Универсальный портативный радиометр-спектрометр

Универсальный портативный радиометр-спектрометр относится к классу оборудования для обнаружения и идентификации источников радиоактивного излучения и может быть использован, например, в системах надзора за делящимися материалами и радиоактивными веществами, для оснащения подразделений таможенных служб по контролю перемещений радиоактивных веществ, подразделений по противодействию угрозам ядерного и радиологического терроризма, и др. Для обеспечения возможности скрытного обнаружения и идентификации радиоактивных, в т.ч. делящихся веществ, заявляемое устройство включает детектирующий блок, имеющий два канала регистрации излучений - гамма-спектрометрический канал с цифровой системой температурной стабилизации и канал регистрации нейтронов на основе гелиевых счетчиков. Оба канала связаны с микропроцессорной системой, имеющей средства для подключения к модулю управления и обработки. Система температурной стабилизации гамма-спектрометрического канала выполнена в виде цифровой системы коррекции данных, использующей цифровой датчик температуры, которой имеет тепловой контакт с корпусом фотоэлектронного умножителя. Детектирующий блок размещается на теле оператора под верхней одеждой. В качестве средства для подключения к блоку управления и обработки используется радиомодем стандарта беспроводной связи «Bluetooth». Блок управления и обработки выполнен на основе мобильного телефона (смартфона) или коммуникатора (КПК). 1 с.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к области обнаружения и идентификации источников радиоактивного излучения и может быть использована в системах надзора за делящимися материалами и радиоактивными веществами, для оснащения подразделений таможенных служб по контролю перемещений радиоактивных веществ, подразделений по противодействию угрозам ядерного и радиологического терроризма, и др. Контроль производится по гамма и нейтронному излучению радиоактивных веществ.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка универсального портативного радиометра-спектрометра, обеспечивающего поиск и идентификацию источников гамма и нейтронного излучения, в том числе - скрытно, без привлечения внимания окружающих людей и систем наблюдения.

Из предшествующего уровня техники известна конструкция поискового радиационного монитора (патент RU 2303277, публик. 20.07.2007 г., Бюл. 20), который включает один детектирующий блок нейтронного или гамма излучения, средства для подключения к каналу связи в виде радиомодема и автономный блок, содержащий второй радиомодем и/или порт проводной связи. В качестве автономного блока может быть использован расположенный на удалении компьютер или блок индикации, размещенный в одежде или в руках оператора.

Недостатком данного устройства является то, что оно может работать только в режиме поиска источников либо нейтронного, либо гамма излучения, не обеспечивая возможность спектрометрии гамма излучения, что накладывает ограничения на функциональные возможности устройства из-за невозможности идентификации обнаруживаемых источников радиоактивных излучений.

Из предшествующего уровня техники известно также другое устройство, с помощью которого осуществляют регистрацию гамма и нейтронного излучения, направленное на решение указанной выше задачи и частично устраняющее недостатки предыдущего аналога (патент RU 2158938, описание опубликовано 10.11.2000 г.). Это устройство выбрано в качестве ближайшего аналога заявляемой полезной модели по наибольшему количеству сходных признаков.

Известное устройство представляет собой универсальный портативный радиометр-спектрометр и включает два канала регистрации ядерных излучений, при этом гамма-канал состоит из сцинтилляционного кристалла, сопряженного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), выход которого через усилитель гамма-канала и аналого-цифровой преобразователь связан с микропроцессорной системой, в состав гамма-канала дополнительно введена система стабилизации, включающая светодиод, сопряженный с фотоэлектронным умножителем и соединенный с импульсным генератором тока, вход которого связан с выходом микропроцессорной системы. Управляемый микропроцессорной системой каскад усиления расположен между усилителем гамма-канала и его аналого-цифровым преобразователем, датчик температуры связан с микропроцессорной системой. Нейтронный детектор состоит из гелиевых счетчиков нейтронов, помещенных в специальный замедлитель из полиэтилена, сигнал с которых через усилитель нейтронного канала и дискриминаторы поступает на микропроцессорную систему, имеющую выходы на дисплей и ЭВМ.

