МОНИТОР РАДИОАКТИВНОСТИ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2005 года по МПК G01T1/178 

Область техники

Настоящее изобретение относится к монитору для контроля радиоактивности окружающей среды, в частности к атмосферному монитору, предназначенному для контролирования присутствия радиоактивных материалов в воздухе, и к способу анализа сигналов в таком мониторе.

Предшествующий уровень техники

Известные на сегодняшний день атмосферные мониторы состоят из насоса для прокачки струи воздуха через фильтр и средства для обнаружения излучения частиц, захваченных фильтром. Недостатком всех таких устройств является необходимость отделять излучение естественных фоновых источников, в частности, α-частиц, испускаемых дочерними радионуклидами радона и торона. Основные фоновые источники α-излучения:

Ро-218 (RaA) при 6,0 МэВ

Po-214 (RaC') при 7,68 МэВ

Bi-212 (ThC) при 6,05 МэВ

Po-212 (ThC') при 8,78 МэВ

Два дочерних радионуклида торона, ThC и TcC', всегда находятся в равновесии друг с другом. Ясно, что излучения RaA и ThC перекрывают друг друга в энергетическом спектре.

Основными представляющими интерес радионуклидами обычно являются изотопы урана, плутония или америция, которые испускают α-лучи, имеющие энергию до 5,5 МэВ. Например:

U-234 (4,75 МэВ)

U-235 (4,15-4,6 МэВ)

U-238 (4,2 МэВ)

Pu-238 (5,5 МэВ)

Pu-239 (5,15 МэВ)

Pu-240 (5,2 МэВ)

Am-241 (5,5 МэВ).

В любом из этих случаев α-излучение имеет меньшую энергию, чем α-излучение, испускаемое фоновыми нуклидами. α-излучение любого такого радиоизотопа испускается с хорошо определенной энергией, однако энергия, которую принимает и измеряет детектор, зависит от пути, который прошла α-частица, поэтому пики энергетического спектра, обусловленного α-излучением, являются асимметричными и имеют постепенный, приблизительно экспоненциальный спад на низкоэнергетической стороне каждого пика, который можно назвать "низкоэнергетическим хвостом".

Обычно фон, обусловленный α-активностью дочерних радионуклидов радона и торона, накопленный фильтром, намного превосходит α-активность, представляющую интерес. Например, α-фон часто превышает граничный допустимый уровень плутония в несколько сотен раз. Один из возможных способов их разделения заключается в том, чтобы измерить скорость счета в той части спектра, в которой ожидается только фоновое излучение, например в энергетическом окне между, например, 5,6 МэВ и 6,3 МэВ α-энергии, а затем предположить, что фоновое излучение в другой части спектра (в которой будет определяться излучение представляющих интерес нуклидов) можно просто соотнести с фоновым излучением в первой части спектра. Этот подход можно усовершенствовать, чтобы обеспечить несколько лучшую дискриминацию, путем разделения спектра, например, на четыре окна, которые включают в себя разные части представляющей интерес α-активности, и три составляющих фона, например, 3-5,6 МэВ (сигнал плюс все фоновые нуклиды), 5,6-6,3 МэВ (все фоновые нуклиды), 6,3-8,0 МэВ (RaC', ThC+ThC') и 8,0-10 МэВ (только ThC'). Такой подход может быть достаточно эффективным, однако его точность могут снизить изменения формы и положения пиков в спектре; эти изменения могут, например, возникать в результате изменений размера аэрозолей, степени запыленности фильтра, характеристик фильтровального волокна, плотности воздуха и дрейфа коэффициента усиления усилителя. В основу настоящего изобретения положена задача учета таких изменений формы спектра.

Согласно настоящему изобретению предложен монитор радиоактивности окружающей среды, содержащий детектор излучения для обнаружения излучения, испускаемого образцом, который может содержать радиоактивный материал из окружающей среды, причем монитор содержит средство для анализа сигналов из детектора излучения в множестве энергетических каналов, средство для использования счетов импульсов по меньшей мере в двух энергетических окнах для определения формы низкоэнергетического хвоста пика ThC', средство для использования формы пика ThC' для прогнозирования пика RaC и средство для коррекции энергетического спектра путем удаления низкоэнергетического хвоста пика ThC' и низкоэнергетического хвоста пика ThC, средство для определения счетов импульсов по меньшей мере в двух энергетических окнах для определения формы низкоэнергетического хвоста пика RaC' и средство для коррекции энергетического спектра путем удаления низкоэнергетического хвоста пика RaC'.

