СЦИНТИЛЛЯЦИОННОЕ ДЕТЕКТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Заявляемое сцинтилляционное детектирующее устройство относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области регистрации радиоактивных излучений. Наиболее эффективно оно может быть использовано для радиационного анализа воздуха или иных газообразных сред.

Известно детектирующее устройство газопроточного аэрозольного монитора "АВРМ 301" фирмы "MGP Instruments", предназначенного для измерения мощностей доз радиоактивных излучений и определения концентраций, содержащихся в газовых средах радионуклидов при персональном мониторинге или мониторинге определенных площадей или зон ("EDGAR system") [1].

Известный газопроточный аэрозольный монитор имеет в своем составе насос, детектирующее устройство (кассетный бумажный фильтр, полупроводниковый кремниевый детектор), детектирующий блок, а также процессор и отображающее устройство.

Работа известного газопроточного аэрозольного монитора заключается в прокачивании насосом через фильтрующую бумагу кассетного фильтра потока радиоактивной газовой среды с последующим измерением полупроводниковым кремниевым детектором уровня радиоактивности фильтрующей бумаги с задержанными на ней радиоактивными аэрозолями, после чего результаты измерений обрабатываются процессором и выводятся на отображающее устройство.

Недостатками детектирующего устройства газопроточного аэрозольного монитора являются:

- невозможность идентификации при детектировании смешанных типов (β+γ, α+β+γ и т.п.) радиоактивных излучений их отдельных (α, β или γ) составляющих, что при дальнейшей обработке результатов измерений снижает точность идентификации радионуклидов;

- невозможность идентификации различных потоков β+γ-излучений с близкими характеристиками по γ-излучению, но различными ха-

рактеристиками по β-излучению при одновременном попадании нескольких таких потоков β+γ-излучений внутрь сцинтиллятора, что при дальнейшей обработке результатов измерений не позволяет отличить друг от друга радионуклиды, обладающие такими типами радиоактивных излучений.

Известно детектирующее устройство газопроточного сцинтилляционного монитора "SAPIG 202" фирмы "MGP Instruments", предназначенного для измерения мощностей доз радиоактивных излучений, определения концентраций, а также спектрального анализа содержащихся в газовых средах радионуклидов ("RAMSYS system") [2].

Известный газопроточный сцинтилляционный монитор имеет в своем составе газоподающее устройство (насос), сцинтилляционное детектирующее устройство (аэрозольный стекловолокнистый фильтр, йодный фильтр (цеолит, импрегнированный растворимой солью серебра), NaI (Tl) - сцинтиллятор, соединенный с фотоумножителем), которое последовательно соединено с электронным блоком (процессором со спектральным анализатором) и отображающим устройством (показывающим монитором).

Работа известного газопроточного сцинтилляционного монитора заключается в прокачивании насосом в течение определенного времени через аэрозольный стекловолокнистый фильтр и йодный фильтр потока радиоактивной газовой среды, в результате чего на стекловолокнистом фильтре происходит оседание и накапливание радиоактивных аэрозолей, а на йодном фильтре - сорбция и накапливание на цеолите радиоактивного йода в форме нерастворимого иодида серебра, радиоактивное излучение которых регистрируется сцинтиллятором.

Недостатками детектирующего устройства газопроточного сцинтилляционного монитора являются:

- невозможность идентификации при детектировании смешанных типов (β+γ, α+β+γ и т.п.) радиоактивных излучений их отдельных (α, β или γ) составляющих, что при дальнейшей обработке результатов измерений снижает точность идентификации радионуклидов;

