УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01T1/167 

Предлагаемое изобретение относится к области радиационной экологии и может быть использовано для дистанционного поиска остатков ядерного топлива, например плутония, загрязняющих поверхности в результате аварий или в ходе производственных процессов.

Известно устройство [1] для регистрации альфа-излучения газоразрядным методом в воздушной среде. В устройстве использован открытый на воздух газоразрядный детектор заряженных частиц, выполненный в виде многопроволочного счетчика с плоским катодом, работающего в режиме ограниченной пропорциональности. Такой детектор регистрирует альфа-частицы, создающие ионизацию непосредственно в рабочем объеме, ограниченном катодом и плоскостью, в которой поочередно натянуты потенциальные и анодные нити. Устройство [1] позволяет различать регистрируемые в рабочем объеме частицы по плотности ионизации. Это обусловлено тем, что выходной сигнал генерируется только частицами, возникшими непосредственно в рабочем объеме, ограниченном катодом и плоскостью анодных нитей, поскольку оно не включает в себя средства переноса ионизационных зарядов от места их возникновения в рабочий объем детектора.

Известно устройство для дистанционной регистрации альфа-частиц, описанное в патенте [2] и его модификации, представленные в патентах [3-9]. В устройстве [2] использована ионизационная камера с проницаемыми сетчатыми электродами, сквозь которые прокачивается воздух, содержащий аэроионы, возникшие в результате ионизации воздуха альфа-частицами. Детектирование излучения осуществляется путем измерения ионизационного тока между электродами.

Модификации устройств, представленных в патентах [3-9], отличаются формой электродов, режимом подачи напряжения на электроды, способом транспортировки ионов в ионизационную камеру, режимом съема и обработки сигналов с выхода усилителя постоянного тока. Технические решения, используемые в устройствах, представленных в патентах [3-9], направлены на повышение эффективности регистрации аэроионов, расширение области применения, снижение стоимости оборудования, например, устройство [5] предназначено для регистрации радона, содержащегося в воздушной пробе, помещенной внутрь рабочего объема детектора. Общим признаком для устройств, представленных в патентах [2-9], является наличие ионизационной камеры, предназначенной для измерения интегрального ионизационного эффекта, произведенного в воздухе излучениями разной природы, т.е. наряду с источниками альфа-излучения регистрируются источники бета- и гамма-излучения. Измерение ионизационного тока не позволяет различать источники излучения разной природы. Таким образом, с помощью устройств [2-9] не осуществляется выделение ионизации от альфа-источников на фоне сопутствующего бета- и гамма-излучения, что является их существенным недостатком.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является устройство [2] для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком для переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и измерительному счетчику соответственно. Как было отмечено выше, недостатком устройства (2) является измерение им интегрального ионизационного эффекта, произведенного в воздухе излучениями разной природы, т.е. в устройстве не обеспечивается избирательная регистрация альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих излучений иной природы.

Техническим результатом предлагаемого устройства является обеспечение избирательности регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих излучений иной природы. Избирательность является следствием разницы в эффективности дистанционной регистрации ионных сгустков, образующихся на следах частиц с различной ионизирующей способностью. Средняя плотность ионизации на следах альфа-частиц выше, чем на следах электронов, и это является причиной более высокой эффективности регистрации. Под эффективностью здесь понимается вероятность появления хотя бы одного импульса на выходе детектора при появлении в рабочем объеме всех аэроинов, доставленных со следа ионизирующей частицы. Эффективность регистрации связана однозначной зависимостью со скоростью счета импульсов с детекторов.

Технический результат в устройстве для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащем измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком для переноса аэроионов и подключенный к источнику питания и измерительному счетчику соответственно, достигается тем, что устройство дополнительно содержит компаратор, калибровочный альфа-источник и калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному детектору, выполненному газоразрядным, причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, выход - с управляющим входом источника рабочего напряжения, выход которого подключен также к калибровочному детектору.

Сущность изобретения заключается в коррекции рабочего напряжения измерительного детектора до оптимальной величины, обеспечивающей значительную разницу (в десятки раз) между эффективностями регистрации ионных сгустков со следов альфа-частиц и электронов.

