СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ РАДИАЦИОННОЙ РАЗВЕДКИ МЕСТНОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЕМ МОЩНОСТИ ДОЗЫ С ОДНИМ ДЕТЕКТОРОМ

Изобретение относится к области экологического мониторинга обстановки после аварийного выброса в атмосферу радиоактивных веществ.

Выброс в атмосферу радиоактивных веществ в результате аварийной ситуации на объекте атомной энергетики может обусловить опасное загрязнение значительных по площади районов. В связи с этим первоочередное значение имеет оперативное выявление конфигурации опасных для проживания зон.

Наиболее оперативным способом выявления радиационной обстановки в пределах значительных по площади районов является воздушная радиационная разведка. При ведении воздушной радиационной разведки выполняются измерения мощности дозы гамма-излучения на высоте полета летательного аппарата, а затем полученные значения необходимо приводить в высоте 1 м над поверхностью земли:

где P(1), P(h) - мощность дозы гамма-излучения на высоте 1 м и h м над поверхностью земли соответственно, Р/ч;

K(E, h) - кратность ослабления гамма-излучения с энергией Е на высоте h, отн. ед.

В настоящее время известно несколько способов приведения измеренных с борта летательного аппарата величин мощности дозы гамма-излучения к высоте 1 м. Основополагающий способ заключается в том, что летательный аппарат пролетает над одним и тем же местом два раза. При этом если первый раз аппарат летел на высоте h₁, то повторный полет осуществляется на некоторой высоте h₂. На основе знания высоты полета h₁, кратности ослабления гамма-излучения радиоактивно загрязненной местности слоем воздуха толщиной , а также предположения об общем законе ослабления мощности дозы гамма-излучения плоского источника воздушной средой вычисляют мощность дозы на высоте 1 м. Трудность реализации такого способа заключается в необходимости точного пролета на разных высотах над каждой точкой, в которой определяется уровень радиации, в противном случае вследствие наличия градиента поля мощностей доз появится значительная по величине дополнительная погрешность измерения.

Развитие данного подхода позволило создать средства типа ИМД-31 [1], в которых используются два детектора, один из которых закрыт фильтром, имитирующим дополнительный слой воздуха заданной толщины. При таком способе предполагается, что летательный аппарат проводит одновременно измерения на двух различных высотах и повторный пролет над тем же участком местности исключается.

Недостатком данного способа является то, что материал фильтра и воздух обладают различными зависимостями от энергии гамма-кванта сечений фотопоглощения, комптоновского рассеяния гамма-квантов и сечения процесса образования пары электрон-позитрон в поле ядра атома вещества. Это обуславливает совпадение кратности ослабления гамма-излучения фильтром и принимаемым во внимание слоем воздуха фактически только для одной энергии квантов. Для всех остальных энергий появляется дополнительная погрешность измерения. Кроме того, данный способ не учитывает текущую плотность воздуха, зависящую от температуры, атмосферного давления и влажности. Это также влечет появление соответствующих дополнительных погрешностей измерения, которые в определенных условиях могут принять неприемлемо высокие значения.

Известен другой способ приведения измеренных значений мощности дозы гамма-излучения к высоте 1 м над поверхностью земли, основанный на использовании некоторой фиксированной зависимости кратности ослабления гамма-излучения от высоты над поверхностью земли [2]. Способ ориентирован за загрязнение, обусловленное аварийным выбросом на ядерном реакторе. В этом случае, если высота полета не превышает 150 м, то кратность ослабления будет отличаться от среднего значения для выбранной высоты не более чем на ±10% для радиоактивного загрязнения, вызванного выбросом продуктов деления из реактора для кампании в диапазоне от 10 до 720 суток и длительности выдержки топлива от 0 до 1800 суток.

Однако, несмотря на привлекательность подобного способа, он не рассчитан на выявление параметров заражения, обусловленного источником неизвестного радионуклидного состава. Кроме того, рассматриваемый способ не позволяет вести разведку на достаточно больших высотах, так как дополнительная погрешность становится неприемлемо высокой.

