Способ определения направления на источник ядерного излучения

Изобретение относится к способу определения направления на источник ядерного излучения сцинтилляционными детекторами.

Заявляемый способ относится к области радиационного контроля с использованием сцинтилляционных детекторов и предназначен для поиска и обнаружения источников ядерных излучений по их гамма- и/или нейтронному излучению, утерянных или преднамеренно спрятанных (в случаях незаконного захоронения радиоактивных отходов и т.п.). Заявляемый способ может применяться в носимых портативных или движущихся (например, автомобильных, вертолетных, беспилотных) устройствах радиационного контроля и может быть использован для создания высокоэффективных позиционно-чувствительных сцинтилляционных детекторов.

Известны способы определения направления на источник ядерного излучения с применением коллиматоров, экранирующих излучение, попадающее в сцинтилляционный кристалл со всех сторон кроме выбранного разработчиком направления [1-4].

Известен способ обнаружения источников ядерных излучений (ЯИ) наземными или морскими мобильными комплексами радиационного контроля и стационарными устройствами радиационного контроля для поиска, обнаружения и локализации ЯИ [1]. Сущность изобретения [1] заключается в том, что способ поиска, обнаружения и локализации (определения местоположения) ЯИ путем определения точки пересечения обнаруженных линий-направлений на ЯИ из двух различных мест с использованием устройств детектирования, снабженных экранами-поглотителями излучения, и поворотной платформы.

Известен способ определения направления на источник ЯИ с применением многомодульной системой с анизотропной чувствительностью регистрирующих модулей [2-4]. Модель, предназначенная для ускоренного поиска источников гамма-излучения, включает в себя четыре регистрирующих модуля (сцинтилляционных блока) каждый весом около 3 кг, разделенных ослабляющим излучение экраном. Система детекторов располагается на плоскости. Точечный источник находится на некотором расстоянии от системы детекторов. По интенсивности излучения, регистрируемом каждым регистрирующим модулем отдельно, и с помощью компьютерной обработки результатов, можно определить направления на один или несколько непротяженных источников излучения.

Недостатком обоих описанных способов можно считать то, что, во-первых, в каждом способе используются несколько детекторов, разнесенных на плоскости, во-вторых в этих способах используются экраны-поглотители, ослабляющие излучение, использующиеся для выбора направления на ЯИ и изготовленные из материала с высокой плотностью (например, из свинца), что резко увеличивает массу конечного прибора и уменьшает возможность его широкого применения в мобильном варианте, в-третьих системы обнаружения направления на ЯИ, основанные на вышеописанных способах, работают только на плоскости - при сложном рельефе точные измерения с использованием этих способов провести невозможно.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения общей массы конструкции детектирующей системы и одновременно обеспечивается возможность проводить поиск ЯИ одним детектором.

Предлагаемый способ обнаружения направления на источник ЯИ основан на сравнении количества зарегистрированных частиц сцинтилляционными кристаллами, находящимися в непосредственной близости друг от друга в одной плоскости, но под разными углами, фиг. 1.

При выборе величины L, заведомо большей, чем d, путь, пройденный частицей в регистрирующем элементе, будет явно зависеть от угла, под которым он ориентирован относительно потока частиц, фиг. 2. В таком случае максимальный пробег х частицы для произвольного элемента будет приблизительно равен:

или:

где n - номер элемента, Q - угол раскрытия детектора, N - количество кристаллов в одной группе детектора, лежащих в одной плоскости, фиг. 2. Легко заметить, что при приближении ϕ к величина х будет резко расти, приближаясь к значению L.

В то же время площадь боковой проекции регистрирующего элемента на поверхность с находящимся на ней источником будет быстро уменьшаться по закону:

или:

Для центрального элемента (ось которого совпадает с направлением на источник) боковой проекции будет равна площади торца, т.е. ~d², что при условии d << L дает нам значительно меньшую поверхность регистрации. Таким образом, хотя максимальный пробег частицы в детекторе будет возрастать, и большая часть ее энергии будет конвертироваться в фотоны, это будет нивелироваться уменьшением потока частиц через элементы детектора, ориентированные торцом в сторону источника.

Проведенные математические расчеты с применением программного обеспечения GEANT4 приведены на фиг. 3-4.

