ПОРТАЛЬНЫЙ РАДИАЦИОННЫЙ МОНИТОР

Изобретение - портальный радиационный монитор относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области регистрации радиоактивных излучений ядерных материалов и радиационно-опасных веществ, причем наиболее эффективно он может быть использован для регистрации радиоактивных излучений и качественной идентификации радионуклидов, при перемещении через него с помощью различных объектов (человеком, транспортирами, различными транспортными средствами и т. п. ), ядерных материалов и радиационно-опасных веществ, а также для контроля радиационной обстановки окружающей среды.

Известен радиационный монитор-турникет (КСАР1У.02), предназначенный для регистрации радиоактивных излучений, при перемещении через него, ядерных материалов и радиационно-опасных веществ (1).

Известный радиационный монитор-турникет включает турникет, состоящий из двух стоек, в которых расположены сцинтилляционные детекторы (на основе неорганического Nal[Tl] ), (предназначенные в первую очередь для регистрации гамма-излучения) и пропорциональные гелиевые счетчики (предназначенных в основном для регистрации нейтронного излучения), спецвычислитель для обработки результатов детектирования, узел световой и звуковой сигнализации, механизм ограничения передвижения объекта, калибратор, модем для передачи информации о результатах детектирования, а также дополнительно может включать в себя узел идентификации личности человека и работает в режимах "ожидание", "движение" и "идентификация".

Недостатками известного радиационного монитора-турникета являются:
а) его пониженная пороговая чувствительность, обеспечивающая начало регистрации уровней радиоактивных излучений, эквивалентных уровням радиоактивных излучений 0,1 г (в режиме "ожидание") и 0,3 г (в режиме "движение") ²³⁹Рu или 3 г (в режиме "ожидание") и 10 г (в режиме "движение") ²³⁵U;
б) его ограниченная область применения, обусловленная:
- возможностью его использования для регистрации радиоактивных излучений при перемещении через него ядерных материалов и радиационно-опасных веществ только человеком;
- невозможностью качественной идентификации перемещаемых через него радионуклидов;
в) ненадежность его работы, обусловленная:
- снижением пороговой чувствительности, вследствие изменения свойств неорганического сцинтиллятора со временем ("старение"), а также в зависимости от изменения температуры и/или влажности окружающей среды;
- снижением пороговой чувствительности при перемещении через него ядерных материалов и радиационно-опасных веществ, обладающих повышенным уровнем нейтронного излучения или повышенных количеств нейтроноизлучающих ядерных материалов и радиационно-опасных веществ (данный недостаток обусловлен тем, что с увеличением плотности потока нейтронов происходит постепенное слияние выдаваемых пропорциональными гелиевыми счетчиками выходных импульсов, которые, начиная с определенного уровня плотности потока нейтронов, будут сливаться в один единый импульс, в результате чего произойдет фактическое прекращение регистрации пропорциональными гелиевыми счетчиками нейтронного излучения, а также снижение общей пороговой чувствительности, причем указанный недостаток будет характерен для любого радиационного монитора, имеющего в своем составе такие счетчики).

Известен портальный радиационный монитор (КСАР1У.03), предназначенный для регистрации радиоактивных излучений, при перемещении через него ядерных материалов и радиационно-опасных веществ (1).

Известный портальный радиационный монитор включает двухстоечный портал, в котором расположены сцинтилляционные детекторы, состоящие из пластиковых сцинтилляторов и фотоэлектронных умножителей и пропорциональные гелиевые счетчики, датчики обнаружения объекта, а также включает выносной блок, содержащий пульт управления с микро-ЭВМ, сирену и исполнительное устройство, а также модем для передачи информации о результатах детектирования и работает в режимах "ожидание" и "движение".

