СПОСОБ ПОИСКА И ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/169 

Заявляемый способ относится к области радиационного контроля с использованием ионизационных счетчиков (пропорциональных или счетчиков Гейгера), или сцинтилляционных детекторов и предназначен для поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений (ИИ), утерянных или преднамеренно спрятанных (в случаях незаконного захоронения радиоактивных отходов и т.п.). Заявляемый способ может применяться в носимых портативных или движущихся (например, автомобильных, вертолетных) устройствах радиационного контроля.

Известны способы поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений, используемые в портативных устройствах оперативного радиационного контроля [1-3]. Такие устройства представляют собой, как правило, портативные радиометры-дозиметры, в которые введены 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, либо ионизационные счетчики гамма- и нейтронного излучения).

Так, в одной из сравнительно новых разработок - дозиметре поисковом типа ДРС-РМ1401 (СП "Полимастер", г. Минск) [1], построенном на базе сцинтилляционного счетчика с фотодиодом, используется простейший способ поиска и обнаружения, основанный на использовании постоянного (жестко устанавливаемого) порога обнаружения, зависящего от первоначально измеренного уровня фона, и сводящийся к следующей последовательности операций:

- перед началом контроля проверяемых объектов измеряют количество импульсов фонового излучения N_b, за время t_b=36 с;

- прибор переключают в режим оперативного контроля, т.е. измеряют количество импульсов излучения от контролируемого объекта N₀, в течение интервала контроля t_n, (в [1] t_n=2с); (величина N₀ пропорциональна средней скорости счета аддитивной смеси сигнала и фона n, полученной за время t_n нахождения объекта контроля в поле зрения детектора - N₀=n· t_n).

- вычисляют порог q=b· t_n+mσ ,

где σ =(N_b)^1/2 - среднеквадратическое отклонение (с.к.о.) величины N_b; m - число, равное количеству с.к.о. (обычно устанавливают m≥ 4); b=N_b/t_b, - средняя скорость счета фона.

- полученное N₀ сравнивают с порогом q; если N₀>q, то принимают решение об обнаружении искомого источника (включают световой или звуковой сигнал "тревоги"); в противном случае принимают решение об отсутствии источника ИИ. В этом случае никаких сигналов не генерируют и поиск продолжают.

Основным недостатком описанного способа поиска и обнаружения [1] является жесткость задаваемых порогов для обнаружения источника ИИ, что не позволяет получить низкие пороги обнаружения при одновременном обеспечении допустимой (задаваемой) вероятности ложных тревог, и тем более не позволяет работать в условиях нестационарного фона.

Способ обнаружения, используемый в дозиметре-радиометре типа ДРБП-03 (ВНИИФТРИ, г. Москва) [2], построен на применении еще более жесткого порога обнаружения, чем используемый в [1]; в нем даже количество среднеквадратических отклонений (с.к.о.) m не регулируется и всегда равно m=4. Это приводит к необоснованному завышению порогов обнаружения и к увеличению вероятности пропуска слабого источника ИИ при прочих равных условиях. Аналогичен способ поиска и 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 поиска и обнаружения слабых источников ИИ стремятся увеличить габариты (площадь чувствительной поверхности) детекторов и тем самым повысить эффективность регистрации. Именно в этом заключается основное отличие устройства [4] от [1-3]. Устройство [4] представляет собой высокочувствительную вертолетную поисковую систему, построенную на больших сцинтилляционных кристаллах NaI-Tl (диаметром 120 мм). Однако, в [4] не содержится описания использованного способа поиска и обнаружения.

Известны способы обнаружения источников ИИ [5], в которых используются некоторые основные положения и выводы из теории обнаружения [6-8]. Однако в [5] упомянутые положения используются недостаточно последовательно и точно, и потому также приводят к завышению порогов обнаружения.