На фиг. 1 схематически показано размещение кристаллов одной группы, находящихся в единой плоскости, где 1 - регистрирующий элемент, 2 - твердотельный электронный фотоумножитель, 3 - сегмент сферической поверхности как направляющая плоскость размещения регистрирующих элементов, 4 - оси регистрирующих элементов, сходящиеся е едином центре.

На фиг. 2 схематически показано как площадь боковой проекции регистрирующего элемента на поверхность, с находящимся на ней источником, зависит от угла поворота сцинтилляционного кристалла относительно вертикальной оси, где 5 - регистрирующий элемент, а 6 - источник излучения.

На фиг. 3 показано сравнение зарегистрированных детектором, состоящим из 41 кристалла, событий при расположении источника Со⁶⁰ на оси симметрии детектора. Для расчета использовались следующие параметры: d=6 мм, L=80 мм. Хорошо видно, что число событий, зарегистрированных центральным кристаллом, намного меньше по сравнению с числом событий, зарегистрированных соседними кристаллами.

На фиг. 4 показана зависимость зарегистрированных детектором событий каждым отдельным кристаллом при взаимном смещении детектора и источника ЯИ на 10 м относительно центральной оси детектора таким образом, что источник оказывается на оси кристалла №9, считая от центрального кристалла, имеющего номер 0.

Фиг. 3 и фиг. 4 наглядно подтверждают факт описанных выше утверждений об уменьшении числа зарегистрированных событий при стремлении угла ϕ к .

Принцип поиска источника ЯИ, основанный на представленном способе, сводится к перемещению детектора таким образом, чтобы минимальное число событий регистрировалось центральным кристаллом. Перемещение детектора, учитывая его малый вес, возможно с применением беспилотных летательных аппаратов.

Таким образом, предлагаемый способ обладает рядом существенных признаков, главные из которых таковы:

- при определенном образом подобранных параметрах d, L и N возможно получить различную картину распределения событий в регистрирующих элементах, при d << L в элементах, ориентированных торцом к источнику излучения, наблюдается характерный спад скорости счета импульсов, что позволяет определить координаты источника излучения;

- возможность использовать один многокристальный детектор для обнаружения направления на ЯИ;

- резкое снижение массы детектирующего устройства за счет отказа от использования коллиматоров, экранирующих излучение.

Источники информации

1. Благовещенский М.Н., Кулизнев А.А., Разумова И.Н., Шутов О.Н., «Способ поиска, обнаружения и локализации источников ионизирующих излучений». Патент № RU 2562142 C1, 11.03.2014

2. Лэй Вин, В.В. Кадилин, Г.Л. Деденко, Ней Мьо У, В. Τ. Самосадный. Исследование отклика МИДУ с различными защитными экранами при регистрации потоков γ излучения // Научная сессия МИФИ-2008. Сб. научных трудов. Том 3, М.: МИФИ, 2008, С. 177-179.

3. Лэй Вин, Г.Л. Деденко, В.В. Кадилин, С.В. Исаков, Исследование угловых характеристик многомодульных детектирующих устройств // №4-08, Ядерные измерительно-информационных технологии. С. 25

4. Лэй Вин, В.В. Кадилин, Г.Л. Деденко, Тант Зин, Исследование характеристик панорамного датчика, предназначенного для ускоренного поиска источников γ-излучения // XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008». Сб. тезисов, М.: Физический факультет МГУ, 2008, С. 19-20.

5. Горохова Е.И., Тюрин Г.П., Христич О.А. «Способ обнаружения и регистрации заряженных частиц». Патент № RU 2173469 С2, 14.05.1999 г.

6. Jobst J.Ε., A history of aerial surveys radiological incidents and accidents: CONF-860932. - 1987, p.79-84.

7. V.D. Pal'shina, Yu. Ε. Charikova, R.L. Aptekar, S.V. Golenetskii, A.A. Kokomov, D.S. Svinkin, Z. Ya. Sokolova, M.V. Ulanova, D.D. Frederiks and A.E. Tsvetkova, Konus-Wind and Helicon-Coronas-F Observations of Solar Flares, GEOMAGNETISM AND AERONOMY Vol. 54, № 7, 2014