- невозможность идентификации различных потоков β+γ-излучений с близкими характеристиками по γ-излучению и различными характеристиками по β-излучению при одновременном попадании нескольких таких потоков β+γ-излучений внутрь сцинтиллятора, что при дальнейшей обработке результатов измерений не позволяет отличить друг от друга радионуклиды, обладающие такими типами радиоактивных излучений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является сцинтилляционное детектирующее устройство [3], включающее снабженный входным и выходным отверстиями корпус сцинтилляционного детектирующего устройства, внутри которого расположены покрытый рефлектором и разделенный щелевым отверстием сцинтилляционный детектор, состоящий из одинаковых верхнего и нижнего полуцилиндров неорганического сцинтиллятора и прилегающих к их основаниям одинаковых верхней и нижней пластин органического сцинтиллятора, фотоэлектронный умножитель, соединенный своим оптическим окном со сцинтилляционным детектором, а также расположенный в щелевом отверстии сцинтилляционного детектора и выходящий за его пределы узел фильтрации, содержащий фильтр, выполненный в форме перемещаемой ленты.

Известное устройство работает следующим образом.

Сначала в течение фиксированного времени (обычно в течение 24 часов) через определенный участок фильтра, расположенный за пределами щелевого отверстия сцинтилляционного детектора, прокачивают анализируемую газообразную среду (воздух или иной газ), в результате чего радиоактивные аэрозоли фиксируются на этом участке фильтра. Затем фильтр приводят в движение, участок фильтра с зафиксированными на нем радиоактивными аэрозолями перемещают в щелевое отверстие сцинтилляционного детектора, после чего перемещение фильтра прекращают и с помощью сцинтилляционного детектора осуществляют детектирование радиоактивных излучений. Образующиеся в сцинтилляционном детекторе световые импульсы (вспышки) через оптическое окно фотоэлектронного умножителя поступают в фотоэлектронный умножитель, где преобразуются в электроимпульсы, которые в дальнейшем обрабатывают в специальных электронных блоках и пересчитывают в мощность дозы или иной показатель радиоактивного излучения.

Недостатками известного сцинтилляционного детектирующего устройства при такой конструкции узла фильтрации являются:

- возможность проведения только периодических измерении некоторого усредненного (за каждые 24 часа) уровня загрязненности газообразной среды, т.е. невозможность определения концентраций радиоактивных веществ в газообразной среде в каждый момент времени в течение всего времени измерения;

- пониженная точность измерения уровня загрязненности газообразной среды, обусловленная тем, что за период ее прокачки через участок фильтра произойдет частичный распад фиксируемых на нем короткоживущих радионуклидов, а также неспособностью фильтра задерживать летучие радиоактивные газообразные соединения;

- пониженная надежность работы, обусловленная тем, что при выходе из строя элемента, обеспечивающего перемещение фильтра, сцинтилляционное детектирующее устройство прекратит свою работу.

Преимуществами заявляемого сцинтилляционного детектирующего устройства являются обеспечение возможности определения концентраций радиоактивных веществ в газообразной среде в каждый момент времени в течение всего времени измерения, повышение точности измерения уровня загрязненности газообразной среды и повышение надежности его работы.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что заявляемое сцинтилляционное детектирующее устройство включает снабженный входным и выходным отверстиями корпус сцинтилляционного детектирующего устройства, внутри которого расположены покрытый рефлектором и разделенный щелевым отверстием сцинтилляционный детектор, состоящий из одинаковых верхнего и нижнего полуцилиндров неорганического сцинтиллятора, прилегающих к ним одинаковых соответственно верхней и нижней пластин органического сцинтиллятора, внешние поверхности которых покрыты слоями защитного материала, свободно пропускающими α, β, γ и нейтронное излучения, (например, любыми полимерными пленками, удовлетворяющими этому требованию), фотоэлектронный умножитель, соединенный своим оптическим окном со сцинтилляционным детектором, а также целиком расположенный в щелевом отверстии сцинтилляционного детектора узел фильтрации, содержащий фильтр и включающий коробчатый корпус узла фильтрации, в торцевых стенках которого имеются входные и выходные распределительные отверстия, снабженные входным и выходным патрубками входную и выходную коробчатые герметизирующие насадки, причем фильтр содержит вещества, способные связывать летучие газообразные радиоактивные соединения, и диагонально расположен внутри коробчатого корпуса узла фильтрации таким образом, что отделяет друг от друга полости, первая из которых ограничена с одной из своих сторон торцевой стенкой коробчатого корпуса с входными распределительными отверстиями, а другая ограничена с одной из своих сторон торцевой стенкой коробчатого корпуса с выходными распределительными отверстиями, а входная и выходная коробчатые герметизирующие насадки расположены поверх торцевых частей коробчатого корпуса узла фильтрации, образуют с его торцевыми стенками герметичные газовые камеры и герметически прилегают к слоям защитного материала, покрывающим внешние поверхности верхней и нижней пластин органического сцинтиллятора.