В соответствии с теорией обнаружения [6-8], 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. Для практических целей удобнее использовать эквивалентное упомянутому отношению правдоподобия выражение для достаточной статистики [5], которое в нашем конкретном случае обнаружения слабых потоков ИИ принимает вид

где все обозначения совпадают с введенными выше (в разделе с описанием аналога -дозиметра ДРС-РМ 1401 [1]).

По физическому смыслу величина η представляет собой нормализованное значение средней скорости счета сигнала от обнаруживаемого источника а=n-b (иначе: величина η - это сигнал, представленный в таком виде, когда его дисперсия равна единице).

Полученное значение η сравнивают с порогом q₀, значение которого зависит от заданной оператором вероятности ложной тревоги Р_лт и определяется из таблиц нормального закона распределения.

В способе поиска и обнаружения, описанном в [5], применяется критерий Неймана-Пирсона (по утверждению авторов), однако порог обнаружения вычисляется не с помощью достаточной статистики (1), а в виде

где σ =(N_b)^1/2 - среднеквадратическое отклонение величины N_b, равной количеству импульсов, зарегистрированных за время измерения уровня фона t_b.

Очевидно, что описанный способ почти не отличается от [1], за исключением того, что значения t_b и t_n могут устанавливаться (регулироваться) в зависимости от требуемой точности и ограничений на время измерения. Причем определение порога по (2) приводит к существенному завышению минимального обнаруживаемого сигнала по сравнению с теорией, т.е. по сравнению с (1), поскольку количество с.к.о. m в (2) устанавливается на основе опыта работы или по интуиции (обычно m>4), а не на основе строго задаваемых параметров обнаружения и теории обнаружения.

В известном “Способе мониторирования перемещающихся объектов на предмет обнаружения делящихся ядерных материалов” [9] в основном используются соотношения в соответствии с теорией обнаружения [6-8], причем для формирования порога обнаружения, вычисляемого по заданной вероятности ложных тревог, применяются поправки на Пуассоновскую статистику, что особенно важно при малых скоростях счета. Однако и здесь не совсем строго применены подходы теории обнаружения; в частности, в формуле для порога обнаружения совершенно отсутствует составляющая дисперсии, обусловленная уровнем и режимом измерения фона.

Известен также способ обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений [10], который полностью и строго базируется на теории обнаружения [6-8] и сводится к следующей последовательности операций:

- перед началом контроля объектов определяют порог q₀ в соответствии с задаваемой оператором вероятностью ложных тревог 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 N₀ в течение интервала контроля t_n, задаваемого оператором; вычисляют среднюю скорость счета аддитивной смеси сигнала и фона n=N₀/t_n;

- определяют значение параметра η по (1);

- полученное значение параметра η сравнивают с порогом q₀. Если η >q₀, то принимают решение об обнаружении (включается световой или звуковой сигнал "тревоги"); в противном случае принимают решение о необнаружении (об отсутствии источника), которое фиксируют в отчете по процедуре проведения контроля.

Описанные выше способы [5, 9, 10] не пригодны для задач поиска; они могут использоваться именно и только для задач обнаружения источников ИИ на контролируемых объектах. Очевидно, что при контроле объектов на предмет обнаружения источников ИИ ключевым является то, что фон измеряют заранее; когда объект контроля точно отсутствует в зоне чувствительности детектора. И второй ключевой момент заключается в следующем: оператору всегда точно известно, присутствует ли проверяемый на предмет наличия ИИ объект в зоне контроля (для этого используются так называемые “датчики присутствия”, либо оператор сам непосредственно видит объект контроля и в нужный момент времени нажимает кнопки “старт” и “стоп”). Причем время контрольного замера излучения от объекта соответствует значению, равному времени нахождения объекта в зоне чувствительности детекторов. А для принятия решения о наличии либо отсутствии ИИ на объекте в способах типа [5, 9, 10] результат измерений излучения от объекта прямо или косвенно сравнивается с заранее измеренным уровнем фона.