Недостатками известного портального радиационного монитора являются:
а) пониженная пороговая чувствительность, обеспечивающая начало регистрации уровней радиоактивных излучений, эквивалентных уровням радиоактивных излучений 0,1 г (в режиме "ожидание") и 0,3 г (в режиме "движение) ²³⁹Рu или 3 г (в режиме "ожидание") и 10 г (в режиме "движение") ²³⁵U;
б) ограниченная область применения, обусловленная:
- возможностью его использования для регистрации радиоактивных излучений при перемещении через него ядерных материалов и радиационно-опасных веществ только человеком;
- невозможностью качественной идентификации перемещаемых через него радионуклидов;
в) ненадежность его работы, обусловленная:
- снижением пороговой чувствительности, вследствие изменения свойств пластикового сцинтиллятора со временем ("старение"), а также в зависимости от изменения температуры и/или влажности окружающей среды;
- снижением пороговой чувствительности при перемещении через него ядерных материалов и радиационно-опасных веществ, обладающих повышенным уровнем нейтронного излучения или повышенных количеств нейтроноизлучающих ядерных материалов и радиационно-опасных веществ (по причинам, указанным выше);
г) неавтоматизированность и невозможность самонастройки режима его работы, обусловленные тем, что известный портальный радиационный монитор работает под внешним управлением (о чем говорит наличие в его составе пульта управления).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является транспортный портальный радиационный монитор (КСАР1У.04), предназначенный для регистрации радиоактивных излучений, при перемещении через него с помощью различных транспортных средств ядерных материалов и радиационно-опасных веществ и для контроля радиационной обстановки окружающей среды (1), который может быть использован также и для регистрации радиоактивных излучений при перемещении через него ядерных материалов и радиационно-опасных веществ человеком или малогабаритными объектами (транспортерами, малыми транспортными средствами и т.п.).

Известный транспортный портальный радиационный монитор включает двухстоечный (двухколонный) портал с расположенными в нем сцинтилляционными детекторами, пропорциональными гелиевыми счетчиками и датчиками обнаружения объекта (датчиками наличия объекта измерения), а также включает электронную систему обработки сигналов, блок световой и звуковой сигнализации и пульт управления (пульт оператора) и работает в режимах "ожидание" и "движение".

Каждый из сцинтилляционных детекторов состоит из пластикового сцинтиллятора объемом 2700 см³, соединенного с преобразователем световых сигналов в электрические (фотоэлектронным умножителем, фотодиодом и т.п.), снабженным высоковольтным источником питания, а электронная система обработки сигналов соединена с преобразователями световых сигналов в электрические сцинтилляционных детекторов, пропорциональными гелиевыми счетчиками и пультом управления (наличие в составах сцинтилляционных детекторов преобразователей световых сигналов в электрические, снабженных высоковольтными источниками питания, а также вышеуказанная взаимосвязь элементов транспортного портального монитора является обязательной, т.к. в противном случае транспортный портальный радиационный монитор не будет функционировать по своему назначению)(2).

Недостатками известного транспортного портального радиационного монитора являются:
а) его пониженная пороговая чувствительность, обеспечивающая начало регистрации уровней радиоактивных излучений, эквивалентных уровням радиоактивных излучений 90 г (в режимах "ожидание" и "движение") ²³⁹Pu или 200 г (в режиме "движение") ²³⁵U;
б) его ограниченная область применения, обусловленная невозможностью качественной идентификации перемещаемых через него радионуклидов;
в) ненадежность его работы, обусловленная:
- снижением пороговой чувствительности, вследствие изменения свойств пластикового сцинтиллятора со временем ("старение"), а также в зависимости от изменения температуры и/или влажности окружающей среды;
- снижением пороговой чувствительности при перемещении через него ядерных материалов и радиационно-опасных веществ, обладающих повышенным уровнем нейтронного излучения или повышенных количеств нейтроноизлучающих ядерных материалов и радиационно-опасных веществ (по причинам, указанным выше);
г) неавтоматизированность и невозможность самонастройки режима его работы, обусловленные тем, что электронная система обработки сигналов работает под внешним управлением (о чем говорит наличие в составе транспортного портального монитора пульта управления (пульта оператора).

Преимуществами заявляемого портального радиационного монитора являются расширение области его применения, повышение его пороговой чувствительности, надежности, а также обеспечение автоматизации и самонастройки режима его работы.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что заявляемый портальный радиационный монитор включает двухстоечный портал с расположенными в нем сцинтилляционными детекторами и спектрометрическими усилителями, а также включает электронную систему обработки сигналов, блок световой и звуковой сигнализации и работает в режимах "ожидание" и "движение".

Каждый из сцинтилляционных детекторов состоит из пластикового сцинтиллятора объемом: не менее 10000 см³ , соединенного с преобразователем световых сигналов в электрические (фотоэлектронным умножителем, фотодиодом и т. п.), снабженным высоковольтным источником питания.

