СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ АНОМАЛИЙ В ПРИРОДНОЙ СРЕДЕ В ПОТОКЕ "IN-SITU" Российский патент 2015 года по МПК G01T1/169 G01T1/16 

Изобретение относится к области экспериментальных методов ядерной физики, разработки методов и средств измерения радиоактивности в природных средах, обнаружения и идентификации аномальных гамма-зон.

Экологический мониторинг прибрежных вод и воздуха приводной атмосферы предполагает, в том числе, и контроль поля радиоактивности природных сред. Его цель - получение временных рядов данных натурных определений концентраций более или менее полного набора радиоактивных компонентов искусственного и естественного происхождения для анализа пространственно-временного распределения их вариаций (в этом смысле употребляется термин "в потоке"), трендов и пиковых выбросов и, на основе решения фоновой задачи и задачи обнаружения и идентификации, - выработки административных, командирских, исследовательских и других решений. Они. принимаются в соответствии с разработанными критериями экологической ситуации, критериями опасности.

Прежде всего, это чисто дозиметрическая задача радиационной безопасности населения и контроль аварийных ситуаций - мониторинг искусственной радиоактивности в воздушной и водной среде по проявлениям в поле концентраций наиболее репрезентативных ее представителей, а также контроль и изучение процессов динамики воздушных и водных масс по проявлениям в поле концентраций естественной радиоактивности.

Известен стандартный способ обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий в природной среде в потоке "in-situ" [1], принятый в качестве прототипа заявленного технического решения. Согласно прототипу, детектор излучения (представляющий собой сцинтиблок на основе монокристалла Nal(Tl) или CsI(Tl), ФЭУ или ФД, а также схемы питания и передачи сигнала, помещенные в герметичную капсулу), размещается в среде, и спектрометрическая - по энергии - информация по линии связи передается в бортовое регистрирующее. устройство.

Сходными с существенными признаками заявленного технического решения являются такие признаки прототипа: использование одного или нескольких идентичных независимых спектрометрических каналов гамма-излучения, регистрация временного ряда интенсивности гамма-излучения среды за выбранный интервал времени и осуществление градуировки гамма-спектрометрических каналов путем определения градуировочной кривой по положению центров пиков полного поглощения гамма-излучения.

Для детектирования, идентификации и определения статистических параметров флуктуаций компонентного состава и активности гамма - излучателей используются характерные для них энергетические параметры излучения, а именно: временные ряды счетности в диапазоне энергий пика полного поглощения. (ППП) гамма - излучателя, интересующего исследователя.

Важным этапом таких измерений является процесс градуировки (калибровки) измерительного тракта прибора - установление энергетической шкалы спектрометра - калибровочной кривой E_i=f(i) (здесь E_i - энергия [МэВ] центра i-того канала спектрометра).

В прототипе для осуществления калибровки гамма-спектрометрического тракта прибора измерения периодически прерываются, в исследуемую среду вносятся образцовые спектрометрические гамма источники излучения (ОСГИ) и проводится калибровка тракта усиления сигнала (энергия излучения - номер канала спектрометра) по ППП образцовых источников излучения. На основании данных калибровки контролируют работу спектрометрического канала, выделяют диапазон каналов спектрометра, содержащий ППП исследуемого излучателя, и получают параметры для критериев выбраковки статистической информации и, наконец, удаляют ОСГИ и продолжают измерения. Процедура длительная, трудоемкая и, в определенной степени, небезопасная.

