Блок детектирования гамма-излучения в составе беспилотных летательных аппаратов легкого класса

Блок детектирования гамма-излучения в составе беспилотных летательных аппаратов легкого класса

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к средствам поиска и обнаружения источников гамма-излучения и предназначается для оснащения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) легкого класса.

Известны способ дистанционного измерения загрязнения радионуклидами подстилающей поверхности в следе радиоактивного выброса радиационно-опасных предприятий и система для его осуществления (пат. 2388018 Российская Федерация, МПК⁷ G01T 1/29, А.П. Елохин и др.; патентообладатель А.П. Елохин. - №2009117759/28; заявл. 26.06.2009; опубл. 27.04.2010; Бюл. №12). Система содержит гамма-спектрометрическую установку, размещенную на легком летательном аппарате, несущем дополнительно дозиметр поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения, лазерный высотомер, обеспечивающий измерение высоты сканирования подстилающей поверхности, и блок бесконтактной дистанционной передачи информации. Анализатор спектра размещен на наземном средстве передвижения, снабженном блоком приема измерительной информации, причем летательный аппарат и наземное средство передвижения снабжены блоками определения координат и приемопередающими блоками управления полетом летательного аппарата, а блок бесконтактной дистанционной передачи информации соединен с выходами аналого-цифрового преобразователя и дозиметра.

Известно мобильное средство радиационной разведки (Богатов С.А. Мобильное средство радиационной разведки на базе беспилотного летательного аппарата MD4-1000. / А.С. Богатов, С.Л. Гаврилов, С.А. Ткаченко и др. // Специальная техника. - 2012. - №6. - С. 16-22), которое содержит измерительный блок, позволяющий выполнять измерения мощности дозы в широком диапазоне (10^-7 Зв/ч до 10^-1 Зв/ч). В состав измерительного блока входит спектрометр на основе детектора NaI(Tl) размерами ⌀31×31 мм, а также два счетчика Гейгера-Мюллера. Масса блока составляет 0,6 кг. Габаритные размеры 111×90×126 мм. Полет производится по программно заданной траектории, во время которого производится набор спектров с экспозицией 1 с. Спектры записываются в память измерительного блока с привязкой по данным GPS. На пульт управление в режиме полета передается счет в выбранном энергетическом окне и счет от одного из счетчиков Гейгера-Мюллера. Считывание спектров из памяти измерительного блока производится после приземления БПЛА. Обработка и интерпретация данных с использованием разработанных алгоритмов позволяет: определить мощность дозы, получить распределение интенсивности излучения точечного источника, определить параметры равномерного поверхностного загрязнения.

Использование радиоканала в представленных устройствах как способа передачи данных о радиационной обстановке от блоков детектирования на пульт управления накладывает ограничения на дальность полета БПЛА и, как следствие, на площадь обследуемой территории. Дальность действия радиоканала зависит от мощности передатчика и, как правило, не превышает нескольких километров при прямой видимости и отсутствии помех.

Применение более мощного радиомодема в блоке детектирования, на первый взгляд, позволяет решить эту проблему. Но при этом существенно возрастет энергопотребление, что нивелирует выигрыш в дальности за счет предполагаемого увеличения мощности радиопередатчика, так как сократится время работы блока детектирования в целом. Установка более мощной и, следовательно, более массивной аккумуляторной батареи приведет к увеличению массы и габаритов блока детектирования и отрицательно скажется на летных характеристиках БПЛА.

Известен беспилотный дозиметрический комплекс измерения гамма-излучения (БПДК), выбранный за прототип (Калиберда И.В. Дистанционные измерения радиационного загрязнения территорий с помощью беспилотного дозиметрического комплекса. / И.В. Калиберда, Ф.Ф. Брюхань // Вестник МГСУ. - 2012. - №4. - С. 186-194). БПДК предназначен для выявления зон радиоактивного загрязнения местности, измерения спектрального состава и мощности экспозиционной дозы гамма-излучения, поиска точечных источников гамма- и нейтронного излучения, а также отображения и документирования данных радиационной обстановки. В качестве дозиметра выступает блок детектирования гамма-излучения БДФИ-02. Детектирующей частью блока является сцинтиллятор, выполненный на основе кристалла NaI размерами ⌀45×45 мм. Бортовое оборудование, кроме детектора-дозиметра, включает в себя датчик спутниковой навигации GPS, видеокамеру, радиоканал с выносной антенной, блок аккумуляторов и защиту от внешнего гамма-излучения. Общая масса бортового оборудования составляет 4,8 кг. Данное оборудование устанавливалось на радиоуправляемый вертолет «Caliber-ZG» фирмы «Kyosho» (Япония), способный нести полезную нагрузку массой до 5 кг.

