Способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени и устройство для его реализации Российский патент 2022 года по МПК G01T3/06 

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений и может быть использовано при создании нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени с широким энергетическим диапазоном.

Известен способ измерения энергетического спектра нейтронного излучения в реальном времени с использованием нескольких параллельно включённых нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками с вычислительным восстановлением спектра измеряемого потока с помощью заранее обученной нейронной сети и устройство для его реализации в виде многодетекторного нейтронного спектрометра реального времени с широким энергетическим диапазоном [1].

В описании изобретения [1] указано, что для формирования измерительных каналов с различными спектральными характеристиками могут использоваться все типы существующих нейтронных детекторов (газоразрядные, сцинтилляционные, полупроводниковые с покрытиями веществами, чувствительными к нейтронам, и даже активационные индикаторы с приемлемыми периодами полураспада образующихся при облучении их нейтронами радиоактивных изотопов.

Указанные типы нейтронных детекторов требуют резко отличающегося времени экспозиции в измеряемом потоке, имеют на порядки отличающиеся длительности выходных импульсов, существенно отличаются они и по эксплуатационным характеристикам. Совместить их в одном приборе проблематично.

Задачей предполагаемого изобретения является обеспечение возможности измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени с помощью устройства для его реализации .

Поставленная задача решается тем что Способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени , заключающийся в использовании нескольких параллельно включённых нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками, совместно перекрывающими весь энергетический диапазон измеряемых потоков, с вычислительным восстановлением спектра измеряемого потока с помощью заранее обученной нейронной сети по откликам этих детекторов предполагает выполнение следующих операций: определяют абсолютные значения спектральных составляющих по их нормированным на интегральную плотность измеряемого потока значениям, получаемым на выходах нейронной сети, путём измерения абсолютного значения тепловой составляющей измеряемого потока методом кадмиевой разности с использованием двух идентичных детекторов, чувствительных к нейтронам низких энергий, сцинтиллятор одного из которых закрыт кадмиевым экраном, находят коэффициент соответствия между этим измеренным абсолютным значением тепловой составляющей потока и её нормированным значением, определяемым по ответам нейронной сети, умножают на него все нормированные значения спектральных составляющих, определяемых по ответам нейронной сети, далее их суммируют для определения интегральной плотности измеряемого потока, разделяют весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков на энергетические интервалы, ширина которых сужена в области тепловых и быстрых нейтронов и расширена в области нейтронов промежуточных энергий, причём нижняя граница всего диапазона энергий расширена до 0,001 эВ, а верхняя составляет 20 МэВ, а граница между соседними интервалами тепловых и промежуточных нейтронов составляет 0,5 эВ, а между интервалами промежуточных и быстрых нейтронов – 200 кэВ, . далее исключают влияние сопутствующего гамма-излучения за счёт использования детекторов с толщиной сцинтиллятора не более 10 мм при порогах амплитудной дискриминации импульсов измерительных каналов не ниже 0,1 от амплитуды максимальных импульсов данного канала, которые нечувствительны к гамма-излучению, вычисляют мощности эквивалентной дозы (амбиентного эквивалента дозы) по измеренному энергетическому спектру нейтронного потока с использованием вычисленных для принятых энергетических интервалов средне интервальных значений конверсионных коэффициентов перехода от флюенса нейтронов к мощности амбиентного эквивалента дозы.

Поставленная задача также решается тем , что выходной информацией измерительных каналов, которая поступает на информационные входы эмулированной в микроконтроллер заранее обученной нейронной сети, а также путём программного формирования дополнительных измерительных каналов от одного детектора с использованием многопороговой амплитудной дискриминации импульсов, прошедших через аппаратные усилитель-дискриминаторы, является накопление в программных счётчиках измерительных каналов заданного количества N₀ выходных импульсов соответствующих детекторов, амплитуда которых превышает установленный порог дискриминации на время накопления этого количества импульсов причем от одного детектора могут программно формироваться дополнительные измерительные каналы путем многопороговой амплитудной дискриминации импульсов прошедших через аппаратные усилители дискриминаторы .

Поставленная задача также достигается тем что устройство, реализующее способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени , состоящее из блока детектирования, содержащего параллельно включённые детекторы нейтронного излучения с различными спектральными характеристиками, совместно перекрывающими весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков, и измерительного пульта, состоящего из микроконтроллера, пульта управления, устройства индикации и устройства сигнализации, причём сам микроконтроллер эмулирует заранее обученную нейронную сеть и обеспечивает вычисление плотности спектральных составляющих измеряемого потока по принятым энергетическим интервалам, причём информационные выходы микроконтроллера соединены с устройством индикации и устройством сигнализации, а управляющий вход соединён с пультом управления, в его блок детектирования включены два идентичных детектора, чувствительных к низкоэнергетическим нейтронам, один из которых снабжён кадмиевым экраном, которые как и остальные детекторы последовательно соединены с усилителями – дискриминаторами с регулируемым коэффициентом усиления и регулируемым порогом амплитудной дискриминации импульсов, входы которых соединены с соответствующими информационными входами микроконтроллера .

Поставленная задача также достигается, тем что измерительные каналы спектрометра-дозиметра формируются программно в самом микроконтроллере .

Поставленная задача также достигается, тем что что полистирольные детекторы имеют толщину сцинтилляторов не более 10 мм при порогах амплитудной дискриминации всех усилителей-дискриминаторов не менее 0,1 от максимальной амплитуды импульсов.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1. - Зависимость выхода фотонов от энергии гамма-квантов для сцинтилляционных полистирольных детекторов с различной толщиной сцинтилляторов.

