СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СЛАБЫХ ПОТОКОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01T1/167 

Заявляемый способ относится к области оперативного радиационного контроля с использованием ионизационных счетчиков (пропорциональных или счетчиков Гейгера) или сцинтилляционных детекторов и предназначен для обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений (ИИ) от подвижных и неподвижных, открытых и закрытых бета-, гамма- и нейтронных источников. Заявляемый способ может применяться в стационарных или носимых (портативных) устройствах для радиационного контроля на железнодорожных и автомобильных трассах, на пограничных блок-постах, на таможенных пунктах досмотра и складирования, на складах свежего ядерного топлива атомных электростанций, на постах входного и выходного контроля предприятий атомной и других отраслей промышленности, для государственного, ведомственного и частного контроля территорий, отвалов, складов (металлолома и других), оборудования, автомобилей, банковских купюр, ценных бумаг и продуктов питания всех видов.

Известны способы обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений, используемые в портативных устройствах оперативного радиационного контроля [1-3]. Такие устройства представляют собой, как правило, портативные радиометры-дозиметры, в которые введено электронное пороговое устройство, и соответствующая звуковая и (или) световая сигнализация превышения порога.

В упомянутых устройствах (системах) применяются различные счетные детекторы ионизирующих излучений (либо сцинтилляционные счетчики гамма-излучения, либо счетчики нейтронов и т.п.). В этом состоит одно из ключевых отличий устройств регистрации ионизирующих излучений от систем обнаружения, используемых в радиотехнике (в системах связи) и в радиолокации [4, 5]. Сущность этого отличия происходит из природы ионизирующего излучения, которое является всегда потоком квантованным (гамма-кванты, нейтроны и т.п.), подчиняющимся Пуассоновской статистике, тогда как в радиотехнике практически всегда имеют дело с нормальным белым шумом.

Так, в одной из новейших разработок - дозиметре поисковом типа ДРС-РМ1401 (СП "Полимастер", г. Минск) [1], построенном на базе сцинтилляционного счетчика с фотодиодом, используется простейший способ обнаружения, основанный на жестком алгоритме контроля и сводящийся к следующей последовательности операций:
перед началом контроля проверяемых объектов измеряется количество импульсов фонового излучения N_b за время t_b = 36 с;
прибор переключается в режим оперативного контроля, т.е. измеряется количество импульсов излучения от контролируемого объекта N_о в течение интервала контроля t_n (в [1] t_n = 2 с); (физически величина N_о пропорциональна средней скорости счета аддитивной смеси сигнала и фона n, полученной за время t_n нахождения объекта контроля в поле зрения детектора - N_о = n • t_n).

вычисляется порог q = b • t_n + m σ,
где σ = (N_b)^1/2 - среднеквадратическое отклонение величины N_b;
m - число, равное количеству среднеквадратических отклонений;
b = N_b/t_b - средняя скорость света фона.

полученное N_о сравнивается с порогом q; если N_о > q, то принимается решение об обнаружении (включается световой или звуковой сигнал "тревоги"); в противном случае принимается решение о необнаружении источника ИИ.

Основным недостатком описанного способа обнаружения [1] является жесткость задаваемых порогов для обнаружения источников ИИ, что не позволяет получить низкие пороги обнаружения.

Способ обнаружения, используемый в дозиметре-радиометре типа ДРБП-03 (ВНИИФТРИ, г. Москва) [2], построен на применении еще более жесткого алгоритма, чем используемый в [1]; в нем даже количество среднеквадратических отклонений (с. к. о. ) m не изменяется и всегда равно m = 4. Это приводит к загрублению порогов обнаружения и к увеличению вероятности пропуска слабого источника ИИ при прочих равных условиях. Аналогично построен способ обнаружения слабых источников ИИ в радиометре-дозиметре МКС-06Н "Инспектор" (производство ТОО "Грин Стар" (г. Москва) [3].

Очевидно, что для снижения уровня минимального обнаруживаемого сигнала при разработке устройств для обнаружения слабых источников ИИ стремятся увеличить габариты детекторов и тем самым повысить эффективность регистрации. Именно в этом заключается основное отличие устройства [6] от [1-3]. Однако для [6] не известен примененный авторами разработки способ обнаружения. В то же время косвенно, по приводимым в информационном листке [6] цифрам можно с большой степенью достоверности утверждать, что и здесь применяется далеко не оптимальный способ обнаружения, что приводит к неоправданному завышению значения минимального обнаруживаемого сигнала в 1.5-2 раза.