Недостатками ближайшего аналога в предполагаемых условиях эксплуатации является применение специального полиэтиленового замедлителя нейтронов, что увеличивает габариты и массу устройства, и необходимость в проводной системе соединения с ЭВМ, что также снижает мобильность устройства и возможность его скрытого использования.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение возможности скрытного обнаружения радиоактивных, в т.ч. делящихся веществ. Дополнительным техническим результатом является многократное уменьшение веса и габаритов устройства при сохранении его чувствительности, а также обеспечение возможности скрытной экспресс-идентификации источников излучения, шифрование информации и передачи ее в удаленный аналитический центр.

Указанный технический результат достигается за счет того, что универсальный портативный радиометр-спектрометр, содержащий детектирующий блок с двумя каналами регистрации излучений - гамма-спектрометрическим каналом, включающим сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), систему температурной стабилизации с цифровым датчиком температуры, и каналом регистрации нейтронов на основе гелиевых счетчиков, а также блок управления и обработки данных, к которому подключают блок детектирования с помощью предусмотренных для этого средств, включает отличительные признаки:

детектирующий блок размещен на теле оператора,

система температурной стабилизации основана на цифровой коррекцией данных, поступающих с гамма-канала,

цифровой датчик температуры имеет тепловой контакт с корпусом фотоэлектронного умножителя,

в качестве средства для подключения детектирующего блока к блоку управления и обработки используют радиомодем стандарта беспроводной связи «Bluetooth»..

Модуль управления и обработки выполнен на основе коммуникатора или смартфона, оснащенного специализированным программным обеспечением.

Размещение детектирующего блока на теле оператора позволяет, во-первых, отказаться от использования специального полиэтиленового замедлителя в конструкции детектора нейтронов, что многократно уменьшает его габариты и вес без потери чувствительности к нейтронам спектра деления, а во-вторых, обеспечивает пространственно-угловую избирательность нейтронного детектора (азимутальную анизотропию чувствительности), что позволяет производить целенаправленный поиск источника нейтронов и способствует упрощению и облегчению контроля.

Использование стандарта беспроводной связи «Bluetooth» обеспечивает возможность связи детектирующего блока со смартфоном или компьютером, поддерживающим этот стандарт, и позволяет создавать распределенные и защищенные системы радиационного контроля с использованием необходимого количества детектирующих блоков. Связь детектирующего блока со смартфоном осуществляется с использованием уникального пароля, устанавливаемого оператором, что исключает возможность подключения к нему посторонних «Bluetooth»-устройств.

Выполнение температурной стабилизации на основе цифровой системы коррекции данных гамма-спектрометрического канала позволяет обеспечить компенсацию температурной нестабильности гамма-спектрометрического канала более простым способом в сравнении с прототипом, что также способствует упрощению скрытного контроля.

Выполнение блока обработки и управления на основе смартфона или другого устройства со специализированным программным обеспечением позволяет производить поиск и экспресс идентификацию источников ионизирующего излучения скрытно, не привлекая внимания, и, при необходимости осуществлять шифровку и передачу информации в удаленный аналитический центр.

На фиг. 1 изображен общий вид заявляемого универсального радиометра-спектрометра, где:

1 - корпус нейтронного детектора;

2 - блок электроники нейтронного детектора;

3 - разъемы соединительного кабеля;

4 - соединительный кабель;

5 - нейтронные счетчики;

6 - микропроцессорный модуль;

7 - тумблер включения/выключения питания;

8 - разъем для заряда аккумулятора;

9 - индикаторные светодиоды состояния аккумуляторной батареи (заряд/разряд, готовность);

10 - корпус гамма-детектора;

11 - аккумуляторная батарея;

12 - блок источника высокого напряжения для сцинтилляционной сборки;

13 - цифровой датчик температуры;

14 - сцинтсборка (кристалл, ФЭУ, делитель ФЭУ);

15 - винты крепления верхних крышек корпусов.

Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить универсальный радиометр-спектрометр (УРС), представленный на фиг. 1. УРС в двухблочном варианте, причем возможна работа гамма-спектрометра отдельно. Гамма-детектор выполнен на основе сцинтилляционного кристалла NaI (TI) диаметром 25 мм и длиной 76 мм и ФЭУ Hamamatsu R3998-02, помещенных в магнитный экран. Для компенсации температурной нестабильности используют цифровой датчик температуры, выполненный в виде интегральной микросхемы ADT 7301, имеющей тепловой контакт с корпусом ФЭУ. Нейтронный детектор выполнен на основе четырех гелиевых (³He) счетчиков типа 8NM5,5. Блок электроники гамма- канала включает усилительный тракт, анализатор, радиомодем для связи с модулем обработки. Модуль управления и обработки выполнен на основе смартфона. Специализированное программное обеспечение, установленное в смартфоне, обеспечивает управление детектирующим блоком, сбор и анализ данных, визуализацию процесса и результатов контроля, шифровку и обмен данными с удаленным аналитическим центром.

Порядок работы заявляемого устройства заключается в следующем.

При включении устройства тумблером 7 по индикаторным светодиодам 9 контролируют состояние аккумуляторной батареи 11 и при необходимости зарядки подключают к разъему 8 зарядное устройство. После включения устройства включают смартфон и запускают специализированное программное обеспечение. Смартфон по протоколу беспроводной связи Bluetooth автоматически соединяется с устройством, при этом включается режим самодиагностики устройства, по прохождении которого происходит включение источника высоковольтного напряжения 12 для сцинтилляционной сборки 14 и блока электроники 2 нейтронных счетчиков 5, после чего устройство готово к работе.

Устройство может работать в двух режимах - счетном (режим поиска) и спектрометрическом (режим идентификации).

В режиме поиска устройство производит непрерывный контроль скоростей счета в гамма- и нейтронном канале регистрации, на основе чего оператор локализует места с повышенным уровнем гамма и/или нейтронного излучений. Световые вспышки, образующиеся в кристалле сцинтсборки 14, регистрируются ФЭУ, далее поступают на блок электроники с микропроцессором 6, преобразуются в цифровой сигнал и через радиомодем передаются на смартфон. При изменении температуры, регистрируемой температурным датчиком 13, цифровой сигнал через радиомодем передается на смартфон, где происходит смещение спектрального распределения гамма-квантов по энергии. При регистрации нейтронного излучения имеет место падение напряжения на нейтронных счетчиках 5, которое обрабатывается блоком электроники 2 и передается на блок электроники с микропроцессором 6, где преобразуются в цифровой сигнал и через радиомодем передаются на смартфон.

После этого, в случае необходимости идентификации излучателя, в обнаруженных местах с аномальным уровнем излучения регистрируют спектральное распределение гамма квантов по энергии, при этом контроль производится в течение более длительного времени с целью получения информации, достаточной для последующего спектрометрического анализа.

Идентификацию радиоизотопных источников производят на основе сравнения полученных данных с библиотечными характеристиками радиоизотопов, используемыми в специализированном программном обеспечении устройства.

Смартфон выполняет следующие функции: управление детектирующим блоком, анализ и отображение спектра, сравнение результатов анализа с библиотекой стандартных спектров (идентификация), передача первичных данных и результатов анализа в аналитический центр (при необходимости). Реализация последней функции использует сжатие и шифрование данных. Функционирование заявляемого устройства возможно как в автономном режиме, так и в составе комплексных систем безопасности предприятий.

Проведенные испытания устройства подтвердили возможность идентификации устройством ряда специальных ядерных, промышленных и медицинских изотопов, при этом заявляемое устройство обладает, по сравнению с прототипом, большими функциональными возможностями, более просто в применении и, имея малые размеры и вес, позволяет использовать его для скрытно, не привлекая внимания.

Универсальный портативный радиометр-спектрометр, содержащий детектирующий блок, включающий специально предусмотренное средство, обеспечивающее возможность его соединения с блоком управления и обработки данных, и выполненный с двумя каналами регистрации излучений - гамма-спектрометрическим каналом, включающим сцинтилляционный кристалл, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) и систему температурной стабилизации с цифровым датчиком температуры, и каналом регистрации нейтронов на основе гелиевых счетчиков, отличающийся тем, что детектирующий блок размещен на теле оператора, система температурной стабилизации основана на цифровой коррекции данных, поступающих с гамма-канала, при этом цифровой датчик температуры имеет тепловой контакт с корпусом ФЭУ, а средство, обеспечивающее возможность соединения детектирующего блока с блоком управления и обработки, выполнено в виде радиомодема.

РИСУНКИ