Электронная система обработки сигналов состоит из аналого-цифрового преобразователя, дисплея и соединенного с ними системного блока персонального компьютера, причем электронная система обработки сигналов соединена своим системным блоком персонального компьютера с датчиками обнаружения объекта, высоковольтными источниками питания преобразователей световых сигналов в электрические и блоком световой и звуковой сигнализации, а аналого-цифровым преобразователем через спектрометрические усилители с преобразователями световых сигналов в электрические сцинтилляционных детекторов.

Пластиковые сцинтилляторы представляют собой каждый прямоугольный блок, один из концов которого выполнен плоским, а другой в форме сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, поверхность плоского конца каждого пластикового сцинтиллятора, часть его боковой поверхности высотой H₁, прилегающая к поверхности плоского конца пластикового сцинтиллятора, а также боковая поверхность сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, высотой Н₂ покрыты слоями отражающего световые лучи материала, часть боковой поверхности пластикового сцинтиллятора высотой Н₃, прилегающая к боковой поверхности сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, покрыта слоем поглощающего световые лучи материала, а остальная часть боковой поверхности пластикового сцинтиллятора высотой Н₄ покрыта слоем нейтрального материала с коэффициентами поглощения и отражения световых лучей, отличающимися друг от друга не более чем на 10%, причем соотношения между H₁, H₂, Н₃ и Н₄ выбраны такими, чтобы на выходе каждого из преобразователей световых сигналов в электрические разница между величинами импульсов фототока, полученных под воздействием световых квантов, образовавшихся в результате радиоактивного облучения любого пластикового сцинтиллятора в его наиболее удаленных друг от друга точках, не превышала бы 10%, в качестве материала пластиковых сцинтилляторов используют твердый органический полимер со сцинтилляционными добавками, обладающими световым выходом относительно антрацена не менее чем 0,5, а с преобразователями световых сигналов в электрические пластиковые сцинтилляторы соединены верхней цилиндрической частью сужающейся пирамиды.

Отличительными признаками заявляемого устройства является то, что:
а) пластиковые сцинтилляторы имеют объем не менее чем 10000 см³ каждый;
б) пластиковые сцинтилляторы представляют собой каждый прямоугольный блок, один из концов которого выполнен плоским, а другой в форме сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, поверхность плоского конца каждого пластикового сцинтиллятора, часть его боковой поверхности высотой H₁, прилегающая к поверхности плоского конца пластикового сцинтиллятора, а также боковая поверхность сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, высотой H₂ покрыты слоями отражающего световые лучи материала, часть боковой поверхности пластикового сцинтиллятора высотой Н₃, прилегающая к боковой поверхности сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, покрыта слоем поглощающего световые лучи материала, а остальная часть боковой поверхности пластикового сцинтиллятора высотой Н₄ покрыта слоем нейтрального материала с коэффициентами поглощения и отражения световых лучей, отличающимися друг от друга не более чем на 10%;
в) соотношения между H₁, H₂, Н₃ и H₄, выбраны такими, чтобы на выходе каждого из преобразователей световых сигналов в электрические разница между величинами импульсов фототока, полученных под воздействием световых квантов, образовавшихся в результате радиоактивного облучения любого пластикового сцинтиллятора в его наиболее удаленных друг от друга точках, не превышала бы 10%, а в качестве материала пластиковых сцинтилляторов используют твердый органический полимер со сцинтилляционными добавками, обладающими световым выходом относительно антрацена не менее чем 0,5;
г) с преобразователями световых сигналов в электрические пластиковые сцинтилляторы соединены верхней переходящей в цилиндр частью сужающейся пирамиды;
д) электронная система обработки сигналов, состоит из аналого-цифрового преобразователя, дисплея и соединенного с ними системного блока персонального компьютера;
е) портальный радиационный монитор дополнительно содержит спектрометрические усилители, причем электронная система обработки сигналов соединена с датчиками обнаружения объекта, высоковольтными источниками питания преобразователей световых сигналов в электрические и блоком световой и звуковой сигнализации своим системным блоком персонального компьютера, а с преобразователями световых сигналов в электрические сцинтилляционных детекторов своим аналого-цифровым преобразователем через спектрометрические усилители.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1-2.

На фиг. 1 представлен общий вид в разрезе портального радиационного монитора в варианте с четырьмя сцинтилляционными детекторами.

На фиг.2 представлена конструкция сцинтилляционного детектора.

Заявляемое устройство состоит из портала 1, электронной системы обработки сигналов 2, сцинтилляционных детекторов 3, спектрометрических усилителей 4, датчиков обнаружения объекта 5 и блока световой и звуковой сигнализации 6.