Монитор, обладающий этими существенными признаками, может быть использован для обнаружения радиоактивного материала в образце в присутствии источников фонового излучения, поскольку отсутствует значительный пик, обусловленный RaA. Такой подход не может быть использован в случае мониторов, выполняющих наблюдения в реальном времени, однако может использоваться для образцов, выделенных из среды на несколько минут, поскольку сам RaA имеет период полураспада около 3 минут и вырабатывается радоном (Rn-222), который является газом. В тех ситуациях, когда может присутствовать пик от RaA, предложенный атмосферный монитор, используемый в качестве монитора для измерений в реальном времени, содержит также средство для использования формы пика RaC' для прогнозирования пика RaA и средство для коррекции энергетического спектра путем удаления пика RaA.

Сигналы предпочтительно анализируются с помощью многоканального анализатора, обычно имеющего 256 каналов. Эти каналы могут охватывать диапазон энергий от 0 до 10 МэВ. Нижний хвост этого диапазона, вероятно, обусловлен в основном β-излучением, а сигналы с энергией выше, например, 2,5 МэВ могут быть обусловлены α-частицами. При определении форм низкоэнергетических хвостов энергетические окна обычно объединяют счета импульсов из нескольких смежных каналов. Это позволяет увеличить счета импульсов, анализируемые для определения формы, сократив тем самым время отклика. Представляется понятным, что основным требованием, предъявляемым к монитору радиоактивности окружающей среды, является выполнение точных и надежных измерений в течение короткого времени отклика. Настоящее изобретение позволяет индивидуально удалять каждый отдельный компонент фонового α-излучения, что позволяет получить точные результаты даже в случаях изменения спектральных форм и положений пиков, а также относительных активностей фоновых α-излучающих нуклидов.

Монитор может также содержать средство для определения положений пика и верхнего края каждой компоненты фонового α-спектра, чтобы при необходимости можно было учесть любые изменения в этих положениях. Монитор предпочтительно также содержит средство для идентификации сигналов, соответствующих β-частицам.

В предпочтительном варианте выполнения в качестве образца используется фильтр, через который пропускают воздух. Например, монитором радиоактивности окружающей среды может быть атмосферный монитор, т.е. он может содержать фильтр и средство, обеспечивающее прохождение воздуха через фильтр, при этом детектор излучения выполнен с возможностью обнаружения излучения из фильтра.

В дальнейшем будет более подробно описан пример осуществления настоящего изобретения со ссылками на фигуры прилагаемых чертежей, в числе которых

фиг.1 изображает продольное сечение детектора и упрощенную структурную схему соответствующих электронных схем,

фиг.2 изображает схематически соотношение между пиками энергетического спектра от фоновых радионуклидов и количеством каналов,

фиг.3 изображает графически пример исходного спектра и конечного спектра после удаления всех фоновых компонент,

фиг.4 изображает графически исходный спектр (как на фиг.3) и пики его компонент, и

фиг.5 иллюстрирует графически этапы удаления двух фоновых пиков.

На фиг.1 изображен атмосферный монитор 10, который содержит трубку 11 с открытым хвостом, в которой закреплена фильтровальная бумага 12. Пассивированный ионно-легированный кремниевый диодный детектор 13 излучения установлен на одном конце конического, отводящего поток элемента 14, который закреплен в центре трубки 11 таким образом, что детектор 13 удален на 5 мм от передней поверхности фильтровальной бумаги 12. Фильтровальная бумага 12 поддерживается базовой частью 17, образующей трубку, которая сообщается с насосом 18; поворотная ручка 15 позволяет прижимать базовую часть 17 к упругим пружинам 16, когда необходимо заменить фильтровальную бумагу 12. В процессе работы насос 18 постоянно прокачивает струю воздуха через фильтровальную бумагу 12. Фильтровальная бумага 12 захватывает любой радиоактивный порошкообразный материал, а также радиоактивный порошкообразный материал, связанный с пылью. Диодный детектор 13 обнаруживает излучение такого захваченного материала и вырабатывает импульс в ответ на обнаружение каждой α или β-частицы. Для α-частиц высота импульса пропорциональна принятой энергии. Для β-частиц импульсы имеют меньшую амплитуду и отсутствует постоянная пропорциональность между высотой импульса и энергией отдельной β-частицы.