Недостатками БПДК является большая масса бортового оборудования, ограничивающая ее применение в широком спектре аппаратов легкого класса, так как средняя масса полезной нагрузки таких аппаратов обычно находится в пределах 2,5-3 кг. Размеры детектора для обнаружения источников гамма-излучения требуют полетов на малой высоте с небольшой скоростью. Так, например, поиск источника Cs-137 проводился на высоте 10 метров при скорости полета 10 км/ч. Это приводит к значительному увеличению времени поиска и опасности столкновения с естественными и искусственными преградами при полетах на малых высотах. Как и в представленных аналогах, связь между БПДК и пультом управления осуществляется по радиоканалу.

Представленные аналоги и прототип создавались применительно к конкретным моделям БПЛА вертолетного типа с вертикальным взлетом и посадкой, возможностью зависания и управлением в ручном режиме. В качестве детекторов использовались сцинтилляторы NaI(Tl), выполненные в виде равносторонних цилиндров, где высота была равна диаметру оснований. Блоки детектирования также были выполнены в виде цилиндров и устанавливались под фюзеляжем, нижнем (рабочим) основанием к исследуемой поверхности. При этом габариты блоков детектирования были практически сравнимы с габаритами самих фюзеляжей БПЛА.

Для БПЛА легкого класса самолетного типа, запускаемых при помощи катапульты и перемещающихся на больших скоростях (от 60 км/ч), необходима более универсальная конструкция блока детектирования, учитывающая аэродинамику и габариты фюзеляжа БПЛА и вместе с этим позволяющая обеспечивать высокие обнаружительные характеристики.

Максимальная дальность полета таких БПЛА превышает десятки километров, что делает практически невозможной связь между блоком детектирования и пультом управления по радиоканалу, и, как следствие, теряется оперативность при сборе информации о радиационной обстановке на местности.

Задачами изобретения являются увеличение области поиска источников гамма-излучения в режиме реального времени за счет повышения дальности связи между установленным на БПЛА блоком детектирования и пультом управления, а также адаптация детектирующих элементов к высоким скоростям полета БПЛА с целью обеспечения высоких обнаружительных характеристик.

Данная задача решается за счет того, что в качестве средства связи между блоком детектирования и пультом управления используется беспроводной GSM-канал, реализуемый при помощи модуля GSM, установленного в блоке детектирования, и GSM-модемом, подключенным к пульту управления, представляющим собой персональный компьютер. Обеспечение высоких обнаружительных характеристик реализуется применением сцинтилляционных счетчиков NaI(Tl), выполненных в виде круглых прямых цилиндров и ориентированных основанием перпендикулярно направлению полета БПЛА. Выбор количества и размеров кристаллов является решением задачи оптимизации между эффективностью регистрации гамма-квантов (за что отвечает диаметр основания), максимальной эффективной площадью детектора (за что отвечает боковая поверхность) и минимальными массогабаритными характеристиками блока детектирования. Оптимальные результаты показала конфигурация из двух сцинтилляторов NaI(Tl) с высотой в 2,6 раза больше диаметра основания.

Такая форма и расположение детекторов увеличивают эффективную площадь регистрации гамма-излучения за счет использования боковой поверхности в качестве рабочей и позволяют минимизировать габариты блока детектирования, что существенным образом сказывается на его аэродинамических характеристиках.

Техническим результатом является расширение области поиска локальных источников гамма-излучения в режиме реального времени с применением БПЛА легкого класса, оборудованных блоком детектирования гамма-излучения, а также адаптация конструкции блока детектирования к высоким скоростям полета БПЛА при сохранении высоких обнаружительных характеристик.

Дополнительным преимуществом являются малый вес и габариты блока детектирования, позволяющие устанавливать данный блок практически на все существующие БПЛА легкого класса.

