СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЯДЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И РАДИОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
METHOD FOR DETECTION OF NUCLEAR MATERIALS AND RADIOACTIVE SUBSTANCES

Изобретение - способ обнаружения ядерных материалов и радиоактивных веществ - относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области регистрации радиоактивных излучений ядерных материалов и радиационно опасных веществ, причём наиболее эффективно он может быть использован для регистрации радиоактивных излучений при перемещении через контролируемое пространство с помощью различных объектов (например человеком) ядерных материалов и радиационно опасных веществ, а также для контроля радиационной обстановки окружающей среды.
Известно устройство для обнаружения радиоактивных ядерных материалов (см. Описание изобретения к патенту Российской Федерации №2129289), несанкционированно перемещаемых через проходные и контрольно-пропускные пункты таможен и других объектов народно-хозяйственного назначения.
Известное устройство включает блок детектирования гамма-излучения, датчик присутствия объекта в контролируемой зоне, блок детектирования нейтронного излучения, датчик вскрытия, контроллер обработки информации, блок сигнализации, блок электропитания и пульт управления.
239
137
252
2
-1
239
Данное устройство имеет пониженную пороговую чувствительность блока детектирования нейтронного излучения относительно блока детектирования гамма-излучения, причиной чего являются фундаментальные физические процессы, сопровождающие распад ядерного материала. Так ядерный материал из Pu массой 1 г как источник гамма-излучения и потока нейтронов эквивалентен по гамма-излучению источнику из Cs с активностью 170 кБк, а по нейтронному излучению - источнику из Cf с потоком нейтронов 0,60×10 c (см. ГОСТ Р 51635-2000, с.28-29), т.е. количество испускаемых им в единицу времени гамма-квантов превышает более чем в 1000 раз количество испускаемых нейтронов. В связи с этим пороги обнаружения блоков детектирования гамма-излучения и нейтронов рассматриваемого устройства сильно отличаются друг от друга. Эта особенность радиационных мониторов ядерных материалов нашла отражение в ГОСТ Р 51635-2000 (с.4-5), где, например, указано, что если порог обнаружения пешеходного монитора по гамма-излучению составляет 1 г Pu, то по нейтронному излучению (согласно ГОСТ Р 51635-2000, с.4-5) достаточно, чтобы он равнялся 250 г.
В связи с этим известное устройство имеет недостаток, заключающийся в том, что используемый им способ не позволяет регистрировать ядерный материал, масса которого меньше порога обнаружения блока детектирования нейтронного излучения и который перемещается в металлическом контейнере (пенале), например стальном или свинцовом, экранирующим его гамма-излучение.
Известен портальный радиационный монитор (см. описание изобретения к патенту Российской Федерации №2191408), предназначенный для регистрации и идентификации радионуклидов при перемещении через монитор с помощью различных объектов ядерных материалов и радиационно опасных веществ, а также для контроля окружающей среды.
3
Известный портальный радиационный монитор включает двухстоечный портал с расположенными в нём датчиками обнаружения объекта, сцинтилляционными детекторами и спектрометрическими усилителями, а также электронную систему обработки сигналов, блок световой и звуковой сигнализации. Каждый сцинтилляционный детектор состоит из пластикового сцинтиллятора, соединённого с преобразователем световых сигналов в электрические, снабжённым высоковольтным источником питания. Пластиковый сцинтиллятор представляет собой прямоугольный блок не менее чем 10000 см, один из концов которого выполнен плоским, а другой - в форме сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр.
Известный портальный радиационный монитор имеет недостаток, заключающийся в том, что используемый им способ не позволяет регистрировать ядерные материалы, перемещаемые в металлических контейнерах (пеналах), экранирующих гамма-излучение.
Наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способ используется в устройстве для обнаружения ядерных материалов при несанкционированном перемещении их отдельными лицами через контролируемое пространство (см. заявку на изобретение RU 96102644).
