СПОСОБ ЛАЗЕРНОГО ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ ПОТОКОВ НА РАДИАЦИОННО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТАХ Российский патент 2002 года по МПК G01T1/167 G01T3/00 

Изобретение относится к области оптических методов измерения физико-химических характеристик контролируемых сред и может быть использовано для разработки дистанционных средств обнаружения нейтронных потоков на радиационно опасных объектах.

Появление в последнее десятилетие мощных источников ионизирующего излучения и внедрение их практически во все сферы человеческой деятельности, в особенности в энергетику, создали потенциальную угрозу здоровью человека и предпосылки для загрязнения биосферы радиоактивными веществами.

Быстрые темпы развития ядерной энергетики, применение и использование радиоактивных источников в различных областях науки и техники неразрывно связаны с проблемой совершенствования радиационной безопасности.

В настоящее время известно несколько способов дистанционного обнаружения радиоактивных источников, в частности способ обнаружения прямого гамма-излучения радиоактивных продуктов с помощью гамма-телескопов. Недостатком этого способа является невозможность точного определения местоположения радиоактивных источников вследствие сильного рассеяния гамма-квантов в атмосфере (см. Н.Г.Гусев и др. Защита от ионизирующих излучений. Том 1. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.).

Известен способ дистанционного обнаружения полей ионизирующих излучений с помощью лазерного зондирования по продуктам радиолиза воздуха, аналогичный способ обнаружения загрязнения атмосферы вдоль трассы зондирования.

За прототип изобретения может быть принят способ дистанционного обнаружения радиоактивных загрязнений, в котором в качестве метки используются окислы азота и озон, образующееся под воздействием ионизирующих излучений. Однако использование этих соединений в качестве метки имеет существенные недостатки. На сильные линии поглощения NO и NO₂ с λ_max =5,31 мкм и λ_max=6,32 мкм соответственно накладываются линии поглощения паров H₂O, CO₂, NO₂. Особенно сильно мешающее влияние водных паров. Оптико-акустический спектр поглощения NO, NO₂, H₂O (см. Clasry P.С., Yoh-Han Рао, Appl. Opt., v. 15, 6, 1976, р. 1506-1509) на линии генерации СО-лазера в диапазоне 5,8-6,3 мкм показывает, что коэффициенты поглощения H₂O в этой области на 4-5 порядков превышают коэффициенты поглощения NO и NO₂.

Кроме того, окислы азота могут образоваться в атмосфере под действием не радиационных процессов (горение, промышленные выбросы).

Использование для обнаружения полей ионизирующих излучений в качестве метки озона представляется нецелесообразным ввиду его высокой реакционной способности (см. Атмосферный озон. Под ред. Кргиана А.Х. и Еланского Н.Ф. - М: Наука, 1983 г.).

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности и специфичности обнаружения полей ионизирующих излучений на основе лазерного зондирования объема воздушной среды, подвергшегося воздействию нейтронного потока.

Поставленная задача достигается тем, что, во-первых, обнаружение радиационных полей проводится на основе использования в качестве метки радиоактивной ¹⁴CO₂, образующейся при захвате нейтронов ядрами молекул азота. Другим оптическим признаком предлагаемого способа является то, что в качестве источника зондирующего излучения используют лазер на изотопе ¹⁴CO₂.

Известно, что изотоп углерода ¹⁴С образуется (в 90-95%, в виде ¹⁴CO₂) в результате реакции захвата тепловых нейтронов молекулами азота воздуха ¹⁴N(n, p)¹⁴С (см. Пшежецкий С.Я., Дмитриев М.Т. Радиационные физико-химические процессы в воздушной среде. - М: Атомиздат, 1978 г.). Вероятность захвата нейтронов другими ядрами атмосферы мала. Углерод ¹⁴С образует углекислый газ с кислородом атмосферы. Поперечное сечение захвата нейтронов ядрами азота примерно равно 1,7 барна.

Содержание ¹⁴CO₂ в атмосфере постоянное и приблизительно равно 2•10^-10% вес. (см. Атомная энергия. Краткая энциклопедия. БСЭ, 1958 г.). Современная оптическая аппаратура позволяет измерять изменение оптической плотности до 2% или согласно закону Бугера-Ламберта-Бора изменение концентрации до 2% (см. Ландсберг Г.С. Оптика. - М: Наука, 1976 г.).

Поскольку концентрация [¹⁴CO₂] в зависимости от потока нейтронов F определяется по формуле
[¹⁴CO₂]=0,382•10^-21F (вес. %),
то отсюда можно определить минимальный поток нейтронов, определяемый с помощью заявляемого способа:
F_min≈1•10¹⁰ нейтр/см².

При прохождении нейтронного потока через закрытый объем воздуха будет происходить накопление радиоактивного изотопа ¹⁴CO₂.

Изотоп ¹⁴CO₂ относится к долгоживущим изотопам (T_1/2=5568 лет) и в отличие от окислов азота и озона время его жизни в атмосфере из-за малой реакционной способности велико. В связи с этим радиоактивная ¹⁴CO₂ может быть использована в качестве метки для обнаружения и контроля нейтронных потоков.

В настоящее время во всем мире налажен выпуск надежных и простых в обращении СО₂-лазеров. Поэтому нет принципиально технических сложностей в замене активной среды лазера СО₂ на изотоп ¹⁴CO₂.

В таблице приведены колебательно-вращательные постоянные молекулы CO₂ и ее изотопа ¹⁴CO₂ (cм. J.C.Syndoroky. J. Appl. Phus., 1968, т. 39, 4854-4855).

Из данных, приведенных в таблице, видно, что частоты линий одного перехода 00^o1-10^o0 для изотопов ¹²CO₂ и ¹⁴CO₂ имеют постоянный сдвиг - так называемый "изотопный сдвиг". Этот изотопный сдвиг в колебательно-вращательном спектре молекулы ¹⁴CO₂ относительно ¹²CO₂ позволяет проводить регистрацию резонансного поглощения излучения лазера на изотопе ¹⁴CO₂ (см. Betz A.L. and al Astrophys. J., v. 208, 3, p. 2, 1976, 141-1440).

Таким образом, заявленный способ имеет существенные преимущества перед известными по чувствительности, позволяя значительно повысить специфичность обнаружения нейтронных потоков за счет дистанционности обнаружения ¹⁴CO₂ и использования лазера на изотопе ¹⁴CO₂.

Заявленный способ может быть реализован в системе повышения радиационной безопасности и экологического мониторинга радиационно опасных объектов.

Использование: для разработки дистанционных средств обнаружения нейтронных потоков. Способ обнаружения нейтронных потоков основан на зондировании объема воздушной среды (или газовой кюветы), подвергшегося воздействию нейтронного потока, лазерным излучением и регистрации его поглощения продуктами радиационных процессов. В качестве поглощающего продукта используют изотоп двуокиси углерода ¹⁴СО₂, образующийся при захвате нейтронов ядрами молекул азота с последующим окислением кислородом воздуха. В качестве источника зондирующего излучения используют лазер на изотопе ¹⁴СО₂. Технический результат: повышение чувствительности обнаружения полей ионизирующих излучений. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ обнаружения нейтронных потоков, основанный на зондировании объема воздушной среды, подвергшегося воздействию нейтронного потока, лазерным излучением и регистрации его поглощения продуктами радиационных процессов, отличающийся тем, что в качестве поглощающего продукта используют изотоп двуокиси углерода ¹⁴СО₂, образующийся при захвате нейтронов ядрами молекул азота. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника зондирующего излучения используют лазер на изотопе ¹⁴СО₂.