Способ ведения воздушной радиационной разведки местности с использованием беспилотного летательного аппарата вертолетного типа

1. Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области выявления радиационной обстановки техническими средствами воздушной радиационной разведки местности (ВРРМ) и может быть использовано при создании перспективных и применении существующих технических средств ВРРМ.

2. Уровень техники

Известен способ ведения ВРРМ, основанный на регистрации гамма-квантов детектором, расположенным на летательном аппарате. Способ основан на приведении результатов измерений величин мощности дозы гамма-излучения на высоте ведения радиационной разведки (РР) к высоте 1 м при помощи пересчетных высотных коэффициентов и реализован в авиационных измерителях мощности дозы типа ИМД-31 и ИМД-32 [1, 2].

Однако пересчетные коэффициенты существенно зависят от энергии гамма-квантов, рельефа местности, подстилающей поверхности, состояния атмосферы (температура воздуха, влажность и др.), растительного покрова и других факторов [3]. Поскольку указанные параметры или неизвестны, или известны с определенной ошибкой, результаты пересчета измеренных уровней радиации обладают погрешностью, соответствующей изменению этих параметров. Кроме этого подобных технических комплексов РР существует только ограниченное количество.

Известен способ учета кратности ослабления K(h) гамма-излучения слоем воздуха, толщина которого соответствует высоте полета летательного аппарата, реализованный в специализированном комплексе воздушной радиационной разведки ГО-21, путем установки вручную переключателя поддиапазонов в фиксированные положения [4]. Этот способ обладает низкой достоверностью, так как при измерениях мощности дозы не учитывается информация о параметрах аварийного выброса, включая радионуклидный состав и спектр гамма-излучения, а также метеорологические данные.

Известен способ ведения ВРРМ в районе аварии на ядерном реакторе с разгерметизацией активной зоны, заключающийся в измерении на высоте полета значений мощности дозы гамма-излучения и приведении полученных значений к высоте 1 м над поверхностью земли [5].

Указанный способ также обладает низкой достоверностью, так как при его реализации не учитываются погрешности, обусловленные особенностями района ведения РР (рельеф, подстилающая поверхность, метеорологические условия и др.), которые могут значительно влиять на результаты разведки. Приемлемые значения погрешности измерения за счет неизвестного радионуклидного состава загрязнения обеспечиваются при сравнительно небольших высотах ведения разведки. Это делает проблематичным применения такого способа в условиях рельефа, отличающегося от равнинного. Кроме того, рассматриваемый способ не позволяет учитывать плотность воздуха, что обуславливает дополнительную погрешность измерения.

Данный способ выбран в качестве прототипа, так как обладает наибольшим сходством с описываемым способом.

3. Раскрытие изобретения

Способ ведения ВРРМ с использованием беспилотного летательного аппарата вертолетного типа заключается в измерении на высоте полета мощности дозы гамма-излучения и приведении ее величины к интересующей высоте с использованием реальной зависимости мощности дозы от высоты h над радиоактивно загрязненной местностью (РЗМ). Зависимость определяют при вертикальном полете во время нахождения беспилотного летательного аппарата в поле гамма-излучения над РЗМ. Данная особенность позволяет при ведении разведки учитывать ряд частных погрешностей измерения, зависящих от спектра гамма-излучения, состояния атмосферы, рельефа местности, вида подстилающей поверхности, наличия и высоты растительного покрова и других особенностей местности.

Технический результат - повышение достоверности ведения РР местности, загрязненной радиоактивными веществами.

В настоящее время более 40 стран мира имеют собственную атомную промышленность, атомные электрические станции, подвижные, судовые, научно-исследовательские, космические и другие ядерные энергетические установки. Как показывает практика, аварии на подобных радиационно-опасных объектах случаются с того момента, как человечество стало использовать атомную энергию в своих целях. Этот факт предъявляет высокие требования к существующим и разрабатываемым системам и средствам РР как по достоверности, так и по оперативности получения данных о параметрах радиоактивно загрязненных участков местности и объектов.

Одной из основных задач РР местности является обнаружение и максимально достоверное определение параметров РЗМ и различных объектов в минимальные сроки, что позволит своевременно и целенаправленно привести в действие комплекс мероприятий по защите населения от воздействия ионизирующего излучения.

Существенное увеличение оперативности РР связано с разработкой технических средств воздушной ВРРМ. Среди преимуществ указанных средств можно выделить возможность обследования территорий с любой степенью радиоактивного загрязнения, возможность разведки местности, непроходимой для наземной разведывательной техники, а также значительное сокращение затрат времени на сбор разведывательной информации.

