СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЯДЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РАДИОЗОНДИРОВАНИЕМ Российский патент 2013 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к техническим средствам регистрации ионизирующего излучения объектов ядерных технологий (ОЯТ) и может быть использовано при поиске стационарных и мобильных ОЯТ.

ОЯТ традиционно контролируются приборами и методами радиационной разведки с использованием в качестве основного признака обнаружения - гамма-нейтронное излучение делящихся материалов. Излучение регистрируется на небольших расстояниях от объекта, например, для мобильного объекта обнаружение осуществляется на расстояниях, составляющих несколько десятков метров.

Известен «Способ дистанционного обнаружения ядерных зарядов» [Патент RU 2068571 С1, МПК 6 G01T 1/29]. Способ позволяет контролировать наличие ядерных зарядов на расстояниях в несколько метров и времени контроля, измеряемом часами. Обнаружение проводится, по сравнению доз гамма - излучения, в диапазонах от 1,5 до 2 Мэв и от 9,9 до 11,8 Мэв. При превышении установленной величины делают вывод, что в зоне обследования находятся ядерные заряды.

Недостатками способа являются малая дальность обнаружения и большое время экспозиции, что приемлемо для очень малого круга задач обнаружения неподвижных объектов, и неприемлемо для мобильных объектов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ обнаружения источников ионизирующего излучения (варианты)» [Патент RU 02230339 С2, G01T 1/167], заключающийся в радиолокации приземного слоя атмосферы. Локацию осуществляют электромагнитными сигналами на частотах генерации излучений образующихся свободных атомов водорода и 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, для гидроксила ОН - не более 900 кГц. Регистрацию наличия источника ионизирующего излучения осуществляют по величине поглощения сигнала. Атомы водорода и гидроксильные группы ОН поглощают кванты зондирующего электромагнитного излучения. Сигнал, отраженный от ионизованного слоя атмосферы над объектом, например, ядерной энергетики, будет отсутствовать. Тогда на экране индикатора кругового обзора радиолокационной станции (РЛС) в местах расположения источников ионизирующего излучения появляются неподвижные темные пятна.

Недостатком прототипа является наличие ограничения на физическое состояние атмосферы, которое будет выполняться не всегда. Кроме того, радиолокация на указанных фиксированных частотах исключает обнаружение, когда реализуются условия, при которых существующая электронная концентрация в окрестности объекта обеспечивает полное отражение.

Целью изобретения является повышение дальности обнаружения ОЯТ за счет использования в качестве признака обнаружения радиоизлучение, отраженное от ионизованной окрестности ОЯТ. Одновременно повышается скрытность и независимость применения средств обнаружения, снижается трудоемкость поиска и обнаружения ОЯТ, сокращается время поиска, что особенно важно при возникновении угроз ядерного терроризма.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем регистрацию отраженного излучения фиксированной частоты, измерение превышения регистрируемого излучения над фоном и выдачу сигнала о наличии объекта, согласно изобретению производят радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксируют техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряют его величину, определяют максимальное значение от частоты и, при его превышении над фоном, принимают решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.

Новизна предлагаемого изобретения состоит во введении новых операций, использующих, в качестве основного признака обнаружения, отраженное от ионизованной окрестности ОЯТ радиоизлучение, измеряемое средствами обнаружения, как нового признака обнаружения, значительно увеличивающего дальность обнаружения и возможности обнаружения.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна».

Анализ известных технических решений в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод о том, что по отдельности составляющие рассматриваемого способа известны. Однако, применение их в предлагаемом способе для решения задачи обнаружения объектов, принадлежащих к ОЯТ, придает этому способу в целом новые свойства. Рассматриваемый способ также обеспечивает повышение скрытности и независимости применения средств обнаружения, снижается трудоемкость поиска и обнаружения ОЯТ, сокращается время поиска, что особенно важно при возникновении угроз ядерного терроризма.

Таким образом, изобретение имеет «изобретательский уровень», так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня развития науки и техники.

Изобретение может быть использовано в области промышленности, связанной с созданием технических средств обнаружения ОЯТ, в охранно-сигнализационных системах для не интрузивного дистанционного контроля наличия радиоактивных материалов, для дистанционного контроля радиоактивных выбросов, загрязнений и слежения за их распространением, а также при перевозке нового и отработанного горючего для ядерных реакторов.

Таким образом, изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

Способ обнаружения ОЯТ радиозондированием включает следующие операции:

- радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта;

- фиксацию техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования;

- измерение величины отраженного сигнала;

- определение максимального значения отраженного сигнала от частоты;

- определение превышения отраженного сигнала над фоном;

- принятие решения о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.

