Носимый радиационный монитор

Назначение: автономный носимый радиационный монитор предназначен для решения задач поиска (обнаружения, локализации) источников гамма- и нейтронного излучения в труднодоступных местах, а также проведения радиационного мониторинга.

Сущность: носимый радиационный монитор, включающий чувствительный к гамма-излучению пластиковый сцинтилляционный детектор, оптически связанный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), усилитель-формирователь сигналов от гамма-детектора, встроенный для управления и обработки информации интеллектуальный модуль с жидкокристаллическим индикатором, подсистему питания, радиоканал связи с центральным компьютером и канал связи со спутниковой навигационной системой, дополнительно содержит нейтронный детектор на базе гелиевых газоразрядных счетчиков, аппаратно и программно связанный со встроенным интеллектуальным модулем через дополнительный усилитель-формирователь. Причем в подсистему питания на базе аккумулятора, содержавшую в своем составе преобразователь высокого напряжения для питания ФЭУ, дополнительно вводится специальный преобразователь высокого напряжения для питания гелиевых счетчиков, а интеллектуальный модуль управления снабжен дополнительным программным обеспечением для управления процедурами регистрации нейтронного излучения и для обработки информации, поступающей от гамма- и нейтронных датчиков.

Технический результат: носимый радиационный монитор обеспечивает регистрацию и мониторинг как нейтронного, так и гамма-излучения в автономном режиме; пригоден для контроля радиационной обстановки, обусловленной смешанными -n радиационными полями.

Заявляемая полезная модель носимого радиационного монитора (НОРМ) относится к детекторным системам, предназначенным для поиска (обнаружения, локализации) ядерных материалов и радиоактивных веществ (ЯМ и РВ) по их гамма- и (или) нейтронному излучению. НОРМ может использоваться автономно либо входить составной частью в мобильные комплексы радиационного контроля для расширения функциональных возможностей последних, особо - при поиске ЯМ и РВ на труднодоступных участках местности. Задачи поиска и обнаружения ЯМ и РВ возникают в случаях радиационных аварий, или в случаях утери или преднамеренного (злоумышленного) вывоза и захоронения ЯМ и РВ, либо в других случаях незаконного (несанкционированного) обращения с ЯМ, РВ и радиоактивными отходами. НОРМ может также использоваться для радиационного мониторинга местности.

Известны дозиметры-радиометры, пригодные для поиска РВ по гамма-излучению, в которых в качестве детекторов используются счетчики Гейгера-Мюллера (например, дозиметр-радиометр МКС-15Д «Снегирь», дозиметр-радиометр МКС-10Д «Чибис», технические характеристики которых приведены в каталоге фирмы «Доза» [Каталог «Аппаратура радиационного контроля», НЛП «Доза», на сайте компании ]). Однако, чувствительность таких приборов в 10²-10³ раз ниже минимальной, требуемой для поисковых радиометров. Поэтому указанный класс приборов радиационного контроля, предназначенный для индивидуальной дозиметрии, не пригоден для решения задач поиска ЯМ и РВ.

Уместно подчеркнуть, что количественно чувствительность поисковых радиометров принято характеризовать значениями порогов обнаружения, регламентируемых в Российской Федерации документом ГОСТ Р 51635-2000 «Мониторы радиационные ядерных материалов». В соответствии с упомянутым ГОСТом, порог обнаружения по гамма-излучению, равный минимальной регистрируемой активности Q_min гамма-источника ¹³⁷Cs, даже для самых «грубых» (наименее чувствительных) носимых РМ III категории должен составлять не более Q_min=600 кБк. Причем указанный порог соответствует расстоянию 1 м при скорости движения источника не более 0,5 м/с и вероятности ложных тревог 0,05 (см. таблицу 1 в приложении 1).

Наши оценки показывают, что при указанных условиях пороги обнаружения упомянутых выше дозиметров-радиометров МКС-10Д, МКС-15Д и близких к ним составляют величину не ниже Q_min =50 МБк. Анализ показывает, что для решения задач поиска РВ по гамма-излучению на больших территориях пригодны только радиометры или дозиметры, в которых используются высокоэффективные твердотельные сцинтилляторы.