При проведении поиска складывается существенно иная постановка задачи: в общем случае при поиске всегда не известно, присутствует или нет слабый источник ИИ в зоне чувствительности детектора. При проведении поиска требуется непрерывно, в течение длительного времени, достигающим 3-10 часов, при перемещении аппаратуры с детекторами измерять излучение, и из полученной реализации каким-то образом извлекать информацию для принятия решения о наличии либо отсутствии источника ИИ. В такой постановке задачи способы [5, 9, 10] в принципе не пригодны.

Кроме того, очень важно, что все описанные способы [1-5, 9, 10] не пригодны для применения к задачам поиска в условиях, когда фон является существенно нестационарным. Как показывают результаты практических исследований фона на длительных интервалах времени [11-13], уровень фона, измеряемый с интервалами усреднения порядка 100-300 с, может изменяться со скоростями порядка 10· с.к.о. за 20-30 мин., а за 2-3 часа (за время проведения поиска) “уходить” на 30% и более. Если для задач радиационного контроля объектов проблема адаптации к флуктуациям среднего уровня фона может решаться довольно просто (в пределе, в самых неблагоприятных условиях - путем измерения уровня фона перед контролем каждого нового объекта), то в задачах поиска проблему адаптации к изменениям фона решить непросто. Здесь неприемлем такой, например, прием: выходить из зоны поиска каждые 15-20 мин для уточнения уровня фона. Поэтому чаще прибегают к единственно возможной в указанных условиях мере - к способу завышения (загрубления) порогов обнаружения.

Известны способы для поиска и обнаружения радиоактивных объектов, используемые в устройствах типа [14] и относящиеся к области радиационного мониторинга. Эти способы могут быть использованы для поиска и обнаружения радиоактивных объектов на местности и пространственного распределения радиоактивных источников при ядерно-физическом каротаже скважин. Однако указанные способы и соответствующие им устройства [14] близки к заявляемому только по названию; по сути они обязательно предполагают применение множества стационарных постов со сложными устройствами радиационного контроля, снабженными коллиматорами. Обзорное описание указанной группы способов и устройств, предназначенных для непрерывного радиационного мониторинга местности вокруг АЭС и для оперативного мониторинга в случае аварии, приведено в [13].

Известна также большая группа устройств, предназначенных для обнаружения источников ИИ и делящихся материалов. Например, системы “Янтарь-1 А” [15] для контроля проезжающих автомобилей, (и другие аналогичные системы, описанные на сайте научно-производственного центра “НПЦ Аспект”), в которых используется способ обнаружения по [9], проанализированный выше. Однако все эти устройства (в том числе и устройства [13, 14]) являются стационарными; для поиска же, как отмечалось выше, в принципе требуется передвижная (или носимая) аппаратура.

Наиболее близким к заявляемому является способ поиска и обнаружения, используемый в переносных приборах МКС-А02 (производство НПЦ "Аспект", г. Дубна) [16], который сводится к следующей последовательности операций:

- перед началом контроля территории или помещения измеряют количество импульсов фонового излучения N_b, причем время измерения фона t_b, жестко задают равным 20 с;

- по истечении 20 с прибор автоматически переходит в режим “Поиск”, т.е. измеряют количество импульсов излучения N₀, поступающих от зоны контроля, в которой проводится поиск, в течение интервалов контроля t_e, жестко задаваемых равными 1 с;

- в случае, если N₀ превысит порог обнаружения, равный 4σ , формируют звуковой сигнал “Источник обнаружен”.

Недостаток описанного способа-прототипа, так же, как и аналогов, сводится к тому, что в приборе жестко задаются параметры поиска (времена измерения фона и сигнала и порог обнаружения), которые не адаптированы к параметрам перемещения детектора (к скорости и к предполагаемому расстоянию от детектора до искомого источника) и к параметрам фона. Очевидно, это приводит к тому, что порог обнаружения оказывается сильно завышенным по сравнению с теоретическим (т.е. преднамеренно порог “загрублен”). При этом, безусловно, достигается низкая вероятность ложных тревог Р_лт<10^-4, но за счет существенного увеличения вероятности пропуска слабых сигналов (т.е. снижения вероятности обнаружения). Кроме того, в описанном способе поиска и обнаружения отсутствует “адаптация к уровню нестационарного фона”, о которой говорилось выше; это также приводит к существенному увеличению ошибок обнаружения в случаях, когда средний уровень фона нестабилен.

