Способ обнаружения и измерения слабых потоков ионизирующих излучений

Способ обнаружения и измерения слабых потоков ионизирующих излучений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиационного контроля с применением, например, ионизационных, сцинтилляционных, полупроводниковых детекторов и предназначено для обнаружения и/или измерения слабых потоков фотонного и/или корпускулярного ионизирующих излучений с интенсивностью, в том числе существенно меньшей фоновой, от подвижных и неподвижных объектов радиационного контроля. При этом скорость перемещения подвижных объектов может достигать технических пределов для транспортных средств.

Заявляемый способ может использоваться в радиационных мониторах ядерных и других радиоактивных материалов, в иных индикаторах ионизирующего излучения, в соответствующих средствах измерений, таких как радиометры, дозиметры, спектрометры, для решения различных задач радиационного контроля, в том числе трансграничного перемещения товаров, транспортных средств, иных объектов внешнеэкономической деятельности, в промышленном и сельскохозяйственном производстве, в торговле и банковском деле, в медицине и экологии, в науке и образовании, связанных с обнаружением и/или измерением потоков подобных излучений, в том числе относительно низкой интенсивности.

Известен способ обнаружения слабых потоков ионизирующего излучения, используемый в стационарной аппаратуре радиационного контроля типа «Янтарь» различных модификаций (см. Стационарная таможенная система обнаружения делящихся и радиоактивных материалов «Янтарь-1А». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ДКЦИ. 425713.004 ТО. г.Дубна, 2000). Он основан на оценивании значений статистических параметров естественного радиационного фона и ионизирующего излучения от объекта контроля.

Указанный способ предусматривает следующий порядок выполнения операций. Перед началом контроля объектов, движущихся через створ стоек (стойки с ограничителем ширины контролируемого пространства) с детекторами гамма- и нейтронного излучения, в течение M смежных интервалов времени суммарной длительностью t_b регистрируется выборка отсчетов, представляющая серию по N_i импульсов фонового ионизирующего излучения в i-м (i=1, 2, ..., M) интервале. Такая выборка используется для получения оценки среднего значения N_с счета фоновых импульсов:

и дисперсии:

После переключения по сигналу датчика присутствия в режим контроля объекта, вызвавшего срабатывание такого датчика, в каждом из аналогичной серии смежных интервалов времени регистрируется счет импульсов N_io и сравнивается с пороговыми значениями, вычисляемыми на основании последней оценки фона из выражения:

где L_j - коэффициент настройки аппаратуры радиационного контроля на требуемую частоту ложных срабатываний;

j=1, 2, 3.

Процедура сравнения с указанными порогами применяется также к измерениям, непосредственно предшествующим включению датчика присутствия, и к измерениям, следующим за его выключением.

Если N_io больше любого из трех значений q, получаемых с использованием выражения (3), то принимается решение об обнаружении повышенного потока ионизирующего излучения с последующим формированием сигнала тревоги (светового и/или звукового). В противном случае принимается решение об отсутствии причины для тревоги.

Недостатком представленного способа является получение и использование неполной информации о регистрируемых потоках ионизирующих излучений, приводящей к завышению порогов их обнаружения, частоты ложных срабатываний, погрешности измерения интенсивности таких потоков. В частности, в этом способе практически не предусматривается получение и использование информации об интервалах времени между смежными импульсами, возникающими в измерительных каналах, надлежащее осуществление совместной обработки данных, получаемых с помощью однотипных детекторов, имеющихся в каждой стойке аппаратуры «Янтарь».

Известен также способ обнаружения, реализованный в поисковом приборе РМ-1401 (см. Дозиметр поисковый микропроцессорный ДРС-РМ1401. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Минск: СП «Полимастер». 1997). Он включает следующие операции. Перед началом работы с искомыми объектами регистрируется счет N_b фоновых импульсов в течение t_b=36 с. Затем прибор автоматически переключается в режим оперативного контроля и производит регистрацию счета импульсов N_o в течение последующих смежных интервалов времени длительностью t_n=2 с каждый. Порог срабатывания прибора вычисляется с использованием выражения:

где

- среднеквадратическое отклонение величины N_b;

m - коэффициент кратности при σ (обычно m≥4).