Отличительными признаками заявляемого сцинтилляционного детектирующего устройства является то, что

- внешние поверхности верхней и нижней пластин органического сцинтиллятора покрыты слоями защитного материала, свободно пропускающими α, β, γ и нейтронное излучения;

- узел фильтрации, содержащий фильтр, целиком расположен в щелевом отверстии сцинтилляционного детектора и имеет в своем составе:

1. коробчатый корпус узла фильтрации, в торцевых стенках которого имеются входные и выходные распределительные отверстия;

2. снабженные входным и выходным патрубками коробчатые входную и выходную герметизирующие насадки;

- фильтр содержит вещества, способные связывать летучие газообразные радиоактивные соединения, и расположен внутри коробчатого корпуса узла фильтрации таким образом, что отделяет друг от друга полости, первая из которых ограничена с одной из своих сторон торцевой стенкой коробчатого корпуса с входными распределительными отверстиями, а другая ограничена с одной из своих сторон торцевой стенкой коробчатого корпуса с выходными распределительными отверстиями;

- входная и выходная коробчатые герметизирующие насадки расположены поверх торцевых частей корпуса узла фильтрации, образуют с его торцевыми стенками герметичные газовые камеры и герметически прилегают к слоям защитного материала, покрывающим внешние поверхности верхней и нижней пластин органического сцинтиллятора.

Заявляемое сцинтилляционное детектирующее устройство в варианте с диагонально расположенным фильтром в узле фильтрации представлено на фиг.1-7.

На фиг.1 в виде спереди представлен в разрезе коробчатый корпус узла фильтрации с входными и выходными распределительными отверстиями и диагонально расположенным в нем фильтром;

На фиг.2 в виде сверху представлен в разрезе коробчатый корпус узла фильтрации с входными и выходными распределительными отверстиями (без фильтра);

На фиг.3 и 4 в виде спереди и виде сверху представлена в разрезе одна из коробчатых герметизирующих насадок с патрубком (другая коробчатая герметизирующая насадка с патрубком абсолютно идентична первой);

На фиг.5 в виде спереди представлен в разрезе узел фильтрации целиком;

На фиг.6 в виде спереди представлено в разрезе сцинтилляционное детектирующее устройство с расположенным в нем узлом фильтрации;

На фиг.7 в виде сверху представлено в разрезе сцинтилляционное детектирующее устройство с расположенным в нем узлом фильтрации (без фильтра).

Заявляемое сцинтилляционное детектирующее устройство включает коробчатый корпус узла фильтрации 1, входные распределительные отверстия 2, выходные распределительные отверстия 3, фильтр 4, входную коробчатую герметизирующую насадку 5, снабженную входным патрубком 6, герметичную газовую камеру 7, выходную коробчатую герметизирующую насадку 8, снабженную выходным патрубком 9, герметичную газовую камеру 10, слой защитного материала 11 верхней пластины органического сцинтиллятора, верхнюю пластину органического сцинтиллятора 12, верхний полуцилиндр неорганического сцинтиллятора 13, слой защитного материала 14 нижней пластины органического сцинтиллятора, нижнюю пластину органического сцинтиллятора 15, нижний полуцилиндр неорганического сцинтиллятора 16, рефлектор 17, корпус сцинтилляционного детектирующего устройства 18, фотоэлектронный умножитель 19, содержащий оптическое окно 20 фотоэлектронного умножителя.

