СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к способам измерения радиоактивности объектов, а именно к способам дистанционного обнаружения радиационных выбросов в атмосферу, и может быть использовано для мониторинга состояния приземного слоя атмосферы над различными радиоактивными объектами, например АЭС, складами ядерного топлива и радиоактивных отходов, транспортными средствами с ядерными реакторами.

В сфере мониторинга окружающей среды известны различные способы дистанционного обнаружения источников ионизирующего излучения.

Известен способ дистанционного обнаружения источников α-излучения в окружающей среде, при котором используют газ, содержащий азот, который заполняет окружающую среду, осуществляя преобразование α-частиц в фотонное излучение. Изображение фотонного излучения формируется на фоточувствительную поверхность (заявки РФ на изобретения. БИПМ №23, 20.08.2000, 98119722, 7 G 01 Т 7/00).

Недостатком известного способа является применение газа, содержащего азот, что делает невозможным проведение глобального мониторинга. Кроме того, данный способ позволяет выявить только альфа-излучение и не дает представление о совокупном радиационном фоне.

Известен также способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений (патенты РФ на изобретения. БИМП №9, 27.03.2000, 2147137, 99108898/28, 7 G 01 S 13/2, G 01 Т 1/167). Суть способа заключается в том, что посредством радиолокации воздушной среды над зоной контроля и измерения коэффициента отражения радиосигналов от сопутствующей радиации области плазмообразования - плазмоидов, зондируют радиоизлучением в заданном диапазоне длин волн (метровом), измеряют параметры воздушной среды: относительную влажность D, температуру Т, давление Р и вертикальную скорость воздушного потока над зоной контроля U_в, а также либо предварительно устанавливают нуклидный состав А_i радиационного объекта, либо измеряют спектральный состав его гамма-излучения Е_i и о радиационной обстановке судят по плотности поверхностной активности g_o, определяемой из соотношения

,

а для объектов радиоактивных выбросов - по мощности выброса Р_в, определяемой из соотношения

,

где |R| - коэффициент отражения;

Кγ - гамма-постоянная, являющаяся функцией энергетического спектра Е_i или нуклидного состава А_i радиоактивного объекта;

ω=2πс/λ_о, где λ_o, с - длина волны падающего радиоизлучения;

с - скорость света в вакууме соответственно;

е - заряд электрона;

М - масса иона;

G - радиационный выход ионов;

К_r - коэффициент рекомбинации ионов;

N_к - концентрация нейтральных капель воды;

К_с - коэффициент захвата ионов нейтральными каплями воды;

Р_в - мощность выброса;

η_i - квантовый выход i-й составляющей энергетического спектра Е_i;

q_ed=q_ed(x,y,z) - пространственное распределение активности в выбросе.

Недостатком этого способа является то, что при расчетах используется большое количество параметров и, как следствие, существует большая вероятность ошибки, что в свою очередь делает способ сложным и трудоемким. Другой недостаток способа заключается в том, что для контроля за радиационной обстановкой необходимо располагать информацией о местонахождении зон с объектами радиационных выбросов и загрязнений, что существенно снижает мобильность метода.

Наиболее близким, принятым за прототип, является абсорбционный способ заселения уровней ионизированного газа (Фриш С.Э. Спектроскопия газоразрядной плазмы. - Л., Наука, 1970. - 640 с.). Сущность способа состоит в следующем: через исследуемый ионизированный газ (плазму) пропускают электромагнитное излучение, например излучение лазера, а затем с помощью спектрального прибора измеряют линии поглощения, которые соответствуют отдельным атомам или молекулам вещества, то есть по характеру поглощения определяют состав исследуемого газа.

Данный способ имеет иную область применения, чем предлагаемое изобретение, и, следовательно, речь о его недостатках не ведется.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного способа обнаружения источников ионизирующего излучения, в условиях радиопомех, параметры которых соответствуют характеристикам излучения, возникающих при воздействии источников ионизирующего излучения на влажный воздух.