Вместе с тем методическая основа проведения измерения у всех существующих приборов воздушной ВРРМ остается неизменной на всем протяжении истории их развития. Ее сущность заключается в том, что для определения мощности дозы излучения в некоторой точке необходимо измерить мощность дозы над этой точкой на высоте полета беспилотного летательного аппарата и умножить измеренную величину на величину кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха между высотой полета и исследуемой высотой. Величина кратности ослабления K(h) показывает отношение искомой мощности дозы к измеряемой

где K(h) - величина кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха;

- мощность дозы на интересующей высоте;

- мощность дозы, измеренная на высоте полета.

Величина кратности ослабления будет изменяться в соответствии с зависимостью мощности дозы над РЗМ от высоты измерения. При этом на данную зависимость будет влиять множество факторов, наиболее существенными из которых являются энергия гамма-квантов, состояние атмосферы, рельеф местности, подстилающая поверхность, растительный покров, а также наличие и особенности объектов на обследуемой местности.

При реализации способов-аналогов указанные параметры либо не учитываются, либо учитываются с определенной ошибкой, поэтому результаты пересчета измеренных мощностей доз обладают значительной погрешностью.

Так, например, в способе, выбранном в качестве прототипа, предложено определять значения кратности ослабления К(h) с использованием выражения для мощности дозы от плоского изотропного источника гамма-излучения, расположенного в бесконечной гомогенной воздухоэквивалентной среде, преобразованного для случая сложного радионуклидного загрязнения [5]

где

K_p - постоянная, зависящая от выбора единиц измерения;

A_i - активность i-го изотопа в активной зоне реактора, Бк;

K_vi - выход i-го изотопа из активной зоны реактора при аварии первого класса, отн. ед.;

K_γij - дифференциальный квантовый выход на один распад для j-й линии i-го изотопа;

Е_ij - энергия квантов j-й линии i-го изотопа, МэВ;

σ_aij - линейный коэффициент поглощения энергии, м^-1;

S - площадь радиоактивного загрязнения, м²;

h - высота ведения разведки, м;

μ_ij - линейный коэффициент ослабления излучения, м^-1;

r - расстояние от элементарного источника излучения до точки расположения детектора излучения, м;

B_d - дозовый фактор накопления;

R - расстояние от точки проекции детектора излучения на поверхность до элементарного источника излучения, м.

Расчет K(h) с помощью формул (1) и (2) не учитывает совокупность факторов, характеризующих реальные условия в районе ведения разведки, которые могут значительно влиять на результаты измерений.

Поле гамма-излучения над местностью, загрязненной радиоактивными изотопами, отличается от гамма-поля идеализированного плоского изотропного источника, находящегося в бесконечной воздушной среде. Это отличие обусловлено [6]:

- влиянием вещества подстилающей поверхности, отличающегося по плотности и атомарному составу от воздуха;

- наличием неровностей подстилающей поверхности;

- наличием растительного покрова;

- изменением плотности воздуха в зависимости от температуры, давления и влажности в реальных условиях.

Рассмотрим влияние перечисленных факторов на поле гамма-излучения над РЗМ в естественных условиях.

При расположении источника ионизирующего излучения на границе раздела сред, состоящих из веществ разной плотности с малым атомным номером Z, в слое с меньшей плотностью (случай границы раздела вода-воздух и грунт-воздух) мощность дозы гамма-излучения источника вблизи него (μr<1) больше, чем для однородной среды, вследствие увеличения обратного рассеяния от более плотной среды. При увеличении расстояния от источника (μr>>1) разница значений мощностей доз для указанных случаев уменьшается.

На фигуре 1 приведена зависимость отношения для плоского изотропного источника и энергии E=1,25 МэВ с учетом подстилающей поверхности (сплошная линия) и без нее (пунктирная линия) от радиуса плоского круглого источника R для разных высот измерения: h=1 м (линия 1.1), h=10 м (линия 1.2), h=50 м (линия 1.3), h=100 м (линия 1.4).

Отношение показывает вклад мощности дозы от круглой площадки радиусом R в суммарную мощность дозы от площадки бесконечного радиуса.

Из фигуры 1 видно, что подстилающая поверхность влияет на величину мощности дозы над излучающей поверхностью, особенно для малых высот, погрешность измерения мощности дозы при этом достигает 15%.

Влияние микрорельефа на распространение гамма-излучения в приземном слое атмосферы обусловлено, главным образом, экранированием выступами почвы излучения, приходящего в точку наблюдения от отдельных зон.

