Радиометрическая система для обнаружения гамма и нейтронного излучения

Предлагаемая система при сохранении высокой чувствительности в диапазоне средних и высоких энергий (0,3-3,0 Мэв) обеспечивает существенное повышение чувствительности в диапазоне малых энергий (0,03-0,3 Мэв) за счет совместного использования пластмассового сцинтиллятора большого размера и сцинтилляционного монокристалла вольфрамата кадмия. Повышение чувствительности в диапазоне энергий 0,03-3,0 Мэв привело, в свою очередь, к значительному (в 10-100 раз) понижению пороговых значений обнаружения масс ядерных материалов и к повышению чувствительности системы к нейтронному излучению. Предлагаемая система содержит измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования гамма излучения на основе пластмассового сцинтиллятора и нейтронного излучения на основе монокристалла вольфрамата кадмия, блокоми питания и электронными блоками обработки информации, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта. Все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. 1 п.ф., 1 табл, 1 ил.

Изобретение относится к области обнаружения источников радиоактивного загрязнения и наличия радиоактивных материалов в транспортируемых объектах и предназначено для комплексов и систем специального радиационного технического контроля, для обнаружения и идентификации делящихся материалов (урана, плутония, тория и т.д.) и материалов, относящихся к классу радиоактивных веществ - гамма источников, для дозиметрической и таможенной практики, для решения задач служб ядерной безопасности и Госатомнадзора.

Известны детекторы нейтронного и гамма излучения, содержащие блоки детектирования и электронные блоки обработки информации. Для регистрации гамма излучения в блоках детектирования использованы кристаллы NaI(T1) [пат. РФ №2189057, кл. G 01 T 1/20, G 01 T 3/06] или (Bi ₄Ge₃O₁₂) [пат. РФ №2088952, кл. G 01 T 1/20, G 01 T 3/06], а для регистрации нейтронного излучения использован пластмассовый сцинтиллятор.

Все приведенные аналоги по сути являются детекторами гамма и нейтронного излучения, предназначенными для измерения мощности дозы радиоактивного излучения и не могут быть эффективно использованы в системах обнаружения источников радиоактивного загрязнения или наличия радиоактивных материалов в транспортируемых объектах из-за низкой эффективности единичных блоков детектирования. Известные аналоги могут быть использованы для этих целей, но при условии увеличения их количества для обеспечения необходимой эффективности обнаружения, что приведет к неоправданно высокой стоимости системы.

Известны радиометрические системы обнаружения гамма и нейтронного излучения различных модификаций, отличающихся назначением (пешеходные, автомобильные, железнодорожные), числом измерительных стоек и конструктивным исполнением. Основой систем служат два блока: блок детектирования гамма излучения и блок детектирования нейтронного излучения.

Известна радиометрическая система обнаружения гамма и нейтронного излучения (Каталог 2000 фирмы «Позитрон GmbH» Украина, «Приборы и системы радиационного контроля для промышленности, науки, экологии. Автоматизированные системы», с.28-35), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. Сцинтиллятором в блоках детектирования является пластмассовый цилиндр, размером В=65 мм, L=1000 мм, помещенный в алюминиевый цилиндр.

Чувствительность данной системы не менее: гамма излучения ˜160 (имп./с)/мкР./ч для ¹³⁷Cs и 350 имп.см² /нейтр. для нейтронного излучения по сопутствующему гамма излучению.

Использование в данной системе только органического сцинтиллятора не обеспечивает необходимой чувствительности системы к трансурановым источникам радиоактивности, а также к источникам нейтронов, помещенных в свинцовую защиту.

Известна радиометрическая система обнаружения гамма и нейтронного излучения (D.C.Stromswold et.al. "Field of a NaIT1-Based Vehicle Portal Monitor at Border Crossing". Pucific Northwest National Laboratory, USA. IEEE Conference, Rome 2004, p.17), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования,

питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. Датчиком гамма излучения в блоках детектирования является монокристалл NaI(T1) большой объема (10,2 см*10,2 см*41 см).

Использование монокристаллов NaI(T1) обеспечивает высокую чувствительность обнаружения радиоактивных материалов, в том числе и обнаружение незаконно провозимых изотопов на фоне материалов, обладающих естественной радиоактивностью.

Однако использование монокристалла NaI(T1) большого объема связано со значительным удорожанием системы и снижением ее эксплуатационной надежности (за счет гигроскопичности самого кристалла). Кроме того, система на этом монокристалле не обеспечивает возможности обнаружения источников нейтронов, помещенных в свинцовую защиту.