Электрические импульсы из диодного детектора 13 пропускаются через усилитель 20 в многоканальный анализатор 22, в котором они сортируются в зависимости от высоты импульса на 256 каналов, охватывающих энергетический диапазон от 0 до 10 МэВ поглощенной энергии. Через регулярные интервалы сигналы из многоканального анализатора 22, указывающие число импульсов в каждом канале, передаются в микрокомпьютер 24 для анализа. Анализ включает в себя вычисление и вычитание вклада фоновой α-активности в счете импульсов в каждом канале, чтобы оставить чистый вклад представляющей интерес долговременной активности. Если вследствие этого анализа обнаруживаются неожиданные уровни радионуклида, в сигнальное устройство 26 передается сигнал тревоги. Чистую α-активность можно, например, измерять на повторяющемся 5-минутном времени усреднения, которое корректируется через каждые 15 секунд; кроме того, микрокомпьютер 24 также вычисляет активность, накопленную за короткое время усреднения (типично 15 минут), чтобы обеспечить быстрый отклик и сигнал тревоги, если величина радиоактивности, накопленной фильтровальной бумагой 12, приближается к высоким уровням.

На фиг.2 показаны номера каналов, соответствующих энергиям α-излучения, и (в соответствующих местах) радионуклиды, которые испускают α-частицы с такими энергиями. Представляется понятным, что в любом случае обнаруженная энергия (т.е. энергия, принятая диодом 13) должна быть меньше, чем излученная энергия по меньшей мере на 0,5 МэВ, поскольку α-частицы теряют около 0,5 МэВ при пересечении воздушного зазора между фильтром 12 и диодом 13, а некоторые типы диодов 13 могут также вызывать значительную потерю энергии на входном окне диода. Обычно предполагается, что номер канала линейно связан с принятой энергией, а потеря энергии между излучением и обнаружением является постоянной для α-частиц; что же касается β-частиц, то они, напротив, теряют гораздо меньше энергии, пересекая воздушный зазор. (Во всем энергетическом диапазоне (для α-частиц) степенной закон может дать более точное соотношение между номером канала и обнаруженной энергией.) Номера каналов приведены только в качестве примера, так как они явно зависят от коэффициента усиления усилителя 20. Нижний предел α-спектра (канал 50 в данном примере) выбирается таким образом, чтобы большинство энергетических β-излучателей, которые можно собрать на фильтровальной бумаге 12, давали пренебрежимо малую скорость счета выше этого канала. Сигналы ниже канала 50, т.е. ниже обнаруживаемой энергии, скажем, около 2,0 МэВ, предположительно обусловлены β-частицами; эти сигналы можно обрабатывать отдельно, либо используя сигналы из более низких каналов многоканального анализатора 22, либо используя специальный дискриминатор 28 сигналов (см. фиг.1).

В дальнейшем будет описан один способ выполнения анализа.

Сначала спектр ThC' экстраполируют к каналам ниже 190. Для этого находят уравнение для низкоэнергетического хвоста пика ThC', используя счета импульсов в двух энергетических окнах, например окне W1, т.е. каналах 190-197, и окне W2, т.е. каналах 198-205 (т.е. в двух окнах, которые находятся ниже пика ThC' приблизительно в канале 215, но выше пика RaC' приблизительно в канале 185). Из этих двух счетов можно вычислить амплитуду и экспоненциально уменьшающуюся экспоненту, которые характеризуют форму этого хвоста. Счета импульсов, использованные в данном вычислении, можно накапливать в течение такого же периода времени, как и тот, который используется для обнаружения представляющей интерес активности, или, альтернативно, их можно накапливать в течение более длительного периода (для большей статистической точности). Таким образом прогнозируется форма низкоэнергетического хвоста ниже канала 190, т.е. вычисляется ожидаемое количество импульсов в каждом канале, соответствующем спаду ThC'.