Рассмотрим элементарную площадку dS, расположенную на расстоянии R от проекции точки наблюдения на земную поверхность. Угол между плоскостью земной поверхности и линией, соединяющей площадку dS с точкой наблюдения, обозначим β, т.е. β=arcctg (R/h), где h - высота точки наблюдения.

Фактор, учитывающий влияние микрорельефа на излучение элементарной площадки dS (или точечного источника, находящегося на этой площадке), обозначим

где - мощность дозы излучения от элементарной площадки dS при наличии микрорельефа;

- мощность дозы излучения от элементарной площадки dS при отсутствии микрорельефа.

Если при расчете влияния микрорельефа использовать функцию χ(β), введенную выше, то поправочный коэффициент К_Н(h), учитывающий влияние неровностей земли на мощность дозы гамма-излучения от поверхности в целом, можно выразить формулой

где l(h, cos θ) - угловое распределение мощности дозы;

χ'(cos θ)=χ(β); при cos θ<0 предполагается χ'(cos θ)=1;

В работе [3] приведены описания расчетов и модельных экспериментов по определению влияния микрорельефа на поле гамма-излучения над РЗМ, основные результаты которых представлены в таблице 1.

Гамма-поле над РЗМ, покрытой травяным или лесным покровом, отличается от гамма-поля площадки, свободной от растительности. Это отличие обусловлено экранирующей способностью биомассы, покрывающей радиоактивно загрязненную поверхность.

Для расчета влияния растительного покрова на достоверность РР использована модель радиоактивного загрязнения с равномерным распределением радиоактивных выпадений на земной поверхности.

Будем считать, что между влиянием травянистого покрова, кустарников и лесных насаждений на гамма-поле нет принципиальных отличий. Отличие будет лишь в количестве и характере распределения биомассы на площади.

Поглощающая среда в случае, если воздушная РР ведется над загрязненной местностью, покрытой лесной растительностью, состоит из двух слоев: слоя воздуха (практически равному по массе слою воздуха от поверхности земли до точки измерения) и слоя древесины. Тогда мощность дозы в точке измерения определится формулой

где - мощность дозы, измеренная на высоте полета;

- мощность дозы на интересующей высоте;

K(h) - величина кратности ослабления гамма-излучения слоем воздуха;

К_л(h) - коэффициент экранирования мощности дозы в точке измерения слоем древесины.

В таблице 2 приведены значения коэффициентов экранирования лесным покровом гамма-излучения для бесконечного поверхностного источника и насаждений разных типов и возраста при E=0,7 МэВ. Коэффициенты экранирования зависят, главным образом, от размеров деревьев и плотности лесных насаждений. Размеры деревьев характеризуются возрастом, а плотность насаждений - степенью бонитета (условий произрастания).

Из таблицы 2 видно, что лесная растительность может ослабить гамма-излучение (E=0,7 МэВ) до трех раз. Таким образом, экранирующая способность лесной растительности может оказывать существенное влияние на точность и достоверность разведывательной информации, получаемой в процессе ведения воздушной PP.

Рассмотрим влияние состояния атмосферы на гамма-поле над РЗМ.

Как известно, плотность воздуха ρ зависит от давления р, температуры t и влажности W. В свою очередь от плотности воздуха зависит коэффициент ослабления гамма-излучения воздухом и, соответственно, величина мощности дозы на высоте h над РЗМ.

На фигуре 2 показана зависимость пересчетных коэффициентов К_B(h), учитывающих состояние атмосферы, от влажности (W, г/м³), плотности (ρ, г/м³), давления (р, мм рт.ст. при t=0°С и t=20°С) и температуры (t, °С при р=760 мм рт.ст.) воздуха для мощности дозы при измерении на разных высотах: h=100 м (линия 2.1), h=200 м (линия 2.2), h=300 м (линия 2.3).

Из фигуры 2 видно, что пересчетный коэффициент К_В(h) для мощности дозы незначительно изменяется при изменении содержания воды в воздухе (при густом тумане влажность составляет ~ 1,0 г/м³, при проливном дожде ~ 4,0 г/м³). Смещение температуры от минус 30 до 30°С изменяет величину пересчетного коэффициента на 25-60%, а падение или увеличение давления на 50 мм рт.ст. - на 8-20% в зависимости от высоты ведения PP. Изменение этого коэффициента для интенсивности первичного гамма-излучения еще более значительны. Для измерений в горных районах, где поверхность земли находится на большей высоте над уровнем моря, учет давления еще более существенен [3].

