ПОРТАТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ НИЗКОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Техническое решение относится к области обнаружения радиоактивных ядерных материалов и предназначено для поиска источников низкоэнергетического фотонного (в первую очередь специальных делящихся материалов) при проведении радиационной разведки, дистанционной диагностике состояния защитных оболочек опасного объекта, содержащего ядерные материалы, на предмет оценки степени их повреждения и наличия «протечек» радиоактивности, определения местоположения фрагментов (осколков) объекта в случае его разрушения и потери, мониторинга загрязненной территории, определения границ распространения радиоактивности.
Методы поиска, локализации и идентификации источников ионизирующего излучения при радиационных авариях в большинстве своем основываются на измерениях энергетического спектра и мощности дозы фотонного (гамма- и рентгеновского) излучения. Сложность решения задачи поиска ядерных материалов (далее - ЯМ), «оружейного» плутония в первую очередь, а также радиационный мониторинг загрязненных ими территорий, заключается в том, что фотонное излучение ЯМ характеризуется относительно низкой энергией и, как следствие, невысокой проникающей способностью.
Из существующего уровня техники известно устройство, которое может быть использовано при радиационном мониторинге для поиска гамма-источников (патент РФ №2217776, опубл. 27.11.2003). Устройство содержит детектирующий блок, включающий защитный экран в форме цилиндра, многоэлементный детектор, расположенный на боковой поверхности экрана, электронный преобразователь, соединенный с элементами детектора, и блок электроники, соединенный с выходами преобразователя. Устройство дополнительно снабжено другим многоэлементным детектором с динамическим диапазоном, дополнительным к диапазону первого детектора. Экран выполнен в виде цилиндра с полостью, в которой размещены преобразователь и блок электроники. Выходы элементов второго детектора последовательно соединены с другими входами преобразователя и блока электроники. Недостатками данного технического решения является многодетекторность устройства, а также большая вероятность регистрации в детекторе комптоновского излучения гамма-излучения со средней и высокой энергией, на фоне которого сложно выделить низкоэнергетические гамма-кванты.
Известен также монитор радиационный функциональный (патент РФ №93512, опубл. 16.05.2015) который предназначен для обнаружения, локализации и идентификации ядерных материалов и радиоактивных веществ, а также для индикации уровня дозового эквивалента в окружающей среде. Устройство выполнено в едином корпусе, что создает максимальные удобства использования его в полевых условиях: изделие компактно, обеспечивает удобный захват и удерживание, является простым и легким в управлении. Недостатками данного технического решения является использование в качестве детектирующего элемента «толстого» сцинтилляционного кристалла йодистого натрия (размером 45×45 мм), что затрудняет выделение низкофоновой компоненты фотонного излучения на фоне регистрируемых гамма-квантов средней и высокой энергии.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является устройство для регистрации фотонного излучения низких энергий, выпускаемое фирмой TSA и получившее название Violinist IV (http://laurassystems.com/products/products_pdf/LS_TSA_Violinist_IV.pdf). Устройство предназначено для обнаружения фотонов низкой энергии (17 и 60 кэВ), излучаемых плутонием и америцием, включает детектор и блок сбора и передачи данных. Датчик известного детектора, названного FIDLER, выполнен в виде тонкого сцинтиллятора NaI(Tl) диаметром 127 мм и толщиной 1,6 мм. Детектор размещен в корпусе, входное окно детектора сделано из бериллия и имеет толщину 0,127 мм.
Этот детектор чувствителен к фотонам с энергиями от 5 до 100 кэВ и обладает низким фоном (за счет низкого уровня Комптоновского рассеяния) от высокоэнергетических фотонов. Детектор переводит каждый зарегистрированный фотон в электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна энергии фотона. Violinist IV сортирует эти импульсы по энергии и выдает энергетический спектр, что позволяет отличить фотоны от америция и фотоны от плутония. Данное устройство по сравнению с вышеописанным аналогом за счет использования детектора с тонким сцинтиллятором большей площади обладает более высокой чувствительностью к фотонам низкой энергии. Недостатком аналога является ограниченные функциональные возможности, обусловленные отсутствием поисковых возможностей. Данный прибор ориентирован в основном на измерение поверхностных загрязнений и не предназначен для обнаружения источника и определения его местоположения. Кроме того, исполнение устройства в виде отдельных модулей: детектора и блока сбора и передачи данных, соединенных между собой внешними кабелями, затрудняет его использование в полевых условиях в качестве поискового прибора, в частности, при проведении пешеходной радиационной разведки. Также недостатком вышеуказанного прибора является анализ лишь двух энергетических окон в спектре фотонов, что снижает его функциональные возможности.
Задачей, на выполнение которой направлено заявляемое техническое решение, является расширение функциональных возможностей устройства за счет разработки портативного устройства, пригодного не только для измерения, но и для поиска источников низкоэнергетического гамма-излучения, в первую очередь специальных делящихся материалов, при проведении радиационной разведки, позволяющего помимо определения энергетического спектра источников фотонного излучения низких энергий, с высокой точностью выполнять поиск этих источников в полевых условиях.
