СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОРОГА ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРА Российский патент 2012 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к области радиационного мониторинга, и может быть использовано в машиностроении, медицине и других отраслях для контроля несанкционированного перемещения ядерных материалов и других радиоактивных веществ.

Радиационные мониторы не относятся к средствам измерения. Они являются пороговыми устройствами, которые регистрируют рентгеновское, гамма- и (или) нейтронное излучение контролируемых ядерных материалов и радиоактивных веществ на уровне внешнего радиационного фона и при превышении пороговых значений выдают сигнал. При этом в задачу контроля не входит ни определение типа материала, ни его количества, а приоритетными параметрами являются: высокая чувствительность к изменению излучения и низкий порог обнаружения; оперативность контроля; простота в эксплуатации; наглядное отображение результата. Основной характеристикой любого радиационного монитора является его порог обнаружения, который определяется при выбранной доверительной вероятности Р (Р≥0,95) и характеризует чувствительность монитора.

Известен способ обнаружения слабых ионизирующих излучений от подвижных и неподвижных, открытых и закрытых бета-, гамма- и нейтронных источников с использованием ионизационных счетчиков или сцинтилляционных детекторов, заключающийся в измерении средней скорости счета фона b за время t_b и средней скорости счета аддитивной смеси сигнала и фона n, в котором порог обнаружения объекта q_o определяют перед началом контроля в соответствии с задаваемой вероятностью ложной тревоги, а по окончании контроля определяют параметр и сравнивают его с порогом обнаружения q_o, причем решение об обнаружении объекта принимают при η>q_o. Патент Российской Федерации №2140660, МПК G01T 1/167, 1999 г.

Известен способ определения порога обнаружения радиационного монитора на основании подсчета числа n обнаружений стандартного образца ядерного материала или радиоактивного вещества из N испытаний при заданной доверительной вероятности. ГОСТ Р 51635-2000. Мониторы радиационные ядерных материалов. Общие технические условия. ГОСТ Р 51635-2000. Госстандарт России. Москва, 2000 г., с.16-17, в котором используют источник излучения с потоком максимально близким (что практически невозможно) к реальному порогу обнаружения.

Имея в распоряжении стандартный образец с потоком излучения больше или равным пороговому значению, определяют порог обнаружения следующим образом.

Устанавливают вероятность ложных срабатываний, определяют зону минимальной чувствительности для стационарного радиационного монитора или располагают носимый радиационный монитор на заданном расстоянии до стандартного образца и проводят заданное количество N испытаний (пересечений или нахождений стандартного образца в чувствительной области радиационного монитора). При этом число срабатываний n не должно быть меньше числа срабатываний, определенных в ГОСТ Р 51635, таблица 1.

Таблица 1 Минимальное количество срабатываний при определении порога обнаружения радиационного монитора при доверительной вероятности 0,95 Общее количество перемещений Минимальное количество срабатываний 8 7 9 8 10 9 15 12 20 15 30 20 50 32 100 59 250 139 1000 527

Указанные в таблице минимальные количества срабатываний соответствуют вероятности обнаружения радиоактивного образца не ниже 0,50 (с доверительной вероятностью не менее 0,95) при перемещении его через зону минимальной чувствительности монитора.

Значения n определяют из биномиального распределения для вероятности обнаружения стандартного образца р=0,5 при доверительной вероятности не менее 0,95

где - число сочетаний из N по n.

Такой способ определения порога обнаружения затрудняется отсутствием стандартного образца, с подходящим потоком излучения.

Но даже при наличии источника с потоком, близким к необходимому, этот алгоритм не позволяет определить различие порогов в том случае, если, например, произошло 63 и 77 срабатываний монитора из 100 испытаний. В обоих случаях можно утверждать лишь, что порог не больше, чем поток излучения стандартного образца.

Таким образом, используя прототип, можно определить лишь верхнюю границу порога обнаружения. Погрешность определения этой границы зависит от того, насколько число обнаружений отличается от чисел представленных в табл.1. В случае же, если произошло меньшее число срабатываний, например, даже 58 вместо 59 из 100 испытаний, формально ничего определенного о пороге обнаружения сказать нельзя, кроме того, что он больше, чем поток излучения стандартного образца.

