СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ДО ИСТОЧНИКА ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, поиска и обнаружения радиоактивных источников, в частности источников гамма-излучения, а также контролю радиационного состояния объектов.

Может быть использовано для дистанционного обнаружения в полевых условиях источников, испускающих гамма-излучение, определения расстояния от источников до места регистрации, а также повышения уровня безопасности проводимых работ.

Известно техническое решение:

Заявка: 2001113992/282001113992/28, 22.05.2001 г. Способ дистанционного обнаружения радиоактивных объектов. Способ заключается в определении расстояния до источника ионизирующего излучения, по измеренным значениям интенсивностей флуоресценции атмосферного азота в УФ диапазоне спектра на длинах волн 315,9 нм, 337,1 нм и 357,7 нм и по различию ослабления излучения атмосферой на этих длинах волн определяют расстояние до источника радиоактивного загрязнения.

Недостатками известного решения являются невозможность получения информации о виде ионизирующего излучения, а также большая погрешность в определении расстояния.

Известно также техническое решение:

Патент RU 2072531 С1 от 27.01.1997 г. Устройство для определения местоположения точечных источников излучения. Сущность изобретения: устройство содержит три одинаковые одномерные кодирующие маски, расположенные в одной плоскости по сторонам равностороннего или прямоугольного равнобедренного треугольника с m элементами в каждой маске. На расстоянии а от соответствующих масок расположены три одинаковых одномерных позиционно чувствительных детектора с m чувствительными элементами в каждом детекторе. Каждый элемент детектора снабжен детекторным световодом, на выходе которого установлена восстанавливающая маска, состоящая из m элементов, представляющих собой разнесенные по спектру пропускания цветные светофильтры.

Однако устройство сложно в изготовлении, кодирующие маски не могут обеспечить необходимый энергетический диапазон, что существенно снижает область применения

Известно также техническое решение:

Патент RU 2011100561 от 11/01/2011 г. Способ поиска и определения координат источника гамма-излучения. Способ заключается в регистрации излучения несколькими детекторами, расположенными на платформе мобильного робота. При помощи гамма-визора получают совмещенную картину видео и гамма-изображений исследуемой области, содержащей источники излучения.

Однако реализация способа требует громоздкой коллимированной системы детектирования, проведения измерений в нескольких точках. Положение ИИ определяется геометрически, а для совмещения гамма- и видеоизображений требуется разработка и изготовление дополнительного дорогостоящего нестандартного оборудования. Время проведения измерений весьма значительно.

Указанное решение может рассматриваться в качестве прототипа к заявляемому.

Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в создании технических средств, с помощью которых можно определить расстояние до источников гамма-излучений при отсутствии предварительной информации о их активности, форме, визуализации; и с одного местоположения.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемым изобретением, заключается в универсальности и простоте определения расстояния до источников гамма-излучения, достоверности получаемой информации независимо от спектрального состава и активности источников, использование стандартной спектрометрической аппаратуры, а также отсутствие необходимости проводить измерения в нескольких точках и коллимирования детектора.

Решение указанной технической задачи обеспечивается изложенной ниже совокупностью существенных признаков.

Измеренные спектральные значения интенсивности гамма-излучения используются не в качестве абсолютных значений, а относительных (с определенных диапазонов спектра).

Измерение спектра исследуемого источника гамма-излучения производится на двух энергетических участках:

- в области его характеристического пика полного поглощения (ППП),

- в области энергий его комптоновского рассеяния (КР).

Гамма-физические расчеты, с разработанным алгоритмом перехода от количества зарегистрированных импульсов на выбранных участках спектра, к величине расстояния между источником гамма-излучения и местом проведения измерения, при этом выведена зависимость, связывающая количества зарегистрированных импульсов в указанных энергетических диапазонах с искомым расстоянием:

где

L[м] - расстояние между детектором и источником гамма-излучения,

A_L - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_кр/dN_nnn в исследуемом месте,

А₀ - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_0кp/dN_0nnn на поверхности детектора (L=0),

Ф_∂ - коэффициент, зависящий от аппаратурной линии спектрометра,

dN_nnn, dN_кp, dN_0nnn, dN_0кp - количества зарегистрированных импульсов в областях пика полного поглощения и комптоновского рассеяния источника гамма-излучения.