Ввиду того, что применяемые спектрометры для средних интервалов энергий ~ 0,1-3,0 МэВ имеют близкий к линейному характер изменения номера канала с энергией, калибровку проводят по двум-трем характерным ППП в спектрах излучения и по предварительным калибровочным данным, полученным с помощью ОСГИ, скорректированных на случай изотропного источника излучения. По результатам калибровки устанавливаются репрезентативные энергетические ' диапазоны для отдельных излучателей или их групп, в которые попадает излучение именно этих радионуклидов. Набор статистики в них интерпретируется как активность соответствующего компонента с учетом фоновых процессов, а параметры временного ряда адекватно отражают изменение радиоактивности среды или набора образцов. Отсюда очевидна необходимость тщательного проведения операции калибровки тракта, а в связи с возможной и часто наблюдаемой нестабильностью коэффициента усиления последнего - более или менее частой перекалибровки. Идеально для исследователя было бы иметь в распоряжении калибровочные параметры параллельно и синхронно с процессом измерения гамма-поля природной среды.

Ступенчатая регулировка коэффициента усиления спектрометрических трактов гамма-комплекса, а также разное положение нулевого порога амплитудных анализаторов практически не позволяют добиться стандартной энергетической шкалы для всех спектрометрических каналов. Более того, в процессе измерения возможны малые длиннопериодные флуктуации этих параметров, например, из-за нестабильности температурного режима погружного устройства, которые могут привести к кажущимся временным флуктуациям активности среды. Поэтому необходимо алгоритмическое приведение энергетической шкалы каналов к стандартной и контроль за вариациями калибровочных соотношений во времени.

Обычно процесс проведения градуировки состоит в определении положения центров пиков полного поглощения (ППП) образцовых спектрометрических гамма-источников (ОСГИ) в их энергетическом спектре гамма-излучения, и по нескольким реперным точкам (количество и положение которых определяется составом ОСГИ) - построении градуировочной кривой.

Прототип имеет ряд существенных недостатков, часто ограничивающих возможности этого метода, а именно:

- прерывание процесса измерения гамма-поля природной среды в связи с необходимостью калибровки измерительного тракта, что снижает полноту получаемой информации о процессах, протекающих в среде;

- необходимо иметь набор ОСГИ, что само по себе достаточно дорого и хлопотно, и включает в себя ряд формальных процедур (регистрация, поверка, комплекс мер радиационной защиты персонала, сохранность, а также процедуры хранения, выдачи, передачи и пр.);

- такой способ для измерений в режиме реального времени (типа измерений "in-situ") не позволяет проводить перекалибровку тракта измерения, т.к. детектор. находится в активной среде, куда доставка ОСГИ невозможна, нежелательна или сопряжена со значительными техническими трудностями [2], а извлечение прибора существенно прерывает процесс измерения;

- процесс калибровки-перекалибровки измерительного тракта по ОСГИ занимает достаточно длительное время, сравнимое со временем измерения пробы или натуры; на это время аппаратура занята, измерение "сигнала" прервано, в эффективном объёме среды детектора оказываются посторонние, относительно исследовательской задачи, источники излучения, что значительно снижает темп, собственно, исследований;

- если же ОСГИ имеют более высокие активности, то возможны принципиальные сомнения в адекватности перекалибровки по ОСГИ при исследовании низкоактивных сред, в принципе, т.к. известно, что при измерениях. высоких интенсивностей меняются параметры фотосбора в системе кристалл-ФЭУ, что приводит к нестабильностям коэффициента усиления тракта, т.е., вообще говоря, для каждой интенсивности - свои калибровочные параметры;

- кроме того, спектрометрический тракт обладает определённой временной нестабильностью параметров калибровки, поэтому в процессе измерения необходима непрерывная калибровка-перекалибровка тракта, т.е. калибровка должна осуществляться не "до" и/или "после" начала измерений, а именно "в процессе" измерений.

В основу изобретения поставлена задача создания способа обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий в природной среде в потоке "in-situ", совокупностью существенных признаков которого обеспечивается новое техническое свойство - обеспечение непрерывности измерений с одновременным непрерывным получением в процессе этих измерений калибровочных данных. Особенно это новое свойство проявляется при исследованиях таких флуктуационных явлений, как, например, поиск, обнаружение и идентификация в океане акваторий по наличию в воде аномальных гамма-зон от инжектированной искусственной радиоактивности буксируемым гамма-спектрометром или свежей воздушной массы над контролируемой територией стационарным постом наблюдения. Указанное новое свойство обусловливает достижение технического результата изобретения - достижение требуемой полноты статистической информации о флуктуационных процессах в среде.