Предполагается, что низкоэнергетический хвост можно представить простой экспонентой, которая на практике является хорошим приближением к его действительной форме. Хотя можно получить и несколько более точную характеристику, используя сумму двух экспонент, на практике это улучшение не является существенным. Можно также использовать больше двух окон для определения характеристики низкоэнергетического хвоста, и, альтернативно, можно использовать подбор методом наименьших квадратов, используя счета импульсов во всех каналах 190-205.

Спектр ThC' будет использоваться для прогнозирования формы спектра ThC. Однако поскольку ThC' имеет короткий период полураспада по сравнению с разрешающим временем стандартных спектрометрических усилителей, около 25% α-частиц ThC' можно эффективно обнаружить как совпадающие с β-частицами ThC. Их можно назвать псевдосовпадающими β-частицами. Эффект псевдосовпадающих частиц β-частиц лучше всего заметен в спектре ThC' выше канала (приблизительно 215), соответствующего излучаемой α-энергии 8,78 МэВ, так как в идеале здесь не должно быть α-частиц выше этой энергии, поэтому число импульсов на канал должно быстро упасть до нуля в нескольких каналах пика спектра; псевдосовпадающие β-частицы вызывают значительное расширение спектра в каналах, которые намного выше этого пика. Измеренный спектр ThC' представляет собой сумму двух спектров: α-спектра ThC', обусловленного α-спадом ThC' без совпадающей β-частицы, и результата свертки этого α-спектра ThC' с β-спектром ThC.

Пик ThC' можно скорректировать, например, путем удаления тех счетов, которые попадают, скажем, больше, чем на три канала над этим пиком, и распределения их на другие каналы спектра ThC' пропорционально числу импульсов в каждом из этих каналов. Это оказывает пренебрежимо малое влияние на форму низкоэнергетического хвоста пика ThC'. Существует альтернативный, более точный, но и более сложный путь - развернуть спектр, используя известную форму спектра β-частиц ThC, которая возрастает от нуля до максимум выше приблизительно 3 каналов, а затем падает приблизительно по экспоненте с увеличением номера канала. Такая развертка требует вычитания из каждого канала тех счетов импульсов, которые из-за совпадающего β-излучения ThC были сдвинуты в этот канал из нижних каналов, и также прибавления к каждому каналу тех счетов, которые были сдвинуты в более высокие каналы из-за совпадающего β-излучения ThC.

Скорректированный спектр ThC' затем используется для прогнозирования формы спектра для ThC. Для этого сначала сдвигают спектр от пика при 8,78 МэВ (приблизительно канал 215) к пику при 6,0 МэВ (приблизительно канал 139). Затем сдвинутый спектр уточняют, чтобы учесть разность удельной потери энергии при этой более низкой энергии, при этом тормозная способность α-частиц при 6,05 МэВ больше, например, приблизительно в 1,3 раза тормозной способности α-частиц при 8,78 МэВ (это отношение тормозных способностей равно F); эту операцию можно реализовать посредством арифметической манипуляции, эквивалентной растяжению оси х (энергетической оси) на коэффициент F от пикового канала вниз, так что счета импульсов распространятся на более широкий диапазон энергии, т.е. более широкий диапазон каналов. Несколько более высокую точность можно получить, используя коэффициент растяжения F, который возрастает с падением α-энергии (например, от 1,30 до 1,35).

Альтернативно, это уточнение можно выполнять посредством увеличения количества импульсов в каждом канале в степени 1/F с последующим нормированием, чтобы обеспечить неизменность общего количества импульсов в спектре ThC'.

И наконец, этот спектр уточняется для учета относительных активностей ThC и ThC'. Спад ThC в 36% случаев происходит в результате прямого излучения α-луча 6,06 МэВ, а в 64% случаев - из-за излучения β-луча, за которым следует α-луч 8,78 МэВ, поэтому данное уточнение включает в себя умножение каждого сдвинутого и скорректированного счета импульсов в канале на коэффициент 36/64=0,5625.