Заявляемое сцинтилляционное детектирующее устройство работает следующим образом.

После установки узла фильтрации в щелевое отверстие сцинтилляционного детектора выходной патрубок 9 подсоединяют к системе сдувочной вентиляции, обеспечивающей прокачку газообразной среды (в данном случае воздуха) через входной патрубок 6, герметичную газовую камеру 7, входные распределительные отверстия 2, фильтр 4, выходные распределительные отверстия 3, герметичную газовую камеру 10 и выходной патрубок 9, причем герметичные газовые камеры 7 и 10 и герметичность прилегания входной и выходной коробчатых герметизирующих насадок 5 и 8 к слоям защитного материала 11 и 14 надежно изолируют внутренний объем узла фильтрации от окружающей среды, а слои защитного материала 11 и 14 предохраняют поверхности верхней и нижней пластин органического сцинтиллятора 12 и 15 от загрязнения аэрозолями.

После этого подают напряжение на фотоэлектронный умножитель 19 и сцинтилляционное детектирующее устройство начинает детектировать радиоактивное излучение радионуклидов, задерживаемых фильтром 4, причем радиоактивные аэрозоли задерживаются фильтром 4 механически, летучие газообразные радиоактивные соединения фиксируются на фильтре 4 за счет наличия в его составе способных их связывать веществ, например, твердых сорбентов типа активированного угля, цеолита, силикагеля и т.п., а наличие в торцевых стенках коробчатого корпуса узла фильтрации 1 входных и выходных распределительных отверстий 2 и 3 обеспечивает равномерность распределения задерживаемых радиоактивных веществ по всей поверхности фильтра 4.

Наиболее оптимальным вариантом выполнения узла фильтрации сцинтилляционного детектирующего устройства, при котором в детектировании задействуются практически 100% площадей верхней и нижней пластин органического сцинтиллятора 12 и 15, а величина поверхности фильтра имеет максимальную площадь по сравнению с другими вариантами его расположения внутри корпуса узла фильтрации, является тот, в котором:

- коробчатый корпус узла фильтрации 1 имеет форму, совпадающую с формой пластин органического сцинтиллятора 12 и 15 с внутренней площадью горизонтального сечения, равной площади пластин органического сцинтиллятора;

- фильтр 4 выполнен в форме плоской пластины и диагонально расположен внутри коробчатого корпуса узла фильтрации 1.

Указанная конструкция узла фильтрации обеспечивает:

- непрерывность измерения уровня загрязненности анализируемой газообразной среды в процессе ее прокачки, что при обработке результатов детектирования дает возможность определения в ней концентрации радиоактивных веществ в любой момент времени прокачки, т.е. дает возможность, например, определить момент непредусмотренного аварийного выброса радиоактивных аэрозолей или летучих газообразных веществ в атмосферу;

- проведение измерений уровня загрязненности анализируемой газообразной среды с большей точностью за счет возможности определения содержания в ней доли радиоактивной составляющей короткоживущих радионуклидов;

- повышение надежности работы всего сцинтилляционного детектирующего устройства в целом за счет отсутствия в нем движущихся частей,

а конструкция фильтра повышает точность измерений уровня загрязненности анализируемой газообразной среды счет возможности определения содержания в ней доли радиоактивной составляющей летучих газообразных радиоактивных веществ.

ЛИТЕРАТУРА

1. "MGP Instruments: a complete range of equipment for radioactivity and chemical toxicity", 1997 catalogue, "MGP Instruments Inc." 5000 Highlands Parkway, Suite 150 Smyrna, Georgia 30082, s.VII-VIII, 9.

2. "MGP Instruments: a complete range of equipment for radioactivity and chemical toxicity", 1997 catalogue, "MGP Instruments Inc." 5000 Highlands Parkway, Suite 150 Smyrna, Georgia 30082, s.27.

3. RU 2262721 С1, МПК⁷ G 01 Т 1/20, оп. 20.10.2005, Бюл.№29.