В работе [10] было показано, что при различных значениях атмосферного давления, температуры и влажности воздуха существует диапазон рабочих напряжений, при которых эффективность дистанционной регистрации частицы зависит от плотности ионизации в ионном сгустке, перемещенном с трека ионизирующей частицы к аноду счетчика. Эффективность тем выше, чем выше плотность ионов в сгустке. Ширина диапазона рабочих напряжений составляет величину порядка 10-15 В. Например, при атмосферном давлении 760 Торр, температуре воздуха 20^oC и влажности 40% середина упомянутого диапазона приходится на 3900 В. При изменении атмосферного давления в пределах (750-770) Торр, температуры - (14-30)^oC и влажности (30 - 90)% диапазон рабочих напряжений остается в пределах (3800 - 4000) В. В указанном диапазоне всегда можно выделить область напряжений шириной 10-15В, в которой эффективность регистрации ионных сгустков со следа альфа-частицы в десятки раз превышает эффективность для сгустков со следами электронов. В предлагаемом устройстве отслеживание эффективности регистрации осуществляется по скорости счета импульсов с калибровочного детектора. Для поддержания оптимального значения рабочего напряжения при изменении упомянутых параметров атмосферы в устройстве периодически осуществляется калибровка, в ходе которой происходит сравнение скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора с заранее заданным значением скорости счета, определяемым активностью калибровочного источника. По результату сравнения компаратором вырабатывается сигнал управления, по которому напряжение на выходе источника рабочего напряжения изменяется таким образом, чтобы уменьшить разницу между измеренным значением скорости счета калибровочного детектора и заданным значением вплоть до достижения их равенства с заданной точностью. Коррекция осуществляется с точностью ±3 В. Такая оптимизация позволяет сохранить высокую эффективность регистрации альфа-частиц на фоне низкой регистрации сопутствующих бета- и гамма-излучений. При этом в предлагаемом устройстве сохранено достоинство прототипа - дистанционная регистрация альфа-частиц.

Блок-схема предлагаемого устройства представлена на фиг 1. На фиг. 2 представлен один из возможных вариантов выполнения измерительного детектора. Предлагаемое устройство содержит измерительный детектор аэроионов 1, блок 2 для переноса аэроионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору 1, выход которого связан с измерительным счетчиком 3, калибровочный детектор 4, сопряженный с калибровочным альфа-источником 5. Выход калибровочного детектора 4 подключен ко входу калибровочного счетчика 6, выход которого связан с первым входом компаратора 7, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, соответствующего максимальному значению эффективности регистрации аэроионов от помещенного в калибровочную камеру источника аэроионов 5 для существующих на данный момент значений атмосферного давления, влажности и температуры. Выход компаратора 7 связан с управляющим входом источника рабочего напряжения 8, выход которого соединен с измерительным и калибровочным детекторами соответственно 1 и 4. Исследуемая поверхность, содержащая источники альфа-излучения, обозначена позицией 9, шина наперед заданного числа 10.

Измерительный детектор 1 (см. фиг. 2) может быть выполнен в виде плоскопараллельного счетчика заряженных частиц с проволочным анодом, снабженный охранными электродами. Две заземленные катодные плоскости 11 выполнены из проводящего материала. Анодная проволочка 12 из нержавеющей стали расположена симметрично между катодами параллельно плоскостям. Охранные электроды 13 связаны с анодом через сопротивление утечки. Рабочее значение потенциала на аноде зависит от температуры, давления и влажности и в результате калибровки устанавливается в пределах 3900±100В. Газоразрядная регистрация аэроионов осуществляется за счет образования свободных электронов в процессах соударения отрицательных ионов кислорода с молекулами O₂ и N₂ в области электрического поля напряженностью 100 В (см • Торр).

Калибровочный детектор выполнен тождественно измерительному детектору, работает в режиме ограниченной пропорциональности и регистрирует аэроионы, создаваемые калибровочным альфа-источником 5, расположенным на расстоянии порядка 10 см от детектора. Аэроионы переносятся к анодной проволочке с помощью электрического поля, создаваемого между источником и детектором. Объем, в котором размещен калибровочный детектор, сообщается с атмосферой через электрический фильтр, предназначенный для очистки воздуха от фоновых аэронов, существующих в атмосфере. Таким образом обеспечена тождественность атмосферного давления, температуры и влажности воздушной среды в обоих детекторах.

