УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ АЛЬФА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области радиационной экологии и может быть использовано для дистанционного поиска остатков ядерного топлива, например плутония, загрязняющих поверхности в результате аварий или в ходе производственных процессов.

Из существующего уровня техники известно устройство для дистанционной регистрации альфа-частиц, описанное в патенте [1], и его модификации, представленные в патентах [2÷7]. В устройстве [1] использована ионизационная камера с проницаемыми сетчатыми электродами, сквозь которые прокачивается воздух, содержащий аэроионы, возникшие в результате ионизации воздуха альфа-частицами. Детектирование излучения осуществляется путем измерения ионизационного тока между электродами.

Модификации устройств, описанные в патентах [2÷7], отличаются формой электродов, режимом подачи напряжения на электроды, способом транспортировки ионов в ионизационную камеру, режимом съема и обработки сигналов с выхода усилителя постоянного тока. Технические решения, используемые в устройствах, представленных в патентах [2÷7], направлены на повышение эффективности регистрации аэроионов, расширение области применения, снижение стоимости оборудования. Например, устройство [4] предназначено для регистрации радона, содержащегося в воздушной пробе, помещенной внутрь рабочего объема детектора. Общим признаком для устройств, представленных в патентах [1÷7], является наличие ионизационной камеры, предназначенной для измерения интегрального ионизационного эффекта, произведенного в воздухе излучениями разной природы, т.е. наряду с источниками альфа-излучения регистрируются источники бета- и гамма-излучения. Измерение ионизационного тока не позволяет различать источники излучения разной природы. Таким образом, с помощью устройств [1÷7] не осуществляется выделение ионизации от альфа-излучения на фоне сопутствующего бета- и гамма-излучения, что является их существенным недостатком.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению и принятым за прототип является устройство [8] для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, и калибровочный альфа-источник, калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному детектору, выполненному газоразрядным, и компаратор, причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, выход - с управляющим входом источника рабочего напряжения, выход которого подключен также к калибровочному детектору.

Особенностью газоразрядного детектора аэроионов, открытого на воздух, является отсутствие плато счетной характеристики, что в традиционных детекторах является недостатком. Это обстоятельство используется для нахождения оптимального рабочего напряжения.

Избирательность регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующего излучения иной природы в прототипе является следствием разницы в эффективности дистанционной регистрации ионных сгустков, образующихся на следах частиц с различной ионизирующей способностью. Средняя плотность ионизации на следах альфа-частиц выше, чем на следах электронов, и это является причиной более высокой эффективности регистрации. Под эффективностью здесь понимается вероятность появления хотя бы одного импульса на выходе детектора при поступлении в рабочий объем всех аэроионов, доставленных со следа ионизирующей частицы. Эффективность регистрации однозначно связана со скоростью счета импульсов с детектора. В работе [9] было показано, что при различных значениях атмосферного давления, температуры и влажности воздуха существует диапазон рабочих напряжений, в котором эффективность дистанционной регистрации частицы зависит от плотности ионизации в ионном сгустке, перемещенном с трека ионизирующей частицы к аноду счетчика. Эффективность тем выше, чем выше плотность ионов в сгустке. Ширина диапазона рабочих напряжений составляет величину порядка 10÷15 B. Например, при изменении атмосферного давления в пределах (750÷770) Topp, температуры - (14÷30)°C и влажности (30÷90)% диапазон рабочих напряжений остается в пределах (3800÷4000) В (приведенные значения справедливы, разумеется, для конкретного детектора). В указанном интервале всегда можно выделить диапазон напряжений шириной 10÷15 В, в котором эффективность регистрации ионных сгустков со следа альфа-частицы в десятки раз превышает эффективность для сгустков со следа электрона. В прототипе отслеживание эффективности регистрации достигается благодаря точной установке рабочего (анодного) напряжения в процессе калибровки, в ходе которой происходит сравнение скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора с заранее заданным значением скорости счета, определяемым активностью калибровочного источника. По результату сравнения компаратором вырабатывается сигнал управления, в соответствии с которым напряжение на выходе источника рабочего напряжения изменяется таким образом, чтобы уменьшить разницу между измеренным значением скорости счета калибровочного детектора и заданным значением вплоть до достижения их равенства с заданной точностью. Коррекция осуществляется в пошаговом режиме с точностью ±3 В. Такая оптимизация позволяет сохранить достаточно высокую эффективность регистрации альфа-частиц на фоне низкоэффективной регистрации сопутствующих бета- и гамма-излучений.