Известна также высокочувствительная вертолетная поисковая система [7], построенная на больших сцинтилляционных кристаллах NaI-Tl (диаметром 120 мм). Однако, как и в [6] , в [7] не содержится описания использованного способа обнаружения.

Известны способы обнаружения слабых потоков ИИ [8], в которых используются некоторые основные положения и выводы из теории обнаружения [9 - 12]. Однако в [8] упомянутые положения используются недостаточно последовательно и точно, и потому также приводят к завышению порогов обнаружения.

Уместно подробнее описать применяемые для практических (инженерных) задач важнейшие положения и выводы из фундаментальной теории обнаружения, давно и основательно проработанной применительно к радиосвязи и радиолокации [4, 5, 9 - 12].

В соответствии с теорией обнаружения, в условиях полной априорной неопределенности (т.е. когда об обнаруживаемом объекте нет информации ни о наличии-отсутствии на нем источника ИИ, ни о величине сигнала от источника ИИ) в обнаружителе может (и должен) использоваться только критерий Неймана-Пирсона, являющийся наиболее мощным критерием. Последнее означает, что применение критерия Неймана-Пирсона позволяет получить наибольшую теоретически возможную вероятность обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги.

Вторым важнейшим положением теории обнаружения, которое должно использоваться при инженерной реализации теории, является необходимость вычисления отношения правдоподобия. Не вдаваясь в подробности теории, подчеркнем, что для практических целей удобнее использовать эквивалентное упомянутому отношению правдоподобия выражение для достаточной статистики [12], которое в нашем конкретном случае обнаружения слабых потоков ИИ принимает вид

где все обозначения совпадают с введенными выше.

По физическому смыслу величина η представляет собой нормализованное значение средней скорости счета сигнала от обнаруживаемого источника a = n - b, т. е. сигнал a представлен в таком виде, когда его дисперсия равна единице.

Полученное значение η сравнивают с порогом q_o, значение которого зависит от заданной оператором вероятности ложной тревоги P_лт и определяется из таблиц нормального закона распределения.

В способе обнаружения, описанном в [8], применяется критерий Неймана-Пирсона, однако порог обнаружения вычисляется не с помощью достаточной статистики (1), а в виде
q = b • t_n + m σ, (2)
где σ = (N_b)^1/2 - среднеквадратическое отклонение величины N_b.

Очевидно, что описанный способ почти не отличается от [1], за исключением того, что значения t_b и t_n могут устанавливаться оператором любыми в зависимости от требуемой точности и ограничений на время измерения.

Легко показать, что применение (2) приводит к полутора-двукратному завышению минимального обнаруживаемого сигнала по сравнению с теорией (т.е. по (1)), поскольку количество с. к. о. m в (2) устанавливается по интуиции (обычно m > 4), а не на основе строго задаваемых параметров обнаружения и теории обнаружения, приводящей для рассматриваемой задачи к (1).

Наиболее близким к заявляемому является способ обнаружения, используемый в системах (установках) "Янтарь" (производство НПЦ "Аспект", г. Дубна) [13]. (Отметим, что НПЦ "Аспект", г. Дубна, выпускает порядка 6 различных видов установок семейства "Янтарь", которые различаются только количеством и размерами применяемых в них счетных детекторов гамма- и нейтронного излучения. Все разновидности систем [13] используют одинаковый способ обнаружения, который сводится к следующей последовательности операций:
перед началом контроля объектов (автомобилей и пешеходов) измеряется количество импульсов фонового излучения N_b, причем время измерения фона t_b может быть любым в зависимости от "оперативной обстановки" (т.е. заданных ограничений на время контроля);
автоматически (по сигналу "датчика присутствия") прибор переключается в режим оперативного контроля, т.е. измеряется количество импульсов излучения от контролируемого объекта N_о в течение интервала контроля t_n, равного времени нахождения объекта в зоне контроля плюс дополнительные интервалы (так называемый "взгляд назад" длительностью порядка 1 с и "взгляд вперед" - тоже порядка 1 с);
вычисляется порог q = b • t_n + m σ,
где σ = (N_b)^1/2 - среднеквадратическое отклонение величины N_b;
m - число, равное количеству среднеквадратических отклонений (с.к.о.), задаваемое оператором и хранящееся в оперативной памяти;
b = N_b/t_b - средняя скорость счета фона;
полученное N_о сравнивается с порогом q; если N_о > q, то принимается решение об обнаружении (включается световой или звуковой сигнал "тревоги"); в противном случае принимается решение о необнаружении.