Используя приведенные данные о влиянии реальных условий на поле гамма-излучения, можно определить по мощности дозы, измеренной на высоте полета , мощность дозы на земной поверхности (например, на высоте h_o=1 м)

где - мощность дозы, измеренная на высоте полета;

- пересчетный высотный коэффициент с высоты h на высоту h_o для идеально ровной поверхности и стандартной атмосферы;

К_П(h) - поправочный коэффициент, учитывающий влияние подстилающей поверхности;

К_Н(h) - поправочный коэффициент, учитывающий влияние неровностей земной поверхности;

К_Л(h) - поправочный коэффициент, учитывающий влияние растительного (главным образом, лесного) покрова;

К_р(h) - поправочный коэффициент, учитывающий влияние атмосферного давления;

К_Т(h) - поправочный коэффициент, учитывающий влияние температуры воздуха;

К_W(h) - поправочный коэффициент, учитывающий влияние влажности воздуха.

По результатам расчетов влияния на результаты воздушной РР реальных условий, смоделированы поля гамма-излучения над РЗМ, максимально приближенные к реальным путем учета влияния рассмотренных факторов на распространение гамма-излучения.

На фигуре 3 представлены зависимость мощности дозы (, мР/ч) от высоты измерения (h, м) для крайних случаев, когда исследуемые факторы максимально (линия 3.1) и минимально (линия 3.3) ослабляют гамма-излучение от РЗМ, а также аналогичная зависимость для идеализированного плоского изотропного источника, находящегося в бесконечной воздушной среде (линия 3.3). Все три случая рассмотрены для одинаковой равномерной площадной плотности радиоактивного загрязнения.

Из рисунка 3 видно, что зависимости мощности дозы от высоты, характеризующие все возможные варианты трансформации поля ионизирующего излучения особенностями местности, будут проходить между линией 3.1 и линией 3.3.

В таблице 3 приведены величины относительных погрешностей для случаев, когда реальные условия воздушной РР максимально и минимально ослабляют гамма-излучение от РЗМ при различных высотах ведения разведки.

4. Осуществление изобретения

Способ ведения ВРРМ с использованием беспилотного летательного аппарата вертолетного типа заключается в измерении на высоте полета мощности дозы гамма-излучения и приведении ее величины к интересующей высоте с использованием реальной зависимости мощности дозы от высоты h над радиоактивно загрязненной местностью (РЗМ). Зависимость определяют при вертикальном полете во время нахождения беспилотного летательного аппарата в поле гамма-излучения над РЗМ. Данная особенность позволяет при ведении разведки учитывать ряд частных погрешностей измерения, зависящих от спектра гамма-излучения, состояния атмосферы, рельефа местности, вида подстилающей поверхности, наличия и высоты растительного покрова и других особенностей местности.

Для исключения рассмотренных выше погрешностей предложено приводить величину мощности дозы, измеренную на высоте полета к мощности дозы на интересующей высоте с использованием реальной зависимости мощности дозы от высоты h над РЗМ. Для этого указанную зависимость предложено определять при вертикальном полете беспилотного летательного аппарата во время его нахождения в поле гамма-излучения над обследуемой местностью путем измерения мощности дозы и соответствующей высоты на всей траектории вертикального полета от поверхности земли до максимальной высоты, на которой планируется вести PP. Скорость взлета зависит от требуемой точности измерения и от времени измерения измерителя мощности дозы. После этого полученную зависимость предложено аппроксимировать и использовать для нахождения величины кратности ослабления ионизирующего излучения слоем воздуха между высотой измерения и высотой, для которой пересчитывается мощность дозы.

В дальнейшем при существенном изменении параметров, влияющих на зависимость мощности дозы от высоты измерения, с целью повышения достоверности РР необходимо повторить вертикальный полет для составления более актуальной зависимости.

Из фигуры 3 (линия 3.1) видно, что при наличии лесного покрова и пересеченного рельефа местности мощность дозы при увеличении высоты измерения вначале возрастает (от поверхности земли до высоты лесного покрова), затем убывает. В таком случае для повышения достоверности необходимо аппроксимировать зависимость мощности дозы от высоты ее измерения на двух интервалах высот. Кроме этого при наличии лесного покрова радиоактивные вещества сразу после выпадения будут сконцентрированы в верхнем слое кроны, затем под влиянием осадков и ветра плотность загрязнения будет переноситься к поверхности земли, после чего будет происходить проникновение радиоактивных частиц в грунт. Поэтому при наличии лесного покрова следует различать зависимости, описывающие изменение мощности дозы при изменении высоты измерения для областей, разделенных верхней границей лесного покрова.