Теперь можно удалить из скорректированных счетов импульсов во всех каналах вклады ThC' и ThC. Оставшийся фон обусловлен RaC' и RaA. С ними поступают аналогичным образом.

Сначала спектр RaC' экстраполируют на каналы ниже 145 посредством нахождения уравнения для его низкоэнергетического хвоста, используя счета импульсов в двух энергетических окнах, например окне W3, которое представляет каналы 145-159, и окне W4, которое представляет каналы 160-174 (т.е. в двух окнах, находящихся под пиком RaC' приблизительно в канале 185, но выше ожидаемого пика RaA в канале 139). Из этих двух счетов можно вычислить амплитуду и экспоненту экспоненциального уменьшения, которые характеризуют форму этого хвоста. Использованные в этом вычислении счета можно накапливать в течение такого же периода, как и при обнаружении представляющей интерес активности, или, альтернативно, можно накапливать в течение более длительного интервала времени. Таким образом прогнозируется форма низкоэнергетического хвоста ниже канала 145, т.е. вычисляется ожидаемое число импульсов в каждом канале, соответствующем спаду RaC'. Как и в случае ThC', низкоэнергетический хвост RaC' можно альтернативно экстраполировать с использованием более чем двух энергетических окон или подбора по методу наименьших квадратов. Кроме того, как и в случае ThC', несколько более точную характеристику можно получить, используя сумму двух экспонент, но улучшение, полученное по сравнению с одной экспонентой, не будет существенным.

Таким образом, общая форма энергетического α-спектра RaC' в каналах выше 145 известна из скорректированных счетов, а в каналах ниже 145 - из вычисленной формы низкоэнергетического хвоста. Теперь можно освободить остальные счета импульсов во всех каналах от вклада RaC'.

Затем эта форма спектра RaC' используется для прогнозирования формы спектра для RaA. Для этого сдвигают спектр от пика при 7,68 МэВ (приблизительно канал 185) в пик при 6,0 МэВ (приблизительно канал 139). Затем сдвинутый спектр уточняют, чтобы учесть разность в удельной потере энергии при более низкой энергии, при этом тормозная способность α-частиц при 6,0 МэВ приблизительно в 1,2 раза больше тормозной способности α-частиц при 7,6 МэВ (это отношение тормозных способностей равно F); это можно сделать с помощью операции, эквивалентной растяжению оси х (энергетической оси) на коэффициент F вниз от пикового канала. Как было показано выше, может быть предпочтительным использовать значение F, возрастающее с уменьшением энергии. (Альтернативно, это уточнение можно выполнить путем увеличения счета в каждом канале в степени 1/F.) Этот уточненный и сдвинутый спектр затем нормируют, чтобы он дал измеренное число импульсов в энергетическом окне W5 между энергиями 5,5 МэВ (канал 127) и 6,3 МэВ (канал 144). Теперь можно освободить остальные счета импульсов во всех каналах от вклада RaA.

Оставшиеся счета импульсов, в основном, в диапазоне α-энергии от 2,5 до 5,5 МэВ можно истолковать как соответствующие α-излучению от других радионуклидов, например, U-234 при 4,78 МэВ и Pu-239 при 5,15 МэВ. Если эти сигналы превышают некоторый порог, то может быть дан сигнал тревоги.

Представляется понятным, что сигналы, соответствующие α-энергии менее чем 2,5 МэВ (т.е. обнаруженной энергии 2,0 МэВ), можно предположительно объяснить β-частицами и обработать отдельно. Дочерние радионуклиды радона и торона создают не только α-фон, как было описано выше, но также и β-фон, относительно которого необходимо обнаружить любую представляющую интерес β-активность. Суммарные счета импульсов в детектированном энергетическом диапазоне, например, от 30 кэВ до 2,0 МэВ, можно скорректировать на фоновое излучение. Фоновое β-излучение можно вычислить из α-спектров ThC', ThC, RaC' и RaA, определенных, как было описано выше, с допуском на неравновесное состояние между различными дочерними радионуклидами радона и торона. Этот вычисленный β-фон можно затем вычесть из счетов импульсов в β-области спектра. Таким образом, с помощью монитора 10 можно также обнаружить любые радионуклиды, которые испускают β-частицы.