Фиг. 2. Структурно-функциональная схема многодетекторного нейтронного спектрометра реального времени

1 этап способа - выбор единого типа детекторов с близкими эксплуатационными характеристиками, но позволяющего реализовать разнообразные по форме спектральные характеристики формируемых на их основе измерительных каналов, с разработкой способов принудительного формирования их спектральных характеристик и метода их расчёта.

Решение этой задачи практически сводится к анализу возможностей принудительного варьирования спектральных характеристик каждого типа детекторов при учёте их прочих технических и эксплуатационных характеристик. По возможностям принудительного формирования различных по форме спектральных характеристик, а также по таким важным параметрам детекторов как быстродействие, стабильность основных технических и эксплуатационных характеристик, рабочий ресурс – вне конкуренции сцинтилляционные нейтронные детекторы с полистирольными сцинтилляторами. Все прочие типы нейтронных детекторов могут использовать лишь один способ деформации их спектральных характеристик – погружение их в массивный замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала на различную глубину. Этот путь приводит к резкому возрастанию массогабаритных характеристик прибора и для переносных многодетекторных спектрометров практически неприемлем. Поэтому далее будут рассматриваться лишь сцинтилляционные нейтронные детекторы с полистирольными сцинтилляторами.

Исключая приведенный выше способ воздействия на спектральные характеристики нейтронных детекторов путём погружения их в замедлитель нейтронов из водородсодержащего материала, остаётся ещё три известных способа:

- путём изменения толщины (объёма) сцинтиллятора – увеличение его толщины приводит к росту его эффективности к нейтронам высоких энергий;

- путём добавления в сцинтиллятор изотопов бора-10 или лития-6, активно взаимодействующих с нейтронами низких энергий с излучением альфа-частиц, создающих сильные сцинтилляции при торможении в веществе сцинтиллятора;

- путём использования фильтрующих покрытий сцинтиллятора веществами, активно поглощающими нейтроны низких энергий (кадмий, бор, гадолиний).

Однако, возможен ещё один способ – многопороговая амплитудная дискриминации выходных импульсов детектора. Этот способ основан на том, что в сцинтилляционных нейтронных детекторах и, особенно, в детекторах с небольшой толщиной сцинтилляторов, нейтронам одной и той же энергии соответствуют выходные импульсы разной амплитуды, причём разброс их амплитуд весьма широк. При разных порогах амплитудной дискриминации будут регистрироваться не все выходные импульсы детектора, а лишь импульсы, амплитуда которых превышает установленный порог дискриминации. Соответственно, за счёт большого разброса амплитуд импульсов от нейтронов одной и той же энергии будет регистрироваться лишь часть этих импульсов, а значит, импульсы от нейтронов различной энергии при разных порогах амплитудной дискриминации будут регистрироваться с различной вероятностью. Это и приводит к изменению спектральной характеристики соответствующих измерительных каналов, получаемых от одного и того же детектора при различных порогах амплитудной дискриминации его выходных импульсов. Этот способ замечателен тем, что с одним и тем же детектором можно получить несколько параллельно работающих измерительных каналов с различными спектральными характеристиками. В принципе он приложим к любым типам нейтронных детекторов. Но наиболее эффективен этот способ для детекторов с добавлением в состав сцинтиллятора бора-10, т. к. в этом случае происходят изменения вида спектральной характеристики и в области низких, и в области высоких энергий нейтронов, а также появляется возможность дополнительно разнообразить их спектральные характеристики в области низких энергий путём покрытия сцинтиллятора фильтром из веществ, активно поглощающих нейтроны низких энергий (бор, кадмий, гадолиний).

Для расчёта формируемых указанными способами спектральных характеристик детекторов используются программные комплексы для расчёта переноса ионизирующих излучений в веществе, используемые в ядерной физике и при проектировании различных ядерно-физических установок, включая энергетические ядерные реакторы. В частности, к таким программным комплексам относится находящийся в открытом доступе и регулярно совершенствуемый программный комплекс GEANT-4.

Таким образом, первый этап состоит в использовании для многодетекторной спектрометрии нейтронного излучения в реальном времени сцинтилляционных нейтронных детекторов с полистирольными сцинтилляторами с применением четырёх вышеизложенных способов воздействия на их спектральные характеристики и расчётного метода определения их спектральных характеристик

Второй этап способа состоит в восстановлении абсолютных значений спектральных составляющих и интегральной плотности измеряемого потока.

В прототипе предусматривалось вычислительное восстановление спектра измеряемого потока с помощью встроенной, заранее обученной нейронной сети, но умалчивается, каким образом должно проводится её обучение и как должна формироваться обучающая выборка спектров, а от этого будет зависеть достоверность восстановленных этой нейронной сетью спектров измеряемых потоков. Умалчивался и тот факт, что получаемые расчётным путём с использованием метода Монте-Карло, спектры опорных нейтронных полей, по которым должна проводиться поверка данного спектрометра, могут быть получены только в нормированном виде (относительно интегральной плотности потока), поскольку количество запускаемых при моделировании нейтронов от первичного источника произвольно. Да и спектры различных источников нейтронного излучения, приводимые в литературе, преимущественно представлены в нормированном виде. Соответственно, и обучающая выборка спектров, полученная по ним, будет состоять из нормированных спектров, а значит, и нейронная сеть может восстанавливать спектры только в нормированном виде (кроме того, вряд ли удалось бы обучить нейронную сеть по выборке спектров с абсолютными значениями спектральных плотностей, поскольку для различных источников нейтронов их плотности отличаются на несколько порядков). Следовательно, восстановленные нейронной сетью спектры измеряемых потоков получаются в нормированном виде, а интегральная плотность измеряемого потока остаётся неизвестной.