Дополнительно отметим определенные трудности практической реализации в некоторых ситуациях названного способа. В частности, в настоящее время существует самолет-лаборатория Як-42Д «Росгидромет», одной из задач которого является мониторинг подстилающей поверхности. Это может быть осуществлено прибором ДМГ-01, входящим в состав бортового оборудования [3]. Однако данный прибор обладает одним детектором на основе сцинтиллятора. Следовательно, приведения уровней радиации к высоте 1 м над поверхностью земли может быть использован способ, предполагающий расчет коэффициентов ослабления по заданной формуле [2]. Однако безопасная высота полета самолета над равнинной местностью составляет не менее 400 м. В этом случае погрешность приведения уровней радиации будет иметь значительную величину, достигающую ±26% уже на высоте 300 м [2].

Преодолеть недостатки перечисленных способов в совокупности можно, приняв за исходный способ, предполагающий двойной пролет над каждой точкой, как подход, предполагающий использование минимального количества априорных исходных данных, и исключив недостаток, заключающийся в необходимости повторного пролета над уже обследованным участком.

Такая возможность открывается в том случае, если принять во внимание, что в большинстве случаев поле мощностей доз гамма-излучения над радиоактивно загрязненной местностью описывается гладкими функциями, которые с большой точностью могут быть аппроксимированы [4]. Кроме того, можно считать, что радионуклидный состав загрязнения является достаточно стабильным в пределах одного сечения радиоактивного следа [5]. Дополнительно отметим, что при организации выявления параметров радиоактивного следа аварийного выброса маршрут составляется, как правило, из совокупности прямых параллельных отрезков (галсов), пересекающих зону заражения и при перемещении по которым проводятся измерения, а также из участков перехода с одного на другой отрезок ведения разведки [4].

Основной особенностью предлагаемого способа является то, что, как показано на фигуре 1, прямолинейный участок маршрута разведки делится на три участка. Летательный аппарат с измерителем мощности дозы первый участок маршрута разведки преодолевает на некоторой фиксированной высоте h₁, затем изменяет ее и второй участок пролетает на высоте h₂ и, наконец, на третьем участке аппарат снова возвращается на первоначальную высоту h₁.

Пользуясь результатами измерений на первом и третьем отрезках маршрута, можно определить функцию , где - расстояние до рассматриваемой точки маршрута от начальной точки маршрута, аппроксимирующую зависимость уровней радиации вдоль всего маршрута разведки, включая и второй его отрезок.

При ведении разведки на втором участке маршрута измерения проводятся на высоте h₂ в точках с координатами (x_i, y_i). Подставляя те же самые координаты в функцию , можно определить величины мощности дозы гамма-излучения на высоте h₁. Это, в свою очередь, делает возможным провести расчет кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха :

где

На следующем этапе обработки данных необходимо на основе использования K(x_i, y_i, Δh) определить кратности ослабления гамма-излучения слоями воздуха толщиной h₁ и h₂. Для выполнения этой операции необходимо знание общей закономерности изменения кратности ослабления гамма-излучения с высотой над поверхностью земли.

В таблице 1 приведены кратности ослабления гамма-излучения слоями воздуха различной толщины, полученные с использованием данных работы [6].

Анализ приведенных данных показывает, что кратность ослабления гамма-излучения с высотой может быть с достаточной для практических целей точностью аппроксимирована однопараметрической экспоненциальной зависимостью:

где α - параметр, зависящий от энергии излучения.

Проведенная аппроксимация показала: α(0,255)=4,2·10^-2; α(0,5)=3,9·10^-2; α(1,0)=3,7·10^-2. Как показывают расчеты, результаты которых представлены в таблице 2, аппроксимация зависимости изменения кратности ослабления гамма-излучения с высотой выбранным однопараметрическим экспоненциальным законом характеризуется погрешностью не более ±20% в диапазоне высот от 200 до 400 м.

Отметим, что основная погрешность приборов типа МКС-01Р достигает ±30% с доверительной вероятностью 0,95. Погрешность показаний за счет энергетической чувствительности детектора прибора не превышает ±30%. Дополнительная погрешность, обусловленная влиянием температуры окружающей среды на показания прибора, для наиболее ожидаемых условий не превысит ±20% [7]. Близкими к перечисленным характеристикам обладают практически все измерители мощности дозы. Например, прибор ДМГ-1 имеет предел допускаемой основной погрешности измерений, равный ±20%, а погрешность за счет энергетической зависимости чувствительности детектора достигает ±35%. Следовательно, дополнительная погрешность за счет использования формулы (1) для описания закона ослабления гамма-излучения с высотой не будет превышать любую из частных погрешностей измерения мощности дозы.