Известен дозиметр поисковый ИСП-РМ1703МО-1К [Каталог «Аппаратура радиационного контроля», НЛП «Доза», на сайте компании catalog/], который содержит детектор на основе кристалла Csl-Tl размерами 10×10×40 мм³. Чувствительность такого детектора примерно в 20-50 раз выше, чем газоразрядного, но тем не менее недостаточна для того, чтобы соответствовать требованиям ГОСТ Р 51635-2000. Кроме того, прибор ИСП-РМ1703МО-1К измеряет только гамма-излучение и не пригоден для одновременной регистрации как гамма-, так и нейтронного излучения.

Известен поисковый гамма-радиометр ДКС-96В со сцинтилляционным блоком детектирования на основе кристалла Nal(Tl) 63×63 мм [], который применяется для обнаружения радиоактивного загрязнения и источников излучения в металлоломе, в грузах автомобильного и морского транспорта. ДКС-96 В рекламируется, как «не имеющий аналогов в РФ по чувствительности к гамма-излучению». ДКС-96В действительно почти в 200 раз более чувствительный, чем приборы на счетчиках Гейгера. Этот детектор пригоден для решения задач поиска РВ по гамма-излучению на больших территориях в соответствии с ГОСТ Р 51635. Однако, ДКС-96В не пригоден для одновременной регистрации как гамма-, так и нейтронного излучения.

Известен сцинтилляционный детектор нейтронов (Пат.3382368 США), включающий замедлитель из полиэтилена или полипропилена, сцинтиллятор ⁶LiI:Eu и ФЭУ. Сцинтиллятор имеет плотность 4,06 г/см ³, сцинтилляционную эффективность 0,2-0,3 относительно таковой для NaI:T1 и длину волны люминесценции 460 нм. Известный сцинтилляционный детектор может быть использован как носимый радиационный монитор для регистрации нейтронного излучения, однако, он не пригоден для одновременной регистрации как нейтронного, так и гама-излучения.

Известен сцинтилляционный детектор быстрых нейтронов (Пат. 3398278 США), включающий замедлитель из полиэтилена, сцинтиллятор ZnS:Ag и ФЭУ. Известный сцинтилляционный детектор может быть использован как носимый радиационный монитор для регистрации нейтронного излучения, однако, он не пригоден для одновременной регистрации и мониторинга как нейтронного, так и гамма-излучения.

Известен сцинтилляционный детектор для радиационного мониторинга нейтронов (Пат. 2143711 РФ, МПК G01T 1/20, 3/00) на основе пластика и ⁶Li-силикатного стекла, чувствительный как к быстрым, так и к тепловым нейтронам. Известный детектор содержит сцинтиблок и блок электронной обработки сигналов. Однако известный сцинтилляционный детектор не пригоден для использования в качестве носимого радиационного монитора для одновременной регистрации нейтронного и гамма-излучения.

Известен радиометр-спектрометр универсальный портативный МКС-А03-1Е [, НПЦ «Аспект», г.Дубна], предназначенный для поиска (обнаружения, локализации) ЯМ и РВ. В прибор МКС-А03-1Е встроены сцинтилляционный детектор на основе кристалла Nal Т1 размерами 34×47 мм, и счетчики нейтронов на основе трубок, заполненных ³He. Однако чувствительность гамма-детектора в указанном приборе невысока: в соответствии с ГОСТ Р 51635 по порогу обнаружения прибор МКС-А03-1Е быть отнесен к РМ III категории. (Подробнее и с целью сопоставления с упомянутыми выше аналогами конкретные цифры порогов обнаружения приведены в приложении 1, таблице 1). Кроме того, в указанном приборе МКС отсутствуют технические и программные средства связи со спутниковой навигационной системой (СНС) для привязки регистрируемых уровней радиации к конкретным точкам обследуемой территории. Следует подчеркнуть, что для поиска и обнаружения ЯМ и РВ на контролируемых участках местности наличие в современном поисковом приборе средств связи с СНС считается совершенно необходимым.