Подобной неопределенности можно избежать, если использовать в процедуре оценки верхней границы дополнительную информацию об отклике блока детектирования радиационного монитора и не ограничиваться значением р, равным только 0,5.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Технический результат изобретения - уменьшение погрешности определения порога обнаружения радиационного монитора, возможность численных расчетов порога обнаружения для других условий измерения (фона и числа обнаружений).

Технический результат достигается тем, что в способе определения порога обнаружения радиационного монитора на основании подсчета числа n обнаружений стандартного образца ядерного материала или радиоактивного вещества из N испытаний при заданной доверительной вероятности, отличающийся тем, что в качестве стандартного образца используют источник излучения в виде ядерного материала или радиоактивного вещества с произвольным потоком излучения, измеряют величину произвольного потока излучения, находят среднее значение суммарного счета, значение фона и дополнительного излучения, зарегистрированного блоком детектирования, путем сравнения вероятности обнаружения р, определенной из биномиального распределения вероятности обнаружения источника излучения в виде ядерного материала или радиоактивного вещества и интегральной вероятности p_k(K) числа отсчетов k блока детектирования радиационного монитора, находят значение порогового потока обнаружения радиационного монитора из выражения

,

где

Ф_пор - значение порогового потока обнаружения радиационного монитора;

Ф - величина произвольного потока излучения;

К_ф - значение фона;

L - порог регистрации, определяемый на основании установленной вероятности ложных тревог и фона К_ф;

К - среднее значение суммарного счета.

Измеряя число обнаружений, можно сколь угодно точно определить вероятность р обнаружения любого образца из вышеприведенного распределения (1). Например, если для доверительной вероятности Р=0,95 при N=100, n=59, то р=0,5; уменьшение n до 50 даст значение р=0,42.

Если же посмотреть на процедуру определения порога обнаружения с другой стороны, а именно со стороны вероятностного процесса, которому подчиняется счет блока детектора радиационного монитора, то значение р можно выразить для распределения вероятностей Пуассона или Гаусса p_k(K) числа отсчетов k блока детектирования радиационного монитора, соответственно, как

или

где L - порог регистрации, К - среднее значение суммарного счета фона и дополнительного излучения.

Значение L определяется на основании принятой или регламентированной вероятности (ложных обнаружений из выражений для распределения вероятностей Пуассона или Гаусса, соответственно

или

Сравнивая значения р, полученные из выражений (1) и (2) или (1) и (3), найдем среднее значение счета K, соответствующее источнику излучения, взятому в качестве образца, для любого потока.

Учитывая наличие фона и то, что порог регистрации L соответствует порогу обнаружения Ф_пор, порог обнаружения найдем по формуле

Ф - поток излучения стандартного образца.

Если связь потока излучения Ф с массой ядерного материала М или активностью радионуклида А является простой пропорцией, то порог обнаружения в единицах массы ядерного материала М_пор и в единицах активности радионуклида А_пор может быть также выражен по формулам, аналогичным формуле (4)

,

.

Прямая пропорциональность между потоком излучения и массой ядерного материала выполняется, например, для нейтронного излучения. Для рентгеновского и гамма-излучения прямая пропорциональность нарушается по причине самопоглощения этих излучений.

Поясним сказанное примером. Допустим, что для радиационного монитора нейтронного излучения при среднем фоне 0,3 с^-1 из 100 испытаний произошло 76 обнаружений источника излучения, содержащего 101 г Pu. Определим по этим данным порог обнаружения для нейтронного излучения.

Вероятность обнаружения р, найденная по биномиальному распределению, равна 0,69. Порог регистрации L для принятой в данном случае вероятности ложного срабатывания равен 6 с^-1. Тогда средний счет с источником К из формулы (2) будет равен 7 с^-1. При фоне 0,3 с^-1 порог обнаружения будет

.

Это значение на 15 г Pu точнее тех 101 г Pu, которые в этом случае дает алгоритм оценки порога обнаружения по прототипу.