Действительно, на выходах нейронной сети формируются нормированные на интегральную плотность потока спектральные составляющие по принятым энергетическим интервалам: a_ij:

где - усреднённая по j-му энергетическому интервалу спектральная плотность i-го измеряемого потока,

m – количество энергетических интервалов, на которые разделён весь энергетический диапазон измеряемых потоков.

Для восстановления абсолютных значений спектральных плотностей измеряемого потока необходимо знать абсолютное значение его интегральной плотности. Но её нечем измерить, поскольку не существует нейтронных детекторов с постоянной чувствительностью к нейтронам любых энергий. Так называемые «всеволновые» детекторы, основанные на эффекте протонов отдачи, на самом деле тоже имеют ограниченный энергетический диапазон (от 0,05-0,1 до 2-3 МэВ), да и в нём не соблюдается постоянство спектральной чувствительности. Как раз одной из задач нейтронного спектрометра является корректное измерение интегральной плотности измеряемых потоков путём интегрирования спектральных составляющих по всему энергетическому диапазону.

Предлагаемое решение этой задачи состоит в следующем. Хотя невозможно непосредственно корректно измерить интегральную плотность нейтронного потока с произвольной формой спектра, но можно вполне корректно и достоверно определить плотность тепловой составляющей этого потока методом кадмиевой разности. Для этого в блок детектирования многодетекторного спектрометра-дозиметра должно быть включено два идентичных детектора, чувствительных к нейтронам низких энергий, один из которых не имеет кадмиевого экрана, а на сцинтиллятор второго надет кадмиевый экран (в виде колпачка из кадмия толщиной не менее 1 мм). Получить сцинтилляционные детекторы чувствительные к низкоэнергетическим нейтронам, как уже было сказано выше, можно путём использования полистирольных сцинтилляторов с добавлением в них бора-10. Ядра атомов изотопа бора-10 имеют высокое сечение реакции захвата нейтронов низких энергий, в результате которой из ядра вылетает высокоэнергичная альфа-частица, при торможении которой в веществе сцинтиллятора создаётся мощная сцинтилляционная вспышка, что обеспечивает высокую чувствительность детектора к нейтронам низких энергий (при повышении энергии нейтронов сечение этой реакции монотонно снижается).

Измерительные каналы указанных двух идентичных детекторов должны работать параллельно с одинаковым временем измерения, что легко реализовать. Кадмиевый экран практически полностью поглощает тепловые нейтроны с энергией до 0,5 эВ. Из отклика детектора без кадмиевого экрана вычитается отклик детектора с кадмиевым экраном , в результате чего остаётся отклик первого из них только на тепловую составляющую измеряемого потока:

Здесь представляет собой количество тепловых нейтронов, зарегистрированных первым детектором за время измерения Т_и. Зная эффективность этого детектора к тепловым нейтронам е^Т (её получают расчётным путём, моделируя спектральную чувствительность детектора с помощью библиотеки программ GEANT-4), время измерения Т_и (оно должно быть одинаковым для обоих детекторов) и площадь сечения их сцинтилляторов S_д, несложно рассчитать плотность тепловой составляющей измеряемого потока:

По ответам нейронной сети находится нормированное значение тепловой составляющей измеренного потока:

где k – количество интервалов в тепловой части энергетического диапазона, в которых определяются средне интервальные спектральные плотности измеряемых потоков.

Это нормированное значение потока тепловых нейтронов сопоставляется с измеренной плотностью тепловой составляющей потока, представленной выражением (3), что позволяет получить коэффициент соответствия между ними:

Коэффициенты соответствия одинаковы для составляющих потока по всем энергетическим интервалам, т. е. Поэтому, умножая ответы нейронной сети a_ij на этот коэффициент соответствия, получаем абсолютные значения спектральных плотностей по всем энергетическим интервалам:

Просуммировав их по всем энергетическим интервалам, получаем интегральную плотность измеряемого потока:

Таким образом, реализация второго этапа способа состоит в том, чтобы в блок детектирования спектрометра-дозиметра были включены два идентичных детектора, чувствительных к низкоэнергетическим нейтронам, на сцинтиллятор одного из которых надет кадмиевый экран, а в программное обеспечение спектрометра добавлена программа вычисления по откликам этих детекторов плотности тепловой составляющей измеряемого потока и сопоставление измеренного абсолютного значения тепловой составляющей потока с её нормированным значением, определяемым по ответам нейронной сети, что позволяет найти коэффициент соответствия между ними. Умножая на него нормированные значения спектральных составляющих потока, определяемые по ответам нейронной сети, получаем их абсолютные значения, а просуммировав их – интегральную плотность измеряемого потока.

Третий этап способа состоит в рациональном разделении всего энергетического диапазона измеряемых нейтронных потоков на энергетические интервалы, в которых определяется усреднённое по данному интервалу значение спектральной плотности.