Особенностью газоразрядного счетчика аэроинов, открытого на воздух, является отсутствие плато счетной характеристики, что в традиционных детекторах является недостатком. В заявляемом устройстве это обстоятельство используется для нахождения оптимального рабочего напряжения. Оптимум рабочего напряжения определяется как диапазон напряжений, в котором достигается максимальная разница между эффективностями регистрации плотных и разреженных сгустков ионов со следов альфа-частиц и электронов соответственно. В пределах оптимума рабочего напряжения скорость счета калибровочного детектора изменяется не более чем на 20%. Эта величина определяет степень достоверности обнаружения загрязнения альфа-нуклидами исследуемой поверхности.

Соответствующая оптимуму рабочего напряжения скорость счета аэроионов с выхода калибровочного детектора 6 зависит от активности калибровочного источника 5 и определяется в процессе настройки заявляемого устройства.

В предлагаемом устройстве использованы стандартные элементы современной техники.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Зарегистрированные импульсы аэроионов, возникших на следах частиц от калибровочного альфа-источника 5, с выхода калибровочного детектора 4 через калибровочный счетчик 6 поступают на первый вход компаратора 7. В результате сравнения скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора с заранее заданной величиной скорости счета компаратор 7 вырабатывает сигнал на проведение коррекции рабочего напряжения, который поступает на управляющий вход источника рабочего напряжения 8, подаваемого на измерительный и калибровочные детекторы 1 и 4. Коррекция напряжения осуществляется с точностью ± 3В. При достижении заданного значения скорости счета с выхода калибровочного детектора 4 коррекция прекращается. Таким образом достигается оптимальное рабочее напряжение на измерительном детекторе. Аэроионы, возникшие на следах альфа-частиц вблизи исследуемой поверхности 9, переносятся в рабочий объем измерительного детектора 1 с помощью блока 2 для переноса ионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору. Перенос ионов осуществляется с помощью воздушного потока или электрического поля, создаваемого измерительным детектором и исследуемой поверхностью. Импульсы от зарегистрированных ионов с выхода измерительного детектора 1 поступают на измерительный счетчик 3, выход которого является информационным выходом устройства.

Заявляемое устройство обладает новым качеством, отличающим его от прототипа [2] , - способностью дистанционно регистрировать источники альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих бета- и гамма-излучений благодаря обеспечению значительной разницы между эффективностями регистрации ионных сгустков со следов альфа-частиц и электронов.

Сравнение заявленного устройства с аналогом [1] позволяет предположить существенное сокращение времени обследования загрязненных территорий при проведении радиационной разведки, а также возможность обследовать поверхность сложного профиля.

Литература
1. СССР, А.С. N 707441 (заявка N 2487326), G 01 T 1/18 от 17.05.1977 г.

2. США, пат. N 5184019 от 2.02.1993 г., 250/380, H 01 J 47/02.

3. США, пат. N 5194737 от 16.03.1993 г., 250/382, G 01 T 1/18.

4. США, пат. N 5187370 от 16.02.1993 г., 250/379, G 01 T 1/185.

5. США, пат. N 5281824 от 25.01.1994 г., 250/380, H 01 J 47/02.

6. США, пат. N 5311025 от 10.05.1994 г., 250/384, G 01 V 5/00.

7. США, пат. N 5525804 от 16.06.1996 г., 250/374, G 01 T 1/02.

8. США, пат. N 5550381 от 27.08.1996 г., 250/380, G 01 T 1/18.

9. США, пат. N 5877502 от 02.03.1999 г., 250/382, G 01 T 1/185.

10. В.П.Мирошниченко, Б.У.Родионов, В.Ю.Чепель "Аэронная регистрация ионизирующих частиц" Письма в ЖТФ, том 15, вып.12, с. 53-54, июнь 1989 г.

Использование: для дистанционного поиска остатков ядерного топлива, например плутония, загрязняющих поверхности в результате аварий или в ходе производственных процессов. Сущность изобретения: детектор включает калибровочный и измерительный детекторы аэроионов, калибровочный альфа-источник, причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, выход - с управляющим входом источника рабочего напряжения, выход которого подключен к калибровочному детектору. Технический результат: обеспечение избирательности регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующих излучений иной природы. 2 ил.

Устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику питания и к измерительному счетчику импульсов соответственно, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит компаратор, калибровочный альфа-источник и калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному детектору, выполненному газоразрядным, причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, выход - с управляющим входом источника рабочего напряжения, выход которого подключен также к калибровочному детектору.