Известное устройство включает блоки детектирования гамма-излучения, сигнализаторы присутствия лиц в контролируемом пространстве, аппаратуру обработки поступающей с блоков детектирования гамма-излучения информации и формирования сигнала о превышении установленного уровня гамма-излучения, а также металлодетектор для формирования сигнала о превышении установленной массы перемещаемых через контролируемое пространство металлических предметов.
ф
фк
фс
Устройство работает следующим образом. После включения устройства в сеть и программной проверки его исправности начинается одновременное измерение фона всеми блоками детектирования гамма-излучения. Измерение производится на последовательных временных интервалах длительностью Т. После каждого измерения вычисляется скользящее среднее для скорости счёта импульсов от фонового излучения по каждому блоку детектирования - n и по их сумме - n.
эк
эк
При входе лица под арку устройства измерение фона прерывается и начинается измерение всеми блоками детектирования гамма-излучения "эффекта" - числа импульсов N, поступающих от каждого блока детектирования. При выходе лица из-под арки устройства измерение числа импульсов N прекращается и возобновляется измерение фона.
Далее аппаратурой обработки по заранее введённой программе производится автоматическое вычисление:
э
- времени нахождения лица в контролируемом пространстве t,
эс
- суммы числа импульсов от всех блоков детектирования N;
лт
- пороговых значений числа импульсов эффекта, соответствующих установленным значениям вероятности правильного обнаружения Р=0,95 и вероятности ложной тревоги Р=0,0001 -
пк
фк
э
фк
э
0,5
N=n·t+3,9·(n·t)+2 для каждого блока детектирования,
пс
фс
э
фс
э
0,5
N=n·t+3,9·(n·t)+2 для суммы показаний всех блоков детектирования.
После этого производится проверка условий:
эк
пк
N>N,
эс
пс
N>N.
Если хотя бы одно из этих условий выполняется, то формируется сигнал на срабатывание сигнализации и выдаётся сообщение ТРЕВОГА! ЯДЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ! Если же ни одно из вышеприведённых условий не выполняется, то срабатывания сигнализации не происходит.
Одновременно с обнаружением ядерных материалов по испускаемому ими гамма-излучению лицо, находящееся в контролируемом пространстве, подвергается контролю на наличие у него металлических предметов с помощью металлодетектора. Если масса металлических предметов у контролируемого лица превышает установленное пороговое значение, что может быть, например, в том случае, если лицо пытается вынести с территории объекта экранированный металлом ядерный материал, то формируется сигнал на срабатывание сигнализации и выдаётся сообщение ТРЕВОГА! МЕТАЛЛ! Если масса металлических предметов у контролируемого лица не превышает установленного порогового значения, то срабатывания сигнализации не происходит.
Недостатком способа, используемым известным устойством для обнаружения ядерных материалов при несанкционированном перемещении их отдельными лицами через контролируемое пространство, является отсутствие автоматической адаптации порога обнаружения металлодетектора в зависимости от текущих значений фонового излучения, регистрируемых блоками детектирования гамма-излучения, что снижает вероятность обнаружения ядерных материалов, перемещаемых в металлических контейнерах (пеналах), экранирующих гамма-излучение.
фк
эк
фк
э
пк
эк
пк
235
Рассмотрим пример. Пусть порог обнаружения металлодетектора установлен равным 300 г, текущее значение скорости счёта импульсов от фонового излучения n=64 имп/с, число импульсов эффекта от образца ядерного материала из U составляет 60 имп/с (N=n+60=124 имп/с) и t=1 с. Тогда N=97 имп/с, условие N>N выполняется и ядерный материал будет зарегистрирован.
фк
пк
эк
фк
эк
пк
пк
эк
фк
эк
пк
235
Пусть теперь текущее значение скорости счёта импульсов от фонового излучения возросло до величины n=100 имп/с, что, например, может быть вызвано преднамеренными действиями путём скрытного размещения на контрольном пункте специального источника гамма-излучения. Тогда N=141 имп/с, а N=n+60=160 имп/с. При этом, по-прежнему, условие N>N выполняется и ядерный материал будет зарегистрирован. Однако от того же ядерного материала, но помещённого в стальной контейнер массой менее порога обнаружения (например, 260 г) и с толщиной стенки 8,4 мм число импульсов эффекта уменьшится в 1,5 раза (см. Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. Изд.2. М.: Атомиздат, 1972., с.148, таблица 4.30, для энергии U, которая равна 0,185 МэВ) и составит 40 имп/с. Тогда получим N=141 имп/с, a N=n+40=140 имп/с. При этом условие N>N уже не выполняется и ядерный материал не будет зарегистрирован блоком детектирования гамма-излучения. Он также не будет зарегистрирован и металлодетектором, поскольку масса контейнера 260 г меньше установленного порога обнаружения.
