СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ Российский патент 2011 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, конкретнее к измерению радиоактивности объектов, более конкретно к способам выявления радиоактивных источников на обследуемой территории и в движущихся объектах. Наибольшее применение способ найдет при радиационном мониторинге различных территорий и объектов с помощью систем детектирования радиации, установленных на транспортных средствах, например на автомобилях, а также с помощью систем, установленных на контрольно-пропускных пунктах, пунктах приема и переработки вторичного сырья, металлолома, промышленных и бытовых отходов.

Известен способ радиационного контроля движущихся объектов, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайне мере, одним детектором, установленным в зоне контроля, через которую перемещаются упомянутые объекты, непрерывное измерение текущих значений потока излучения, регистрируемого детектором, сравнение упомянутых значений с порогом постоянной величины, при превышении которого потоком регистрируемого излучения судят о наличии радиоактивности в контролируемых объектах [1].

Недостатком известного способа является низкая чувствительность обнаружения в связи с тем, что порог необходимо устанавливать заметно превышающим (в 1,5-2 раза) уровень естественного фона в зоне контроля из-за его возможных колебаний в процессе контроля, вызванных, например, осадками, пылью, нестабильностью аппаратуры и др.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ динамического радиационного контроля, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χ_i детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χ_ф [1].

В прототипе фон χ_ф определяется путем усреднения многих значений χ_i в отсутствие объекта в зоне контроля. Порог χ_пор превышает уровень естественного фона χ_ф на величину Δχ=mσ, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора n=3-8. В процессе контроля порог не является постоянной величиной и должен корректироваться в соответствии с изменением уровня фона (необходимо изменять порог за счет смещения среднего значения фона χ_ф и величины стандартного отклонения сигнала детектора σ, зависящей от уровня фона).

Недостатком прототипа является низкая надежность обнаружения слабоинтенсивных радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося радиационного фона. Это связано с непостоянством величины порога и определенной инерцией его корректировки в процессе контроля, неточностью оценки величины стандартного отклонения сигнала детектора. Для обнаружения слабоинтенсивных источников величина Δχ не должна превышать 3-4σ. В случае быстрых изменений фона величины χ_ф и Δχ могут не соответствовать изменяющемуся фону и из-за неточности установки порога слабые источники могут быть не выявлены. С другой стороны, возрастает вероятность ложных срабатываний из-за возможного превышения флуктуациями фона достаточно низкого не точно определенного порога.

Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. Такие изменения могут быть связаны с изменением уровня естественного фона при движении транспорта с системой детектирования, появлением осадков, пыли, перемещением различных объектов, в том числе объектов, обладающих радиоактивностью, вблизи зоны контроля.

Указанный технический результат достигается предлагаемым способом динамического радиационного контроля, включающим регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χ_i детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χ_ф, в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как

где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона,

вычисляют разность значения которой сравнивают с порогом К, являющимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χ_i, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χ_ф.

Отличительными признаками является то, что в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как

где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона,

вычисляют разность значения которой сравнивают с порогом К, отличающимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность при наличии объекта в зоне контроля превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χ_i,, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χ_ф.

Новые существенные признаки предлагаемого способа обеспечивают повышение надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. Кроме того, обеспечивается независимость порога срабатывания от уровня фона и его постоянство в процессе контроля, что повышает надежность функционирования устройств, реализующих способ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема реализации радиационного контроля движущихся объектов.

Устройство, реализующее способ, содержит детекторы 1, 2, стационарно установленные в зоне контроля, через которую следуют контролируемые объекты 3 (транспортные средства с грузами, в которых могут находиться радиоактивные источники). В качестве детекторов могут применяться крупногабаритные пластмассовые сцинтилляторы с фотоэлектронными умножителями.

Способ реализуется следующим образом. В отсутствие объекта 3 в зоне контроля детекторы 1, 2 регистрируют фоновое излучение. Производится непрерывное измерение количества импульсов детекторов за единичный временной интервал, например за одну секунду. Результаты каждого измерения χ_i направляются в вычислительное устройство (компьютер). Учитывая возможные изменения фона в зоне контроля, установленные опытным путем, вычисляют число m измерений величин χ_i, для определения уровня фона χ_ф по формуле

где σ - стандартное отклонение сигнала детектора (количества импульсов за единичный временной интервал) для минимального значения фона;

S- максимальное значение крутизны возможного изменения фона, равное приращению количества импульсов детектора при изменении фона за единичный временной интервал (одно измерение).

Вычислительное устройство суммирует m значений χ_i и определяет величину фона χ_ф следующим образом

где i - текущий номер единичного временного интервала, в течение которого осуществляются подсчет количества импульсов детектора.

Первое значение χ_ф при запуске способа контроля определяется после m-ого измерения величины χ_i. В дальнейшем значение χ_ф обновляется каждый раз после появления очередного результата измерения χ_i, проведения вычислений значений и и сравнения разности с порогом К. В случае, если указанная разность не превышает порог, текущие значения χ_i учитываются при определении очередного значения фона χ_ф по выражению (2), при этом величина χ_i - m исключается из вычислений фона χ_ф. Таким образом, величина χ_ф постоянно обновляется, что обеспечивает отслеживание возможных изменений фона в зоне контроля.

В связи с тем, что число m измерений величины χ_i для определения фона исчисляется из выражения (1), величина χ_ф может отличаться от истинного значения изменяющегося фона на величину не более половины значения стандартного отклонения сигнала детектора σ. Поэтому при отсутствии радиоактивности в объекте разность обусловленная изменяющимся фоном, не превышает 0,25, что значительно ниже устанавливаемого порога К и не оказывает существенного влияния на обнаружения радиоактивности в объекте.