Предложен блок детектирования гамма-излучения в составе двух счетчиков сцинтилляционных 1, представляющих собой сцинтилляторы NaI(Tl), каждый из которых соединен с фотоэлектронным умножителем, контроллера 2 с установленным модулем GPS 3, модуля GSM 4, аккумуляторной батареи 5, и пульт управления 6, представляющий собой персональный компьютер с установленным GSM-модемом 7. Схема блока детектирования и пульта управления представлена на фиг. 1. Выходы счетчиков сцинтилляционных связаны с входом контроллера, отвечающего за питание и обработку сигналов со счетчиков. Модуль GPS введен в состав контроллера и предназначен для получения текущих географических координат. Выход контроллера через CAN-сеть связан с входом модуля GSM, реализующего беспроводной канал обмена данными между блоком детектирования и пультом управления. Аккумуляторная батарея служит для питания всех составных частей блока детектирования и соединена с контроллером, на вход которого подается напряжение 5 В от зарядного устройства 8 для зарядки аккумуляторной батареи.

Поиск источников излучения производится следующим образом. Блок детектирования устанавливается на БПЛА согласно фиг. 2. Во время полета БПЛА по заранее заданному маршруту блоком детектирования производится непрерывная регистрация гамма-излучения. Попадание гамма-квантов в сцинтилляционный детектор вызывает в нем световые вспышки. Световые вспышки фотоэлектронным умножителем преобразовываются в импульсы тока, которые поступают на вход контроллера, где производится анализ спектра импульсов по амплитудам и формируется спектр гамма-излучения. При помощи программного обеспечения контроллера количество импульсов спектра гамма-излучения сравнивается с записанным перед полетом в память устройства количеством импульсов спектра фонового гамма-излучения и делается вывод о наличии или отсутствии источника гамма-излучения. Сравнение производится в энергетических окнах, содержащих пики полного поглощения, соответствующим известным радионуклидам (например, в 1024-канальном спектре радионуклиду Cs-137 будет соответствовать окно с 200 по 240 канал). Таким образом, по превышению фоновых значений счета в конкретном энергетическом окне решается задача идентификации радионуклида. Чем меньше энергетическое окно, тем меньше в нем суммарное значение фоновых импульсов, тем ниже порог обнаружения источника излучения и, следовательно, выше чувствительность детектора. Порог обнаружения должен выбираться из заданной вероятности ложных тревог.

Информация, которая выдается от блока детектирования, через GSM-канал поступает на пульт управления и включает в себя: текущее положение БПЛА по показаниям модуля GPS, величину превышения сигнала от обнаруженного источника над уровнем фона, тип идентифицированного радионуклида в случае обнаружения. Это позволяет отслеживать радиационную обстановку в каждой точке заданного маршрута БПЛА в режиме реального времени. Данная информация наносится на электронную карту местности в пульте управления и совмещается с заранее заданным маршрутом БПЛА. По окончании полета и возвращении БПЛА в заданную точку при помощи пульта управления производится считывание с блока детектирования спектрометрических и вспомогательных данных из энергонезависимой памяти долговременного хранения, входящей в состав контроллера.

В качестве сцинтилляционных детекторов в блоке детектирования используются два цилиндрических сцинтиллятора NaI(Tl) размерами 031×80 мм. Расположение сцинтилляторов таким образом, что основание располагается перпендикулярно линии полета, а боковая поверхность обращена к исследуемой поверхности, позволяет достичь компактности блока детектирования, размеры которого составляют 210×140×65 мм при весе 1,8 кг. Такие весогабаритные характеристики позволяют устанавливать блок детектирования практически на все известные БПЛА легкого класса без потери аэродинамических характеристик.

Блок детектирования позволяет обнаруживать источник Cs-137 активностью 5 мКи при пролете над ним на высоте 50 м на скорости 60 км/ч.

Блок детектирования гамма-излучения в составе двух счетчиков сцинтилляционных, контроллера с установленным модулем GPS, аккумуляторной батареи, отличающийся тем, что для связи между блоком детектирования и пультом дистанционного управления используется GSM-канал, образованный размещенным в блоке детектирования модулем GSM и установленным в пульте управления GSM-модемом, а сцинтилляторы выполнены в виде круглых прямых цилиндров с высотой больше диаметра основания, причем сцинтилляторы ориентированы основанием перпендикулярно направлению полета беспилотного летательного аппарата.