Основным недостатком представленного способа, как и предыдущего, является неполное получение и использование технически вполне доступной информации о регистрируемых потоках фотонного ионизирующего излучения, также приводящее к завышению порогов их обнаружения, частоты ложных срабатываний, погрешности измерения интенсивности таких потоков.

Наиболее близким, принятым за прототип, является «Способ обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений» (см. патент на изобретение №2140660 С1, МПК 6 G 01 T 1/167, дата публикации 27.10.1999, заявка №98102583/06 от 10.02.1998). Он предусматривает выполнение следующих операций.

Перед началом контроля объектов определяют порог q₀ в соответствии с задаваемой оператором вероятностью ложных тревог по таблицам для нормального распределения. Затем измеряют среднюю скорость счета b, обусловленную фоновым ионизирующим излучением. При этом время измерения фона t_b может быть сколь угодно большим и определяется оперативной обстановкой либо задается оператором. Прибор радиационного контроля, в котором реализуется описываемый способ, переключают в режим оперативного контроля, обеспечивая тем самым измерение количества импульсов излучения N_o от контролируемого объекта в течение интервала контроля t_n, задаваемого оператором. Далее вычисляют среднюю скорость счета аддитивной смеси фонового ионизирующего излучения и излучения объекта контроля

определяют значение параметра

Полученное значение η сравнивают с порогом q₀. Если η>q₀, то принимают решение об обнаружении (включается сигнал «тревоги», который может быть световым, звуковым и т.д.). В противном случае принимают решение о необнаружении (об отсутствии источника).

Известный способ также не позволяет обнаруживать и с требуемой точностью измерять интенсивность слабых потоков ионизирующих излучений вследствие ориентации на единственный измерительный канал соответствующей аппаратуры и неиспользования возможности получения и совместной обработки информации об интервалах времени между смежными импульсами в каналах, неизбежно приводящих к завышению частоты ложных срабатываний, порогов обнаружения и погрешности измерения интенсивности таких потоков.

Задачами, на которые направлено изобретение, являются повышение чувствительности, оперативности и достоверности обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений, уменьшение частоты ложных срабатываний аппаратуры радиационного контроля и погрешности измерения интенсивности таких потоков, расширение диапазона допустимых значений скорости перемещения объектов контроля через контролируемое пространство, снижение фактической стоимости радиационного контроля.

Предложен способ обнаружения и измерения слабых потоков ионизирующих излучений с применением, например, ионизационных, сцинтилляционных, полупроводниковых детекторов, заключающийся в определении скорости счета импульсов в измерительном канале, в формировании порога обнаружения и принятии решения о результате обнаружения, отличающийся тем, что определяют мгновенную скорость f_i счета импульсов и ее вторую производную цифровой фильтрацией текущей серии результатов измерения их времени появления либо значений счета в смежных интервалах экспозиции в i-м канале из числа n не менее двух на основе однотипных детекторов, размещаемых рядом друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной направлению поиска и измерения, формируют два порога обнаружения, представляющие собой верхние пределы значений амплитуды и длительности информативной части функции

получаемых в отсутствие радиационных объектов в контролируемом пространстве. При этом решение об обнаружении слабого потока ионизирующих излучений принимают в случае превышения одного или обоих порогов текущими значениями указанных параметров. В качестве результата измерения его скорости счета принимают сумму ее мгновенных значений по n каналам за вычетом подобной суммы, вычисляемой в отсутствие радиационных объектов в контролируемом пространстве.

Повышение чувствительности обнаружения слабого потока ионизирующих излучений, точности определения его интенсивности и, тем самым, снижение фактической стоимости радиационного контроля достигается посредством цифровой фильтрации результатов регистрации импульсов с использованием нерекурсивных фильтров, формируемых на основе точных решений систем уравнений аналитических функций.

Повышению оперативности, расширению диапазона допустимых значений скорости перемещения объектов контроля через контролируемое пространство способствует измерение, регистрация и учет времени появления каждого импульса в канале либо уменьшение экспозиции до значений, соответствующих систематическому проявлению интервалов времени между последовательно регистрируемыми импульсами.