В предложенном способе для дистанционного обнаружения радиационного загрязнения атмосферы предполагается регистрация вторичного излучения, которое образуется вследствие взаимодействия радиоактивных элементов с атмосферными газами. Излучение первого типа является коротковолновым и принадлежит к оптическому или рентгеновскому диапазонам длин волн. Что касается вторичного излучения, то оно может возникать как в оптическом, так и в СВЧ-диапазоне длин волн. Поскольку надежность приема излучения в СВЧ-диапазоне значительно выше, чем в оптическом диапазоне длин волн, то при разработке настоящего способа дистанционного обнаружения радиационных выбросов это обстоятельство было учтено. Поэтому среди большого числа атмосферных газов в качестве индикатора загрязнения наиболее подходящими были приняты продукты радиолиза воды - атомарный водород и гидроксил ОН. Атомарный водород и гидроксил ОН принадлежат к числу компонент, активных в СВЧ-диапазоне. Образование свободных атомов водорода сопровождается генерацией излучения на частоте 1420 МГц (длина волны ~ 21,1 см) (Lillija К. Chistyakova et al. Microwave radiation of atomic hydrogen in plumes of radioactive emissions from nuclear reprocessing plants//Microwave and optical technology litters. - 1997. - Vol.l6, №4. - Р.255-260), которое обусловлено сверхтонким расщеплением основного уровня энергии на два близлежащих подуровня. Причиной расщепления является взаимодействие спинов ядра и электрона. В результате слабых соударений атомов в воздухе происходит смена ориентации спина электрона в атоме водорода на противоположную (с параллельной на антипараллельную, более выгодную в энергетическом отношении). Спонтанное изменение ориентации спина сопровождается возникновением излучения с частотой 1420 МГц (вариант 1).

Кроме частоты 1420 МГц осуществить регистрацию СВЧ-излучения можно на частотах 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц (вариант 2). Эти частоты соответствуют уже сверхтонким переходам в молекуле радикала ОН, который присутствует подобно водороду в реакциях разложения воды.

Подробный анализ частот, излучаемых атомарным водородом и гидроксилом ОН в СВЧ-диапазоне длин волн, приведен в работе заявителя (Протасевич Е.Т. Метод определения радиационного загрязнения окружающей среды по свечению воздуха//Оптика атмосферы и океана. - 1994. - Т.7, №5. - С.697-700).

На практике изобретение реализуется следующим образом.

Вариант 1

На летательный аппарат (самолет, вертолет) размещается источник высокочастотного излучения (клистронный или магнетронный генератор, работающий на частоте 1420 МГц). В частности такие генераторы созданы и используются в НИИ ЯФ ТПУ для воздействия на облака (The use of electromagnitic radiation to change the weather//The Journal of meteorology. - 2001. - Vol.26, №256. - Р.55). Генератор имеет вес около 1 т, объем 2 м³ и питается от бортового электрогенератора летательного аппарата, выходная мощность от единиц до сотен кВт. Излучение фокусируется с помощью параболической антенны, ширина луча которой равняется отношению d/λ, где d - поперечный размер антенны, а λ - длина волны. Для реализации метода достаточно антенны диаметром 2 м, но для снижения парусности системы необходимо использовать параболическую антенну с фазированной решеткой.

Прием отраженного сигнала осуществляется как в обычной радиолокационной станции (РЛС), то есть через ту же самую параболическую антенну, которая в данном случае является приемно-передающей, и усилителя мощности, подключенного к монитору кругового обзора. В натурных условиях с летательного аппарата (с высоты 200-300 м - для вертолета, 3000-9000 м - для самолета) осуществляется сканирование местности на частоте излучения атомарного водорода - 1420 МГц, когда относительная влажность приземного слоя воздуха превышает 60%. При этом ширина линии излучения (поглощения), на которой осуществляется сканирование, составляет не более 150 кГц. (Ширина линии поглощения 150 кГц выбрана согласно экспериментальным данным (Lillija К. Chistyakova et al. Microwave radiation of atomic hydrogen in plumes of radioactive emissions from nuclear reprocessing plants//Microwave and optical technology litters. - 1997. - Vol.16, №4. - Р.255-260) по уширению спектральной линии водорода, возникающей за счет эффекта Доплера при разлете атомов, образующихся при радиолизе воды).

При выполнении указанных условий, атомы водорода поглощают кванты зондирующего электромагнитного излучения и сигнал, отраженный от ионизованного слоя атмосферы над объектом, например, ядерной энергетики, будет отсутствовать. Тогда на экране индикатора кругового обзора РЛС в местах расположения источников ионизирующего излучения появятся неподвижные темные пятна.