Предлагаемым изобретением решается задача снижения минимального обнаруживаемого при поиске сигнала до уровня, близкого к теоретическому пределу, и одновременно обеспечения возможности проводить поиск в условиях существенно нестационарного фона.

Для решения названной задачи в заявляемом способе поиска и обнаружения источников ИИ выполняется следующая последовательность операций.

1) Сразу по прибытии в зону поиска аппаратуры с детекторами начинают измерять среднюю скорость счета аддитивной смеси сигнала и фона n(t). Причем значения n(t) измеряют на участках времени экспозиции (интервалах времени) t_эксп, длительность каждого из которых одинакова и составляет предпочтительно (8-15)· t_e, где t_e представляет собой так называемую эффективную длительность сигнала. Величина t_e заранее известна и определяется скоростью движения аппаратуры с детекторами и расстоянием между детектором и ожидаемой точкой размещения искомого источника ИИ.

2) По окончании интервала №1 длительностью t_эксп1 из значений вектора n₁(t), измеренного на интервале №1, определяют величины средней скорости счета фона b, амплитуды сигнала а_m и положения максимума сигнала на шкале времени t_m.

3) Вычисляют значение параметра η

4) Полученное значение параметра η сравнивают с порогом обнаружения q₀, определяемым по заданной вероятности ложных тревог. Если η >q₀, то принимают решение об обнаружении (о положительном результате поиска на интервале №1); в противном случае принимают решение об отсутствии сигнала.

5) Параллельно с процедурой обработки реализации n₁(t) продолжают дальнейшие измерения значений n(t).

6) По окончании интервала №2 вектор n₂(t) подвергают обработке, точно такой же, как описано в пп.2-4.

7) Далее последовательно повторяют действия по п.п.1-5 для интервалов №№3, 4, 5 и т.д. вплоть до завершения поиска на заданной территории.

В описываемом способе поиска и обнаружения использовано предположение о том, что на каждом интервале t_эксп и на соответствующей длине отрезка контролируемой зоны поиска может находиться только один точечный источник ИИ.

Эффективная длительность сигнала определяется из соотношения t_e=k_t ·_{r0/ν 0, где r0 - кратчайшее расстояние между детектором и ожидаемой точкой размещения искомого источника ИИ (для вертолетного комплекса радиационного контроля r0 равен средней высоте облета); ν 0 - средняя скорость движения аппаратуры с детекторами; kt - коэффициент, значение которого определяется конструкцией детектора (для плоского детектора kt=0; для всенаправленного детектора kt=2,79).}

При обработке вектора n(t) целесообразно обеспечить такой режим, чтобы каждый последующий (i+1)-й интервал длительностью t_эксп накладывался на предыдущий i-й интервал на величину 2t_e. Таковое перекрытие необходимо для случаев, когда сигнал расположен на краю интервала.

Величина t_эксп определяет фактическое значение времени измерения фона на каждом интервале t_b используемое в формуле (3) для достаточной статистики η .

Приведенное выше соотношение t_эксп=(8-15)· t_e близко к оптимуму, т.к. с одной стороны, соблюдено правило t_b=(t_эксп-2t_е)>>t_e, благодаря которому дисперсия величины (в формуле (3) близка к минимальному значению (при заданных r₀ и v₀); с другой стороны, интервал t_эксп должен быть по возможности не очень большим, т.к. он определяет время задержки между моментом пролета над предполагаемым источником (в случае вертолетного комплекса радиационного контроля) и моментом получения оператором информации об обнаружении источника.