Проведем тождественные преобразования:

Используя представление (3) для описания закона ослабления гамма-излучения, получаем:

Итоговое выражение для определения параметра аппроксимирующей зависимости имеет вид:

Определение коэффициента будет осуществлено с погрешностью, обусловленной рядом факторов, включая, в частности, неточность выдерживания высоты полета, изменение высоты поверхности земли, флуктуацию плотности воздуха. Кроме того, на погрешность определения α будет влиять статистическая погрешность измерения мощности дозы гамма-излучения. В этой связи можно повысить точность получаемого конечного результата за счет усреднения кратностей ослабления, рассчитанных для точек на втором участке маршрута разведки:

где (x_i, y_i), i=n+1,…,n+k - координаты точек, лежащих на втором участке маршрута разведки.

На заключительном этапе обработки данных получают величины мощности дозы гамма-излучения, приведенные к высоте 1 м над поверхностью земли:

Дополнительно обоснуем минимальную величину изменения высоты полета. Для этого вначале отметим, что основная погрешность измерения содержит статистическую погрешность измерения и ее учет является первостепенным при оценке точности результатов измерений при низких уровнях радиации. Другой доминирующей составляющей суммарной погрешности измерения будет являться погрешность за счет аппроксимации кратности ослабления гамма-излучения зависимостью (3). Все другие погрешности могут быть иметь незначительные величины за счет примерно одинаковых условий измерения на разных высотах. Следовательно, пределы суммарной погрешности определения уровней радиации на высоте 1 м на основе измерений, проведенных с борта летательного аппарата, будут равными ±50%. Отсюда следует, что изменение высоты на Δh должно обеспечивать изменение кратности ослабления более чем на ±50%.

Расчеты минимальных значений Δh, проведенные с использованием представленных выше данных, приведены в таблице 3. Из этих данных следует, что изменение высоты полета должно составлять не менее ±50 м.

Приведем пример использования предлагаемого способа.

Будем полагать, что радиоактивное загрязнение местности образовалось в результате выпадения на подстилающую поверхность радиоактивных материалов из облака, образовавшегося в результате аварийного выброса на ядерном реакторе. Будем пользоваться декартовой системой координат, поместив начало отсчета в точку начала маршрута разведки и расположив ось ОХ параллельно оси радиоактивного следа облака выброса. Распределение уровней радиации на высоте 1 м в пределах участка радиоактивно загрязненной местности, над которым совершит пролет летательный аппарат с измерителем мощности дозы на борту, описывается выражением [8]:

где Р₀ - мощность дозы на оси следа радиоактивного облака выброса, мР/ч;

y₀ - удаление оси радиоактивного следа от оси координат ОХ, м;

σ_y - среднеквадратическое отклонение уровней радиации в сечении радиоактивного следа, м.

Примем, что: Р₀=5 мР/ч; у₀=5000 м; σ_y=1000 м, а радионуклидный состав загрязнения обуславливает гамма-излучение с энергией, равной 0,5 МэВ. Положим также, что летательный аппарат вылетел из точки начала координат выбранной системы отсчета и перемещался под углом 60 градусов к оси следа. Будем считать, что на первом участке маршрута разведки летательный аппарат летел на высоте 250, затем на втором участке увеличил высоту до 300 м, а на третьем участке снова перешел на высоту 250 м.

На фигуре 2 приведено теоретическое распределение уровней радиации вдоль маршрута движения на высотах h₁=250 м и h₂=300 м.

Было принято, что различные участки на маршруте полета, пересекающем радиоактивный след, имеют одинаковую протяженность. Скорость полета предполагалась равной 250 км/ч, а время одного измерения прибором радиационной разведки - 3 с.

Отклонения измеренных значений мощности дозы относительно ожидаемых величин на заданной высоте полета, определяемые статистической погрешностью измерения, а также случайными колебаниями высоты полета, плотности воздуха и прочими факторами, принимались распределенными по нормальному закону с относительным среднеквадратическим отклонением, равным 0,1.

Один из рассмотренных вариантов реализации результатов измерения при ведении радиационной разведки летательным аппаратом по маршруту с изменяемой высотой полета для принятых величин параметров приведен на фигуре 3.

На первом этапе обработки данных на основе результатов измерений на первом и третьем участках маршрута разведки была аппроксимирована общая зависимость распределения уровней радиации:

Общий вид полученной зависимости представлен на фигуре 4.