Поставленная задача решается тем, что в способе обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий в природной среде в потоке "in-situ", при котором используют один или несколько идентичных независимых' спектрометрических каналов гамма-излучения, регистрируют временной ряд интенсивности гамма-излучения среды за выбранный интервал времени и осуществляют градуировку гамма-спектрометрических каналов путем определения градуировочной кривой по положению центров пиков полного поглощения гамма-излучения, новым является то, что в процессе градуировки гамма-спектрометрических трактов в качестве излучателей гамма-излучения используют заданные естественные излучатели, содержащиеся в среде, регистрируют за выбранный интервал времени энергетический спектр гамма-излучения этих излучателей и выделяют из полученного спектра пики полного поглощения гамма-излучения этих излучателей.

В настоящее время использование спектрометрической техники в натурных исследованиях полей гамма-излучения природных сред оправдано для осуществления процессов идентификации излучателей и определения параметров флуктуаций их активности в среде. Изобретением предлагается сделать это по параметрам измеряемого (исследуемого) излучения среды или пробы. Подробно состав спектров излучения морских сред представлен в [2]. Такими ППП могут быть 2.6, 2.2, 1.76, 1.46, 1.15, 0.92, 0.55, 0.35, 0.24 МэВ для общего гамма-фона и 2.6, 1.76, 1.15, 0.88, 0.58 МэВ для каскадного излучения среды. Все они имеют естественное происхождение, это кванты, сопровождающие распад ядер К-40, а также радионуклидов членов U и Th рядов. То обстоятельство, что соотношение их концентраций в морских средах имеет малые вариации, позволяет использовать их для калибровки трактов в процессе измерения даже без предварительной калибровки по ОСГИ.

Квантовый характер поля гамма-излучения обусловливает специфические условия процесса измерения и обработки спектрометрической информации. Дополнительная (ядернофизическая, в отличие от гидрофизической, связанной с вариациями концентраций изотопов-излучателей в среде) случайная составляющая поля обеспечивает нормальность статистических процессов при регистрации частиц и определяет методы обработки статистической информации.

Заявленный способ поясняется следующим. Процедура способа основана на предположении о том (и это подтверждено экспериментально [2]), что спектр, излучения однородной изотропной среды с равномерно распределенными источниками излучения представляет собой суперпозицию ППП названных энергий гауссовой формы и фоновой подложки экспоненциального вида. Она состоит из следующих этапов: определение параметров кривой натурного спектра; выделение ППП излучателей, надежно идентифицируемых над фоновой подложкой спектра; получение параметров калибровки спектрометрического тракта.

Способ осуществляют следующим образом.

Определение параметров кривой натурного спектра состоит из последовательности процедур вписания методом наименьших квадратов (МНК) в экспериментальные точки кривой, описывающей фоновую подложку, и, последовательно, значимые ППП по мере их идентификации. В принципе, это. задача распознавания образов, состоящая в отнесении объекта на основании сочетания признаков в ту или другую из заранее определенных и охарактеризованных групп совокупности модельных спектров. Однако, любая такая, достаточно сложная, процедура может быть сведена, в конечном итоге, к простым операциям, а именно:

1. Вписание МНК в экспериментальные точки I⁽⁰⁾ кривой вида

Вычитание из экпериментального спектра значений поканально. Полученный разностный спектр представляет собой набор ППП, отмеченных выше энергий, гауссовского типа с хвостами распределения, уходящими под ось абсцис.

2. Аппроксимация МНК полученных ППП гауссовскими кривыми типа

и выделение наибольшего из них, идентифицируемого как ППП 1,46 МэВ по параметру d с определением его местоположения по параметру e_1.46.