Электронная система обработки сигналов 2 состоит из аналого-цифрового преобразователя 7, системного блока персонального компьютера 8 и дисплея 9.

Сцинтилляционные детекторы 3 состоят каждый из преобразователя световых сигналов в электрические 10, высоковольтного источника питания 11, пластикового сцинтиллятора 12, покрытого слоями отражающего световые лучи материала 13, слоем поглощающего световые лучи материала 14 и слоем нейтрального материала 15.

Заявляемый радиационный портальный монитор работает следующим образом.

После подачи напряжения на элементы радиационного портального монитора в высоковольтных источниках питания 11 подаваемое на них напряжение постоянного тока в 12V поднимается до величины в 1000 - 3000 V и подается на преобразователи световых сигналов в электрические 10 сцинтилляционных детекторов 3, которые сразу же начинают производить измерение уровня радиационного фона окружающей среды. Одновременно с этим системный блок персонального компьютера 8 с заранее заложенным в него программным обеспечением осуществляет (примерно в течение 1 мин) тестирование работоспособности сцинтилляционных детекторов 3 и на основе анализа результатов теста корректирует размеры величин высокого напряжения, подаваемых с высоковольтных источников питания 11 на преобразователи световых сигналов в электрические 10 (что в дальнейшем сводит к минимуму разброс в результатах измерений как фоновых уровней радиации, так и уровней радиации, перемещаемых через радиационный портальный монитор ядерных материалов и радиационно-опасных веществ). После завершения вышеуказанных операций радиационный портальный монитор готов к работе, при этом в блоке световой и звуковой сигнализации 6 загорается зеленый свет.

При перемещении через портал 1 какого-либо объекта с ядерными материалами или радиационно-опасными веществами срабатывают датчики обнаружения объекта 5, передавая результаты обнаружения (наличие объекта и время обнаружения) в системный блок персонального компьютера 8. Системный блок персонального компьютера 8 в свою очередь сразу же передает сигнал о наличии объекта в блок световой и звуковой сигнализации 6 и в дисплей 9. В блоке световой и звуковой сигнализации 6 зеленый свет меняется на желтый, указывая на запрет перемещения через портал 1 других объектов, а на экране дисплея 9 отображаются сигнал присутствия объекта в портале 1, время присутствия, схематическое взаиморасположение (мнемосхема) объекта и сцинтилляционных детекторов 3, таблица идентифицируемых радионуклидов, а также графическая гистограмма изменения скорости счета в сцинтилляционном(ых) детекторе(ах) 3. Одновременно с этим под воздействием радиоактивного излучения в пластиковых сцинтилляторах 12 начинает происходить образование световых импульсов (вспышек). Кванты света, отражаясь от поверхности пластиковых сцинтилляторов 12, перемещаются в направлении его конца, выполненного в форме сужающейся пирамиды, переходящей своей верхней частью в цилиндр, откуда поступают в преобразователь световых сигналов в электрические 10. Для того, чтобы в процессе перемещения световых квантов в пластиковых сцинтилляторах 12 не происходило бы ухудшения светосбора (не происходило бы снижения уровня световой активности) поверхности пластиковых сцинтилляторов 12 покрыты слоями отражающего световые лучи материала 13, а для того, чтобы световая активность не увеличивалась сверх допустимого порога - слоями поглощающего световые лучи материала 14 и слоями нейтрального материала 15, причем соотношения между H₁, H₂, Н₃ и Н₄, также обеспечивающие выполнение этих требований, определяются на основании вышеуказанных условий. Кроме того, геометрическая форма, в которой выполнены пластиковые сцинтилляторы 12, придает им свойства направленных световодов. Все это, а также свойства материала, из которого изготовлены пластиковые сцинтилляторы 12 и их вышеуказанный объем обеспечивают с одной стороны повышение пороговой чувствительности радиационного портального монитора, а с другой снижает к минимуму разброс результатов измерений одного и того же уровня радиации во времени.