Он связан со вторым этапом так как второй этап требует, чтобы одна из границ между интервалами соответствовала верхней границе тепловых нейтронов (0,5 эВ), но имеет и самостоятельное значение. В прототипе весь энергетический диапазон разделялся на девять децимальных интервалов энергии: 0,025-0,25, 0,25-2,5, 2,5-25, 25-250, 250-2500 эВ, 2,5-25, 25-250 кэВ, 0,25-2,5, 2,5-25 МэВ, Такое деление, во-первых, не соответствует общепринятым границам между тепловыми, промежуточными и быстрыми нейтронами. Во-вторых, нижняя граница первого интервала (0,025 эВ) соответствует среднеквадратичному значению энергии тепловых нейтронов при температуре термодинамического равновесия 293 K. Реальная же нижняя граница тепловых нейтронов простирается, как минимум, до 10^-3 эВ, причём интервал от 0,001 до 0,025 эВ содержит до 25 % нейтронов тепловой энергии. А общепринятая граница между промежуточными и быстрыми нейтронами соответствует 200 кэВ (а не 250 кэВ, как в прототипе). Верхняя же граница быстрых нейтронов в атомной энергетике составляет 20 МэВ (а не 25 и 14 МэВ как в прототипе и аналогах).

Верхняя граница энергетического диапазона большинства существующих нейтронных радиометров определяется возможностью их поверки в пучке нейтронов нейтронного генератора, создающего близкий к моноэнергетическому поток нейтронов с энергией 14 МэВ)

В-третьих, равномерное (по логарифмической шкале энергий) деление всего энергетического диапазона энергий нерационально, поскольку в подавляющем большинстве реальных нейтронных потоков наиболее вариабельными являются области тепловых и быстрых нейтронов, в то время как в области промежуточных нейтронов (шириной в 6 порядков) спектральная плотность меняется слабо. Поэтому в области тепловых и быстрых нейтронов для более детального представления спектров энергетические интервалы целесообразно сузить (с увеличением их количества), а в промежуточной области энергий, напротив, расширить.

Однако, кроме учёта различной вариабельности спектральной плотности в разных областях спектра в спектрометрах-дозиметрах необходимо учитывать ещё и биологическое действие нейтронов разных энергий. Ведь в спектрометрах-дозиметрах по измеренному спектру должна вычисляться мощность эквивалентной дозы измеренного потока, которая сильно зависит от энергии нейтронов. Переход от спектральной плотности потока к мощности эквивалентной дозы осуществляется с помощью конверсионных коэффициентов, значения которых сложным образом зависят от энергии нейтронов. Эти зависимости представлены в [11, 12] и ряде других публикаций. Здесь ситуация по вариабельности этих коэффициентов для разных областей энергий нейтронов несколько другая. Для медленных нейтронов в весьма широком диапазоне энергий (от 0,001 эВ до 10 кэВ шириной в 7 порядков) вариации этих коэффициентов незначительны (от 6,6 до 13,6 [пЗв на единичный флюенс нейтронов], т.е. он изменяется всего в 2 раза). Но с дальнейшим ростом энергии нейтронов (особенно, начиная с 50 кэВ) начинается быстрое возрастание значений этого коэффициента, достигая первого максимума (425) при энергии нейтронов 1,2 МэВ, после чего следует небольшое снижение (до 400 при энергии 6 МэВ), а затем идёт монотонное возрастание до 600 при энергии нейтронов 20 МэВ. Поэтому, для более точного расчёта эквивалентной дозы следует сузить энергетические интервалы спектра в области наиболее резких изменений его значений при изменении энергии нейтронов. С учётом всех изложенных соображений предлагается следующее деление всего энергетического диапазона на энергетические интервалы: 0,001-0,025 эВ, 0,025-0,1 эВ, 0,1-0,5 эВ, 0,5-2,0 эВ, 2,0-20 эВ, 20-500 эВ, 0,5-10 кэВ, 10-50 кэВ, 50-200 кэВ, 0,2-0,5 МэВ, 0,5-2,0 МэВ, 2,0-10 МэВ, 10-20 МэВ. Таким образом, всего получается 13 энергетических интервалов, три из которых соответствуют области тепловых нейтронов, четыре – области быстрых нейтронов и шесть – промежуточной области энергий нейтронов.

Следующий этап состоит в исключении влияния сопутствующего гамма-излучения на показания нейтронного спектрометра-дозиметра.

Дело в том, что реальные нейтронные потоки практически всегда сопровождаются гамма-излучением. Более того, высокоэнергичные нейтроны, взаимодействуя с различными конструктивными материалами детектора, могут превращать их в радиоактивные изотопы, распад которых сопровождается гамма-излучением, т. е. гамма излучение может создаваться и в самом детекторе под действием высокоэнергичных нейтронов.. Эта проблема в прототипе также не рассматривалась.

Разделение выходных импульсов нейтронных детекторов, порождаемых нейтронами и гамма-квантами представляет сложную проблему, т. к. ни по амплитуде, ни по длительности импульсов их разделить невозможно, разделение по форме импульсов требует весьма сложной их обработки (т. к. основные различия между ними заключаются в форме заднего фронта импульсов, начиная от уровня 0,1 и ниже от пикового значения импульса). Проведение её в реальном времени затруднительно из-за малой длительности выходных импульсов полистирольных детекторов (10-20 нс), а программное её решение требует сверхбыстродействующего АЦП для оцифровки этих импульсов и резкого ограничения предела измерений по плотности потока (чтобы временные интервалы между выходными импульсами детектора были достаточны для их программной обработки).

В предлагаемом изобретении данная задача решается путём использования детекторов/измерительных каналов, не чувствительных к гамма-излучению. Для этого был проведен анализ зависимости чувствительности сцинтилляционных полистирольных детекторов с разной толщиной сцинтилляторов от энергии гамма-квантов. Расчёты выполнялись с помощью библиотеки программ GEANT-4. Результаты расчётов представлены на фиг. 1. Из неё следует, что измерительные каналы, использующие полистирольные детекторы с толщиной сцинтилляторов до 10 мм при порогах амплитудной дискриминации 0,5 В и выше (при условии, что амплитуда максимальных импульсов этого детектора равна 5 В) не чувствительны к гамма-квантам с энергией до 5 МэВ (и даже выше, поскольку из графика на фиг. 1 видно, что при дальнейшем возрастании энергии гамма-квантов мощность сцинтилляционных вспышек для сцинтилляторов толщиной до 10 мм не растёт).