Наиболее близким к заявляемому является носимый радиационный монитор НОРМ [(а). А.С.Шеин, А.Ю.Дерстуганов, Л.В.Викторов, А.Л.Крымов, Г.А.Кунцевич, Б.В.Шульгин. Носимый радиационный монитор. Тезисы доклада на Международном совещании «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии» (ППСР-2011). С-Петербург. М.: «НТЦ Экспертцентр», 2011, С.8. (б). А.С.Шеин, А.Ю.Дерстуганов, Л.В.Викторов, А.Л.Крымов, Г.А.Кунцевич, Б.В.Шульгин / Носимый радиационный монитор // Информационный листок Физико-технологического института ФТИ УрФУ 15 от 11.02.2012], предназначенный для поиска источников гамма-излучения на больших территориях в труднодоступных местах.]

Известный носимый радиационный монитор НОРМ включает в себя сцинтилляционный пластиковый детектор (полистирол с добавкой РОРОР) размерами 25×13×3,5 см³; ФЭУ; подсистему питания на базе аккумуляторной батареи; усилитель-формирователь; интеллектуальный модуль управления с жидкокристаллическим индикатором, радиоканал (433 МГц, 10 мВт) для связи с центральной ЭВМ; канал связи со спутниковой навигационной системой СНС; станковый рюкзак для переноски. Интеллектуальный модуль управления снабжен специальным программным обеспечением для управления процедурами измерения и обеспечения синхронной посекундной записи результатов измерений (скорости счета детектора гамма-излучения с координатами точки измерения, получаемыми от СНС) как в локальную энергонезависимую память, так и в базу данных центра управления по радиоканалу или по каналу связи RS485. Прибор НОРМ отличается высокой чувствительностью: порог регистрации гамма-излучения от ¹³⁷Cs составляет (для условий, указанных в приложении 1) Q_min=65 кБк, что соответствует по ГОСТ Р 51635-2000 носимому РМ первой категории. Однако известный носимый радиационный монитор НОРМ не имеет канала регистрации нейтронного излучения, поэтому он не пригоден для одновременной регистрации как нейтронного, так и гама-излучения.

Задачей разработки полезной модели является создание носимого радиационного монитора, пригодного для одновременной регистрации как гамма-, так и нейтронного излучения в автономном режиме, то есть пригодного для контроля радиационной обстановки, связанной со смешанными радиационными полями.

Задача решается за счет того, что в носимый радиационный монитор, включающий чувствительный к гамма-излучению пластиковый сцинтилляционный детектор, оптически связанный с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), усилитель-формирователь сигналов от гамма-детектора, встроенный для управления и обработки информации интеллектуальный модуль с жидкокристаллическим индикатором, подсистему питания, радиоканал связи с центральным компьютером и канал связи со спутниковой навигационной системой, дополнительно вводится нейтронный детектор на базе гелиевых газоразрядных счетчиков, аппаратно и программно связанный со встроенным интеллектуальным модулем через дополнительный усилитель-формирователь. Причем в подсистему питания на базе аккумулятора, содержавшую в своем составе преобразователь высокого напряжения для питания ФЭУ, дополнительно вводится специальный преобразователь высокого напряжения для питания гелиевых счетчиков, а интеллектуальный модуль управления снабжен дополнительным программным обеспечением для управления процедурами регистрации нейтронного излучения и для обработки информации, поступающей от гамма- и нейтронных датчиков.