Если же при среднем фоне 0,3 с^-1 из 100 испытаний зафиксировано 25 обнаружений источника излучения, содержащего 101 г Pu, тогда р=0,19; K=2,6 и M_пop=251 г Pu. По прототипу в этом случае вообще нельзя определить порог обнаружения, так как число срабатываний радиационного монитора меньше необходимых 59. Примеры определения порогов обнаружения радиационных мониторов нейтронного излучения представлены в таблицах 2 и 3.

Были определены пороги обнаружения носимого, пешеходного и транспортного радиационного монитора с помощью источников излучения с разными потоками нейтронов деления и разным фоном. Для носимого варианта один источник излучения соответствовал по потоку нейтронов деления 3,4 г Pu, второй - 10,1 г Pu. Для радиационных мониторов пешеходного и транспортного исполнения один источник излучения соответствовал 101 г Pu, второй - 636 г Pu.

Таблица 2 Результаты определения порога обнаружения носимого радиационного монитора Исполнение ТМНИ83 Масса СО, г Pu 3,4 10,1 Среднее Фон, с^-1 Порог обнаружения, г Pu Фон, с^-1 Порог обнаружения, г Pu Порог обнаружения, г Pu Пешеходный 0,05 10,9 0,11 12,3 11,6 0,23 18,1 0,52 18,6 18,4 Транспортный 0,05 34,9 0,11 31,4 33,2

Как видно из табл.2, значения порогов обнаружения, полученные с разными источниками нейтронов, хорошо согласуются друг с другом. Отличие от среднего значения - в пределах 7%. В качестве результата определения порогов обнаружения выбирают среднее значение.

Таблица 3 Результаты определения порога обнаружения радиационных материалов стационарного исполнения Тип РМ Порог обнаружения для СО разной массы ЯМ, г Pu 101 636 среднее Пешеходный 198 219 210 Транспортный (легковой транспорт) 315 327 320 Транспортный (грузовой транспорт) 302 327 330

Как видно из таблицы 3, значения порога обнаружения, полученные с разными источниками нейтронов, хорошо согласуются друг с другом. Отличие от среднего значения - в пределах 6%. В этом случае оба источника ядерных материалов или радиоактивных веществ не подходили для испытаний - один из-за существенно малой, другой из-за существенно большой эквивалентной массы ядерного материала. Для источника с меньшей эквивалентной массой Pu число обнаружений находится в пределах 10 из 100 испытаний. Для источника с большей эквивалентной массой Pu число обнаружений превышает 90 из 100 испытаний. Среднее значение порога обнаружения согласуется с порогами представленных радиационных материалов для зоны их максимальной чувствительности, где число сигналов тревоги более представительно.

Следует отметить, что три из используемых источников не дают никакого результата при традиционном определении порогов обнаружения, так как число обнаружений меньше необходимого. Источник с эквивалентной массой Pu 636 г завышает пороги обнаружения в 2-3 раза.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет не только уменьшить погрешность определения порога обнаружения радиационного монитора по сравнению с данными традиционного способа, но и получить результат тогда, когда определение порога обнаружения радиационного монитора традиционным способом невозможно. Способ определения порога обнаружения радиационного монитора позволяет, опираясь на один раз полученные экспериментальные данные в конкретных условиях измерения, делать расчет порога обнаружения, числа обнаружений, значений фона для других условий измерения.

Ниже представлены практические примеры таких численных расчетов для конкретного пешеходного варианта нейтронного радиационного монитора.

Задача.

Дано: Для радиационного монитора нейтронного излучения при среднем фоне 0,3 с^-1 произошло 76 обнаружений из 100 испытаний источника с эквивалентной массой 101 г Pu.

Найти:

1. Порог обнаружения в г Pu, ожидаемые порог и число обнаружений этого источника при фоне 0,1 с^-1 и порог обнаружения при других значениях фона.

2. Минимальный фон, при котором порог по массе будет в 4 раза больше, чем

а) при фоне 0,3 с^-1;

б) при фоне 0,1 с^-1.

Для решения необходимо привести значения порога регистрации в зависимости от фона для принятой в данном случае вероятности ложных обнаружений, таблица 4.