Известна радиационная система обнаружения гамма и нейтронного излучения (Проспект фирмы «Полимастер», Беларусь. «Установка радиационного контроля РМ-5000»), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. В детекторах гамма излучения используется органический пластмассовый сцинтиллятор с чувствительным объемом 4500 см³, а датчиком нейтронного излучения являются ³Не пропорциональные счетчики общим чувствительным объемом 3200 ³cм.

Чувствительность блоков детектирования, не менее: гамма излучения 125 (имп./с)/(мкР/ч) для ¹³⁷Cs; нейтронного излучения 350 имп.см²/нейтр. для Pu--Ве.

Известна радиационная система обнаружения гамма и нейтронного излучения (Проспект научно-производственного центра «Аспект». «Стационарные таможенные системы обнаружения делящихся и радиоактивных материалов «Янтарь», РФ), содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ. Датчиком гамма излучения является органический пластмассовый сцинтиллятор с чувствительным объемом 4000 см ³, а датчиком нейтронного излучения являются ³He пропорциональные счетчики общим чувствительным объемом 3200 ³cм.

Электронные блоки выполнены в виде функционально и конструктивно завершенных модулей и размещены в специальном каркасе, закрепленном внутри стойки.

Набор электронных блоков включает в себя: микропроцессорный контроллер, низковольтный источник питания, блок высоковольтного питания детекторов, одноканальные анализаторы импульсов.

Чувствительность блоков детектирования не менее: гамма излучения 125 (имп./с)/(мкР/ч) для ¹³⁷Cs; нейтронного излучения 350 имп.см ²/нейтр. для Pu--Ве.

Известные системы обладают высокой чувствительностью к гамма излучению за счет использования пластмассовых сцинтилляторов большого объема. Однако они не обеспечивает требуемой на сегодняшний день МАГАТЭ чувствительности к обнаружению делящихся трансурановых материалов.

Кроме того, необходимо отметить неудобство работы с ³Ht пропорциональными счетчиками из-за их габаритов (120 см*100 см*30 см), которые дополнительно увеличивают и вес всей системы

В качестве прототипа нами выбран последний из аналогов.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания радиационной системы для обнаружения гамма и нейтронного излучения, которая при сохранении высокой эффективности обнаружения источников гамма излучения обеспечивала бы как эффективное обнаружение трансурановых элементов, так и нейтронных источников при сохранении сравнительно низкой стоимости системы.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в радиационной системе обнаружения гамма и нейтронного излучения, содержащей измерительные стойки с помещенными в нее блоками детектирования гамма излучения на основе пластмассового сцинтиллятора и нейтронного излучения, питания и электронными блоками обработки информации, а так же, расположенные вне стоек, блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ, согласно изобретению, блок детектирования нейтронного излучения выполнен на основе монокристалла вольфрамата кадмия.

Совместное использование пластмассового сцинтиллятора и сцинтилляционного монокристалла вольфрамата кадмия существенно повысило эффективность обнаружения как делящихся материалов - урана, плутония, тория и т.д., так и источников быстрых нейтронов типа (Pu--Ве) по сопутствующему гамма излучению. Кроме того, использование монокристалла вольфрамата кадмия в таких системах обеспечило возможность обнаружения нейтронных источников даже помещенных в свинцовую защиту по регистрации гамма излучения, возникающего при прямом взаимодействии тепловых нейтронов с кадмием по реакции

¹¹³Cd(n,) ¹¹⁴Cd, что при использовании известных систем до настоящего времени не представлялось возможным.

Чувствительность предлагаемой системы не менее: гамма излучения 500 (имп./с)/(мкР/ч) для ¹³⁷Cs и нейтронного излучения по сопутствующему гамма излучению - 1000 имп.см ²/нейтр. для Pu--Ве.

На фиг. приведена блок-схема одной стойки заявляемой системы.

В табл. приведены минимальные количественные значения масс ядерных материалов и активностей гамма источников, которые обнаруживает заявляемая система при доверительной вероятности 95% при интенсивности фона не более 20 мкР/ч, а также чувствительность детекторов для нейтронов в сравнении с аналогичными системами.