Состав предлагаемого носимого радиационного монитора представлен на блок-схеме (фигура 1), где использованы следующие условные обозначения:

1. - пластиковый сцинтилляционный детектор (полистирол с добавкой РОРОР);

2. - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ);

3. - усилитель-формирователь сигналов от гамма-детектора;

4. - нейтронный детектор на базе гелиевых газоразрядных счетчиков;

5. - усилитель-формирователь сигналов от нейтронного детектора;

6. - интеллектуальный модуль управления;

7. - жидкокристаллический индикатор;

8. - подсистема питания;

9. - преобразователь высокого напряжения для питания делителя ФЭУ;

10. - преобразователь высокого напряжения для питания газоразрядных счетчиков нейтронов;

11. - аккумуляторная батарея;

12. - радиоканал с антенной для связи с центральной ЭВМ;

13. - канал связи со спутниковой навигационной системой СНС (содержит отдельную антенну).

Конструктивно все перечисленные узлы и блоки, входящие в состав НОРМ, размещены в едином легком дюралюминиевом корпусе, прикрепленном к станковому рюкзаку, необходимому для удобства переноски прибора при движении по обследуемой территории (по труднодоступной местности). Узлы корпуса прибора обеспечивают его ударо-вибро-прочность.

Пример практической реализации конструкции предлагаемого НОРМ представлен на эскизном чертеже, фигура 2, где использованы следующие условные обозначения:

1. - пластиковый сцинтилляционный детектор размерами, например, 25×13×3,5 см³ , оптически связанный с ФЭУ;

2. - нейтронный детектор на базе трех или более гелиевых газоразрядных счетчиков;

3. - электронные узлы (усилители, преобразователи высокого напряжения, интеллектуальный модуль управления);

4. - жидкокристаллический индикатор;

5. - станковый рюкзак;

6. - аккумуляторная батарея;

7. - антенна радиоканала связи с центральной ЭВМ;

8. - антенна спутниковой навигационной системы (СНС).

Счетчики нейтронов располагаются в одной плоскости и закрепляются рядом с пластиковым сцинтилляционным детектором.

Устройство работает в двух возможных функциональных режимах: а) основной режим - регистрация гамма-излучения; б) дополнительные режимы - регистрация нейтронного излучения или одновременная регистрация гамма- и нейтронного излучения. В случае регистрации гамма-излучения сенсорным элементом детектора является пластиковый сцинтилляционный датчик (полистирол с добавкой РОРОР, или другой пластик типа толуол+р-терфенил или ксилол+р-терфенил, []). В качестве фотоприемного устройства для подсчета возникающих под действием гамма-излучения световых вспышек (сцинтилляций) используется фотоэлектронный умножитель ФЭУ. Далее сигнал от ФЭУ поступает на усилитель-формирователь, информация с выхода которого обрабатывается с помощью встроенного интеллектуального модуля. Приведенный в качестве примера размер сцинтилляционного детектора (25×13×3,5 см³ ), по нашим оценкам, близок к оптимальному с точки зрения обеспечения баланса двух противоречивых характеристик: а) необходимой чувствительности (что требует увеличения размеров детектора); б) достаточно небольшой массы прибора (что необходимо для удобства переноски).