При экспериментальном исследовании импульсов детекторов с помощью высокоскоростного запоминающего осциллографа было получено соотношения между амплитудой импульсов от нейтронов и уровнем шумов детектора, которое составило примерно 0,01 от максимальной амплитуды импульсов от нейтронов. Учитывая, что мощность сцинтилляционных вспышек (определяемая по количеству излучаемых световых фотонов) для нейтронов с энергией, соответствующей максимальной чувствительности детекторов, равна 50000 фотонов, всегда можно обеспечить амплитуду этих максимальных импульсов равную 5 В путём регулирования коэффициента усиления электронного усилителя импульсов, поступающих с выхода ФЭУ,. В этом случае получаем соотношение между мощностью сцинтилляционной вспышки и амплитудой выходных импульсов детектора 10000 фотонов/вольт. При этом уровень шумов будет не превышать 50-60 мВ.

Таким образом, реализация четвертого этапа состоит в том, чтобы при подборе оптимальной комбинации детекторов/измерительных каналов исключить выбор детекторов с толщиной сцинтиллятора свыше 10 мм и измерительных каналов с порогом амплитудной дискриминации менее 10 % от максимальной амплитуды выходных импульсов измерительных каналов (0,5 В).

Пятым этапом является вычислительное определение мощности эквивалентной дозы по измеренному спектру нейтронного потока.

Наиболее важной и массовой областью практического применения данного спектрометра-дозиметра является использование его для дозиметрического контроля рабочих мест (ДКРМ) персонала ядерных объектов. Нейтронное излучение относится к наиболее биологически опасным видам ионизирующих излучений, поскольку является сильно проникающим, с очень широким энергетическим диапазоном нейтронных потоков различных ядерных объектов. При этом, нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов любых веществ, превращая их в ряде случаев в радиоактивные изотопы с различными, в том числе и длительными периодами полураспада, создавая тем самым в организме долгоживущие очаги радиоактивного излучения. А существующие нейтронные радиометры-дозиметры нейтронного излучения характеризуются громадными энергетическими погрешностями (до тысяч процентов), которые, к тому же весьма сложно оценить.

Биологическое действие нейтронов различной энергии изучалось достаточно детально, на основе чего были получены значения конверсионных коэффициентов перехода от флюенса моноэнергетических нейтронов в диапазоне их энергий от 0,001 эВ до 20 МэВ к мощности эквивалентной дозы. При проведении ДКРМ используется мощность амбиентного эквивалента дозы Н*(10) (кроме неё существуют и другие виды эквивалентной дозы, используемые в индивидуальном дозиметрическом контроле). Значения этих коэффициентов для указанного диапазона энергий нейтронов приведены в публикациях МКРЕ и воспроизводятся в табличном виде в ряде других источников. Зависимость их значений от энергий носит сложный характер с несколькими локальными максимами и минимумами, меняясь почти в 100 раз. А это означает, что при неизвестном спектре достоверно определить мощность эквивалентной дозы невозможно. Поэтому, даже при точно известной интегральной плотности потока, но неизвестном его спектре достоверность определения мощности эквивалентной дозы будет очень низкой, а в существующих радиометрах-дозиметрах и интегральная плотность потока определяется с очень низкой достоверностью.

Для достоверного определения мощности эквивалентной дозы необходимо предварительно рассчитать по табличным значениям конверсионных коэффициентов в зависимости от энергий нейтронов усреднённые по принятым в спектрометре-дозиметре энергетическим интервалам значения этих коэффициентов, которые далее используются для вычисления мощности амбиентного эквивалента дозы измеряемого нейтронного потока, путём перемножения спектральной плотности потока в каждом энергетическом интервале на усреднённое для этого энергетического интервала значение конверсионного коэффициента. Далее эти результаты суммируются, что и даёт достоверное значение этой величины.

С учётом результатов их решения предлагается устройство для реализации предлагаемого способа, представляющего собой многодетекторный нейтронный спектрометр-дозиметр реального времени с вычислительным восстановлением энергетических спектров измеряемых потоков с помощью встроенной заранее обученной нейронной сети, структурно-функциональная схема которого представлена на фиг. 2.

Многодетекторный нейтронный спектрометр-дозиметр реального времени с вычислительным восстановлением энергетических спектров измеряемых потоков с помощью встроенной заранее обученной нейронной сети состоит из блока детектирования 1 и измерительного пульта 4.

Блок детектирования 1 состоит из субблока сцинтилляционных детекторов, включающего сцинтилляционные детекторы Д1, Д2, Д3 …Дk, представляющие собой сцинтилляторы в комплекте с фотоэлектронными усилителями (ФЭУ) и электронными предварительными усилителями ПУ1, ПУ2, ПУ3, …ПУk. Все эти детекторы должны иметь сцинтилляторы с толщиной, не превышающей 10 мм. Среди этих детекторов должны быть два идентичных детектора, чувствительных к низкоэнергетическим нейтронам, на сцинтиллятор одного из которых надет кадмиевый экран. Субблок 3 состоит из электронных усилителей-дискриминаторов импульсов УД1, УД2, УД3, …УДk с регулировкой коэффициентов усиления и порогов амплитудной дискриминации, обеспечивающие установку порогов амплитудной дискриминации на уровне многократно превышающем уровень собственных шумов детекторов и обеспечивающим их нечувствительность к гамма-излучению, причём входы усилителей-дискриминаторов подсоединены к выходам соответствующих предварительных усилителей субблока 2.

