояния, устанавливать пороговые уровни регистрации, производить калибровку и установку времени измерений, осуществлять анализ и хранение данных, существенно расширяет функциональные возможности при управлении блоками и их работой. Программа максимально автоматизирует процессы, необходимые для выполнения процесса паспортизации.
Питание персонального мини-компьютера от блока преобразователей входного напряжения, выполненных на основе конвертора DC-DC и транзисторного ключа, совмещающего в себе функции управления запуском устройства и измерения температуры сцинтиллятора, с возможностью передачи данных в персональный мини-компьютер позволяет в одном блоке совместить несколько функций при сохранении небольших габаритов.
Предусмотрена возможность подключения блока аккумуляторов к стандартному сетевому зарядному устройству, что позволяет в любой момент зарядить устройство для длительной работы, что дает возможность выполнить его портативным и обеспечить выполнение всех функций при отсутствии источников питания.
Объединение всех модулей и блоков устройства единым корпусом позволяет выполнить устройство в виде моноблока с обеспечением защиты от несанкционированного вскрытия, придать повышенную устойчивость к внешним воздействиям (сохранить характеристики), а размещение на одной из внешних сторон дисплея персонального мини-компьютера обеспечивает визуализацию установок параметров регистрации и процесса контроля.
На фиг. 1 представлена функциональная блок-схема заявляемого устройства, на фиг. 2 - внешний вид, на фиг. 3 - вид сверху, на фиг. 4 - вид снизу, где:
1 - гамма-спектрометрический модуль, 2 - модуль детектирования нейтронного излучения; 3 - блок управления и электронной обработки сигналов (усиление, обработка, преобразование, хранение импульсов с модулей детектирования), 4 - блок высокого напряжения питания и усиления-формирования сигналов нейтронного модуля детектирования, 5 - блок аккумуляторов, 6 - блок преобразователей, 7 - плата мини-компьютера с дисплеем, 8 - зарядное устройство.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить портативное устройство радиационной паспортизации (ПУРП), позволяющее производить контроль наличия и сохранности делящихся материалов в контейнерах без их вскрытия. ПУРП обеспечивает регистрацию энергетического спектра гамма-излучения в диапазоне энергий от 50 до 3000 кэВ и детектирование нейтронов. ПУРП выполнено в виде моноблока с разъемом подключения зарядного устройства.
3
3
3
Модуль детектирования нейтронного излучения состоит из полиэтиленового замедлителя нейтронов и заполненных гелием Не под давлением 4,6 атм двух счетчиков медленных нейтронов. Регистрация тепловых нейтронов счетчиками происходит за счет реакции He(n, р)Н. Электрические импульсы, возникающие за счет ионизации газа счетчиков получающимися в этой реакции протонами, усиливаются блоком высокого напряжения питания и усиления-формирования сигналов. К одному блоку подключают два счетчика нейтронов. На выходной конец счетчиков надета цанга из латуни для зашиты от радиоэлектронных помех и электрических наводок.
Модуль гамма-спектрометрический (сцинтсборка) размещен в алюминиевом пенале, включает сцинтилляционный детектор на основе кристалла NaI(Tl) и фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) с резистивным делителем и магнитным экраном. Катод ФЭУ подключен к корпусу устройства. Модуль также включает термодатчик определения температуры кристалла.
Блок управления и электронной обработки сигналов (собственно анализатор) снабжен входными и выходными разъемами и включает усилитель и амплитудно-цифровой преобразователь сигналов, поступивших со сцинтсборки. Анализатор выполнен с возможностью обмена данными с персональным мини-компьютером (ПК), последний снабжен накопителем на SD-диске Kingston SMS200S3 и дисплеем (x210ii). Программное обеспечение позволяет дополнительно проводить диагностику состояния, устанавливать пороговые уровни регистрации, производить калибровку и установку времени измерений, осуществлять анализ и хранение данных.
Мини-ПК записывается от блока преобразователей входного напряжения, выполненных на основе конвертора DC-DC и транзисторного ключа, совмещающего в себе функции управления запуском устройства и измерения температуры кристалла NaI-Tl, с возможностью передачи данных в персональный мини-компьютер, а блок аккумуляторов выполнен с возможностью подключения к зарядному устройству и включает два аккумулятора L109 7.4V 9200 mАН.
Работа устройства заключается в следующем.