Преимуществом заявляемого способа обнаружения ядерных материалов и радиоактивных веществ является расширение области применения и повышение его сигнализационной надёжности.
Указанные преимущества достигаются за счёт того, что заявляемый способ обнаружения ядерных материалов и радиоактивных веществ включает использование пешеходного радиационного монитора гамма-излучения, содержащего три физических канала регистрации (радиационный для обнаружения ядерных материалов и радиоактивных веществ, металлодетектор для обнаружения металлических предметов и датчик присутствия для обнаружения присутствия человека в контролируемой зоне), электронный блок обработки и пульт управления и индикации.
Радиационный канал содержит блоки детектирования сцинтилляционные, снабжённые высоковольтными источниками питания.
Металлодетектор содержит две индукционные катушки, представляющие собой плоские многовитковые индукционные рамки специальной конфигурации. Одна рамка является генераторной, вторая приёмной.
Датчик присутствия содержит ИК-излучатель и ИК-приёмник.
Электронный блок обработки состоит из электронного модуля радиационного канала, электронного модуля металлодетектора, микропроцессорного модуля, звукового модуля и модуля питания.
Пульт управления и индикации представляет собой электронный блок, обеспечивающий возможность управления рабочими параметрами монитора, отображения текущей информации и выдачи световых и звуковых сигналов срабатывания.
Отличительным признаком заявляемого способа является то, что микропроцессорный модуль электронного блока обработки формирует сигнал автоматической подстройки порога обнаружения металлодетектора в зависимости от текущих значений фонового излучения, регистрируемых блоками детектирования сцинтилляционными, а электронный модуль металлодетектора снабжён входом для приёма указанного сигнала.
Заявляемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-4.
На фиг.1 показан общий вид пешеходного радиационного монитора гамма-излучения в варианте с четырьмя блоками детектирования сцинтилляционными.
На фиг.2 приведён разрез по А-А на фиг.1.
На фиг.3 приведён разрез по Б-Б на фиг.1.
На фиг.4 представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Пешеходный радиационный монитор гамма-излучения состоит из генераторной панели 1, приёмной панели 2, верхней горизонтальной панели 3, электронного блока обработки 4 и пульта управления и индикации 5. Генераторная панель 1, приёмная панель 2 и верхняя горизонтальная панель 3 конструктивно образуют арку монитора.
Генераторная панель 1 состоит из блоков детектирования сцинтилляционных 6, высоковольтного источника питания 7, генераторной рамки 8 и ИК-излучателя 10.
Приёмная панель 2 состоит из блоков детектирования сцинтилляционных 6, высоковольтного источника питания 7, приёмной рамки 9 и ИК-приёмника 11.
Электронный блок обработки 4 состоит из электронного модуля радиационного канала 12, электронного модуля металлодетектора 13, микропроцессорного модуля 14, звукового модуля 15 и модуля питания 16.
Пешеходный радиационный монитор гамма-излучения работает следующим образом.
ф
ок
ф
фк
0
После подачи сетевого напряжения модуль питания 16 и высоковольтные источники питания 7 начинают вырабатывать напряжения, необходимые для функционирования всех электронных узлов монитора. Микропроцессорный модуль 14 производит контроль работоспособности узлов монитора и подсчёт количества импульсов фона во временном окне длительностью Т по каждому блоку детектирования 6. После проверки и первичного набора фона монитор сообщает о готовности к работе путём зажигания светового индикатора ГОТОВ на пульте управления и индикации 5. По команде с пульта управления и индикации 5 производится запоминание в памяти микропроцессорного модуля 14 первичных значений скорости счёта импульсов по каждому блоку детектирования 6, которые далее используются в качестве опорных значений скорости счёта n. Подсчёт фона далее продолжается в скользящем временном окне длительностью Т и вычисляются скользящие средние значения для скорости счёта импульсов n от фонового излучения по каждому блоку детектирования 6. По команде с пульта управления и индикации 5 производится ввод и запоминание в памяти микропроцессорного модуля 14 первоначального порога обнаружения металлодетектора П, соответствующего пороговой массе металлического предмета поиска.