Повышение достоверности обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений, эффективное снижение частоты ложных срабатываний обеспечивается одновременной регистрацией таких потоков посредством не менее двух измерительных каналов на основе однотипных детекторов, получением и использованием значений функции (7).

При использовании изобретения тип и целевые параметры детекторов выбирают с учетом данных, представленных в таблице. По сравнению с прототипом достижение задаваемых по условиям решаемых задач радиационного контроля значений отношения сигнал/фон для вероятности обнаружения 0,5 при доверительной вероятности не менее 95% обеспечивается регистрацией существенно меньшего количества требуемых для этого фоновых импульсов. Коэффициент кратности такого уменьшения может быть больше четырех. Одновременно достигается также снижение частоты ложных срабатываний мониторов до значений менее одного на тысячу проходов (проездов) и/или не более одного ложного срабатывания за восемь часов непрерывной работы мониторов.

Снижение погрешности определения интенсивности слабого потока ионизирующих излучений по сравнению с прототипом для идентичных условий может быть более чем в полтора раза.

Предложенный способ обнаружения и измерения слабых потоков ионизирующих излучений осуществляется следующим образом.

В качестве исходного устанавливается значение минимальной длительности пребывания объектов контроля в контролируемом пространстве. Для этого пространства в отсутствие объектов контроля за время, превышающее вышеуказанное значение и отвечающее требованию по итоговой погрешности результатов измерения интенсивности наиболее слабых из числа ожидаемых и обнаруживаемых потоков ионизирующих излучений, получают оценки фоновой скорости счета используемых детекторов и верхних пределов значений амплитуды и длительности информативной части функции (7) посредством цифровых фильтров с постоянными времени, численно равными длительности интервала фактического измерения фонового счета и ожидаемой минимальной длительности пребывания объектов контроля в контролируемом пространстве соответственно. Полученные таким образом значения используются при осуществлении радиационного контроля объектов, попадающих в контролируемое пространство. При обнаружении предложенным способом слабого потока ионизирующих излучений от объекта измерение его интенсивности осуществляется с использованием цифрового фильтра, постоянная времени которого численно равна времени фактического пребывания данного объекта в зоне контроля.

Для пояснения предлагаемого способа могут служить приведенные ниже чертежи, в основу которых положены результаты измерений, выполненные с использованием прибора УРК-01Ф «Стриж» (см. Государственный реестр средств измерений РФ. Средство измерения №24125-02):

фиг.1 - результаты регистрации ионизирующего излучения измерительным каналом №1 прибора УРК-01Ф «Стриж»;

фиг.2 - результаты регистрации ионизирующего излучения измерительным каналом №2 прибора УРК-01Ф «Стриж»;

фиг.3 - результаты обнаружения слабого потока ионизирующего излучения прибором УРК-01Ф «Стриж».

На фиг.1 и 2 изображены исходные данные, полученные путем регистрации ионизирующего излучения фона и радионуклидного источника на основе калифорния-252 активностью не более 3 кБк двумя (№1 и №2 соответственно) из двенадцати измерительных каналов вышеуказанного прибора в течение времени, превышающего время нахождения этого источника в контролируемом прибором пространстве.

На фиг.3 представлены результаты обнаружения слабого потока ионизирующего излучения, обозначенного на фиг.1 и 2, предложенным способом в течение отмеченного там интервала времени. Из них следует, что совместное использование данных, получаемых даже частью измерительных каналов указанного прибора, таким образом позволяет практически полностью нейтрализовать возможные ложные сигналы, обусловленные флуктуациями фона.

Выявленные признаки изобретения дают также основание для вывода о том, что подобные результаты получаются и при переходе к существенно меньшим по сравнению с отображенным на фиг.1 и 2 значениям экспозиции. В таких случаях практически каждый импульс из использованных для формирования функции (7) на фиг.3 оказывается отделенным от соседних различным количеством «пустых» интервалов, каждый из которых численно равен экспозиции.