Способ обнаружения ОЯТ радиозондированием работает следующим образом.

Радиоактивные излучения делящихся материалов, наряду с традиционными признаками обнаружения, обусловленными регистрацией гамма и нейтронных потоков, создают и другие поля, которые могут обнаруживаться существующими или, при необходимости, специально созданными техническими средствами. Нетрадиционным информативным признаком наличия в зоне контроля источника радиоактивности может быть повышенная степень ионизации воздуха в окрестности объекта.

Регистрация наличия такого повышения или его изменения во времени и будет являться информативным признаком, указывающим на наличие радиоактивного источника внутри контролируемого объекта. Причем, рассматриваемый признак обнаружения может однозначно трактоваться наличием ОЯТ.

Перевозка или размещение открытых образцов делящихся материалов, за исключением радиоактивных загрязнений, вряд ли возможна. Перевозка радиоактивных источников проводится в контейнерах, причем само изделие находится в конструкции, близкой к герметичной, из металла или других плотных конструкционных материалов. Такая компоновка защищает от выхода материалов из изделия, попадания влаги внутрь конструкции, коррозии и, одновременно, поглощает радиоактивные α и β - излучения. За пределы изделия или контейнера, в котором оно находится, выходит гамма-нейтронное излучение, представляющее интерес для оценки ионизационной картины в окрестности ОЯТ.

Гамма-нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью и распространяется от источника на расстояния, превышающие сотни метров. В силу этой особенности образование ионных пар будет иметь распределение, имеющее максимальное значение на расстоянии R_max от источника с последующим уменьшением. Величина R_max и максимальная концентрация ионных пар или ионизации n_e будет зависеть как от мощности источника ионизирующих излучений, так и от величины начальной энергии вылетающих γ-квантов и нейтронов.

Проблемой распространения нейтронов, как в однородной, так и в неоднородной средах, занимаются давно. Она изучена достаточно хорошо и представлена, например, для однородной среды в работе [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973].

Пространственное распределение плотности потока нейтронов Ф часто аппроксимируют зависимостью вида [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973]

где С(Е), λ(E) - константы для данного спектрального распределения источника;

Е - начальная энергия нейтрона;

R - расстояние от источника.

Коэффициент вместо кажущегося , соответствующего обычному пространственному расхождению, оказывается более приемлемым, особенно для небольших R.

На длине свободного пробега нейтроны претерпевают рассеяние и поглощение, причем макроскопическое сечение рассеяния значительно больше, чем поглощения. Поэтому длина пробега определяется, в основном, длиной рассеяния. Поскольку поглощение нейтронов для многих сред, в том числе и для воздуха, описывается законом , где V - скорость нейтрона, то поглощение нейтронов происходит, в основном, при малых «тепловых» скоростях.

Поглощаясь ядрами среды, нейтроны обеспечивают выход ионизирующего гамма-излучения. Аналитическое описание нейтронных сечений и длин пробега в воздухе приводится, например, в работе [Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М., Наука, 1977].

Пространственное распределение нейтронов точечного источника вблизи раздела двух сред существенно отличается от распределения в бесконечной среде. Это, в основном, связано с различием в плотности сред (~1000). Следовательно, длина пробега нейтронов будет сильно отличаться на близких расстояниях, так как за счет отражения наблюдается увеличение плотности нейтронов. Однако с ростом расстояния и падением скорости нейтронов происходит их поглощение и плотность потока падает. Аналогично при повышении положения детектора над землей ее влияние уменьшается и распределение приближается к распределению в бесконечной воздушной среде. Таким образом, на расстояниях, превышающих длину рассеяния, плотность распределения нейтронов будет близкой, а, следовательно, радиационные картины поглощения и ионизации будут близкими.

Длина пробега нейтрона L в воздушной среде может быть описана выражением [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.]

где Е - начальная энергия нейтрона в электрон-вольтах;

L - длина пробега нейтрона в метрах.

В работе [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.] показано, что вклады захватов промежуточных и тепловых нейтронов сравнимы до расстояний ~400 м. На больших расстояниях основным процессом является захват тепловых нейтронов.

Происходящие захваты нейтронов сопровождаются образованием гамма-излучения, которое, в свою очередь, вызывает различные вторичные эффекты (ионизацию, свечение воздуха, ток комптоновских электронов, генерирующих электромагнитные поля, и др.).

Число гамма-квантов , образующихся в единицу времени в окрестности точки , где - радиус вектор с началом в источнике нейтронного излучения, в результате радиационного захвата для воздушной среды будет определяться выражением [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.]