Калибровочный детектор выполнен аналогично измерительному, работает в режиме ограниченной пропорциональности и регистрирует аэроионы, создаваемые калибровочным альфа-источником, расположенным на расстоянии порядка 10 см (т.е. превышающем длину пробега альфа-частицы в воздухе) от детектора. Аэроионы переносятся к анодной проволочке с помощью электрического поля, создаваемого между источником и детектором. В блоке переноса, обеспечивающем транспортировку аэроионов от исследуемой поверхности (если на этой поверхности расположены источники альфа излучения) в рабочую область измерительного детектора, также может использоваться электрическое поле, однако для переноса ионов на достаточно большое расстояние за короткое время необходимо высокое напряжение, что недопустимо по условиям электробезопасности. Поэтому предпочтительным решением является транспортировка ионов с помощью воздушного потока, создаваемого вентилятором.

Недостатком данного устройства является то, что при работе измерительный и калибровочный детекторы функционируют в существенно различающихся условиях: измерительный детектор находится в потоке воздуха, создаваемом блоком переноса (вентилятором), а калибровочный детектор воздействию воздушного потока не подвергается. Воздушный поток переносит ионные сгустки и отдельные ионы от исследуемой поверхности (если на этой поверхности расположены источники альфа-излучения) в рабочую область измерительного детектора, однако вместе с ними в эту область попадают мельчайшие пылинки, которые могут попасть на анод газоразрядного детектора, имеющего высокий положительный потенциал, и «прилипнуть» к нему. Это явление приводит к изменению (уменьшению) напряженности поля вблизи проволочного анода и, как следствие, к снижению эффективности регистрации ионных сгустков, т.е. снижению чувствительности устройства. Чтобы избежать этого, необходимо соответствующее повышение анодного напряжения, либо чистка тонкой анодной проволочки. Второе решение требует временного прекращения работы устройства и его частичной разборки (т.е. значительной потери времени). Коррекция же анодного напряжения с помощью калибровочного детектора не может быть адекватной, поскольку явление «налипания» пылинок на анод калибровочного детектора не имеет места, так как он практически «изолирован» от внешней среды.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение стабильной высокой чувствительности устройства при длительной непрерывной работе.

Технический результат достигается тем, что устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с первым блоком переноса аэроионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному, сопряженный с калибровочным источником альфа-излучения и соединенный с калибровочным счетчиком импульсов и источником рабочего напряжения соответственно, причем выход калибровочного счетчика импульсов соединен с первым входом компаратора (цифрового), второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, а выход - с управляющим входом источника напряжения, дополнительно содержит второй блок переноса от исследуемой поверхности к калибровочному детектору, идентичный первому блоку переноса, электростатический фильтр, содержащий две металлические сетки, источник отрицательного напряжения, постоянный резистор и переменный резистор (потенциометр), причем электростатический фильтр расположен между вторым блоком переноса и калибровочным детектором, сопряженным с калибровочным источником альфа-излучения, первая металлическая сетка электростатического фильтра подключена к общей точке, вторая металлическая сетка электростатического фильтра подключена к первому выводу постоянного резистора, второй вывод которого подключен к общей точке, первый вывод переменного резистора (потенциометра) подключен к второй металлической сетке, второй вывод переменного резистора и его подвижной отводной контакт объединены и подключены к выходу источника отрицательного напряжения.