Описание сущности предложенного изобретения

При прохождении пучка гамма-излучения через вещество происходит ослабление его интенсивности вследствие взаимодействия с атомами. В диапазоне энергий 0,05…3 МэВ наиболее существенны три процесса взаимодействия гамма-квантов с веществом: комптоновское рассеяние, фотоэффект и образование пары электрон и позитрон [1].

При фотоэффекте (фотоэлектонном поглощении) вся энергия гамма-кванта поглощается атомами, а интенсивность пучка можно определить по соотношению:

где

μ - линейный коэффициент ослабления в веществе, м^-1.

В результате комптон-эффекта происходят процессы поглощения и рассеяния.

Интенсивность рассеянного излучения можно определить из соотношения: [2, 4]

Для воздуха в интервале энергий до 3 МэВ процессом образования пар можно полностью пренебречь[1, 4].

Т.о., при прохождении гамма- излучения через слой вещества от определенных изотопных источников излучений (ИИИ) можно выделить на их спектрах 2 энергетические области:

- область пика полного поглощения, характеризующаяся только процессами поглощения;

- область комптоновского рассеяния, характеризующаяся процессами рассеяния и поглощения.

Рассмотрим отношение количества γ-квантов в области КР к их количеству в ППП (dN_кp/dN_nnn), (Фиг. 1).

Это отношение зависит от:

а) - энергии монолинии (ППП) выбранного изотопа,

б) - характеристик (химический состав форма и размеры) детектора спектрометра (Ф_∂),

в) - характеристик вещества между источником и детектором,

г) - толщине слоя вещества между источником и детектором.

Пункты

а), б), в) - практически всегда известны и постоянны;

г) - отношение dN_кр/dN_nnn является зависимой от толщины слоя, а для Земной атмосферы расстояния от источника гамма-излучения до места детектирования:

откуда

где

L - расстояние между источником излучения и детектором спектрометра,

Ф_∂ - функция аппаратурной линии детектора.

Следовательно, зная энергию ППП изотопа, аппаратурную линию спектрометра, μ воздуха и определив количество импульсов dN_nnn и dN_кp на выбранных участках спектрограммы (Фиг. 1) можно определить расстояние между ИИИ и детектором.

Для определения искомой зависимости были проведены следующие гамма-физические расчеты:

- моделирование типа и конфигурации детектора гамма- излучения;

- моделирование энергетических спектров гамма-излучения при прохождении через детектор и слой воздуха.

Использовалась программа ООО «LCRM» EffVarke [3], метод Монте-Карло.

На спектрограммах выделялись 2 участка в вышеуказанных энергетических областях (ППП, КР) и определялись отношения количеств зарегистрированных импульсов (Фиг. 1).

Данная зависимость, аппроксимированная функцией экспоненты, имеет вид:

где

L[м] - расстояние между детектором и источником гамма-излучения,

A_L - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_кp/dN_nnn в исследуемом месте,

А₀ - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_0кp/dN_0nnn на поверхности детектора (L=0),

Ф_∂ - коэффициент, зависящий от аппаратурной линии спектрометра.

dN_nnn, dN_кp, dN_0nnn, dN_0кp - количества зарегистрированных импульсов в областях ППП и КР источника.

Для подтверждения работоспособности предлагаемого способа и адекватности проведенных гамма-физических расчетов была проведена экспериментальная проверка с использованием спектрометра гамма-излучения Гелинюк (Exploranium GR-820) и изотопного источника ¹³⁷Cs, активноситью 1,1*10⁸ Бк.