Недостаток описанного способа-прототипа, так же, как и аналогов, сводится к тому, что количество с.к.о. m назначается оператором жестко либо по указаниям (рекомендациям) из технического описания, либо интуитивно, и потому порог обнаружения получается завышенным. (Отметим, что в [13] рекомендуется устанавливать m в диапазоне от 4 до 8). При этом, безусловно, достигается низкая вероятность ложных тревог P_лт < 10^-4, но за счет существенного увеличения вероятности пропуска слабых сигналов (т.е. снижения вероятности обнаружения).

Предлагаемым изобретением решается задача снижения минимального обнаруживаемого сигнала до уровня, близкого к теоретическому пределу.

Для решения вышеназванной задачи в заявляемом способе обнаружения слабых потоков ИИ последовательно используется оптимальный способ обнаружения, который базируется на теории обнаружения [9 - 12] (основные полезные для практики выводы из которой кратко описаны выше) и который сводится к следующей последовательности операций:
перед началом контроля объектов определяют порог q₀ в соответствии с задаваемой оператором вероятностью ложных срабатываний по таблицам для нормального распределения;
измеряют среднюю скорость счета b, обусловленного фоновым излучением, причем время измерения фона t_b может быть любым большим и определяется оперативной обстановкой либо вводится оператором;
прибор переключают в режим оперативного контроля, т.е. измеряют количество импульсов излучения от контролируемого объекта N_о в течение интервала контроля t_n, задаваемого оператором; вычисляют среднюю скорость счета аддитивной смеси сигнала и фона n = N_о/t_n;
определяют значение параметра η по (1);
полученное значение параметра η сравнивается с порогом q₀.

Если η > q_o, то принимают решение об обнаружении (включается световой или звуковой сигнал "тревоги"); в противном случае принимают решение о необнаружении, которое фиксируют в отсчете по процедуре проведения контроля.

Примечания.

1. Главная суть предлагаемого способа и его отличие от прототипа сводится к тому, что в предлагаемом способе при вычислении параметра η по (1) учитывается полная дисперсия суммы сигнала и фона n, в том числе учитывается и абсолютное время контроля t_n, и потому нет необходимости порог искусственно завышать; порог назначается в строгом соответствии с задаваемой вероятностью ложных тревог P_лт. В итоге достигается максимальная вероятность обнаружения в заданных условиях проведения контроля.

2. Отличие порога q_o,используемого в предлагаемом способе обнаружения, от порога q, применяемого в аналогах и прототипе, заключается в том, что q_o представляет собой квантиль нормального распределения (т.е. равен количеству с.к.о. для распределения с единичной дисперсией), а q - количество дисперсий σ = (N_b)^1/2, т.е. порог q в аналогах и прототипе выражен в абсолютных единицах (в единицах скорости счета 1/с).

В таблице приводятся результаты сопоставительных расчетов минимального обнаруживаемого сигнала a_min для предлагаемого способа и для прототипа. Значения рассчитаны для идентичных условий, т.е. и заявляемый способ, и прототип применены к обработке измерительной информации для одинаковой аппаратуры и при одинаковых условиях обнаружения. В качестве примера рассмотрен случай использования сцинтилляционного детектора на основе CsI-T1 размерами ⊘ 63 х 63 мм. Конкретные цифры по условиям и параметрам обнаружения приведены в примечанмях к таблице. Из приведенных расчетов следует, что в предлагаемом способе достигается более чем 1.5-2-кратное снижение уровня минимального обнаруживаемого сигнала a_min по сравнению с прототипом. При этом обеспечивается достижение максимальной мощности критерия обнаружения, т.е. максимальная вероятность обнаружения при заданном уровне вероятности ложных тревог P_лт. Приведенные расчеты подтверждены экспериментом. Эксперимент показал очень хорошее совпадение с ожидаемыми (расчетными) значениями a_min.

Предлагаемый способ обладает рядом дополнительных преимуществ по сравнению с прототипом и аналогами, главные из которых таковы:
оператор вводит в программу обработки измерительной информации конкретное значение вероятности ложных тревог P_лт, т.е. важнейший параметр, характеризующий качество решения задачи обнаружения (а не количество с.к.о., связанное с параметрами обнаружения довольно сложной и существенно нелинейной зависимостью, как в аналогах и прототипе);
в результате контроля оператор получает не только информацию об обнаружении или необнаружении, но и результирующее значение вероятности обнаружения P_обн. Последнее легко находится по таблицам нормального распределения и соответствует квантилю, равному q_β= η-q_o.
Кратко по поводу дополнительных преимуществ можно подытожить, что при использовании предлагаемого способа оператор "работает" не с какими-то не всегда понятными константами, а с конкретными параметрами обнаружения (P_лт и P_обн), которые ему необходимо достичь.