Использование изобретения позволяет эффективно осуществлять радиационный контроль, в том числе автотранспортных средств, пересекающих контролируемое пространство, например, со скоростью 110 км/ч, т.е. при длительности их пребывания в зоне контроля не более 0,1 с. И в такой ситуации для выявления слабого потока ионизирующего излучения от подобных объектов в месте нахождения детекторов монитора необходимо задействовать не менее двух однотипных детекторов, каждый из которых в течение указанного промежутка времени позволяет получить и зарегистрировать, по крайней мере, 1 фоновый импульс (10 имп/с). Это дает возможность с вероятностью 0,5 для доверительной вероятности не менее 95% за указанный интервал времени обнаружить в два раза более слабый, чем фоновый, поток ионизирующих излучений детекторами монитора от проезжающей мимо них соответствующей автомашины.

Если же использовать в подобном мониторе детекторы с объемом чувствительной области, обеспечивающим увеличение счета фоновых импульсов, например, в шесть раз (т.е. 60 имп/с) по сравнению с обозначенным выше, то это дает возможность (см. таблицу) снизить минимально обнаруживаемое отношение сигнал/фон в представленном примере до значения 0,2.

Использование изобретения возможно для решения и других задач радиационного контроля.

Например, в медицине при проведении диагностических операций с применением радиофармпрепаратов использование изобретения позволяет при сохранении достигнутого уровня погрешности результатов подобных операций существенно уменьшить значения активности доз таких препаратов, вводимых пациентам, с соответствующим снижением радиационной нагрузки на них, а также на обслуживающий медицинский персонал. Аналогичное снижение радиационной нагрузки на организм человека достигается путем использования изобретения в рентгеновской аппаратуре медицинского назначения с цифровой регистрацией получаемой информации.

Использование изобретения возможно также при осуществлении природоохранных мероприятий, геолого-изыскательских и им подобных работ, например, путем аэрогамма-съемки подстилающей территории. Это позволяет с сохранением достигнутого уровня чувствительности применяемых детекторов в несколько раз повысить скорость перемещения носителей соответствующей аппаратуры радиационного контроля. При выполнении подобной работы с соблюдением ранее установленных нормативов скорости таких носителей обеспечивается аналогичное повышение чувствительности обнаружения радиационных объектов, находящихся либо на поверхности подстилающей территории, либо под ней.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет по сравнению с прототипом существенно уменьшить значения порогов обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений, погрешность определения их интенсивности, частоту ложных срабатываний используемой аппаратуры радиационного контроля, расширить диапазон допустимых значений скорости перемещения объектов контроля через контролируемое пространство, снизить фактическую стоимость радиационного контроля.

ТаблицаСоответствие между минимально обнаруживаемым отношением сигнал/фон с вероятностью обнаружения 0,5 для достоверности не менее 95% и минимальным количеством импульсов фона в детекторе за время контроля
Минимально обнаруживаемое отношение сигнал/фон	Минимальное количество импульсов фона в детекторе за время контроля, имп.
0,5	1
0,2	6
0,1	20
0,05	80

1. Способ обнаружения и измерения слабых потоков ионизирующих излучений с применением, например, ионизационных, сцинтилляционных, полупроводниковых детекторов, заключающийся в определении скорости счета импульсов в измерительном канале, в формировании порога обнаружения и принятии решения о результате обнаружения, отличающийся тем, что определяют мгновенную скорость f_i счета импульсов и ее вторую производную цифровой фильтрацией результатов их регистрации i-м каналом из числа n не менее двух на основе однотипных детекторов, размещаемых рядом друг относительно друга в плоскости, перпендикулярной направлению поиска и измерения, формируют два порога обнаружения, представляющих собой верхние пределы значений амплитуды и длительности информативной части функции

получаемых в отсутствие радиационных объектов в контролируемом пространстве, при этом решение об обнаружении слабого потока ионизирующих излучений принимают в случае превышения одного или обоих порогов текущими значениями указанных параметров, а в качестве результата измерения его скорости счета принимают сумму ее мгновенных значений по n каналам за вычетом подобной суммы, вычисляемой в отсутствие радиационных объектов в контролируемом пространстве.

2. Способ обнаружения и измерения слабых потоков ионизирующих излучений по п.1, отличающийся тем, что цифровой фильтрации подвергают текущую серию результатов измерения времени появления смежных импульсов.

3. Способ обнаружения и измерения слабых потоков ионизирующих излучений по п.1, отличающийся тем, что цифровой фильтрации подвергают текущую серию отсчетов, зарегистрированных в смежных интервалах экспозиции.