В случае регистрации нейтронного излучения сенсорным элементом радиационного монитора является детектор на основе набора из трех и более малогабаритных наполненных гелием (изотоп ³ He) нейтронных счетчиков типа СНМ-42 (длина 153 мм, диаметр 18,5 мм и вес 25 г), или СНМ-32 (длина 323 мм, диаметр 18,5 мм и вес 42 г). Нейтронный детектор снабжен преобразователем питания с выходным напряжением более 1500 В. Гелиевый счетчик эффективно регистрирует только тепловые нейтроны. Для них сечение захвата составляет более 4000 барн. Нейтронное излучение, связанное с делящимися материалами (именно они являются предметом поиска и обнаружения при радиационном контроле), имеет широкий спектр энергий с максимумом в области единиц МэВ, то есть в спектре доминируют быстрые нейтроны. Быстрые нейтроны гелиевым счетчиком не будут зарегистрированы, если их не замедлить до тепловых энергий (доли эВ). Функцию замедлителя нейтронов до тепловых энергий в предлагаемой полезной модели исполняет водородсодержащий пластиковый блок сцинтиллятора - блок из полистирола, имеющий толщину 3,5 см, достаточную для замедления значительной части быстрых нейтронов до тепловых энергий. Информация со счетчиков СНМ-42 или СНМ-32 нейтронного канала в виде импульсов поступает в блоки электроники - усилитель формирователь и далее во встроенный интеллектуальный модуль - и обрабатывается по дополнительным алгоритмам, аналогичным применяемым в гамма-канале. Программное обеспечение нейтронного канала аналогично программному обеспечению гамма-канала и решает задачи управления процедурами измерения, первичной (экспрессной) обработки результатов измерений, и обеспечения синхронной посекундной записи в базу данных результатов измерений уровней нейтронного излучения и сигналов от СНС по радиоканалу или по каналу связи RS485. Используемые алгоритмы обработки сигналов от детекторов описаны в патенте авторов описываемой полезной модели НОРМ [Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений / Л.В.Викторов, К.В.Ивановских, Ю.Г.Лазарев, В.Л.Петров, А.С.Шеин, Б.В.Шульгин // Патент РФ 2242024. Б.и., 1071272004, 34]. Чувствительность счетчиков СНМ-42 или СНМ-32 к нейтронам согласно техническим условиям ОДО 339.281 ТУ составляет 0,8, что обеспечивает регистрацию 80 процентов тепловых нейтронов, попадающих в чувствительный объем счетчиков.

Носимый монитор НОРМ имеет следующие технические характеристики.

- Диапазон энергий регистрируемого гамма-излучения 0,053,0 МэВ.

- Минимальная регистрируемая активность гамма-источника ¹³⁷Cs на расстоянии 1 м при скорости движения источника не более 0,5 м/с и при вероятности ложных тревог не более 0,05 - составляет Q_min1=65 кБк.

- Порог регистрации нейтронного излучения при использовании трех гелиевых счетчиков СНМ-32 и при тех же условиях обнаружения (на расстоянии до источника 1 м, скорости движения источника не более 0,5 м/с, вероятности ложных тревог не более 0,05) составляет 1,5·10⁴ нейтр/с,

- Масса элементов гамма-канала (вместе с аккумулятором) - не более 9 кг. Масса элементов, связанных с нейтронным каналом, - не более 1,2 кг. Общая масса монитора не превышает 10,3 кг.

- Дальность связи по радиоканалу - 250÷400 м.

Указанный порог регистрации нейтронного излучения соответствует по ГОСТ Р 51635 мониторам нейтронного излучения III категории. При необходимости повысить чувствительность (снизить порог обнаружения) количество гелиевых счетчиков в НОРМ может быть увеличено до 5.

Предлагаемая полезная модель носимого радиационного монитора обеспечивает технический эффект: носимый радиационный монитор пригоден для одновременной и раздельной регистрации как нейтронного, так и гамма-излучения в автономном режиме; пригоден для поиска (обнаружения и локализации) ядерных материалов и радиоактивных веществ по гамма- и нейтронному излучению и для радиационного мониторинга местности в смешанных радиационных полях. Указанный технический эффект достигается за счет трех важных факторов: обеспечения высокой чувствительности предлагаемого носимого радиационного монитора, введения в состав прибора нейтронного канала, а также наличия в составе прибора технических и программных средств связи с СНС для привязки регистрируемых уровней радиации к конкретным точкам обследуемой территории.

Носимый радиационный монитор, включающий чувствительный к гамма-излучению пластиковый сцинтилляционный детектор, оптически связанный с фотоэлектронным умножителем, усилитель-формирователь сигналов от фотоэлектронного умножителя, подсистему питания на базе аккумулятора, радиоканал связи с центральным компьютером, канал связи со спутниковой навигационной системой и интеллектуальный модуль управления и обработки информации с жидкокристаллическим индикатором, отличающийся тем, что дополнительно содержит нейтронный детектор на базе гелиевых газоразрядных счетчиков, аппаратно и программно связанный с интеллектуальным модулем через дополнительный усилитель-формирователь.