Измерительный пульт 4 состоит из микроконтроллера 5, пульта управления 6, устройства индикации 7 и устройства сигнализации 8. Выходы всех усилителей-дискриминаторов блока детектирования 1 соединены с соответствующими информационными входами микроконтроллера 5, а его управляющие входы соединены с выходами пульта управления 6. Выходы микроконтроллера 5 соединены с устройством индикации 7 и устройством сигнализации 8, которое срабатывает, когда вычисленная по результатам измерений мощность эквивалентной дозы излучения превысит заранее задаваемый с помощью пульта управления уровень. Устройства вторичного электропитания самих детекторов и электронных схем на фиг. 2 не показаны.

Многодетекторный нейтронный спектрометр-дозиметр реального времени с вычислительным восстановлением энергетических спектров измеряемых потоков с помощью встроенной заранее обученной нейронной сети работает следующим образом.

Блок детектирования 1 помещается в зону, где необходимо измерить характеристики нейтронного потока. При облучении нейтронами детекторов Д1, Д2, Д3 …Дk, которые подбираются из условия толщины сцинтиллятора не более 10 мм при наибольшем различии форм их спектральных характеристик, на их выходах появляются токовые импульсы, амплитуда которых пропорциональна яркости соответствующих сцинтилляционных вспышек. Эти импульсы поступают на соответствующие входы предварительных усилителей ПУ1, ПУ2, ПУ3, …ПУk и преобразуются в импульсы напряжения пропорциональной амплитуды. Для устранения влияния паразитных ёмкостей и индуктивностей линий связи между ФЭУ и предварительными усилителями последние размещаются на той же печатной плате, на которую выводятся электроды ФЭУ (тогда как усилители-дискриминаторы УД1, УД2 … УДk могут раcполагаться на другой печатной плате). Импульсы напряжения с выходов предварительных усилителей поступают на входы соответствующих усилителей-дискриминаторов, где усиливаются с коэффициентом усиления, подобранным таким образом, чтобы амплитуда импульсов от сцинтилляционных вспышек максимальной яркости соответствовала 5 вольтам, а пороги амплитудной дискриминации устанавливаются на уровне 0,1 от максимальной амплитуды импульсов (0,5 В). Этим обеспечивается надёжная отстройка от шумовых импульсов детекторов и от импульсов от гамма-квантов, Использование аппаратной отстройки от импульсов малой амплитуды предохраняет микроконтроллер от перегрузки по количеству поступающих за единицу времени импульсов на его информационные входы. Дальнейшая обработка импульсов, поступающих на информационные входы микроконтроллера, производится программно. В том числе, программно формируются измерительные каналы с различными порогами амплитудной дискриминации импульсов, поступающих от одного и того же детектора, подсчитывается общее число зарегистрированных импульсов каждого измерительного канала с окончанием их регистрации по достижении заданного количества импульсов N₀ и фиксируется время измерения каждого измерительного канала (что обеспечивает одинаковую статистическую достоверность результатов измерений, независимо от плотности потока и эффективности данного измерительного канала). А для измерительных каналов с различными порогами амплитудной дискриминации импульсов, поступающих от одного и того же детектора, их многопороговая амплитудная дискриминация реализуется программно, путём накопления импульсов в соответствующих программных счётчиках. Когда по всем измерительным каналам регистрация импульсов закончится, рассчитываются скорости счёта каждого канала путём деления N₀ на время измерения данного измерительного канала. Для измерительного канала с кадмиевым экраном регистрация импульсов заканчивается одновременно с окончанием регистрации импульсов измерительного канала от идентичного детектора, но без кадмиевого экрана (при этом и пороги амплитудной дискриминации этих двух измерительных каналов должны быть одинаковы). Количество зарегистрированных импульсов в измерительном канале от детектора с кадмиевым экраном всегда будет меньше N₀ за счёт отсутствия регистрации тепловых нейтронов, но это не помешает корректному определению скорости счёта данного измерительного канала, т. к. время измерения и количество зарегистрированных этим каналом импульсов известны. Таким образом, этот измерительный канал тоже может быть включён в число измерительных каналов, по показаниям которых должна обучаться нейронная сеть, а значит, и скорость счёта данного канала должна поступать на соответствующий информационный вход нейронной сети. На выходах нейронной сети появляются нормированные на интегральную плотность потока значения спектральной плотности по каждому энергетическому интервалу a_ij. Далее производится вычитание показаний числа накопленных импульсов в измерительном канале от детектора с кадмиевым экраном из показаний идентичного измерительного канала, но с детектором без кадмиевого экрана, и по выражению (3) находится плотность тепловой составляющей измеряемого потока. Она сопоставляется с нормированной плотностью тепловой составляющей этого потока, определяемой по ответам нейронной сети по выражению (4) и по выражению (5) определяется коэффициент соответствия между измеренным абсолютным значением тепловой составляющей потока и нормированным значением этой составляющей, определяемой по ответам нейронной сети. Поскольку коэффициент соответствия одинаков для всех спектральных составляющих, то, умножая на него нормированные значения спектральных составляющих a_ij, определяемые по ответам нейронной сети, находятся абсолютные значения спектральных составляющих измеряемого потока (выражение 6). Суммируя их, получаем абсолютное значение интегральной плотности измеряемого нейтронного потока (если необходимо, могут быть вычислены плотности составляющих тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов).