Задача с достижением указанного технического результата, решается за счет того, что портативное устройство обнаружения источников низкоэнергетического фотонного излучения содержит размещенный в корпусе с входным окном детектор с чувствительным элементом на основе тонкого сцинтилляционного кристалла NaI(Tl) и блок сбора и передачи данных, соединенный с детектором, причем указанный блок и детектор размещены в едином корпусе. Устройство дополнительно содержит коллиматор, который выполнен съемным с возможностью закрепления на корпусе напротив входного окна детектора, и световой и звуковой индикаторы, размещенные на корпусе.
Кроме того, коллиматор может быть выполнен в форме полого цилиндра, например, из кадмия и закреплен на корпусе посредством, например, крепежного кольца или байонетного крепления.
Кроме того, индикаторы выполнены светодиодными.
Кроме того, устройство дополнительно оснащено компьютером, соединенным с блоком сбора и передачи данных и/или устройством обеспечения беспроводной связи.
Особенность устройства обнаружения источников низкоэнергетического фотонного излучения состоит в том, что помимо выполнения своей основной функции по регистрации фотонного излучения низких энергий, оно дополнительно выполняет ряд задач:
- дистанционный поиск источников излучения при проведении радиационной разведки;
- оповещение о найденном источнике посредством звукового и светового сигнала.
Предлагаемое решение обеспечивает как возможность дистанционного поиска, так и определение энергетического спектра источников фотонного излучения низких энергий. При этом за счет наличия коллиматора, подавляющего излучение фоновых гамма-квантов с направлений, отличных от направления на чувствительную плоскость детектора, реализована поисковая функция устройства по обнаружению источников с низкоэнергетическим излучением. Конструктивное выполнение устройства в виде моноблока со съемным коллиматором делает его компактным, снижает габариты и позволяет эффективно использовать для поиска источников при проведении пешеходной радиационной разведки. Кроме того, наличие световой и звуковой индикации гарантирует информативность устройства.
Суть предлагаемого технического решения поясняется следующими прилагаемыми чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид портативного устройства обнаружения источников низкоэнергетического фотонного излучения.
На фиг. 2 представлен разрез устройства в вертикальной плоскости.
Следует учесть, что на чертежах представлены только те составляющие, которые необходимы для понимания существа технического решения; сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
На фиг. 1 и фиг. 2 использованы следующие обозначения:
1 - портативное устройство обнаружения источников низкоэнергетического фотонного излучения,
2 - корпус устройства 1,
3 - детектор,
4 - входное окно детектора 3,
5 - блок сбора и передачи данных,
6 - коллиматор,
7 - звуковой и световой индикаторы,
8 - разъем,
9 - байонетное крепление.
Заявляемое устройство 1 (фиг. 1 и фиг. 2) содержит размещенный в корпусе 2 с входным окном 4 детектор 3 с чувствительным элементом на основе тонкого сцинтилляционного кристалла NaI(Tl). Сцинтилляционный кристалл (на фиг. не показан) имеет диаметр 127 мм и толщину 1,6 мм, входное окно 4 детектора 3 выполнено из бериллия и имеет толщину 0,127 мм. Детектор 3 и блок 5 сбора и передачи данных смонтированы в едином корпусе 2. Устройство 1 содержит съемный коллиматор 6, который представляет собой полый цилиндр с толщиной стенки 1,5 мм, выполненный из кадмия, и при установке и закреплении его на корпусе непосредственно примыкает к входному окну 4. В приведенном примере конкретного выполнения коллиматор установлен и закреплен на корпусе с помощью байонетного крепления 9. Кроме того, коллиматор может быть закреплен на корпусе посредством крепежного кольца, имеющего, например, регулярно выполненные на его поверхности пазы подответные элементы в виде выступов на корпусе. Устройство оснащено звуковым и световым индикаторами 7, выполненными в виде светодиодов.
Устройство работает следующим образом. В тонком сцинтилляционном кристалле NaI(Tl), под действием фотонного излучения от источника ионизирующего излучения возникает вспышка света (сцинтилляция), которая регистрируется фотоэлектронным умножителем (на фиг. не показан), где преобразуются в последовательность электрических сигналов, поступающих в блок 5, которые в дальнейшем обрабатываются хорошо известными методами.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет при наличии в устройстве тонкого сцинтилляционного кристалла, имеющего низкий уровень воздействия гамма-квантов средней и высокой энергии, с одновременным использованием коллиматора 6, ограничивающего «поле зрения» детектора и, тем самым, ослабляющего влияние фонового излучения, повысить чувствительность прибора к низкоэнергетичным фотонам с одновременной реализацией поисковой функции устройства по обнаружению источников с низкоэнергетическим излучением.
Для пешеходной радиационной разведки на предприятии было разработано и изготовлено портативное устройство обнаружения источников низкоэнергетического фотонного излучения «Сканс-НП». Устройство может работать как в автономном режиме, так и в связи с компьютером (на фиг. не показан), подключаемым через разъем 8, и позволяет дистанционно обнаруживать и идентифицировать источники фотонного излучения в диапазоне энергий от 7 до 100 кэВ.