Таким образом, предлагаемый способ обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с прототипом и аналогами, главные из которых таковы:

- возможность проведения поиска источников ИИ в условиях существенно нестационарного фона;

- возможность достижения наибольшей вероятности обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги, т.е. возможность достижения низких порогов обнаружения, близких к теоретически предельным [6-8] для заданных параметров обнаружения. (Подчеркнем, что формула (3) для предлагаемого способа поиска и обнаружения полностью эквивалентна исходной формуле (1), выведенной из теории, с учетом соотношений, приведенных в примечании).

Источники информации

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

5. Кириллов В.М., Супрунов В.И. Обнаружение движущихся источников ионизирующих излучений //Измерительная техника, 1994. №8, с.63.

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

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

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

9. Способ мониторирования перемещающихся объектов на предмет обнаружения делящихся ядерных материалов. /Горев А.В., Зайцев Е.И., Иванов А.И. Патент №02150127 от 27.05.2000.

10. Способ обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений. /Викторов Л.В., Кружалов А.В., Шеин А.С., Шульгин Б.В., Шульгин Д.Б. Патент РФ №2140660 от 27.10.1999.

11. Статистические характеристики флуктуации гамма- и нейтронного фона. /В.С.Андреев, Л.В.Викторов, В.Л.Петров, А.С.Шеин. VI Международное совещание “Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии”. Тезисы докладов. М.:2002. с.32.

12. Викторов Л.В., Могильникова Ю.А. Вариации нейтронного поля Земли. /В сб.: Проблемы спектроскопии и спектрометрии. - Екатеринбург: УГТУ, 2000, С.95-104.

13. Хазанов Д.Б. Построение систем оценки радиационной обстановки в районе расположения АЭС. (Обзор). //Ядерное приборостроение. (Вопросы атомной науки и техники), вып.2, 1985, с.3.

14. Устройство для поиска и обнаружения радиоактивных объектов. /Исаков С.В. и др. Патент РФ №0216909 от 12.20.2000.

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

16. МКС-А02. Руководство по эксплуатации. ДКЦИ. 411168.002 РЭ. - г. Дубна Московской обл.: НПЦ Аспект, 2000 г., 19 с.

Использование: для радиационного контроля. Сущность: способ заключается в непрерывном измерении средней скорости счета аддитивной смеси сигнала и фона n(t) в процессе движения детектирующей системы по обследуемой территории, обработки полученной измерительной информации и принятии решения о результате обнаружения, при этом среднюю скорость счета аддитивной смеси сигнала и фона n(t) измеряют на участках времени экспозиции t_эксп, длительность каждого из которых одинакова и составляет предпочтительно (8-15)·t_e, определяют значения средней скорости счета фона b, амплитуду предполагаемого сигнала a_m и положение сигнала на шкале времени t_m, после чего определяют величину параметра η, сравнивают η с порогом q₀, определяемым по заданной вероятности ложных тревог, причем решение об обнаружении искомого объекта принимают в случае, если η>q₀. Технический результат - повышение чувствительности обнаружения излучения.

Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений с использованием перемещаемых по территории (зоне) поиска ионизационных счетчиков или сцинтилляционных детекторов, заключающийся в непрерывном измерении средней скорости счета аддитивной смеси сигнала и фона n(t) в процессе движения детектирующей системы по обследуемой территории, обработки полученной измерительной информации и принятии решения о результате обнаружения, отличающийся тем, что среднюю скорость счета аддитивной смеси сигнала и фона n(t) измеряют на участках времени экспозиции t_эксп, длительность каждого из которых одинакова и составляет предпочтительно (8-15)·t_e, определяют значения средней скорости счета фона b, амплитуду предполагаемого сигнала а_m и положение сигнала на шкале времени t_m, после чего определяют величину параметра η по формуле

где t_e - заранее известная длительность сигнала,

сравнивают η с порогом q₀, определяемым по заданной вероятности ложных тревог, причем решение об обнаружении искомого объекта принимают в случае, если η>q₀.