Совокупность существенных признаков предложенного устройства: второй блок переноса от исследуемой поверхности к калибровочному детектору, идентичный первому блоку переноса, электростатический фильтр, содержащий две металлические сетки, источник отрицательного напряжения, постоянный резистор и переменный резистор (потенциометр), причем электростатический фильтр расположен между вторым блоком переноса и калибровочным детектором, сопряженным с калибровочным источником альфа-излучения, первая металлическая сетка электростатического фильтра подключена к общей точке, вторая металлическая сетка электростатического фильтра подключена к первому выводу постоянного резистора, второй вывод которого подключен к общей точке, первый вывод переменного резистора (потенциометра) подключен к второй металлической сетке, второй вывод переменного резистора и его подвижной отводной контакт объединены и подключены к выходу источника отрицательного напряжения.

Сущность изобретения заключается в обеспечении высокой чувствительности устройства при его длительной непрерывной работе благодаря тому, что измерительный и калибровочный детекторы аэроионов работают в идентичных условиях, в связи с чем воздействие воздушного потока, переносящего мельчайшие пылинки, которые могут «налипать» на анодные нити обоих детекторов, на которые подано высокое напряжение, вызывает близкое по величине смещение рабочей области детекторов. Это явление может быть зафиксировано по результату (уменьшению) счета калибровочного счетчика и скорректировано путем повышения рабочего анодного напряжения.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для дистанционного обнаружения альфа-частиц.

Устройство для дистанционного обнаружения альфа-частиц содержит измерительный открытый на воздух детектор 1 аэроионов, сопряженный с первым блоком 2 переноса аэроионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору 1 и подключенный к источнику 3 рабочего напряжения и измерительному счетчику 4 импульсов, калибровочный детектор 5, аналогичный измерительному детектору 1, сопряженный с калибровочным источником 6 альфа-излучения и соединенный с источником 3 рабочего напряжения и калибровочным счетчиком 7 импульсов соответственно, причем выход калибровочного счетчика 7 импульсов соединен с первым входом компаратора 8, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа 9, а выход - с управляющим входом источника 3 рабочего напряжения, второй блок 10 переноса от исследуемой поверхности к калибровочному детектору 5, идентичный первому блоку 2 переноса, электростатический фильтр 11, содержащий две металлические сетки, источник 12 отрицательного напряжения, постоянный резистор 13 и переменный резистор (потенциометр) 14, причем электростатический фильтр 11 расположен между вторым блоком 10 переноса и калибровочным детектором 5, сопряженным с калибровочным источником 6 альфа-излучения, первая металлическая сетка электростатического фильтра 11 подключена к общей точке, вторая металлическая сетка электростатического фильтра 11 подключена к первому выводу постоянного резистора 13, второй вывод которого подключен к общей точке, первый вывод переменного резистора (потенциометра) 14 подключен к второй металлической сетке, второй вывод переменного резистора 14 и его подвижной отводной контакт объединены и подключены к выходу источника 12 отрицательного напряжения.

Исследуемая поверхность, содержащая источники альфа-излучения, обозначена позицией 15.

Измерительный детектор 1 и калибровочный детектор 5 могут быть выполнены в виде плоскопараллельного счетчика (регистратора) заряженных частиц с проволочным анодом, снабженным охранными электродами аналогично описанному в [8]. Рабочее значение потенциала на аноде зависит от геометрических размеров газоразрядного детектора, а также от температуры, давления и влажности окружающей среды и определяется в процессе калибровки. Обычно оно лежит в диапазоне 2800÷3400 В. Газоразрядная регистрация аэроионов осуществляется за счет образования свободных электронов в процессах соударения отрицательных ионов кислорода с молекулами O₂ и N₂ в области электрического поля напряженностью 100 В/(см·Торр).

В предлагаемом устройстве использованы стандартные элементы современной техники.