3. Определение границ положения ППП 1.46 МэВ, корректировка параметра, с, расчет значений его вклада в экспериментальный спектр, вычитание его из экспериментального спектра и получение спектра Ι^(1,46) - без калиевой компоненты.

4. Повторение операций, указанных в пунктах 1-3 для выделения следующего наибольшего ППП. Его идентификация осуществляется с учетом значения е^(1,46) и предположением о том, что калибровочная прямая проходит через начало координат.

5. Аналогичным образом осуществляется последовательная идентификация других статистически обеспеченных ППП из обозначенных выше и получение калибровочных параметров e⁽ⁱ⁾=f(E).

Скважность калибровки (время осреднения экспериментального спектра) для получения статистически обеспеченных параметров калибровочной прямой напрямую не связана со временем экспозиции и определяется следующим образом.

Ошибка определения положения ППП находится зависимостью [3]:

где 1/χ²=2/σ²-1/6σ⁴;

σ² - дисперсия;

n₁, n₂ - номера граничных каналов;

n₀ - положение центра;

n₃=n₁+1;

2k - число каналов, которое занимает ППП;

S₀ - экспериментально полученная площадь ППП.

Оценка требуемой величины скважности τ (по порядку величины) калибровки-перекалибровки спектрометрического тракта для обеспечения ее статистической надежности выглядит следующим образом:

- реально требуемая точность определения положения пика ППП составляет 1 канал спектрометра S(n₀)=1,0 канала;

- дисперсия ППП (σ²) определяется разрешающей способностью прибора и для детекторов Nal(Tl) средних размеров составляет ≈10%, поэтому в первых 20-30 каналах спектрометра ППП мало репрезентативны (они имеют ширину 2-3 канала), т.е. задача тривиальна;

- ширина нормального распределения для 5%-ного уровня значимости составляет 4σ, отсюда полуширина основания ППП k=2σ;

- подставляя значения параметров в выражение (3), получаем величину S₀=τI_ППП. Значение ее для ППП с n₀ от 50 до 500 изменяется от ~ 0.3 до ~ 0.03;

- площадь ППП определяется активностью среды и составляет ~ 1имп/с для ППП 1.46.МэВ, ~ 0.1 имп/с для фотопиков мягких энергий, и ~ 0.01 имп/с для жестких энергий.

Полученные подстановкой этих значений в выражение для S₀ оценки τ представляются слишком оптимистичными даже для минимальных S²(n₀). Во всяком случае, обычно используемые при спектрометрии времена экспозиции, ~ 1-10 мин, заведомо надежно обеспечивают калибровку спектрометрических трактов.

Непрерывная (плавающая) калибровка спектрометра позволяет устранить флуктуации собственного фона детектора (СФД), связанных с нестабильностью. коэффициента усиления спектрометрического тракта прибора с характерной постоянной времени ~1 часа в пределах полученной ошибки определения положения ППП. При этом неконтролируемыми остаются короткопериодные флуктуации коэффициента усиления. Принцип многоканальности позволяет снизить вклад флуктуаций СФД отдельных измерительных каналов при условии их идентичности и независимости.

Предложенный метод калибровки спектрометра по ППП изотопов исследуемой среды имеет ряд существенных преимуществ перед известным стандартным способом калибровки с использованием ОСГИ - это непрерывность и полнота статистической информации при проведении спектрометрии природных сред в потоке при решении задачи обнаружения и идентификации изменчивости гамма-поля. При известном способе калибровки спектрометрического тракта необходимо извлечь прибор из потока или доставить ОСГИ к детекторам, находящимся в потоке, и произвести калибровочные измерения. Эта процедура принципиально прерывает процесс поиска и идентификации аномалий радиоактивности, теряется ценная статистическая информация о среде, теряется темп исследований или поиска, возникают пропуски в объективной картине поля радиоактивности среды, и, что самое главное, возможен пропуск важного флуктуационного явления. Кроме того эта процедура, как правило, достаточно сложна технически, появление посторонних, по отношению к среде, источников излучения в зоне детектора излучения часто меняет параметры его работы, а иногда и параметры исследуемой среды, и требует далее определенных мер к их восстановлению и стабилизации, к тому же эта процедура определенной степени, небезопасна.

