Базовый спектрорадиометрический модуль для мобильных комплексов радиационного контроля
Назначение: поиск, обнаружение и идентификация делящихся материалов и радиоактивных веществ.
Сущность: Базовый спектро-радиометрический модуль для мобильных комплексов радиационного контроля при использовании в качестве носителей автомобилей, железнодорожных путевых машин, кораблей или катеров, включающий один или несколько стационарных счетных нейтронных детекторов, состоящих из 3Не-счетчиков, стационарный счетный гамма-канал детектирования, состоящий из нескольких пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования, один спектрометрический гамма-детектор на основе кристаллов NaI-Tl, блок управления и обработки сигналов, дополнительно содержит элементы управления работой нейтронных и гамма-детекторов с переменной геометрией рабочих позиций этих элементов управления, а именно каждый счетный нейтронный детектор дополнительно содержит 4 замедлителя нейтронов из водородсодержащего материала с меняющейся геометрией рабочей позиции каждого замедлителя, а каждый сцинтилляционный блок детектирования счетного гамма-канала дополнительно содержит 2 свинцовых поглотителя гамма-излучения по одному с каждой стороны блока с меняющейся геометрией рабочих позиций поглотителей. Спектрометрический гамма-детектор дополнительно содержит элементы управления, а именно внутри своего корпуса имеет механизм поворота кристаллов NaI-Tl вместе с фотоприемным устройством относительно вертикальной оси на 180°.
Технический результат: обеспечение проведения радиационного контроля мобильными комплексами в любом заданном направлении: с левого борта, с правого борта или одновременно с левого и правого бортов.
Полезная модель связана с устройствами поиска, обнаружения и идентификации делящихся материалов и радиоактивных веществ и может быть использована для создания комплексов радиационного контроля автомобильного, железнодорожного и морского базирования при использовании в качестве носителей автомобилей, железнодорожных путевых машин, кораблей или катеров для проведения радиационного мониторинга территорий и акваторий, промышленных, гражданских и военных объектов, включая территории, подвергнутые загрязнению радиоактивными веществами, территорий аэропортов и пунктов трансграничных переходов, мониторинга транспортных коммуникаций, включая шоссейные и железные дороги, особо мониторинга железнодорожных и автомобильных тоннелей и мостов.
Известен базовый спектро-радиометрический модуль для комплекса радиационного контроля (РК) автомобильного базирования для обнаружения источников гамма-излучения, включая делящиеся материалы (А.С.Шеин, Л.В.Викторов, Г.А.Кунцевич, А.Л.Крымов, В.Л.Петров / Мобильный комплекс радиационного контроля // Проблемы спектроскопии и спектрометрии. Межвуз. сб. научн. трудов. УГТУ-УПИ. Екатеринбург. 2008. Вып.25. С.215-226). Базовый спектро-радиометрический модуль комплекса РК предназначен для обеспечения работы комплекса РК в режиме пассивного радиационного контроля местности по маршруту движения автомобиля и радиационного контроля (обнаружения) подвижных и неподвижных радиоактивных источников гамма-излучения. Базовый спектро-радиометрический модуль комплекса РК состоит из счетного гамма-детектора с шестью пластмассовыми сцинтилляционными блоками детектирования и спектрометрического гамма-детектора с четырьмя сцинтилляционными блоками детектирования на основе кристаллов NaI-Tl. Управление работой базового спектро-радиометрического модуля комплекса РК осуществляется с помощью центральной ЭВМ. Известный базовый спектро-радиометрический модуль комплекса РК дополнительно оснащен двумя видеокамерами, устанавливаемыми по правому и левому бортам автомобиля и спутниковой навигационной системой. Известный комплекс РК, укомплектованный вышеописанным базовым спектро-радиометрическим модулем, позволяет не только обнаруживать радиоактивные источники, включая делящиеся материалы (по их гамма-излучению), но и определять координаты точки обнаружения и фиксировать их на электронной карте в момент обнаружения, а также идентифицировать тип делящегося материала по его гамма-спектру. Недостатком известного базового спектро-радиометрического модуля для комплекса РК автомобильного базирования является то, что он не содержит специального канала регистрации нейтронного излучения, поэтому обнаружительная способность комплекса по отношению к нейтронному излучению невысока; соответственно низкой является и дальность обнаружения делящихся материалов. Другим недостатком известного базового спектро-радиометрического модуля для автомобильного комплекса РК является невозможность переориентации всех его блоков для работы только на левый борт или для работы только на правый борт без применения поворотных платформ.