Примечания к таблице
1. Используемые в таблице обозначения расшифрованы в тексте.

2. Значения минимального обнаруживаемого сигнала a_min рассчитаны для идентичных условий как по заявляемому способу, так и по прототипу:
сцинтилляционный детектор на основе монокристалла CsI-Tl (диаметр 63 мм, высота 63 мм);
вероятность ложных тревог P_лт:
- для предлагаемого способа - P_лт = 0.05,
- для прототипа P_лт = 3 • 10^-5 (соответствует q_o = 4.0);
вероятность обнаружения P_обн:
- при вычислении a_min1 - P_обн1 = 0.95;
- при вычислении a_min2 - P_обн2 = 0.50.

3. Значение фона соответствует измеренному экспериментально для указанного в п. 2 сцинтилляционного детектора, снабженного свинцовым коллиматором, при установке энергетического диапазона 50 - 3000 кэВ.

Литература
1. Дозиметр поисковый микропроцессорный ДРС-РМ1401. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - Минск: СП Полимастер, 1997.

2. Дозиметр-радиометр ДРБП-03. Паспорт ГКПС 14.00.00.000 ПС. - М.: ВНИИФТРИ, 1996.

3. Радиометр-дозиметр МКС-06Н INSPECTOR. Паспорт. - М.: ТОО "Грин Стар", 1996.

4. Репин В. Г. , Артаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптации информационных систем. - М.: Сов. радио, 1977, 432 с.

5. Шереметьев А.Г., Статистическая теория лазерной связи. - М.: Связь, 1979.

6. Стационарный радиационный пороговый сигнализатор "Дозор". Информационный лист. - М.: ВНИИФТРИ, 1997.

7. Jobst J. E., A history of aerial surveys radiological incidents and accidents: CONF-860932. - 1987, p. 79 - 84.

8. Кириллов В.М., Супрунов В.И. Обнаружение движущихся источников ионизирующих излучений. Измерительная техника. - 1994. N 8, с. 63 и 64.

9. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Т. 1. - М.: Сов. радио, 1972, 744 с.

10. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Радио и связь, 1982, 624 с.

11. Акимов П. С., Бакут П.А., Богданович В.А. и др. Теория обнаружения сигналов. -М.: Радио и связь, 1984, 440 с.

12. Закс Ш. Теория статистических выводов. -М.: Мир, 1975, 776 с.

13. Стационарная таможенная система обнаружения делящихся и радиоактивных материалов "Янтарь-1А". Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ДКЦИ.425713.004 ТО. - (г. Дубна Московской обл.: НПЦ Аспект, 1997.

Предложен способ обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений от подвижных и неподвижных, открытых и закрытых бета-, гемма- и нейтронных источников с использованием ионизационных счетчиков (пропорциональных или счетчиков Гейгера) или сцинтилляционных детекторов. Суть изобретения заключается в том, что перед началом контроля объектов определяют порог q_o в соответствии с задаваемой оператором вероятностью ложных срабатываний по таблицам для нормального распределения, затем измеряют среднюю скорость счета фонда b за время t_b и среднюю скорость счета аддитивной смеси сигнала и фона n, полученную за время t_n нахождения объекта контроля в поле зрения детектора, далее определяют параметр η путем обработки результатов измерений по формуле

который сравнивают с порогом q_o для принятия решения о результате обнаружения. Если η > q_o, то принимают решение об обнаружении, в противном случае принимают решение о необнаружении. Технический результат заключается в том, что изобретение позволяет снизить минимальный обнаруживаемый сигнал до уровня, близкого к теоретическому пределу. Дополнительным преимуществом данного способа является возможность достижения наибольшей вероятности обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги. 1 табл.

Способ обнаружения слабых ионизирующих излучений от подвижных и неподвижных, открытых и закрытых бета-, гамма - и нейтронных источников с использованием ионизационных счетчиков или сцинтилляционных детекторов, заключающийся в измерении средней скорости счета фона b за время t_b и средней скорости счета аддитивной смеси сигнала и фона n, полученной за время t_n нахождения объекта контроля в поле зрения детектора, определении порога обнаружения объекта и принятии решения о результате обнаружения, отличающийся тем, что порог обнаружения объекта q_o определяют перед началом контроля в соответствии с задаваемой вероятной ложной тревоги, а по окончании контроля определяют параметр

и сравнивают его с порогом обнаружения q_o, причем решение об обнаружении объекта принимают при η > q_o.