Представляется очевидным, что настоящее изобретение позволяет скорректировать α-спектры на ожидаемые фоновые α-излучения, даже несмотря на возможные изменения формы и положения пиков. Такие изменения могут возникать при нормальной работе по следующим причинам:

1. Изменение характеристик аэрозолей (размер, форма или состав).

2. Изменение доли дочерних радионуклидов радона (в основном RaA), которые не связаны с частицами воздуха.

3. Изменение характеристик фильтра в результате изменений технологии производства.

4. Повышение запыленности фильтра.

5. Изменение плотности воздуха из-за нормальных изменений атмосферного давления или температуры.

Кроме того, спектральная форма или положение пиков могут изменяться по следующим, более редким причинам:

6. Изменение типа используемого фильтра.

7. Изменение высоты над уровнем моря.

8. Изменение характера анализируемого газа.

9. Конденсация, пыль или грязь на детекторе.

10. Дрейф коэффициента усиления усилителя.

α-частицы, испускаемые RaC', образуются из аэрозольных частиц, которые были захвачены фильтром 12 в течение приблизительно предшествующего часа (из-за коротких периодов полураспада предыдущих нуклидов в цепочке распадов). Однако α-частицы, испускаемые ThC и ThC', могут возникать из частиц, которые были захвачены в течение многочасового периода времени. Поэтому пики ThC и ThC' могут быть более деградированными, чем пики, обусловленные дочерними радионуклидами радона. Энергетическое разрешение α-спектров из дочерних радионуклидов радона имеет тенденцию улучшаться с увеличением запыленности, поскольку материал, уже присутствующий на фильтре, повышает эффективность накопления порошкообразного материала. Следовательно, с увеличение запыленности могут происходить очень существенные изменения формы пика и наклона низкоэнергетических хвостов.

Представляется понятным, что атмосферный монитор согласно изобретению может отличаться от описанного выше, не выходя при этом за рамки объема притязаний изобретения. В частности, для определения формы низкоэнергетического хвоста пиков ThC' и RaC' можно использовать энергетические окна, удаленные друг от друга, а не смежные, можно использовать более узкие окна, чем описанные выше, или более широкие (окна даже могут перекрываться), и можно использовать более двух окон. Альтернативно, можно использовать подбор по методу наименьших квадратов на нескольких окнах или каналах. Тем не менее, желательно использовать достаточно широкие окна, так как это увеличивает скорость счета в каждом окне, сокращая тем самым время на получение значимых данных.

Как отмечалось выше, были взяты пики, имеющие место в заранее определенных каналах, однако, альтернативно, каналы, в которых появляются пики от фоновых источников излучения, можно возвращать в исходное состояние при каждой калибровке прибора 10. Альтернативно, прибор 10 может непрерывно определять положения спектральных пиков и краев, соответственно регулируя окна W1-W5. В этом случае изменения положений пика и спектральной формы, описанные выше, будут компенсироваться автоматически.

Погрешности измерения представляющей интерес атмосферной активности частично возникают в результате статистических погрешностей, которые обусловлены случайным характером процесса радиоактивного распада и частично системными ошибками, обусловленными неточной компенсацией. Такие систематические погрешности в основном возникают из-за непредсказуемых изменений формы спектра. Случайные ошибки обратно пропорциональны квадратному корню времени усреднения и квадратному корню скорости отбора проб, поэтому эти ошибки измерения можно уменьшить посредством увеличения времени усреднения или скорости отбора проб воздуха, или и тем и другим. Настоящее изобретение уменьшает основную причину систематических ошибок и тем самым обеспечивает лучшие возможности для уменьшения всех ошибок.

В дальнейшем будет описан пример осуществления описанной выше процедуры анализа сигнала. На фиг.3 показано экспериментальное определение энергетического спектра Р в среде, в котором присутствуют только компоненты фонового излучения. Этот график показывает количества импульсов в каждом канале, нанесенные против номера канала; при этом следует отметить, что номера каналов отличаются от описанных выше, поскольку был использован другой коэффициент усиления усилителя. График Q показывает конечный спектр после выполнения анализа сигнала.