Известен радиометрический комплекс радиационного контроля (R.Mozley / Verifying the Number of Warheads on Multiple-warhead Missiles through On-site Inspections // Science and Global Security. 1990. Vol.1. P. 303-321), применяемый для обнаружения и определения числа ядерных боезарядов в головках ракет. Комплекс включает в себя импульсный источник нейтронов и нейтронный детектор, который регистрирует продукты ядерной реакции, образующиеся при активном радиационном зондировании ядерных боезарядов импульсным пучком нейтронов. Однако известный комплекс радиационного контроля не является мобильным, он непригоден для целей мониторинга территорий, не обеспечивает непрерывного радиационного контроля местности, контроля подвижных и неподвижных объектов, непригоден для идентификации радиоактивных веществ в режиме реального времени, поскольку не имеет спектрометрического гамма-канала детектирования.
Известны базовые радиометрические модули для стационарных комплексов радиационного контроля, изготавливаемые в виде портальных мониторов (патент РФ 
2129289, МПК G01T 1/167, опубл. 20.04.1999 г.), в которых для повышения чувствительности при регистрации гамма-излучения используют пластмассовые сцинтилляторы большой площади, работающие в счетном режиме, а для регистрации нейтронов - газоразрядные 3Не-нейтронные счетчики. Недостатком известных базовых радиометрических модулей для портальных комплексов РК является стационарный режим их использования и ограниченная апертура нейтронных счетчиков. Этот недостаток (ограниченная апертура нейтронных счетчиков) отмечен также в известном патенте РФ (В.А.Терехин, Ю.И.Чернухин, С.И.Стрельцов, патент РФ на полезную модель 56003, МПК G01T 3/00, заявл. 06.03.2006, опубл. 27.08.2006. Бюл. 24).
Известны базовые спектро-радиометрические модули (R.S.Seymour, R.A.Craig, M.Bliss et al. Performance of a Neutron-Sensitive Scintillating Glass-Fiber Panel for Portal, Freight and Vehicle Monitoring / Procceedings of SPIE, v/3536. Nuclear Waste Engineering Section, P. 148-155, 1998) для комплексов радиационного контроля, изготавливаемые в виде стационарных портальных сцинтилляционных счетных детекторов нейтронного излучения на базе литийсодержащего стекла PUMA (по патенту США 5680423, G01T 3/06, 2110. 1997) и содержащие дополнительные спектрометрические детекторы гамма-квантов на основе неорганических сцинтилляционных кристаллов NaI:Tl или BGO. Недостатками таких базовых спектро-радиометрических модулей для портальных детекторов нейтронного излучения является стационарный режим их работы, неизменная геометрия расположения детекторов, невозможность их переориентации, ограниченная апертура регистрации излучения и невозможность задания режимов работы комплекса в заданном направлении контроля.