Радиационная система обнаружения гамма и нейтронного излучения (на фиг. приведена блок-схема одной стойки) содержит стойку 1 с размещенными в ней блоком 2 детектирования для обнаружения гамма излучения, блоком 3 детектирования для обнаружения трансурановых материалов и нейтронов и электронными блоками 4, а также блок питания 5, содержащий высоковольтные источники питания для ФЭУ и низковольтные - для питания остальных систем в стойке. Электронные блоки 4 содержат усилители сигналов ФЭУ, микропроцессорные контроллеры предварительно обработки сигналов и анализаторы импульсов (на фиг. не приведены). Электронный блок б управления системой, расположенный вне стойки 1, содержит контроллер управления системой и обеспечивает связь с ЭВМ. Контроллеры блоков 4 подключены к блоку 6 управления системой. Устройства 7, 8 и 9, соответственно световой и звуковой сигнализации, а также датчик присутствия, расположенные на стойке 1, также подключены к блоку 6 управления системой.

Гамма детекторы блока 2 выполнены на основе пластмассовых сцинтилляторов с чувствительным объемом около 15000 см³ . Нейтронные детекторы выполнены на основе монокристаллов вольфрамата кадмия с

чувствительным объемом около 130 см ³. Сцинтилляторы оптически сочленены с ФЭУ.

Гамма детекторы блока 2, кроме их лицевой стороны, закрыты свинцовыми защитными экранами с целью снижения влияния внешнего естественного гамма фона на чувствительность системы.

Все электронные блоки 4, 5, 6 выполнены на современной элементной базе.

Предлагаемая система работает следующим образом.

При прохождении контролируемого объекта через зону контроля датчик 9 присутствия переключает систему в режим обнаружения.

Гамма кванты с энергией 0,3-3,0 МэВ в детекторах 2 на основе органических сцинтилляторов преобразуются в световые вспышки, регистрируемые ФЭУ-110. Аналогично в детекторах 3 на основе вольфрамата кадмия происходит регистрация гамма квантов в диапазоне 0,03-0,3 МэВ. Импульсы напряжения, снимаемые с нагрузок ФЭУ, усиливаются и подаются на систему, с помощью которой формируются счетные импульсы в анализаторах импульсов блоков 4. Эти счетные импульсы подаются на входы микропроцессоров, где происходит их предварительная статистическая обработка. Полученные данные передаются в контроллер блока 6 управления, выход которого связан с ЭВМ. В ЭВМ происходит статистическая обработка полученной информации по специальному алгоритму обнаружения. В случае наличия в контролируемом объекте источников гамма излучения, трансурановых материалов и источников нейтронов величиной, превышающей пороговое значение обнаружения, эта величина фиксируется на экране монитора, а также заносится в память ЭВМ.

Устройства 7 и 8 звуковой и световой сигнализации соответственно дополнительно сигнализируют об обнаружении системой радиоактивных элементов в контролируемом объекте.

Как видно из таблицы, совместное использование пластмассового сцинтиллятора большого размера и сцинтилляционного монокристалла вольфрамата кадмия в прелагаемой системе позволило при сохранении высокой чувствительности в диапазоне средних и высоких энергий (0,3-3,0 Мэв) существенно повысить чувствительность в диапазоне малых энергий (0,03-0,3 Мэв).

Повышение чувствительности в диапазоне энергий 0,03-3,0 Мэв привело, в свою очередь, к значительному (в 10-100 раз) понижению пороговых значений обнаружения масс ядерных материалов и к повышению чувствительности системы к нейтронному излучению.

Таблица
Условное обозначение прибора	Активность -источник, мкКu			Значения масс ядерних материалов, г			Чувствительность детектора n, имп*см2/нейтрон
	241Am	137Cs	60Со	235U	238U	239Pu	Pu--Be
РМ-5000-5 "Полимастер"	200	10	5,5	250	2000	4,2	350
РПС-01 "Кордон" БДП-03	-	105	нет даних	нет даних	нет даних	нет даних	350
Янтарь 2 У "Аспект"	-	8,1	40	1000	6000	10	350
Уm-250 TSA	-	4,1	2,19	нет даних	57	нет даних	нет даних
Система, которая заявляется	26	4,8	1,5	15	20	2·10-2	1000

Радиометрическая система обнаружения гамма и нейтронного излучения, содержащая измерительные стойки с помещенными в них блоками детектирования гамма излучения на основе пластмассового сцинтиллятора и нейтронного излучения, питания и электронными блоками обработки информации, а также расположенные вне стоек блоки управления системой, звуковой и световой сигнализации и датчик наличия объекта, при этом все указанные блоки подключены на входы блока управления системой, выход которой подключен к ЭВМ, отличающаяся тем, что блок детектирования нейтронного излучения выполнен на основе монокристалла вольфрамата кадмия.