РАДИОМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ГАММА И НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области обнаружения источников радиоактивного загрязнения и наличия радиоактивных материалов в транспортируемых объектах и предназначено для комплексов и систем специального радиационного технического контроля, для обнаружения и идентификации делящихся материалов (урана, плутония, тория и т.д.) и материалов, относящихся к классу радиоактивных веществ - гамма источников, для дозиметрической и таможенной практики, для решения задач служб ядерной безопасности и Госатомнадзора.
4
3
12
Известны детекторы нейтронного и гамма излучения, содержащие блоки детектирования и электронные блоки обработки информации. Для регистрации гамма излучения в блоках детектирования использованы кристаллы NaI(T1) [пат. РФ №2189057, кл. G 01 T 1/20, G 01 T 3/06] или (BiGeO) [пат. РФ №2088952, кл. G 01 T 1/20, G 01 T 3/06], а для регистрации нейтронного излучения использован пластмассовый сцинтиллятор.
Все приведенные аналоги по сути являются детекторами гамма и нейтронного излучения, предназначенными для измерения мощности дозы радиоактивного излучения и не могут быть эффективно использованы в системах обнаружения источников радиоактивного загрязнения или наличия радиоактивных материалов в транспортируемых объектах из-за низкой эффективности единичных блоков детектирования. Известные аналоги могут быть использованы для этих целей, но при условии увеличения их количества для обеспечения необходимой эффективности обнаружения, что приведет к неоправданно высокой стоимости системы.
Известны радиометрические системы обнаружения гамма и нейтронного излучения различных модификаций, отличающихся назначением (пешеходные, автомобильные, железнодорожные), числом измерительных стоек и конструктивным исполнением. Основой систем служат два блока: блок детектирования гамма излучения и блок детектирования нейтронного излучения.
Известна радиометрическая система обнаружения гамма и нейтронного излучения (Каталог 2000 фирмы «Позитрон GmbH» Украина, «Приборы и системы радиационного контроля для промышленности, науки, экологии. Автоматизированные системы», с.28-35), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. Сцинтиллятором в блоках детектирования является пластмассовый цилиндр, размером В=65 мм, L=1000 мм, помещенный в алюминиевый цилиндр.
137
2
Чувствительность данной системы не менее: гамма излучения ~160 (имп./с)/мкР./ч для Cs и 350 имп.см/нейтр. для нейтронного излучения по сопутствующему гамма излучению.
Использование в данной системе только органического сцинтиллятора не обеспечивает необходимой чувствительности системы к трансурановым источникам радиоактивности, а также к источникам нейтронов, помещенных в свинцовую защиту.
Известна радиометрическая система обнаружения гамма и нейтронного излучения (D.C.Stromswold et.al. "Field of a NaIT1-Based Vehicle Portal Monitor at Border Crossing". Pucific Northwest National Laboratory, USA. IEEE Conference, Rome 2004, p.17), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования,
питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. Датчиком гамма излучения в блоках детектирования является монокристалл NaI(T1) большой объема (10,2 см*10,2 см*41 см).
Использование монокристаллов NaI(T1) обеспечивает высокую чувствительность обнаружения радиоактивных материалов, в том числе и обнаружение незаконно провозимых изотопов на фоне материалов, обладающих естественной радиоактивностью.
Однако использование монокристалла NaI(T1) большого объема связано со значительным удорожанием системы и снижением ее эксплуатационной надежности (за счет гигроскопичности самого кристалла). Кроме того, система на этом монокристалле не обеспечивает возможности обнаружения источников нейтронов, помещенных в свинцовую защиту.
3
3
3
Известна радиационная система обнаружения гамма и нейтронного излучения (Проспект фирмы «Полимастер», Беларусь. «Установка радиационного контроля РМ-5000»), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. В детекторах гамма излучения используется органический пластмассовый сцинтиллятор с чувствительным объемом 4500 см, а датчиком нейтронного излучения являются Не пропорциональные счетчики общим чувствительным объемом 3200 cм.