Наиболее близким к заявляемому является известный базовый спектро-радиометрический модуль для автомобильного комплекса РК типа «Соратник-01», устанавливаемый на автомобиле «Камаз» (В.С.Андреев, М.Н.Благовещенский, Л.В.Викторов, А.В.Кружалов, Б.В.Шульгин и др. Вестник УГТУ-УПИ. Экспериментальная физика. Приборы и методы. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. с.108-118). Известный базовый спектро-радиометрический модуль применяется для комплектации автомобильных комплексов РК, предназначенных для обнаружения делящихся материалов и радиоактивных веществ и для решения задач радиационного мониторинга территорий и объектов, а также задач идентификации радиоактивных веществ по их гамма-излучению. Известный базовый спектро-радиометрический модуль для автомобильного комплекса РК включает в себя расположенные на поворотной платформе три нейтронных детектора (каждый состоит из 23-х 3Не-счетчиков), работающие в счетном режиме, девять пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования и блок спектрометрических гамма-детекторов на основе кристаллов NaI-Tl, а также программный блок управления и обработки сигналов. Общий вес детекторов составляет 1100 кг, платформы - 400 кг. Однако известный спектро-радиометрический модуль для комплекса контроля с тяжелыми детекторами, расположенными на поворотной платформе обеспечивает проведение радиационного мониторинга либо только по правому борту автомобиля, либо только по левому борту в зависимости от положения поворотной платформы. Применение массивной и сложной по конструкции поворотной платформы (входящей в состав модуля) для управления тяжелыми нейтронными и гамма-детекторами уменьшает надежность и срок службы комплекса. Тяжелая поворотная платформа вынуждает применять большегрузные автомобили-носители (типа «Камаз», «Урал»). Кроме того, известная конструкция нейтронных детекторов базового спектро-радиометрического модуля автомобильного комплекса РК не позволяет обеспечивать режим контроля, при котором была бы возможна регистрация нейтронов одновременно по левому и правому бортам, при котором была бы возможна переориентация работы нейтронных детекторов на другое заданное направление без применения поворотной платформы.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка базового спектро-радиометрического модуля для мобильных комплексов радиационного контроля источников гамма- и нейтронного излучений (автомобильного, железнодорожного и морского базирования), способного к переориентации работы счетных нейтронных детекторов и сцинтилляционных счетных блоков детектирования с одного режима работы на другой режим в заданном направлении контроля без использования поворотных платформ.
Эта задача в предлагаемой полезной модели решается за счет того, что базовый спектро-радиометрический модуль для мобильных комплексов радиационного контроля, размещаемых на автомобильных, железнодорожных, или морских носителях для обнаружения источников нейтронного и гамма-излучений - делящихся материалов и радиоактивных веществ, включающий один или несколько стационарных счетных нейтронных детекторов, состоящих из 3Не-счетчиков (от 16 до 24), стационарный счетный гамма-канал детектирования, состоящий из нескольких пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования (от 2-х до 8-ми блоков), один стационарный спектрометрический гамма-детектор, в котором кристаллы NaI-Tl вместе с фотоприемникоми имеют возможность поворачиваться плоскостью чувствительности относительно вертикальной оси на 180° (на левый или правый борт), блок управления и обработки сигналов, содержит дополнительные элементы управления работой нейтронных и гамма-детекторов с переменной геометрией рабочих позиций этих элементов, а именно каждый счетный нейтронный детектор дополнительно содержит 4 замедлителя нейтронов из водородсодержащего материала с меняющейся геометрией рабочей позиции каждого замедлителя, а каждый сцинтилляционный блок детектирования счетного гамма-канала дополнительно содержит 2 свинцовых поглотителя гамма-излучения по одному с каждой стороны блока с меняющейся геометрией рабочих позиций поглотителей.
Работа предлагаемого базового спектро-радиометрического модуля для мобильных комплексов РК описана ниже на примерах мобильных комплексов РК различного базирования.
Пример 1. Базовый спектро-радиометрический модуль для автомобильного комплекса радиационного контроля
В примере рассмотрен базовый спектро-радиометрический модуль для автомобильного комплекса радиационного контроля, включающий один стационарный счетный нейтронный детектор, состоящий из 3Не-счетчиков, стационарный счетный гамма-канал детектирования, состоящий из 4-х пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования, один стационарный спектрометрический гамма-детектор на основе кристаллов NaI-Tl, блок управления и обработки сигналов.