фк
эк
эк
При входе контролируемого лица под арку монитора происходит срабатывание датчика присутствия, измерение фона прерывается, значения n запоминаются и начинается измерение всеми блоками детектирования гамма-излучения "эффекта" - числа импульсов N, поступающих от каждого блока детектирования. При выходе лица из-под арки монитора измерение числа импульсов N прекращается и возобновляется измерение фона.
Далее микропроцессорный модуль 14 по заранее введённой программе производит автоматическое вычисление:
э
- времени нахождения лица в контролируемом пространстве t,
лт
- пороговых значений числа импульсов эффекта, соответствующих установленным значениям вероятности правильного обнаружения Р=0,95 и вероятности ложной тревоги Р=0,0001 -
пк
фк
э
фк
э
0,5
N=n·t+3,9·(n·t)+2 для каждого блока детектирования.
После этого производится проверка условий:
эк
пк
N>N для каждого блока детектирования.
Если хотя бы одно из этих условий выполняется, то формируется сигнал на срабатывание сигнализации и выдаётся сообщение ТРЕВОГА: ЯДЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ. Если же ни одно из вышеприведённых условий не выполняется, то срабатывания сигнализации не происходит.
м
к
0
ок
фк
т
0,5
Одновременно с обнаружением ядерных материалов по испускаемому ими гамма-излучению лицо, находящееся в контролируемом пространстве, подвергается контролю на наличие у него металлических предметов с помощью металлодетектора путём регистрации амплитуды сигнала U, создаваемого металлическими предметами на его выходе. При этом микропроцессорный модуль 14 вычисляет текущие значения параметра П=П·(n/n) для каждого блока детектирования, минимальное из которых принимается в качестве текущего порога обнаружения П металлодетектора.
м
т
После этого производится проверка условия U>П, если оно выполняется, что может быть, например, в том случае, если лицо пытается вынести с территории объекта экранированный металлом ядерный материал, то формируется сигнал на срабатывание сигнализации и выдаётся сообщение ТРЕВОГА: МЕТАЛЛ. Если масса металлических предметов у контролируемого лица не превышает установленного порогового значения, то срабатывания сигнализации не происходит.
Рассмотрим работу монитора, используя приведённый выше пример.
0
ок
эк
фк
э
фк
235
235
Пусть первоначальный порог обнаружения металлодетектора установлен равным П=300 г, опорное значение скорости счёта n=64 имп/с, число импульсов эффекта от образца ядерного материала из U составляет 60 имп/с (N=n+60=124 имп/с) и t=1 с. Пусть теперь текущее значение скорости счёта импульсов от фонового излучения возросло до величины n=100 имп/с и образец ядерного материала из U помещён в стальной контейнер массой 260 г с толщиной стенки 8,4 мм (такими параметрами обладает стальной контейнер в виде цилиндра, высота которого равна диаметру основания, а внутри имеется полость для размещения ядерного материала, причём полость имеет цилиндрическую форму высотой 20 мм и диаметром основания 20 мм). Число импульсов эффекта уменьшится в 1,5 раза и составит 40 имп/с. Тогда получим
пк
эк
фк
эк
пк
N=141 имп/с, а N=n+40=140 имп/с. При этом условие N>N не выполняется и ядерный материал не будет зарегистрирован блоком детектирования гамма-излучения.
к
В то же время, текущее значение порога обнаружения металлодектора будет равно П=240 г и, следовательно, контейнер будет зарегистрирован металлодетектором, поскольку его масса 260 г больше текущего порога обнаружения.