Из графика P видно, что имеется три пика, каждый из которых обладает крутизной на высокоэнергетической стороне, но имеет постепенно уменьшающийся низкоэнергетический хвост. В случае наличия любого, представляющего интерес изотопа, он бы давал сигналы типично между каналами 80 и 120, и если бы он не создавал высокоамплитудный сигнал, то было бы трудно обнаружить верхние фоновые сигналы из низкоэнергетических хвостов. Три пика обозначены наименованиями соответствующих фоновых нуклидов: RaA и ThC, RaC' и ThC'.

На фиг.4 показан такой же энергетический спектр Р (черные ромбы), а также экстраполированный низкоэнергетический хвост пика ThC'; скорректированные счета импульсов для пика RaC' (пустые квадраты) и его экстраполированный низкоэнергетический хвост. Также показан пик ThC (спрогнозированный по пику ThC') и пик RaA (спрогнозированный по пику RaC'). Вычитание этих четырех пиков из исходного спектра Р дает окончательный спектр Q на фиг.3.

На фиг.5 показан такой же энергетический спектр, но счета импульсов по каналам нанесены в логарифмическом масштабе. Как пояснялось ранее, низкоэнергетический хвост пика ThC' экстраполирован (линия R пустых ромбов) из счетов в двух окнах W1 и W2 на низкоэнергетической стороне пика, а пик ThC' (после коррекции на псевдосовпадающие β-частицы) затем сдвинут к более низкой энергии и растянут, чтобы спрогнозировать форму пика ThC. Это дает пик, обозначенный как ThC, у которого спрогнозированный низкоэнергетический хвост обозначен как S (этот график фактически показывает сумму счетов для пика ThC и пика ThC'). Этот суммарный спектр ThC и ThC' можно затем вычесть из исходного спектра Р. Как пояснялось выше, аналогичная процедура используется в дальнейшем для экстраполяции пика RaC' и прогнозирования пика RaA, а значит и удаления их вкладов в фоновый спектр Р.

Представляется понятным, что периоды счета, использованные для определения представляющей интерес активности воздуха, могут отличаться от периодов счета, использованных для определения форм пиков, обусловленных фоновым излучением. Например, α-излучение можно измерять на основе 5-минутого времени счета, корректируемого через интервалы 15 сек, а данные, использованные для прогнозирования форм низкоэнергетических хвостов, могут быть основаны на 20-минутном времени счета, корректируемом через 15 сек. Для первых нескольких минут после включения атмосферного монитора 10 не имеется достаточного количества данных счета, чтобы обеспечить точные прогнозы форм низкоэнергетических хвостов, и вместо этого можно выполнять вычисления на основании заданных по умолчанию значений.

Описанная выше процедура анализа сигнала в равной степени применима для мониторинга других образцов окружающей среды. Например, ее можно использовать для контроля радиоактивности на фильтрах после их извлечения из атмосферного монитора. В этом случае наиболее существенным отличием является то, что RaA упадет до пренебрежимо малых уровней, скажем, через 15 минут. Следовательно, для RaA не требуется никакой компенсации. Кроме того, такой контроль фильтров позволяет обнаруживать радионуклиды, которые могут испускать α-частицы с энергией до 6,5 МэВ, такие как Cm-242, Cm-244 или Cf-252, и которые невозможно отличить от RaA иным способом.