где n_γ - средний выход гамма - квантов на один радиационный захват;

- сечение радиационного захвата при скорости нейтрона V₀;

- полное макросечение взаимодействия нейтрона при скорости v₀;

τ - возраст нейтрона.

Средняя энергия гамма-излучения, образующегося при захвате нейтронов с энергией Е<4 Мэв, равна МэВ [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973].

Таким образом, на расстоянии каждый нейтрон, вышедший из источника, за счет гамма-излучения образует более 10⁴ электронов.

Вторым фактором, оказывающим влияние на ионизацию воздуха, является мгновенное и запаздывающее гамма-излучение, сопровождающее распад делящихся материалов. Основным процессом взаимодействия гамма-излучения с веществом является рассеяние, при котором выбиваются электроны из атомов и происходит ионизация.

В результате многократного рассеяния происходит накопление гамма-квантов в низкоэнергетической области. Для гамма-квантов с энергией порядка 200 КэВ перенос излучения приближается к диффузному [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973].

Обычно при проведении расчетов область распространения гамма-излучения разбивается на три составные части.

1) µR=0,5÷1, слабое накопление рассеянных квантов; пространственное распределение ~1/R;

2) µR=1÷8, пространственное распределение имеет сложную зависимость от R и начальной энергии источника;

3) µR>8, характеризуется большим накоплением рассеянных квантов,

где µ - линейный коэффициент ослабления излучения.

Поскольку для воздуха µ<2,0·10^-4 см^-1 [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.], то первая часть находится в диапазоне от 25 до 50 м, а третья - более 400 м. Оценки сделаны для малоэнергетичного диапазона энергий порядка 100 кэВ. С ростом энергии величина µ уменьшается, приводя к увеличению верхней границы указанных составных частей.

Ослабление интенсивностей гамма-лучей в веществе при условии, что пучок по энергиям очень узок, может оцениваться из выражения [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.]:

где I₀ - начальное значение интенсивности гамма - излучения на границе составных частей 1, 2, 3.

Величина µ является суммой коэффициентов ослабления

где µ_f, µ_c, µ_p - соответственно коэффициенты ослабления обусловлены фотоэффектом (энергии 10^-2÷10^-1 МэВ),

µ_c - комптон-эффект (энергия 1÷10 МэВ) и µ_p - образованием электронно-позитронных пар (энергия более 10 МэВ).

На каждом из этих диапазонов интенсивность гамма-лучей рассчитывается с учетом соответствующего коэффициента ослабления, которые имеются в соответствующих справочниках, например, в [Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М., Наука, 1977.].

Расчет ослабления интенсивности гамма-лучей в соответствующем диапазоне позволяет определить количество образовавшихся электронов за счет ионизирующего гамма-излучения, поскольку на образование одной пары ионов расходуется энергии около 33 эВ [Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М., Наука, 1977.].

Приведенные зависимости могут быть использованы для проведения оценочных результатов по определению степени ионизации воздушной среды при совместном воздействии гамма-нейтронного излучения.

Более точные методики и соответствующие программы расчетов существуют в большом количестве для получения более тонких результатов, объясняющих воздействие на электронную аппаратуру и систему управления.

Получение средней величины электронной концентрации среды может быть осуществлено путем оценки границ распространения гамма-нейтронного излучения и общего количества энергии, выделяемой источником, идущей на ионизацию.

Следует отметить, что нейтронная составляющая ионизации может иметь максимум, а для составляющей от гамма-излучения, согласно (6) таких неярко выраженных максимумов будет три - по числу слагаемых выражения (5).

Однако эти максимумы будут строго определенными для монохроматического излучения, а в случае широких пучков гамма-квантов, характерных для делящихся материалов, происходит размытие максимумов по координате.

Зондирование радиоволнами окрестности размещения источников ионизирующих излучений позволяет обнаружить изменение электронной концентрации и определить ее значение по отраженным сигналам от возникающих неоднородностей. При этом длина волны зондирующего излучения должна быть близкой к критической, для которой реализуется полное отражение, аналогичное отражению от ионосферных слоев. Электронная концентрация может быть рассчитана при наличии исходных данных, соответствующих излучениям реальных источников, или получена экспериментально путем проведения измерений на реальных объектах.

При зондировании окрестности источника радиоактивных излучений, отраженный сигнал возвращается назад через время ∆t_гр, причем место возвращения - величина R при этом не определяется. Однако точкой возврата является условия равенства нулю диэлектрической проницаемости ε, то есть

Значение действующей величины дальности возврата излучения R_g определяется выражением [Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Физматгиз, М., 1960.]

;

где N(r) - концентрация электронов в точке r;

ω - циклическая частота сигнала;

r - радиус-вектор;

m₁, e - масса и заряд электрона;

R_u(ω) - истинное расстояние до точки возврата.