В преобразователях световых сигналов в электрические 10 (в качестве которых используют фотоэлектронные умножители, фотодиоды и т.п.), кванты света генерируют поток электронов (фототек), который в виде импульсов поступает в спектрометрические усилители 4. В спектрометрических усилителях 4 происходит усиление и окончательное формирование импульсов фототока, которые затем поступают в аналого-цифровой преобразователь 7. В аналого-цифровом преобразователе 7 электрические импульсы преобразуются в цифровые значения, передающиеся затем в системный блок персонального компьютера 8, где в соответствии с заложенным в него программным обеспечением уже определены "цифровые окна" (границы энергий, в которых отношение сигнал-шум для каждого радионуклида наиболее оптимально), соответствующие тому или иному типу радионуклида, что обеспечивает возможность качественной идентификации радионуклидов в ядерных материалах или радиационно-опасных веществах и позволяет расширить область применения заявляемого радиационного портального монитора.

После обработки системный блок персонального компьютера 8 передает результаты детектирования в дисплей 9 и одновременно с этим подает сигнал в блок световой и звуковой сигнализации 6, где желтый свет меняется на красный и включается звуковая сигнализация. На экране дисплея 8 при регистрации сцинтилляционным(и) детектором(и) 3 превышений фоновых уровней активности изменяется цвет соответствующего(их) сцинтилляционного(их) детектора(ов) 3, в таблице идентифицируемых радионуклидов - цвет зафиксированного радионуклида(ов), а на графике - цвет линии соответствующей гистограммы.

Одновременно с этим в течение всего времени работы радиационного портального монитора системный блок персонального компьютера 8 в соответствии с заложенным в него программным обеспечением осуществляет корректировку высокого напряжения, подаваемого высоковольтными источниками питания 11 на преобразователи световых сигналов в электрические 10 в зависимости от суммарного времени эксплуатации пластиковых сцинтилляторов 12 (степени "старения" их материала), а также температуры и влажности окружающей среды, что обеспечивает повышение надежности работы радиационного портального монитора.

Программное обеспечение работает на любом IBM-PC - совместимом компьютере под управлением операционной системы MS-DOS в автономном, автоматическом режиме и не требует никаких действий оператора, кроме включения сетевого питания. Все это обеспечивает возможность заявляемого радиационного портального монитора работать в полностью автоматизированном самонастраивающемся режиме, т.к. установку энергетических границ "цифровых окон" проводят только один раз при его наладке или в случаях каких-либо изменений в его детектирующей части, таких как замена пластиковых сцинтилляторов 12, изменение параметров усиления спектрометрических усилителей 4, энергетических границ "цифровых окон", порогов чувствительности и т.п. Кроме того, все вышеуказанное позволяет отказаться от использования в заявляемом радиационном портальном мониторе, пропорциональных гелиевых счетчиков, вследствие того, что вышеуказанные сцинтилляционные детекторы 3 способны регистрировать не только рассчитанные на пропорциональные гелиевые счетчики уровни плотностей потоков нейтронного излучения, но также и их повышенные уровни, при которых пропорциональные гелиевые счетчики снижают пороговую чувствительность радиационного портального монитора, что также обеспечивает повышение надежности его работы.

Испытания показали, что заявляемый радиационный портальный монитор:
- обеспечивает возможность качественной идентификации таких радионуклидов, как ²⁴¹Аm, ¹³³Ba, ¹³⁷Cs, ⁶⁰Co, ²³⁵U и ²³⁹Рu;
- обеспечивает возможность качественной регистрации перемещаемых через него нейтроноизлучающих ядерных материалов и радиационно-опасных веществ с плотностями потоков нейтронного излучения в 10-100 раз большими, чем те, на которые рассчитан транспортный портальный радиационным монитор;
- обладает пороговой чувствительностью, обеспечивающей начало регистрации уровней радиоактивных излучений, эквивалентных уровням радиоактивных излучений 0,03 г (в режимах "ожидание" и "движение) ²³⁹Рu или 1 г (в режиме "ожидание" и "движение") ²³⁵U;
- не снижает свою пороговую чувствительность, вследствие изменения свойств материала сцинтилляционного детектора со временем ("старение"), а также в зависимости от изменения температуры и/или влажности окружающей среды;
- работает в полностью автоматизированном самонастраивающемся режиме, не требующим его корректировки с помощью внешнего управления.

ЛИТЕРАТУРА
1. Универсальный автоматизированный радиационный комплекс для систем учета, контроля и физической защиты ядерных материалов КСАР1У "Агелат", Министерство Российской Федерации по атомной энергии, Москва, 1999, Координационный центр "Атомбезопасность", Рекламный проспект.

2. М. Т. Максимов, Г.О. Оджагов, Радиоактивные загрязнения и их измерение, Москва, Энергоатомиздат, 1989, с. 55-57, 66-67, 102-105.