Изобретение относится к атмосферному монитору, предназначенному для контролирования присутствия радиоактивных материалов в воздухе. Монитор радиоактивности окружающей среды содержит фильтр, через который пропускают воздух, и детектор излучения, испускаемого частицами, захваченными фильтром. Сигналы из детектора излучения анализируются в множестве энергетических каналов, например, с помощью многоканального анализатора, при этом счета импульсов, по меньшей мере, в двух энергетических окнах (W1, W2; W3, W4) используются для определения форм низкоэнергетических хвостов природных радионуклидов ThC' и RaC' для исключения их влияния. Форма пика ThC' используется для прогнозирования и удаления пика ThC, а затем используется форма пика RaC' для прогнозирования и удаления пика RaA, в результате чего исключаются все фоновые влияния. Это позволяет получить точные измерения радиоактивности воздуха за короткое время счета. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Монитор (10) радиоактивности окружающей среды, содержащий детектор (13) излучения для обнаружения излучения, испускаемого образцом (12), который может содержать радиоактивный материал из окружающей среды, средство (22) для анализа сигналов с детектора излучения в множестве энергетических каналов, средство (24) для использования счетов импульсов, по меньшей мере, в двух энергетических окнах для определения формы низкоэнергетического хвоста пика ThC', средство (24) для использования формы низкоэнергетического хвоста ThC' для прогнозирования пика ThC, причем для прогнозирования пика ThC данные, представляющие пик ThC', сдвигают с энергии 8,78 МэВ к энергии 6,0 МэВ, сдвинутый спектр уточняют для учета разности в удельной потере энергии и пересчитывают с коэффициентом 36/64; средство (24) для коррекции энергетического спектра посредством удаления низкоэнергетического хвоста пика ThC' и удаления пика ThC, средство (24) для использования счетов импульсов, по меньшей мере, в двух энергетических окнах для определения формы низкоэнергетического хвоста пика RaC', средство (24) для коррекции энергетического спектра посредством удаления низкоэнергетического хвоста пика RaC'.2. Монитор (10) по п.1, содержащий дополнительно средство (24) для использования формы пика RaC' для прогнозирования пика RaA и средство (24) для коррекции энергетического спектра посредством удаления пика RaA.3. Монитор по п.2, в котором сигналы анализируются с помощью многоканального анализатора (22).4. Монитор по п.3, в котором при определении форм низкоэнергетических хвостов энергетические окна объединяют счета импульсов из нескольких смежных каналов многоканального анализатора (22).5. Монитор по п.2, в котором образцом является фильтр (12), через который пропускался воздух.6. Монитор по п.5, содержащий фильтр (12) и средство (18) для пропускания воздуха через фильтр (12), в котором детектор (13) излучения выполнен с возможностью обнаружения излучения, испускаемого из фильтра (12).7. Монитор по п.1, в котором образцом является фильтр (12), через который пропускается воздух.8. Монитор по любому из пп. 1-7, в котором данные, представляющие пик ThC', предварительно обрабатывают для удаления искажения, обусловленного псевдосовпадающими β-излучениями.9. Монитор по любому из пп. 1-7, в котором для прогнозирования пика RaA низкоэнергетический хвост пика RaC' экстраполируют к энергиям меньше чем 6,0 МэВ, данные, представляющие пик RaC', сдвигают с энергии 7,68 МэВ к энергии 6,0 МэВ, сдвинутый спектр уточняют для учета разности в удельной потере энергии и нормируют для получения измеренных счетов импульсов после удаления счетов, обусловленных ThC и ThC' в энергетическом окне, которое охватывает часть пика RaA, но не простирается ниже 5,5 МэВ.10. Монитор по любому из пп.1-7, в котором измеренная и прогнозируемая формы α-пиков, обусловленных ThC', ThC, RaC' и RaA, используют для прогнозирования и удаления β-фона.11. Способ анализа сигналов, представляющих излучение, испускаемое образцом (12), который может содержать радиоактивный материал из окружающей среды, заключающийся в том, что анализируют (22) сигналы в множестве энергетических каналов, используют (24) счета импульсов, по меньшей мере, в двух энергетических окнах для определения формы низкоэнергетического хвоста пика ThC', используют форму пика ThC' для прогнозирования пика ThC, причем для прогнозирования пика ThC данные, представляющие пик ThC', сдвигают с энергии 8,78 МэВ к энергии 6,0 МэВ, сдвинутый спектр уточняют для учета разности в удельной потере энергии и пересчитывают с коэффициентом 36/64, затем корректируют энергетический спектр посредством удаления низкоэнергетического хвоста пика ThC' и пика ThC, используют счета импульсов, по меньшей мере, в двух энергетических окнах для определения формы низкоэнергетического хвоста пика RaC' и корректируют энергетический спектр посредством удаления низкоэнергетического хвоста пика RaC'.12. Способ по п.11, в котором дополнительно используют форму пика RaC' для прогнозирования пика RaA и корректируют энергетический спектр посредством удаления пика RaA.