137
2
Чувствительность блоков детектирования, не менее: гамма излучения 125 (имп./с)/(мкР/ч) для Cs; нейтронного излучения 350 имп.см/нейтр. для Pu-α-Ве.
3
3
3
Известна радиационная система обнаружения гамма и нейтронного излучения (Проспект научно-производственного центра «Аспект». «Стационарные таможенные системы обнаружения делящихся и радиоактивных материалов «Янтарь», РФ), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. Датчиком гамма излучения является органический пластмассовый сцинтиллятор с чувствительным объемом 4000 см, а датчиком нейтронного излучения являются He пропорциональные счетчики общим чувствительным объемом 3200 cм.
Электронные блоки выполнены в виде функционально и конструктивно завершенных модулей и размещены в специальном каркасе, закрепленном внутри стойки.
Набор электронных блоков включает в себя: микропроцессорный контроллер, низковольтный источник питания, блок высоковольтного питания детекторов, одноканальные анализаторы импульсов.
137
2
Чувствительность блоков детектирования не менее: гамма излучения 125 (имп./с)/(мкР/ч) для Cs; нейтронного излучения 350 имп.см/нейтр. для Pu-α-Ве.
Известные системы обладают высокой чувствительностью к гамма излучению за счет использования пластмассовых сцинтилляторов большого объема. Однако они не обеспечивает требуемой на сегодняшний день МАГАТЭ чувствительности к обнаружению делящихся трансурановых материалов.
3
Кроме того, необходимо отметить неудобство работы с Ht пропорциональными счетчиками из-за их габаритов (120 см*100 см*30 см), которые дополнительно увеличивают и вес всей системы
В качестве прототипа нами выбран последний из аналогов.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания радиационной системы для обнаружения гамма и нейтронного излучения, которая при сохранении высокой эффективности обнаружения источников гамма излучения обеспечивала бы как эффективное обнаружение трансурановых элементов, так и нейтронных источников при сохранении сравнительно низкой стоимости системы.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в радиационной системе обнаружения гамма и нейтронного излучения, содержащей измерительные стойки с помещенными в нее блоками детектирования гамма излучения на основе пластмассового сцинтиллятора и нейтронного излучения, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ, согласно изобретению, блок детектирования нейтронного излучения выполнен на основе монокристалла вольфрамата кадмия.
Совместное использование пластмассового сцинтиллятора и сцинтилляционного монокристалла вольфрамата кадмия существенно повысило эффективность обнаружения как делящихся материалов - урана, плутония, тория и т.д., так и источников быстрых нейтронов типа (Pu-α-Ве) по сопутствующему гамма излучению. Кроме того, использование монокристалла вольфрамата кадмия в таких системах обеспечило возможность обнаружения нейтронных источников даже помещенных в свинцовую защиту по регистрации гамма излучения, возникающего при прямом взаимодействии тепловых нейтронов с кадмием по реакции
113
114
Cd(n,γ) Cd, что при использовании известных систем до настоящего времени не представлялось возможным.
137
2
Чувствительность предлагаемой системы не менее: гамма излучения 500 (имп./с)/(мкР/ч) для Cs и нейтронного излучения по сопутствующему гамма излучению - 1000 имп.см/нейтр. для Pu-α-Ве.
На фиг. приведена блок-схема одной стойки заявляемой системы.
В табл. приведены минимальные количественные значения масс ядерных материалов и активностей гамма источников, которые обнаруживает заявляемая система при доверительной вероятности 95% при интенсивности фона не более 20 мкР/ч, а также чувствительность детекторов для нейтронов в сравнении с аналогичными системами.