Нейтронный счетный детектор (его схематический вид сверху показан на Фиг.1), состоит из блока 3He-счетчиков, помещенных в корпус 1 и четырех дополнительных замедлителей нейтронов 2-5 из водородсодержащих материалов. Блок 3He-счетчиков содержит до 24-х 3Не-счетчиков 6 и первичный замедлитель нейтронов 7 (обозначен только с левой стороны, аналогичный замедлитель расположен симметрично и с правой стороны). Первичные замедлители 7 не обеспечивают эффективной регистрации нейтронов.
Дополнительные замедлители обеспечивают эффективную регистрацию нейтронов, они являются элементами с переменной геометрией рабочих позиций. Каждый из замедлителей 2-5 может занимать две позиции, представленные как 2 и 2', 3 и 3', 4 и 4', 5 и 5'. Перевод замедлителей в различные рабочие позиции проводят с помощью тяг 8 и 9, позиции которых на Фиг.1 указаны как 8 и 8', 9 и 9'. Замедлители замедляют быстрые нейтроны измеряемого нейтронного поля, возвращают их назад и создают так называемую «баню» тепловых нейтронов в зоне расположения 3Не-счетчиков, существенно повышая чувствительность всего блока 3Не-счетчиков, образующих нейтронный детектор. Тепловые нейтроны регистрируются в газоразрядном 3 He-счетчике благодаря ядерной реакции на ядрах 3Не изотопа гелия. Для конфигурации замедлителей, приведенной на Фиг.1, в рабочем состоянии находятся замедлитель 3, который регистрирует нейтронное излучение, приходящее с левого борта, и замедлитель 4, который регистрирует нейтронное излучение, приходящее с правого борта. Нейтронный счетный детектор с указанной на Фиг.1 геометрией рабочих позиций замедлителей регистрирует нейтронное излучение одновременно с левого и правого бортов, но «в пол-силы» с каждого борта, что достаточно для работы устройства в дежурном режиме разведывательного радиационного мониторинга.
Если блок управления и обработки сигналов (позиция 1 на Фиг.4), работа которого контролируется оператором, зафиксирует превышение плотности потока нейтронов над фоновой плотностью с правого борта, то детектор легко может быть перестроен на регистрацию излучения, приходящего только с правого борта. Процесс перестройки детектора на новый режим работы осуществляют путем перемещения тяги из позиции 8 в позицию 8', за счет этого замедлитель 2 будет переведен в положение 2', а замедлитель 3 в положение 3' (Фиг.2а). В этой геометрии замедлители 2' и 4 обеспечивают превращение быстрых нейтронов (с энергией спектра деления в случае нейтронов от делящихся материалов: урана, плутония или других ДМ), поступающих с правого борта, в тепловые нейтроны, возвращают их назад в 3Не-счетчики нейтронного детектора, где они и регистрируются.
При необходимости регистрации нейтронов только с левого борта (при обнаружении очагов с делящимися материалами именно с левого борта) замедлитель 4 переводят в положение 4', а замедлитель 5 в положение 5', Фиг.2б. В этом случае замедлители 3 и 5' обеспечивают превращение быстрых нейтронов, поступающих с левого борта, в тепловые и возвращают их назад в нейтронный детектор, в котором с помощью 3 Не-счетчиков они и регистрируются. При такой конфигурации замедлители 2 и 4' выбывают из процесса регистрации нейтронов, выбывают «из игры», а нейтронный детектор регистрирует нейтроны только с левого борта.