Для определения количества точек измерения мощности дозы при вертикальном полете расчетным путем составлены зависимости относительного среднеквадратического отклонения аппроксимации от количества точек измерения мощности дозы при вертикальном полете на высоте 300 м. Указанные зависимости были рассчитаны для различных наиболее распространенных условий, усредненные значения результатов расчетов представлены в таблице 4.

Таблица 4

Таким образом, проведенный анализ показал, что совокупность факторов, характеризующих реальные условия ВРРМ способна значительно влиять на результаты измерений, как завышая, так и занижая их. Существующие способы ведения ВРРМ могут обладать значительной погрешностью, так как при их реализации учитываются не все указанные особенности. Предлагаемый способ позволит существенно повысить точность ведения РР местности, что позволит максимально достоверно определить параметры РЗМ и различных объектов в минимальные сроки и таким образом своевременно и целенаправленно привести в действие комплекс мероприятий по защите населения от воздействия ионизирующего излучения.

5. Краткое описание чертежей

На фигуре 1 приведена зависимость отношения для плоского изотропного источника и энергии E=1,25 МэВ с учетом подстилающей поверхности (сплошная линия) и без нее (пунктирная линия) от радиуса плоского круглого источника R для разных высот измерения:

1.1 h=1 м

1.2 h=10 м

1.3 h=50 м

1.4 h=100 м

Отношение показывает вклад мощности дозы от круглой площадки радиусом R в суммарную мощность дозы от площадки бесконечного радиуса.

Из фигуры 1 видно, что подстилающая поверхность влияет на величину мощности дозы над излучающей поверхностью, особенно для малых высот, погрешность измерения мощности дозы при этом достигает 15%.

На фигуре 2 показана зависимость пересчетных коэффициентов К_B(h), учитывающих состояние атмосферы, от влажности (W, г/м³), плотности (ρ, г/м³), давления (р, мм рт.ст. при t=0°С и t=20°С) и температуры (t, °С при р=760 мм рт.ст.) воздуха для мощности дозы при измерении на разных высотах:

2.1 h=100 м

2.2 h=200 м

2.3 h=300 м

Из фигуры 2 видно, что пересчетный коэффициент К_В(h) для мощности дозы незначительно изменяется при изменении содержания воды в воздухе (при густом тумане влажность составляет ~ 1,0 г/м³, при проливном дожде ~ 4,0 г/м³). Смещение температуры от минус 30 до 30°С изменяет величину пересчетного коэффициента на 25-60%, а падение или увеличение давления на 50 мм рт.ст. - на 8-20% в зависимости от высоты ведения PP. Изменение этого коэффициента для интенсивности первичного гамма-излучения еще более значительны. Для измерений в горных районах, где поверхность земли находится на большей высоте над уровнем моря, учет давления еще более существенен.

На фигуре 3 представлены зависимость мощности дозы (, мР/ч) от высоты измерения (h, м) для крайних случаев, когда исследуемые факторы максимально (линия 3.1) и минимально (линия 3.3) ослабляют гамма-излучение от РЗМ, а также аналогичная зависимость для идеализированного плоского изотропного источника, находящегося в бесконечной воздушной среде (линия 3.3). Все три случая рассмотрены для одинаковой равномерной площадной плотности радиоактивного загрязнения.

Из рисунка 3 видно, что зависимости мощности дозы от высоты, характеризующие все возможные варианты трансформации поля ионизирующего излучения особенностями местности, будут проходить между линией 3.1 и линией 3.3.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Измеритель мощности дозы ИМД-31. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - 132 с.

2. Комплекс ИМД-32. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЖШ1.289.459 ТО. - М.: НИЦ СНИИП, 1997. - 85 с.

3. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. - М.: Атомиздат, 1967. - 224 с.

4. Техническое описание и инструкция по эксплуатации прибора ГО-21. - 87 с.

5. Пат. 2554618 РФ, МПК⁷ G01T 1/169. Способ ведения воздушной радиационной разведки местности. / Р.Н. Садовников, Д.В. Фролов; заявитель и патентообладатель ФГБУ 33ЦНИИИ МО РФ. - №2013154167/28, 2001113992; заявлено 05.12.2013 22.05.01; опубликовано 27.06.15, бюл. №18. - 9 с.

6. Израэль Ю.А. «Известия АН СССР, серия географическая», №7, 1964 г.