Далее, используя подсчитанные для данных энергетических интервалов коэффициенты перехода от флюенса нейтронов данной энергии к величинам мощности эквивалентной дозы, рассчитывается значение амбиентного эквивалента дозы для измеряемого потока.

В качестве примера ниже рассмотрен один из возможных вариантов подбора оптимальной комбинации детекторов/измерительных каналов, с оценкой получаемых при этом погрешностей измерения спектральных составляющих измеряемых потоков.

С использованием всех способов воздействия на спектральные характеристики детекторов можно получить большое количество детекторов/измерительных каналов, из которых надо выбрать оптимальную их комбинацию. Выбор из такого множества является затруднительным, поскольку он должен осуществляться путём моделирования спектрометров-дозиметров с различными комбинациями детекторов/измерительных каналов и определения ошибок восстановления спектральных составляющих по всем реализациям обучающей выборки. Поэтому, с учётом ограничений по обеспечению подавления чувствительности к сопутствующему гамма-излучению и обязательному наличию в отобранной комбинации двух идентичных детекторов, чувствительных к нейтронам низкой энергии, один из которых снабжён кадмиевым экраном, а также путём визуальной оценки разнообразия спектральных характеристик отбираемых детекторов было сформировано исходное множество детекторов/измерительных каналов, куда вошло 9 детекторов при 27 измерительных каналах. В том числе 3 детектора с 4 измерительными каналами, соответствующими порогам амплитудной дискриминации выходных импульсов детекторов 0,5, 1,0 1,5 и 2,0 В с толщиной сцинтилляторов соответственно 3, 5 и 10 мм с добавлением в них бора-10, и три идентичных детектора с теми же порогами амплитудной дискриминации, на сцинтилляторы которых надеты кадмиевые экраны. Кроме того, туда вошли три детектора с единственным порогом амплитудной дискриминации 0,5 В: детектор с толщиной сцинтиллятора 5 мм без добавления бора-10 и без покрытия, детектор с толщиной сцинтиллятора 10 мм с добавлением бора-10 в сцинтиллятор и с покрытием его нитридом бора толщиной 1 мм и детектор с толщиной сцинтиллятора 10 мм с добавлением бора-10 с покрытием нитридом бора толщиной 3 мм.

Рассчитывались три альтернативных варианта перебора, соответствующих выбору на первом шаге одного из трёх детекторов без кадмиевых экранов на сцинтилляторе с четырьмя измерительными каналами.

Обучающая и проверочная выборки модельных реализаций спектров формировались из 30 базовых спектров наиболее разнообразной формы, отобранных из опорных нейтронных полей, формируемых испытательно-поверочным комплексом и 40 наиболее разнообразных по форме спектров, найденных в литературе. По каждому базовому спектру формировалось 30 модельных реализаций путём прибавления к спектральным составляющим по каждому энергетическому интервалу случайной величины со среднеквадратическим отклонением в 10 %. Из них 20 случайным образом отбиралось в обучающую выборку, а оставшиеся 10 – в проверочную, не участвующую в обучении нейронной сети. Соответственно, объём обучающей выборки составил 1400 модельных реализаций спектров, а проверочной – 700. По каждому энергетическому интервалу (а их получилось 13) каждой модельной реализации находились ошибки восстановления соответствующих спектральных плотностей. Из них выбиралась и запоминалась максимальная ошибка по данной реализации. Затем определялись среднеквадратическая ошибка по каждому энергетическому интервалу всех модельных реализаций отдельно для обучающей и проверочной выборок (СКО) и средняя квадратическая величина максимальных ошибок всех реализаций обучающей выборки (эта величина служила критерием отбора оптимальной комбинации детекторов/измерительных каналов).

Результаты моделирования (по шагам перебора комбинаций) для одного из этих вариантов приведены в таблице 1. Следует добавить, что соответствующие ошибки, определяемые по реализациям проверочной выборки, которые не участвовали в обучении нейронной сети, значимо не отличались от соответствующих ошибок, определяемых по обучающей выборке.

Таблица 1. Результаты отбора оптимальной комбинации

детекторов измерительных каналов для одного из вариантов отбора –

№
шага Толщина
сцинт. мм В-10 Покрыт. кадмий Покрыт.
бор, мм Порог дискрим. В Крите-рий, % СКО
% Макс. ошибка 1 3 да нет нет 0,5; 1,0;
1,5; 2,0 11,03 7,01 68,7 2 3 да да нет 1,0 8,13 4,8 44,3 3 5 нет нет нет 0,5 3.3 1,9 26,2 4 10 да нет 0,5 2,92 1,82 23,8 5 10 да нет нет 1,0 2,67 1,63 20,8

Ошибки, определяемые по каждой реализации обучающей выборки, выражены в процентах от интегральной плотности потока соответствующей реализации. Следовательно, и приводимые в этой таблице их усреднённые значения выражены в процентах от интегральных плотностей потоков.

Таким образом, результаты моделирования подтвердили высокую достоверность измерения спектров нейтронных потоков с разнообразной формой их энергетических спектров с использованием данного способа. При весьма широком разнообразии форм измеряемых спектров ошибки определения спектральных плотностей в среднем составляют менее 2 % и даже средняя величина максимальных ошибок менее 3 %. Для интегральных плотностей величина ошибок получается примерно в 1,5 раза меньше (за счёт усреднения ошибок по отдельным энергетическим интервалам).