Таблица 4 Порог регистрации ТСРМ85 в зависимости от фона Фон, с^-1 0,1 0,2 0,3-0,4 0,5-0,6 0,7-0,9 1,0-1,2 1,3-1,6 1,7-2,0 2,2-2,4 1,7-1,8 Порог, с^-1 4 5 6 7 8 9 10 11 12 10

1. Порог обнаружения при фоне 0,3 с^-1 найден в примере, приведенном в тексте выше, и равен 86 г Pu, причем K=7 с^-1, а чистый счет от источника K_ист=K-K_ф равен 6,7. Значение K_ист, является определяющим для последующих расчетов.

При фоне 0,1 с^-1, L=4 с^-1 и вероятность обнаружения будет ; в переводе на 100 испытаний из выражения (1) это будет 95 обнаружений. Тогда М_пор=101·3,9/6,7=59 г.

При фоне 0,2 с^-1, L=5 с^-1 и М_пор=101·4,8/6,7=72 г и т.д. Результаты расчета представлены в таблице 5.

Таблица 5 Пример расчета порога обнаружения в зависимости от фона Фон, с^-1 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 1,2 1,4 1,8 2,2 2,6 Порог, г 59 72 86 101 118 136 156 179 206 240

2. а) Порог в 4 раза больше чем при фоне 0,3 с^-1 будет 86·4=344 г.

При этом чистый счет K_ист также увеличится в 4 раза, т.е. K-K_ф=4(7-0,3)=26,8 с^-1. Отсюда K=26,8+K_ф.

Так как для порога обнаружения вероятность обнаружения равна 0,5, т.е. L=K, то ищем такой фон, чтобы выполнялось равенство L=27+Kф. Это равенство выполняется при K_ф≈33 с^-1.

б) Порог обнаружения в 4 раза больше чем при фоне 0,1 с^-1 будет 59·4=236 г. При этом K-K_ф увеличится в 4 раза, т.е. K-K_ф=(7-0,3)·236/86=18,4 с^-1. Отсюда K=18,4+K_ф. Так как для порога обнаружения вероятность обнаружения равна 0,5, т.е. L=K, то ищем такой фон, чтобы выполнялось равенство L=18,4+K_ф. Это равенство выполняется при K_ф≈13 с^-1.

Изобретение относится к ядерной технике, а именно к области радиационного мониторинга, и может быть использовано в машиностроении, медицине и других отраслях для контроля несанкционированного перемещения ядерных материалов и других радиоактивных веществ. Сущность изобретения заключается в том, что в качестве стандартного образца используют источник в виде ядерного материала или радиоактивного вещества с произвольным потоком излучения Ф, находят среднее значение суммарного счета К фона К_ф и дополнительного излучения, зарегистрированного блоком детектирования, путем сравнения вероятности обнаружения р, определенной из биномиального распределения вероятности обнаружений источника излучения в виде ядерного материала или радиоактивного вещества и интегральной вероятности Р_k(К) числа отсчетов k блока детектирования радиационного монитора, находят значение порогового потока излучения Ф_пор из выражения

,

где L - порог регистрации, определяемый на основании установленной вероятности ложных тревог и фона К_ф. Технический результат - уменьшение погрешности определения порога обнаружения радиационного монитора при использовании источника с произвольным потоком излучения. 5 табл.

Способ определения порога обнаружения радиационного монитора на основании подсчета числа n обнаружений стандартного образца ядерного материала или радиоактивного вещества из N испытаний при заданной доверительной вероятности, отличающийся тем, что в качестве стандартного образца используют источник излучения в виде ядерного материала или радиоактивного вещества с произвольным потоком излучения, измеряют величину произвольного потока излучения, находят среднее значение суммарного счета, значение фона и дополнительного излучения, зарегистрированного блоком детектирования, путем сравнения вероятности обнаружения р, определенной из биномиального распределения вероятности обнаружения источника излучения в виде ядерного материала или радиоактивного вещества и интегральной вероятности Р_k(К) числа отсчетов k блока детектирования радиационного монитора, находят значение порогового потока обнаружения радиационного монитора из выражения:

где Ф_пор - значение порогового потока обнаружения радиационного монитора;
Ф - величина произвольного потока излучения;
K_ф - значение фона;
L - порог регистрации, определяемый на основании установленной вероятности ложных тревог и фона К_ф;
К - среднее значение суммарного счета.