Радиационная система обнаружения гамма и нейтронного излучения (на фиг. приведена блок-схема одной стойки) содержит стойку 1 с размещенными в ней блоком 2 детектирования для обнаружения гамма излучения, блоком 3 детектирования для обнаружения трансурановых материалов и нейтронов и электронными блоками 4, а также блок питания 5, содержащий высоковольтные источники питания для ФЭУ и низковольтные - для питания остальных систем в стойке. Электронные блоки 4 содержат усилители сигналов ФЭУ, микропроцессорные контроллеры предварительно обработки сигналов и анализаторы импульсов (на фиг. не приведены). Электронный блок б управления системой, расположенный вне стойки 1, содержит контроллер управления системой и обеспечивает связь с ЭВМ. Контроллеры блоков 4 подключены к блоку 6 управления системой. Устройства 7, 8 и 9, соответственно световой и звуковой сигнализации, а также датчик присутствия, расположенные на стойке 1, также подключены к блоку 6 управления системой.
3
Гамма детекторы блока 2 выполнены на основе пластмассовых сцинтилляторов с чувствительным объемом около 15000 см. Нейтронные детекторы выполнены на основе монокристаллов вольфрамата кадмия с
3
чувствительным объемом около 130 см. Сцинтилляторы оптически сочленены с ФЭУ.
Гамма детекторы блока 2, кроме их лицевой стороны, закрыты свинцовыми защитными экранами с целью снижения влияния внешнего естественного гамма фона на чувствительность системы.
Все электронные блоки 4, 5, 6 выполнены на современной элементной базе.
Предлагаемая система работает следующим образом.
При прохождении контролируемого объекта через зону контроля датчик 9 присутствия переключает систему в режим обнаружения.
Гамма кванты с энергией 0,3-3,0 МэВ в детекторах 2 на основе органических сцинтилляторов преобразуются в световые вспышки, регистрируемые ФЭУ-110. Аналогично в детекторах 3 на основе вольфрамата кадмия происходит регистрация гамма квантов в диапазоне 0,03-0,3 МэВ. Импульсы напряжения, снимаемые с нагрузок ФЭУ, усиливаются и подаются на систему, с помощью которой формируются счетные импульсы в анализаторах импульсов блоков 4. Эти счетные импульсы подаются на входы микропроцессоров, где происходит их предварительная статистическая обработка. Полученные данные передаются в контроллер блока 6 управления, выход которого связан с ЭВМ. В ЭВМ происходит статистическая обработка полученной информации по специальному алгоритму обнаружения. В случае наличия в контролируемом объекте источников гамма излучения, трансурановых материалов и источников нейтронов величиной, превышающей пороговое значение обнаружения, эта величина фиксируется на экране монитора, а также заносится в память ЭВМ.
Устройства 7 и 8 звуковой и световой сигнализации соответственно дополнительно сигнализируют об обнаружении системой радиоактивных элементов в контролируемом объекте.
Как видно из таблицы, совместное использование пластмассового сцинтиллятора большого размера и сцинтилляционного монокристалла вольфрамата кадмия в прелагаемой системе позволило при сохранении высокой чувствительности в диапазоне средних и высоких энергий (0,3-3,0 Мэв) существенно повысить чувствительность в диапазоне малых энергий (0,03-0,3 Мэв).
Повышение чувствительности в диапазоне энергий 0,03-3,0 Мэв привело, в свою очередь, к значительному (в 10-100 раз) понижению пороговых значений обнаружения масс ядерных материалов и к повышению чувствительности системы к нейтронному излучению.
Таблица
Условное обозначение прибора
Активность γ-источник, мкКu
Значения масс ядерних материалов, г
Чувствительность детектора n, имп*см<sup>2</sup>/нейтрон
<sup>241</sup>Am
<sup>137</sup>Cs
<sup>60</sup>Со
<sup>235</sup>U
<sup>238</sup>U
<sup>239</sup>Pu
Pu-γ-Be
РМ-5000-5 "Полимастер"
200
10
5,5
250
2000
4,2
350
РПС-01 "Кордон" БДП-03
-
105
нет даних
нет даних
нет даних
нет даних
350
Янтарь 2 У "Аспект"
-
8,1
40
1000
6000
10
350
Уm-250 TSA
-
4,1
2,19
нет даних
57
нет даних
нет даних
Система, которая заявляется
26
4,8
1,5
15
20
2·10<sup>-2</sup>
1000