Литература

1. Патент РФ Ru 2390800 C: Способ и устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потока нейтронов, Приоритет от 16.04.2008, опубл. 27.05.2010 / Дрейзин В.Э., Овсянников Ю.А., Поляков В.Г., Катыхин А.И., Полищук И.В.

2. IEC 61005 – I nternational standard “Radiation protection instrumentation – Neutron ambient dose equivalent (rate) meters”.

3. МУ 2.6.5.052 -2017. Дозиметрия. Определение индивидуальной эффективной дозы нейтронного излучения. М. 2018. 105 с.

Группа изобретений относится к технике измерения ионизирующих излучений. Определение абсолютных значений спектральных плотностей измеряемого потока достигается включением в состав блока детектирования двух идентичных детекторов, чувствительных к низкоэнергетическим нейтронам, один из которых не имеет кадмиевого экрана, а второй снабжён кадмиевым экраном, что позволяет, используя метод кадмиевой разности, определить абсолютное значение тепловой составляющей измеряемого нейтронного потока и, сопоставив его с нормированным значением этой составляющей, определяемым по ответам нейронной сети, найти коэффициент соответствия между ними, который одинаков для всех спектральных составляющих измеряемого потока. Технический результат – повышение достоверности измерения спектров нейтронных потоков с разнообразной формой их энергетических спектров. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени, заключающийся в использовании нескольких параллельно включённых нейтронных детекторов с различными спектральными характеристиками, совместно перекрывающих весь энергетический диапазон измеряемых потоков, с вычислительным восстановлением спектра измеряемого потока с помощью заранее обученной нейронной сети по откликам этих детекторов, отличающийся тем, что определяют абсолютные значения спектральных составляющих по их нормированным на интегральную плотность измеряемого потока значениям, получаемым на выходах нейронной сети, путём измерения абсолютного значения тепловой составляющей измеряемого потока методом кадмиевой разности с использованием двух идентичных детекторов, чувствительных к нейтронам низких энергий, сцинтиллятор одного из которых закрыт кадмиевым экраном, находят коэффициент соответствия между этим измеренным абсолютным значением тепловой составляющей потока и её нормированным значением, определяемым по ответам нейронной сети, умножают на него все нормированные значения спектральных составляющих, определяемых по ответам нейронной сети, далее их суммируют для определения интегральной плотности измеряемого потока, разделяют весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков на энергетические интервалы, ширина которых сужена в области тепловых и быстрых нейтронов и расширена в области нейтронов промежуточных энергий, причём нижняя граница всего диапазона энергий расширена до 0,001 эВ, а верхняя составляет 20 МэВ, а граница между соседними интервалами тепловых и промежуточных нейтронов составляет 0,5 эВ, а между интервалами промежуточных и быстрых нейтронов – 200 кэВ, далее исключают влияние сопутствующего гамма-излучения за счёт использования детекторов с толщиной сцинтиллятора не более 10 мм при порогах амплитудной дискриминации импульсов измерительных каналов не ниже 0,1 от амплитуды максимальных импульсов данного канала, которые нечувствительны к гамма-излучению, вычисляют мощности эквивалентной дозы по измеренному энергетическому спектру нейтронного потока с использованием вычисленных для принятых энергетических интервалов среднеинтервальных значений конверсионных коэффициентов перехода от флюенса нейтронов к мощности амбиентного эквивалента дозы.

2. Способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени по п. 1, отличающийся тем, что выходной информацией измерительных каналов, которая поступает на информационные входы эмулированной в микроконтроллер заранее обученной нейронной сети, а также путём программного формирования дополнительных измерительных каналов от одного детектора с использованием многопороговой амплитудной дискриминации импульсов, прошедших через аппаратные усилитель-дискриминаторы, является накопление в программных счётчиках измерительных каналов заданного количества N₀ выходных импульсов соответствующих детекторов, амплитуда которых превышает установленный порог дискриминации на время накопления этого количества импульсов, причем от одного детектора могут программно формироваться дополнительные измерительные каналы путем многопороговой амплитудной дискриминации импульсов, прошедших через аппаратные усилители-дискриминаторы.

3. Устройство, реализующее способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени, состоящее из блока детектирования, содержащего параллельно включённые детекторы нейтронного излучения с различными спектральными характеристиками, совместно перекрывающие весь энергетический диапазон измеряемых нейтронных потоков, и измерительного пульта, состоящего из микроконтроллера, пульта управления, устройства индикации и устройства сигнализации, причём сам микроконтроллер эмулирует заранее обученную нейронную сеть и обеспечивает вычисление плотности спектральных составляющих измеряемого потока по принятым энергетическим интервалам, при этом информационные выходы микроконтроллера соединены с устройством индикации и устройством сигнализации, а управляющий вход соединён с пультом управления, отличающееся тем, что в его блок детектирования включены два идентичных детектора, чувствительных к низкоэнергетическим нейтронам, один из которых снабжён кадмиевым экраном, которые, как и остальные детекторы, последовательно соединены с усилителями-дискриминаторами с регулируемым коэффициентом усиления и регулируемым порогом амплитудной дискриминации импульсов, входы которых соединены с соответствующими информационными входами микроконтроллера.

4. Устройство, реализующее способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени по п. 3, отличающееся тем, что измерительные каналы спектрометра-дозиметра формируются программно в самом микроконтроллере.

5. Устройство, реализующее способ измерения энергетического спектра и дозовых характеристик нейтронного излучения в реальном времени по п. 3, отличающееся тем, что полистирольные детекторы имеют толщину сцинтилляторов не более 10 мм при порогах амплитудной дискриминации всех усилителей-дискриминаторов не менее 0,1 от максимальной амплитуды импульсов.