Работает устройство следующим образом. После включения питания устройства выполняется операция калибровки рабочего напряжения детектора 1 аэроионов. Она осуществляется в "чистом" помещении, в котором отсутствуют источники альфа-излучения, при включенных первом и втором блоках 2 и 10 переноса аэроионов от исследуемой поверхности к измерительному и калибровочному детекторам соответственно (вентиляторы, создающие в них направленный воздушный поток, включены). Напряжение на выходе источника 3 рабочего напряжения увеличивается. Регистрация калибровочным детектором 5 импульсов аэроионов, возникающих в воздухе на следах альфа-частиц, излучаемых калибровочным источником 6 альфа-излучения начинается после того, как напряжение на выходе источника 3 достигнет нижней границы рабочего диапазона напряжений. Зарегистрированные импульсы с выхода калибровочного детектора 5 через калибровочный счетчик 7 поступают на первый вход компаратора 8, в котором производится сравнение скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора 5 с заранее заданной величиной скорости счета на шине 9 наперед заданного числа (на соответствующем входе компаратора 8), определяемой в процессе первоначальной настройки заявляемого устройства и соответствующей оптимуму рабочего напряжения. Компаратор 8 вырабатывает сигнал на проведение коррекции рабочего напряжения на управляющий вход источника 3 рабочего напряжения, подаваемого на измерительный и калибровочный детекторы 1 и 5 соответственно. Коррекция напряжения осуществляется пошагово с точностью ±3 В. При достижении заданной скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора 5 коррекция прекращается. Таким способом устанавливается оптимальное рабочее напряжение на измерительном детекторе 1 и первый этап операции калибровки завершается.

На втором этапе операции калибровки устанавливается отрицательное смещение на второй металлической сетке электростатического фильтра 11, предотвращающее возможный перенос отрицательно заряженных аэроионов от исследуемой поверхности 15 в рабочую область калибровочного детектора при включенных вентиляторе во втором блоке 10 переноса аэроионов. Это происходит благодаря существованию тормозящего электрического поля между первой и второй металлическими сетками электростатического фильтра 11, задерживающего отрицательно заряженные ионы, поступающие на выход блока 10 переноса аэроионов, но пропускающего "нейтральные" пылинки. Для этого используется дополнительный источник альфа-излучения, который помещается непосредственно перед вторым блоком 10 переноса аэроионов. Путем регулировки сопротивления потенциометра 14 изменяют коэффициент деления напряжения, поступающего от источника 12 отрицательного напряжения, и добиваются той же скорости счета калибровочного счетчика 7, что и при отсутствии дополнительного источника альфа-излучения. На этом операция калибровки завершается и устройство готово к работе в режиме измерений.

В этом режиме аэроионы, возникшие на следах альфа-частиц вблизи исследуемой поверхности 15, переносятся в рабочий объем измерительного детектора 1 с помощью блока 2 для переноса ионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору. Импульсы от зарегистрированных ионов с выхода измерительного детектора 1 поступают на измерительный счетчик 4, выход которого является информационным выходом устройства. Однако воздушный поток переносит не только ионные сгустки и отдельные ионы от исследуемой поверхности 15 (если на этой поверхности расположены источники альфа-излучения) в рабочую область измерительного детектора 1, но и мельчайшие пылинки, которые могут попасть на тонкую анодную нить детектора 1, имеющего высокий положительный потенциал, и «прилипнуть» к нему. Это явление приводит к изменению (уменьшению) напряженности поля вблизи проволочного анода и, как следствие, к снижению эффективности регистрации ионных сгустков, т.е. снижению чувствительности устройства. В рабочую область калибровочного детектора 5 аэроионы от исследуемой поверхности 15 благодаря наличию электростатического фильтра 11 не попадают, но мельчайшие нейтральные пылинки увлекаются воздушным потоком и проходят через металлические сетки электростатического фильтра 11 и также могут попасть на анод калибровочного детектора 5, снижая эффективность регистрации ионных сгустков, которые порождаются альфа-частицами, излучаемыми калибровочным источником 6. Это явление приводит к снижению скорости счета импульсов калибровочным счетчиком 7. При снижении скорости счета до соответствующего уровня компаратор 8 вырабатывает сигнал коррекции и напряжение на выходе источника 3 рабочего напряжения увеличивается на одну ступень (~3 В), компенсируя снижение эффективности регистрации ионных сгустков не только в калибровочном детекторе 5, но и в измерительном детекторе 1. Таким образом обеспечивается сохранение высокой чувствительности измерительного канала устройства при длительной непрерывной работе.