Счетный гамма-канал (Фиг.3) состоит из четного числа пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования (в данном примере из 2-х блоков детектирования), каждый из которых имеет 2 свинцовых поглотителя гамма-излучения. Каждый сцинтилляционный блок состоит из пластикового сцинтиллятора 1, 2, и пары поглотителей 3-4 и 5-6 соответственно (Фиг.3). Поглотители с переменной геометрией рабочих позиций обеспечивают поглощение гамма-квантов с одного борта, при этом идет эффективная регистрация гамма-квантов с другого борта. Каждый из поглотителей 3-6 может занимать две позиции, представленные как 3 и 3', 4 и 4', 5 и 5', 6 и 6'. Перевод поглотителей в различные рабочие позиции производят с помощью перевода тяг в позиции 7 и 7', 8 и 8'. Для конфигурации поглотителей, приведенной на Фиг.3, в рабочем состоянии находятся поглотители 4 и 6, которые поглощают гамма-излучение, приходящее с правого борта, но позволяют регистрировать гамма-излучение приходящее с левого борта. В этом случае поглотители 3 и 5 отведены в сторону и не поглощают гамма-излучение, приходящее с левого борта, а благодаря геометрии своего нового положения обеспечивают коллимацию гамма-излучения, что позволяет повысить направленность зоны поиска и обнаружения источников гамма-излучения. При расположении гамма-поглотителей в позициях 3', 4', 5', 6' гамма-канал будет регистрировать гамма-излучение, приходящее только с правого борта.
Предлагаемая полезная модель позволяет также реализовывать и третий возможный режим работы базового спектро-радиометрического модуля, размещенного на автомобильном носителе. При переводе поглотителей в позиции 3, 4, 5', 6' с помощью тяг 7 и 8' (схема расположения поглотителей показана на Фиг.3) гамма-канал будет регистрировать гамма-излучение одновременно с левого и правого бортов, но «в пол-силы» с каждого борта, что достаточно для работы устройства в дежурном режиме разведывательного радиационного мониторинга.
Схема расположения блоков детектирования и управления спектро-радиометрического модуля для мобильного комплекса РК автомобильного базирования приведена на Фиг.4. Блоком управления 1, а также всеми детекторами 2-4 спектро-радиометрического модуля комплекса РК, размещаемого на автомобильном носителе 5, управляет водитель или оператор, находящиеся в кабине.
Предлагаемый базовый модуль обеспечивает обнаружение делящихся материалов и радиоактивных веществ. Комплекс позволяет также провести идентификацию гамма-источников с помощью спектрометричекого гамма-детектора 4, в котором предусмотрен механизм разворота кристаллов NaI-Tl относительно вертикальной оси на 180°.
Приведенный в настоящем примере базовый спектро-радиометрический модуль для автомобильного комплекса РК с одним нейтронным счетным детектором и четырьмя пластиковыми сцинтилляционными блоками детектирования обеспечивает, согласно оценке, дальность обнаружения источников нейтронов до 107 метров, а дальность обнаружения гамма-квантов (соответствующая пороговым уровням обнаружения источника 137Cs активностью 1,5 мКи (56 МБк)) до 81 метра.
Оценка дальности обнаружения источников ионизирующих излучений (нейтроны и гамма-кванты) для базового спектро-радиометрического модуля автомобильного базирования проведена в соответствии методикой, изложенной в патенте РФ 2140660, МПК G01T 1/167 (заявл. 10.02.1996. Опубл. 27.10.1999. Бюл 30).
При масштабировании нейтронного и гамма-каналов путем кратного увеличения числа нейтронных детекторов (от 1-го до 3-х) или сцинтилляционных блоков (от 2-х до 8-ми) эффективность регистрации нейтронов и гамма-излучения увеличивается.
Пример 2. Базовый спектро-радиометрический модуль для железнодорожного комплекса радиационного контроля
Базовый спектро-радиометрический модуль для железнодорожного комплекса радиационного контроля, Фиг.5, включает, как и для случая комплекса РК автомобильного базирования, один стационарный счетный нейтронный детектор 2, состоящий из 3Не-счетчиков, стационарный счетный гамма-канал детектирования 3, состоящий из 4-х пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования, один стационарный спектрометрический гамма-детектор 4 на основе кристаллов NaI-Tl, блок управления и обработки сигналов 1. Такой модуль предназначен для установки на железнодорожных путевых машинах и платформах 5 для проведения радиационного мониторинга железнодорожного полотна, прилегающих к нему территорий, а также радиационного мониторинга тоннелей и мостов. Базовый спектро-радиометрический модуль для комплекса радиационного контроля железнодорожного базирования по принципу работы и техническим характеристикам аналогичен базовому спектро-радиометрическому модулю комплекса радиационного контроля автомобильного базирования. Для описанной комплектации он обладает теми же характеристиками дальности обнаружения, что и комплекс автомобильного базирования в примере 1. В пределах расчетной дальности базовый модуль обеспечивает обнаружение делящихся материалов и радиоактивных веществ. Комплекс позволяет также провести идентификацию гамма-источников с помощью спектрометрического гамма-детектора 4.