Всякий исследователь, осуществляющий мониторинг тех или иных параметров или процессов, сталкивался с этой проблемой - проблемой неполноты экспериментальных данных, проблемой их отсутствия в самый важный момент. Этого недостатка лишен предлагаемый метод исследований. Кроме того, он обладает принципиальным достоинством - возможностью ретроспективного анализа записанного непрерывного образа поля радиоактивности среды. Обычно, непрерывный мониторинг осуществляется в выбранном определенном формате обработки статистической информации и для случая рваных рядов (а именно такую информацию дает стандартный способ-прототип) невозможны дополнительные исследования параметров активности среды, например, по другим критериям значимости. В отличие от этого, в процессе градуировки предложенным методом-записанная статистическая информация может быть подвергнута дополнительной статистической обработке с изменением формата и даже формализма и идеологии обнаружения и идентификации, включая любые способы межканального контроля ее качества и коррекционной калибровки и перекалибровки.

Заложенный в заявленном способе новый процесс градуировки достаточно прост и включает набор статопераций над экспериментальными данными. При этом скважность градуировки не является ограничивающим фактором при спектрометрии морских сред.

Источники информации:

1. Гринев Б.В., Рыжиков В.Д., Семиноженко В.П. Сцинтилляционные детекторы и системы контроля радиации на их основе. Киев, "Наукова думка", 2007 г., С. 451 - прототип.

2. Лукашин И.Ф., Еремеев В. Н. Геофизические аспекты формирования полей гамма-излучения морской воды. "Геофизический журнал", Киев, "Наукова думка", 1983, т. 5, № 2,- С. 82-87.

3. Виноградов А.С., Виноградова К.Г. Особенности обработки экспериментальных гамма-спектров при исследовании радиоактивности океана. "Морские гидрофизические исследования", Севастополь, 1969, № 1(43),-С. 212-218.

Изобретение относится к области экспериментальных методов ядерной физики, разработки методов и средств измерения радиоактивности в природных средах, обнаружения и идентификации аномальных гамма-зон.

Технический результат - достижение требуемой полноты статистической информации о флуктуационных процессах в среде.

Сущность: используют один или несколько идентичных независимых спектрометрических каналов гамма-излучения и регистрируют временной ряд интенсивности спектрального состава гамма-излучения среды за выбранный интервал времени. Осуществляют градуировку гамма-спектрометрических каналов путем определения градуировочной кривой по положению центров пиков полного поглощения гамма-излучения. При этом в процессе градуировки гамма-спектрометрических трактов в качестве излучателей гамма-излучения используют заданные естественные излучатели, содержащиеся в среде, регистрируют за выбранный интервал времени энергетический спектр гамма-излучения этих излучателей и выделяют из полученного спектра пики полного поглощения гамма-излучения этих излучателей. По полученным данным обнаруживают и идентифицируют радиоактивные аномалии.

Способ обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий в природной среде в потоке «in-situ», заключающийся в том, что используют один или несколько идентичных независимых спектрометрических каналов гамма-излучения, регистрируют временной ряд интенсивности спектрального состава гамма-излучения исследуемой среды за выбранный интервал времени и осуществляют градуировку гамма-спектрометрических каналов путем определения градуировочной кривой по положению центров пиков полного поглощения гамма-излучения, отличающийся тем, что в процессе градуировки гамма-спектрометрических трактов в качестве излучателей используют заданные естественные излучатели, содержащиеся в исследуемой среде, регистрируют за выбранный интервал времени энергетический спектр гамма-излучения этих излучателей и выделяют из полученного спектра пики полного поглощения гамма-излучения этих излучателей, и по полученным данным обнаруживают и идентифицируют радиоактивные аномалии.