Заявляемое устройство обеспечивает по сравнению с прототипом более стабильную высокую чувствительность (и точность) в режиме длительной непрерывной работы благодаря непрерывному отслеживанию скорости счета в калибровочном детекторе и своевременной компенсации снижения эффективности регистрации ионных сгустков в измерительном детекторе из-за загрязнения анодной нити.

Заявляемое устройство было разработано при выполнении работ по государственному контракту №14.515.11.0058 «Разработка пешеходного портального монитора для оперативного дистанционного контроля наружного альфа-радиоактивного загрязнения персонала на объектах атомной промышленности и обнаружения источников альфа-радиоактивного излучения при ликвидации последствий техногенных катастроф и угрозах радиационного терроризма ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России (2007-2013 годы)», финансируемой Министерством образования и науки Российской Федерации. Проведенные в рамках этого проекта исследования подтвердили достижение в предложенной совокупности существенных признаков поставленной цели изобретения.

Список литературных источников

1. США, пат. №5184019 от 2.02.1993 г., 250/380, H01J 47/02.

2. США, пат. №5194737 от 16.03.1993 г., 250/382, G01T 1/18.

3. США, пат. №5187370 от 16.02.1993 г., 250/379, G01T 1/185.

4. США, пат. №5281824 от 25.01.1994 г., 250/380, H01J 47/02.

5. США, пат. №5525804 от 16.06.1996 г., 250/380, G01T 1/02.

6. США, пат. №5877502 от 02.03.1999 г., 250/382, G01T 1/185.

7. США, патент №6455859 от 02.04.2002, 250/374, G01T 001/18.

8. Патент РФ №2158009 от 20.10.2000 г., кл. G01T 1/167.

9. В.П. Мирошниченко, Б.У. Родионов, В.Ю. Чепель. Аэроионная регистрация ионизирующих частиц. // Письма в ЖТФ. - 1989. - Т.15. - Вып.12. - С.53-54.

Изобретение относится к области радиационной экологии. Устройство содержит два идентичных газоразрядных детектора, открытых на воздух: измерительный и калибровочный. Измерительный детектор регистрирует аэроионы, возникающие на следах альфа-частиц и доставляемые от исследуемой поверхности в рабочую область детектора с помощью воздушного потока. Калибровочный детектор регистрирует только ионы, поступающие от калибровочного источника альфа-излучения, так как аэроионы от исследуемой поверхности не поступают в рабочую область детектора из-за наличия электростатического фильтра, через который воздушный поток проходит к калибровочному детектору. Использование калибровочного детектора, калибровочного источника альфа-излучения, источника отрицательного напряжения, электростатического фильтра, постоянного резистора и переменного резистора позволяет отслеживать и компенсировать потерю чувствительности устройства из-за налипания на тонкие анодные проволочки газоразрядных детекторов и, работающих при высоком напряжении, мельчайших пылинок, переносимых воздушным потоком. Технический результат - обеспечение стабильной высокой чувствительности устройства при его длительной непрерывной работе. 1 ил.

Устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с первым блоком переноса аэроионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному, сопряженный с калибровочным источником альфа-излучения и соединенный с калибровочным счетчиком импульсов и источником рабочего напряжения соответственно, причем выход калибровочного счетчика импульсов соединен с первым входом компаратора (цифрового), второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, а выход - с управляющим входом источника напряжения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй блок переноса от исследуемой поверхности к калибровочному детектору, идентичный первому блоку переноса, электростатический фильтр, содержащий две металлические сетки, источник отрицательного напряжения, постоянный резистор и переменный резистор (потенциометр), причем электростатический фильтр расположен между вторым блоком переноса и калибровочным детектором, сопряженным с калибровочным источником альфа-излучения, первая металлическая сетка электростатического фильтра подключена к общей точке, вторая металлическая сетка электростатического фильтра подключена к первому выводу постоянного резистора, второй вывод которого подключен к общей точке, первый вывод переменного резистора (потенциометра) подключен к второй металлической сетке, второй вывод переменного резистора и его подвижной отводной контакт объединены и подключены к выходу источника отрицательного напряжения.