Вариант 2

На летательный аппарат (самолет, вертолет) размещается источник высокочастотного излучения (клистротный или магнетронный генератор, работающий на частотах 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц).

В частности такие генераторы созданы и используются в НИИ ЯФ ТПУ для воздействия на облака (The use of electromagnitic radiation to change the weather//The Journal of meteorology. - 2001. - Vol.26, №256. - Р.55). Генератор имеет вес около 1 т, объем 2 м³ и питается от бортового электрогенератора летательного аппарата, выходная мощность от единиц до сотен кВт. Излучение фокусируется с помощью параболической антенны, ширина луча которой равняется отношению d/λ, где d - поперечный размер антенны, а λ - длина волны. Для реализации метода достаточно параболической антенны диаметром 2 м, но для снижения парусности системы необходимо использовать антенну с фазированной решеткой.

Прием отраженного сигнала осуществляется как в обычной радиолокационной станции (РЛС), то есть через ту же самую параболическую антенну, которая в данном случае является приемно-передающей, и усилителя мощности, подключенного к монитору кругового обзора. В натурных условиях с летательного аппарата (с высоты 200-300 м - для вертолета, 3000-9000 м - для самолета) осуществляется сканирование местности на частотах излучения гидроксила ОН: 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц, когда относительная влажность приземного слоя воздуха превышает 60%. При этом ширина линии излучения (поглощения), на которой осуществляется сканирование, составляет не более 900 кГц (Ветер А.П., Госачинский И.Р., Желенков С.В. Гигамазер ОН в источниках РНЧ 909//Астрономический журнал. - 1992. - №6. - С.1313-1314).

При выполнении указанных условий, молекулы гидроксила ОН поглощают кванты зондирующего электромагнитного излучения и сигнал, отраженный от ионизованного слоя атмосферы над объектом, например, ядерной энергетики, будет отсутствовать. Тогда на экране индикатора кругового обзора РЛС в местах расположения источников ионизирующего излучения появятся неподвижные темные пятна.

Изобретение относится к способам измерения радиоактивности объектов, а именно к способам дистанционного обнаружения радиационных выбросов в атмосферу, и может быть использовано для мониторинга состояния приземного слоя атмосферы над различными радиоактивными объектами, например АЭС, складами ядерного топлива и радиоактивных отходов, транспортными средствами с ядерными реакторами. Техническим результатом является разработка эффективного способа обнаружения источников ионизирующего излучения в условиях радиопомех, параметры которых соответствуют характеристикам излучения, возникающих при воздействии источников ионизирующего излучения на влажный воздух. Способы обнаружения источника ионизирующего излучения заключаются в радиолокации приземного слоя атмосферы, причем локацию осуществляют электромагнитными сигналами на частотах генерации излучений образующихся свободных атомов водорода и образующихся молекул гидроксила ОН, при относительной влажности приземного слоя воздуха не менее 60%, при этом ширина линии излучения для атомарного водорода составляет не более 150 кГц, а для гидроксила ОН составляет не более 900 кГц, а регистрацию наличия источника ионизирующего излучения осуществляют по величине поглощения сигнала. 2 с.п. ф-лы.

1. Способ обнаружения источника ионизирующего излучения, заключающийся в радиолокации приземного слоя атмосферы, отличающийся тем, что локацию осуществляют электромагнитным сигналом на частоте генерации излучения образующихся свободных атомов водорода - 1420 МГц, при относительной влажности приземного слоя воздуха не менее 60%, при этом ширина линии излучения для атомарного водорода составляет не более 150 кГц, а регистрацию наличия источника ионизирующего излучения осуществляют по величине поглощения сигнала.2. Способ обнаружения источника ионизирующего излучения, заключающийся в радиолокации приземного слоя атмосферы, отличающийся тем, что локацию осуществляют электромагнитными сигналами на частотах генерации излучений образующихся молекул гидрооксила ОН: 1612, 1665, 1667 и 1721 МГц, при относительной влажности приземного слоя воздуха не менее 60%, при этом ширина линии излучения гидрооксила ОН составляет не более 900 кГц, а регистрацию наличия источника ионизирующего излучения осуществляют по величине поглощения сигнала.