Для экспресс-идентификации делящихся материалов в контейнере и контроля содержимого контейнера на основе регистрации энергетического распределения гамма-квантов и относительной скорости счета нейтронов с последующим автоматизированным сравнением этих характеристик с аналогичными, измеренными ранее, осуществляют следующие операции.
3
На анод ФЭУ модуля гамма-спектрометрического 1 с блока управления и электронной обработки сигналов 3 подается напряжение примерно +470 В. Гамма-квант, попавший в кристалл NaI(Tl), дает световую вспышку, пропорциональную поглощенной энергии. ФЭУ усиливает этот сигнал, который затем в виде электрического импульса поступает на блок управления и электронной обработки данных (собственно анализатор) 3. В блоке 3 происходит усиление, амплитудно-цифровое преобразование импульсов, поступивших с модуля гамма-спектрометрического 1. По заданному протоколу и алгоритму происходит обмен данными и установками с мини-ПК 7. Также в модуле 1 вырабатывается высоковольтное напряжение для питания ФЭУ. Питание блока 3 осуществляется через USB-разъем с мини-ПК 7. В газе Не счетчиков модуля детектирования нейтронного излучения 2 под действием тепловых нейтронов протекает экзотермическая реакция, которая ведет к образованию в газе заряженных частиц высокой энергии
3
3
1
Не+n→Н+Н+765 кэВ.
Ионизация газа, вызванная заряженными частицами, инициирует процесс газового усиления. Энергия, переданная счетчикам, представляет собой энергию, выделенную в результате ядерной реакции. Заряд, образованный в счетчиках нейтронного модуля детектирования 2, поступает на токовый усилитель блока высокого напряжения питания и усиления-формирования сигналов 4, который вырабатывает высоковольтное напряжение (1000±40) В и подает его на модуль детектирования нейтронов 2. Кроме этого с помощью электрической схемы блока 4 происходит усиление и формирование выходных импульсов с модуля детектирования нейтронов 2 с последующей подачей их на блок управления и электронной обработки сигналов 3.
Блок преобразователей входного напряжения 6 выполняет несколько функций:
- преобразует входное напряжение питания ≈ +7,5 В с помощью конвертора DC-DC и транзисторного ключа в стабилизированное напряжение +5 В, 2,5 А, которое питает мини-ПК 7,
- осуществляет контроль за степенью разрядки блока аккумуляторов 5, управляет включением и выключением ПУРП;
- процессор, управляющий БПВН, также позволяет измерять температуру на кристалле NaI(Tl) модуля гамма-спектрометрического 1 с помощью термодатчика и схемы микроконтроллера с последующей передачей этих данных в мини-ПК 7 для коррекции температурной нестабильности при регистрации прибором ПУРП.
Источник питания с помощью зарядного устройства 8 обеспечивает зарядку встроенных аккумуляторных батарей блока аккумуляторов 5 и его работу от электрической сети 220 В, 50 Гц.
С помощью мини-ПК 7, работающего под операционной системой Android, с накопителем на SD-диске Kingston SMS200S3 и дисплеем (x210ii) и разработанным специализированным программным обеспечением (ПО), осуществляют дополнительную обработку, анализ и хранение данных контроля.
Функционально ПО осуществляет:
- формирование стандартного вида гамма-спектра и значения параметра нейтронного счета;
- суммирование импульсов по заданным шести энергетическим диапазонам гамма-спектра, и седьмой включает интегральный счет нейтронов;
- проверку статистической гипотезы о соответствии зарегистрированного спектра спектру, хранящемуся в базе данных (включая интегральный счет нейтронов);
- наглядное отображение результатов анализа и проверки соответствия спектров;
- поиск в базе данных радиационного "паспорта", в наибольшей степени соответствующего измеренному.
Для обеспечения повторяемости результатов измерений в приборе предусмотрена стабилизация и компенсация параметров измерительного тракта, осуществляется калибровка и учитывается влияние временных и температурных изменений характеристик.
Работа с программой организована с использованием "меню" пользователя с графическим интерфейсом и обеспечивает визуализацию установок параметров регистрации и процесса контроля.
Обслуживание ПУРП осуществляется одним оператором.
Был собран опытный образец и проведены предварительные испытания, которые показали, что заявляемое устройство является автономным, портативным, обеспечивает оперативность контроля и возможность работы в различных условиях внешнею радиационного фона.