Пример 3. Базовый спектро-радиометрический модуль для морского комплекса радиационного контроля
Базовый спектро-радиометрический модуль для морского комплекса радиационного контроля, Фиг.6, включает, как и для случая комплекса РК автомобильного базирования, один стационарный счетный нейтронный детектор 2, состоящий из 3Не-счетчиков, стационарный счетный гамма-канал детектирования 3, состоящий из 4-х пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования, один стационарный спектрометрический гамма-детектор 4 на основе кристаллов NaI-Tl, блок управления и обработки сигналов 1. Такой модуль предназначен для установки на кораблях, катерах, морских паромах и других плавающих средствах 5. Базовый спектро-радиометрический модуль для комплекса радиационного контроля морского базирования по принципу работы и техническим характеристикам аналогичен базовому спектро-радиометрическому модулю комплекса радиационного контроля автомобильного базирования. Базовый спектро-радиометрический модуль для комплекса радиационного контроля морского базирования по принципу работы и техническим характеристикам аналогичен базовому спектро-радиометрическому модулю комплекса радиационного контроля автомобильного базирования. Для описанной комплектации он обладает теми же характеристиками дальности обнаружения, что и комплекс автомобильного базирования в примере 1. В пределах расчетной дальности базовый модуль обеспечивает обнаружение делящихся материалов и радиоактивных веществ. Модуль позволяет также провести идентификацию гамма-источников с помощью спектрометрического гамма-детектора 4.
Базовый спектро-радиометрический модуль для мобильных комплексов радиационного контроля предусматривает, помимо полной универсальной комплектации, включающей одновременно нейтронные и гамма-детекторы, минимальную комплектацию, которая включает в себя только нейтронные или только гамма-детекторы.
Предлагаемая модель базового спектро-радиометрического модуля для мобильных комплексов радиационного контроля пригодна также и для мониторинга подводных объектов, таких как подводные захоронения радиоактивных отходов, затонувшие ядерные субмарины, шельфовые месторождения урановых руд при установке модуля на подводных судах.
Базовый спектрорадиометрический модуль для мобильных комплексов радиационного контроля, размещаемых на автомобильных, железнодорожных или морских носителях для обнаружения источников нейтронного и гамма-излучений делящихся материалов и радиоактивных веществ, включающий один или несколько стационарных счетных нейтронных детекторов, состоящих из 3He-счетчиков, стационарный счетный гамма-канал детектирования, состоящий из нескольких пластиковых сцинтилляционных блоков детектирования, один спектрометрический гамма-детектор на основе кристаллов NaI-Tl, блок управления и обработки сигналов, отличающийся тем, что он содержит дополнительные элементы управления работой нейтронных и гамма-детекторов с переменной геометрией рабочих позиций этих элементов управления, а именно: каждый счетный нейтронный детектор дополнительно содержит 4 замедлителя нейтронов из водородсодержащего материала с меняющейся геометрией рабочей позиции каждого замедлителя, каждый сцинтилляционный блок детектирования счетного гамма-канала дополнительно содержит 2 свинцовых поглотителя гамма-излучения, по одному с каждой стороны блока с меняющейся геометрией рабочих позиций поглотителей, а спектрометрический гамма-детектор имеет возможность разворота кристаллов NaI-Tl вместе с фотоприемниками на 180° внутри своего корпуса.