Уравнение (7) может быть решено относительно R_u(ω). Знание истинного значения R_u(ω) позволяет найти электронную концентрацию из второй формулы выражения (7), так как ε(R_u)=0 согласно (6).

При наклонном падении радиоволны на ионизованную область отражение происходит при частотах, более высоких, чем при нормальном падении.

Критическая частота отражения при наклонном падении f_к,н определяется выражением

где f_н - критическая частота отражения при нормальном падении;

θ₀ - угол между нормалью к зондируемому слою и направлением

распространения сигнала.

Из (8) видно, что f_к,н может достаточно сильно отличаться, то есть при небольших концентрациях электронов в окрестности объекта контроля можно использовать высокочастотную аппаратуру для зондирования. При этом f_к,н, согласно (8) и (7) может быть выше на порядок и больше, так как критическая концентрация электронов в районе объекта пропорциональна квадрату частоты.

Полное отражение сигнала от слоя, как было показано выше, зависит от концентрации электронов, формы и толщины слоя и угла падения излучения на слой. Этими же параметрами определяется и коэффициент частичного отражения R_отр.

Отражение от толстого слоя, условие которого определяется выражением

где Z_m - толщина слоя;

λ_k - критическая длина волны. Коэффициенты пропускания D_пр и отражения связаны соотношением [Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Физматгиз, М., 1960].

где ∆f=f_к-f и f - частота падающего излучения;

с - скорость света.

Для выполнения (10) должно быть ∆f/f_к<<1.

Для зон контроля с радиусом порядка нескольких сотен метров условие (9) выполняется и коэффициенты отражения, и поглощения могут рассчитываться по формуле (10).

Для других условий, когда ∆f/f_к>1 или близко к единице расчетные формулы приведены в работе [Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Физматгиз, М., 1960]. При этом параметр, учитывающий электронную концентрацию, является определяющим, а формулы пригодны для инженерных расчетов.

Величина электронной концентрации, при которой происходит полное отражение зондируемого радиосигнала, может достигаться для сравнительно мощных источников радиоактивных излучений.

В частности, для нижней границы УКВ-диапазона (30 МГц) электронная концентрация согласно выражениям (7) должна быть порядка 10⁷ эл/см.

Для сигнала с длиной волны в 100 м (3 МГц) соответствующая электронная концентрация должна быть порядка 10⁵ эл/см³, а для 1000 м (30 кГц) - 10³ эл/см³. Эти величины могут реализоваться для обычных ОЯТ. Причем контейнеры, а также стенки вагонов не в состоянии существенно задержать проникающих излучений и повлиять на электронную концентрацию окрестности ОЯТ. При наклонном зондировании, как было показано выше, критическая частота отражения будет выше, что позволяет сделать предположение о возможности обнаружения даже средствами СИЧ диапазона.

При реализации предлагаемого изобретения оператор выбирает объект контроля, включает приемо-передающее устройство, измеряет фоновое значение радиосигналов в рабочем диапазоне частот, производит радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксирует техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряет его величину, определяет максимальное значение от частоты и при его превышении над фоном принимает решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.

Положительный эффект от использования изобретения состоит в:

- увеличении дальности обнаружения ОЯТ за счет использования в качестве основного признака обнаружение радиоизлучение, отраженное от ионизированного облака окрестности ОЯТ;

- повышении скрытности применения технических средств;

- обеспечении оперативности поиска и обнаружения ОЯТ;

- снижении уровня угрозы ядерного терроризма.

Предлагаемый способ обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием можно реализовать при помощи существующих или специально разработанных отечественных переносных радиолокационных средств типа РЛС СБР 1Л111, РЛС 1Л120. Следует отметить, что определение максимума отраженного сигнала от частоты позволяет рассчитать уровень электронной концентрации, что обеспечивает потенциальную возможность оценки количества делящихся материалов в районе наблюдения.

Использование: в способе обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием. Сущность: в способе обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием, включающем регистрацию излучения, измерение превышения регистрируемого излучения над фоном и выдачу сигнала о наличии объекта, производят радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксируют техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряют его величину, определяют максимальное значение от частоты и при его превышении над фоном принимают решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий. Технический результат: повышение дальности обнаружения ОЯТ, повышение скрытности и независимость применения средств обнаружения, сокращение времени поиска.

Способ обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием, включающий регистрацию излучения, измерение превышения регистрируемого излучения над фоном и выдачу сигнала о наличии объекта, отличающийся тем, что производят радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксируют техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряют его величину, определяют максимальное значение от частоты и, при его превышении над фоном, принимают решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.