С помощью зависимости (11) были рассчитаны значения мощности дозы гамма-излучения на высоте h₁ в точках на втором участке маршрута разведки, где проводились измерения на высоте h₂.

Результаты расчетов приведены в таблице 4.

После подстановки полученных данных в выражение (7) получаем, что средняя кратность ослабления гамма-излучения равна 1,682. Использование выражение (8) показывает, что коэффициент α равен 0,0399.

Подставляя значение α в выражение (3), рассчитываем кратности ослабления гамма-излучения для высот 250 и 300 м:

Сравнивая полученные значения с действительными величинами, представленными в таблице 1, получаем, что погрешность определения кратности ослабления гамма-излучения не превышает 6%.

В целом, несмотря на то, что исходные данные задавались с погрешностью до ±20%, конечный результат обладает погрешностью намного меньшей. Это позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ ведения воздушной радиационной разведки позволит получать достоверные сведения о распределении уровней радиации вблизи поверхности земли. При этом его реализация не требует применения специальных технических средств, как, например, авиационные измерители мощности дозы, или предварительного знания о радионуклидном составе загрязнения местности. Такие свойства наделяют предлагаемый способ рядом преимуществ, важных в ситуациях, связанных с выявлением обстановки после крупномасштабных аварий.

Таким образом, с учетом изложенных положений предлагается способ ведения воздушной радиационной разведки местности измерителем мощности дозы с одним детектором, заключающийся в измерении в процессе полета значений мощности дозы гамма-излучения и приведении полученных значений к высоте 1 м над поверхностью земли, отличающийся тем, что каждый прямолинейный участок маршрута разведки делится на три близких по длине отрезка; после преодоления на высоте h₁ первого отрезка высота полета летательного аппарата увеличивается (уменьшается) с величины h₁ до величины h₂, причем ; после преодоления второй трети маршрута высота полета устанавливается опять равной h₁ и выдерживается на протяжении всего последнего отрезка; на основании результатов измерений, сделанных на первом и третьем отрезках участка маршрута разведки, аппроксимируется аналитической функцией распределение мощности дозы гамма-излучения для всего участка; с помощью полученной функции рассчитываются величины мощностей дозы для высоты h₁ в точках на втором отрезке участка маршрута, где были проведены измерения на высоте h₂, а затем в точках на втором отрезке путем деления вычисленных мощностей доз на высоте h₁ на мощности дозы, измеренные на высоте h₂, вычисляются кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха толщиной Δh; на основе полученных значений вычисляется средняя величина кратности ослабления; с использованием общего теоретического закона изменения кратности ослабления гамма-излучения в зависимости от высоты над поверхностью земли и вычисленной средней величины кратности ослабления для слоя воздуха Δh определяются кратности ослабления гамма-излучения K₁ и K₂ слоями воздуха толщиной h₁ и h₂; величины мощности дозы, измеренные на первом и третьем отрезках участка маршрута разведки, умножаются на коэффициент K₁, а измеренные на среднем отрезке участка маршрута разведки - на коэффициент K₂.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Измеритель мощности дозы ИМД-31-01. Руководство по технической эксплуатации. ЖШ1.289.183-01 РЭ. - 1986. - 246 с.

2. Способ ведения воздушной радиационной разведки местности. Заявка на изобретение №2013154167 от 5.12.2013 г. (Решение о выдаче патента от 13.02.2015 г.).

3. Вакуловский С.М., Андреев Ф.А. и др. Радиометрический комплекс в составе самолета-лаборатории Як-42Д «Росгидромет» // Аппаратура и новости радиационных измерений (АНРИ). - 2015. - №1. - С. 32-40.

4. Садовников Р.Н., Андриевский Э.Ф. и др. Повышение оперативности сбора данных при выявлении радиационной обстановки с использованием подвижных средств разведки // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2002. - №3. - С. 57-61.

5. Богатов С.А., Боровой А.А., Дубасов Ю.В., Ломоносов В.В. Формы и характеристика частиц топливного выброса при аварии на Чернобыльской АЭС // Атомная энергия [Текст]. - 1990. - Т. 69, вып. 1. - С. 36-40.

6. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений [Текст]. М.: Атомиздат, 1967. - 224 с.

7. Радиометр-дозиметр МКС-01Р. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - 116 с.

8. Метеорология и атомная энергия [Текст]: [пер. с англ.]. / Под ред. Н.Л. Бызовой, К.П. Махонько. - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1971. - 647 с.