Источник устанавливался на расстояниях 0, 10, 40, 80, 100 метров от детектора. Энергетические диапазоны выбирались:

- 630…690кэВ ППП, - 300…360кэВ КР.

Время набора спектров определялось необходимой статистикой.

А° (при L=0) составило …0.37.

Ф_∂ (в энергетическом диапазоне 0.3…1 МэВ) - 1.2.

Результаты представлены на Фиг. 2.

Расхождение с расчетными данными не превысило 20% с вероятностью Р=0,95.

В процессе реализации предложенный способ заключается в том, что:

1. предварительно, для используемого спектрометра гамма-излучения и определенных изотопных источников расчетно или экспериментально определяют

А₀=dN_0кр/dN_0nnn, (L=0) на участках спектра ППП и КР;

2. устанавливают гамма-спектрометрическую аппаратуру на исследуемом участке местности и проводят набор спектра;

3. определяют количество зарегистрированных импульсов в выбранных диапазонах dN_nnn, dN_кp и вычисляют их отношение

A_L=dN_кp/dN_nnn;

4. по предлагаемому в «способе…» соотношению и полученным значениям A_L и А₀ определяют расстояние между источником гамма-излучения и местом проведения измерений:

где

L[м] - расстояние между детектором и источником гамма-излучения,

A_L - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_кp/dN_nnn в исследуемом месте,

А₀ - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_0кp/dN_0nnn на поверхности детектора (L=0),

Ф_∂ - коэффициент, зависящий от аппаратурной линии спектрометра,

dN_nnn, dN_кp, dN_0nnn, dN_0кp - количества зарегистрированных импульсов в областях ППП и КР источника.

Таким образом, применение данного способа позволяет определять расстояние до источников гамма-излучений при отсутствии предварительной информации о их активности, форме, визуализации и с одного местоположения. Необходимые данные берутся целиком с полученной спектрограммы стандартной спектрометрической аппаратуры, при отсутствии необходимости проведения измерений в нескольких точках и коллимирования детектора.

Литература

1. Практикум по ядерной физике / И.А. Антонов, А.Н Бояркин и др. М.: Изд-во Московского университета, 1988.

2. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. Атомиздат, М., 1967.

3. Программа ООО «LCRM» EffVarke, метод Монте-Карло. URL:http://www.lcm.ru

4. Машкович В.П., Кудрявцева А.В. Защита от ионизирующих излучений.

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений, области охраны окружающей среды, поиска и обнаружения радиоактивных источников, в частности источников гамма-излучения, контролю радиационного состояния ядерно-физических объектов. Способ определения расстояния до источника гамма-излучения включает измерение энергетического спектра в областях его характеристического пика полного поглощения и комптоновского рассеяния, выполнение гамма-физических расчетов, определение расстояния по выведенным зависимостям. Гамма-физические расчеты включают определение количества импульсов в пике полного поглощения и выбранной области комптоновского рассеяния, корректировку измерений с учетом функции отклика детектора, алгоритм перехода к величине расстояния. Технический результат – повышение точности и упрощение определения расстояния до источников гамма-излучения. 2 ил.

Способ определения расстояния до источника гамма-излучения, включающий измерение энергетического спектра в областях его пика полного поглощения и комптоновского рассеяния, отличающийся тем, что определяют количество импульсов в пике полного поглощения и выбранной области комптоновского рассеяния, затем вычисляют их отношение, а искомое расстояние определяют по зависимости, связывающей расстояние с вычисленным отношением:

где

L[м] - расстояние между детектором и источником гамма-излучения,

A_L - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_nnn/dN_кр в исследуемом месте,

A₀ - отношение количеств зарегистрированных импульсов dN_0nnn/dN_0кр на поверхности детектора (L=0),

Ф_д - коэффициент, зависящий от аппаратурной линии спектрометра,

dN_nnn, dN_кр, dN_0nnn, dN_0кр - количества зарегистрированных импульсов в областях пика полного поглощения и комптоновского рассеяния источника гамма-излучения.