Если текущее значение разности превышает порог К, то это свидетельствует об обнаружении радиоактивности в объекте. В этом случае величина χ_i не включается в сумму (2) и не влияет на определение значения фона χ_ф, остающегося неизменным до появления нового измерения величины χ_i, при которой разность не превышает порог. Это значение χ_i включается в сумму (2) и величина χ_ф продолжает обновляться, осуществляя слежение за фоном. Таким образом, наличие радиоактивности в объекте не искажает результаты измерения фона.

При обнаружении радиоактивности с порогом сравниваются не абсолютные значения χ, как в прототипе, а функция Производная этой функции y' равна

В прототипе составляющая порога Δχ определяется приращением сигнала, вызывающим срабатывание системы обнаружения Приращение dy, вызывающее срабатывание системы в предлагаемом способе, для эквивалентного прототипу порога с учетом (3) определяется как

Таким образом, порог срабатывания в предлагаемом способе не зависит от величины сигнала детектора и от уровня фона в зоне контроля, что уменьшает влияние изменений фона на процесс обнаружения радиоактивности в объекте. Существенным в данном случае является то, что стандартное отклонение сигналов y_i и y_ф является постоянной величиной во всем диапазоне изменения сигнала x_i, и поэтому не требуется корректировки порога срабатывания при изменении уровня сигнала детектора.

В прототипе величина фона определяется путем усреднения некоторого количества значений x_i, не связанных со стандартным отклонением сигнала σ и крутизной изменения фона, при этом порог срабатывания зависит от величины фона и постоянно корректируется в процессе контроля. Это приводит к тому, что при относительно быстрых изменениях фона могут наблюдаться ложные срабатывания из-за несоответствия величины порога текущему значения фона. С другой стороны, может падать чувствительность обнаружения, если порог излишне завышен.

Пример 1.

При реализации способа используется детектор, частота следования импульсов которого при уровне фона 0,1 мкЗв/ч равна 900 имп/с. Время единичного измерения составляет 1 с. Фон в процессе контроля изменяется от 0,1 мкЗв/ч до 0,15 мкЗв/ч. Частота импульсов детектора при максимальном значении фона равна 1350 имп/с. Скорость изменения S фона составляет 10 имп за 1 секунду. Порог К устанавливается равным 2, что соответствует вероятности ложных тревог не более 10^-4. Стандартное отклонение σ сигнала x_i детектора за время 1 секунда при минимальном уровне фона равно 30.

Значение величины m, определяемое условием (1), равно 3. Величина фона, определяемая соотношением (2), при изменении фона со скоростью 10 имп/с, будет отличаться от его значения в точке i не более чем на 15 импульсов. Разность составляет 0,25, что существенно ниже порога К=2. В связи с этим при увеличении фона ложные тревоги отсутствуют. В процессе изменения фона порог остается постоянным и вероятность ложных тревог также не изменяется, т.к. стандартное отклонение сигналов и при любых значениях x_i является постоянной величиной.

При тех же значениях фона, частоты следования импульсов детектора, количества усреднений значений x_i, равного 30, пороге срабатывания 4σ=120 для прототипа отклонение вычисленного значения фона x_ф при изменении фона составит 150 импульсов, что приведет к ложной тревоге. В связи с несоответствием порога срабатывания изменяющемуся значению фона и величине σ будет возрастать вероятность ложных тревог при росте величин x_i и x_ф.

Пример 2

При тех же условиях реализации способа, что и в примере 1, только фон уменьшается от 0,15 мкЗв/ч до 0,1 мкЗв/ч. В прототипе отклонение величины в сторону уменьшения составит 0,25. С учетом выбранного порога К=2 чувствительность обнаружения уменьшится не более чем на 15%.

Для прототипа для тех же условий чувствительность обнаружения уменьшится более чем в 2 раза.

Пример 3

При тех же условиях реализации способа, что в примере 1, но скорость изменения фона составляет 5 импульсов за 1 секунду. Величина фона, определяемая соотношением (2), при изменении фона со скоростью 5 имп/с, будет отличаться от его значения в точке i не более чем на 7 импульсов. Разность составляет 0,12, что существенно ниже порога К=2.

Вероятность ложной тревоги при этом не превысит 10^-4.

В прототипе отклонение вычисленного значения фона x_ф при изменении фона составит 75 импульсов (половина от величины порога). Это приведет к возрастанию вероятности ложной тревоги до 10^-2, что существенно выше, чем для прототипа.

Пример 4

В случае, если скорость изменения фона составляет 1 имп/с, вероятность ложной тревоги практически не изменяется для предлагаемого способа. Для прототипа вероятность ложной тревоги возрастает приблизительно в 2 раза.

Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. Кроме того, обеспечивается независимость порога срабатывания от уровня фона и его постоянство в процессе контроля, что повышает надежность функционирования устройств, реализующих способ.

ЛИТЕРАТУРА

1. RU 2094821 С 1, Бюллетень №30 от 2710.97 г.

2. Н.П.Валуев, Ю.В.Мойш, Н.В.Никоненков «Проблемы радиационного контроля металлолома». Бюллетень «Черная металлургия», 1997, №9, с.7-9.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, конкретнее к измерению радиоактивности объектов, более конкретно к способам выявления радиоактивных источников на обследуемой территории и в движущихся объектах. Сущность изобретения заключается в том, что способ динамического радиационного контроля, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χ_i детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χ_ф, отличающийся тем, что в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как ,

где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона, вычисляют разность , значения которой сравнивают с порогом К, являющимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χ_i, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χ_ф. Технический результат - повышение надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. 1 ил.

Способ динамического радиационного контроля, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χ_i детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χ_ф, отличающийся тем, что в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона, вычисляют разность , значения которой сравнивают с порогом К, являющимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χ_i, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χ_ф.