Способ непрерывного контроля радиоактивного облучения человека Российский патент 2024 года по МПК G01T1/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений, в частности к способу дозиметрического контроля с использованием сцинтилляционных оптоволоконных датчиков, и может быть использовано для оперативного измерения параметров ионизирующих излучений и для контроля дозы облучения персонала, работающего в условиях воздействия ионизирующих излучений. Техническим результатом изобретения является обеспечение непрерывного оперативного дифференциального измерения параметров ионизирующих излучений в различных областях тела человека.

Уровень техники

В качестве аналога изобретения рассмотрены известные из области техники технические решения, имеющее назначение, совпадающее с назначением настоящего изобретения - измерение параметров ионизирующих излучений с использованием сцинтилляционных оптоволоконных датчиков и контроль радиоактивного облучения человека.

Из области техники известна оптоволоконная дозиметрическая система, включающая в себя сенсорный элемент на основе полимерного сцинтилляционного волокна, соединенного посредством транспортного оптического волокна с фотоприемником, сигнал которого обрабатывается с помощью микроконтроллерной системы и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения. При этом полимерное сцинтилляционное волокно расположено в несколько витков по окружности отверстия в корпусе сенсорного элемента, сквозь которое проходит исследуемый протяженный источник ионизирующего излучения, и зафиксировано выступами верхней и нижней крышки корпуса сенсорного элемента. Выходной торец полимерного сцинтилляционного волокна соединяется с транспортным оптическим волокном, а на свободный торец сцинтилляционного волокна нанесено зеркальное отражающее покрытие. Пространственная селекция регистрируемого ионизирующего излучения обеспечивается металлической блендой, которая является частью корпуса сенсора, располагается выше и ниже витков сцинтилляционного волокна и перекрывает поток ионизирующего излучения от областей исследуемого протяженного источника ионизирующего излучения, расположенных за пределами интересующей области [1].

Также известна оптоволоконная дозиметрическая система, включающая сенсорный элемент, содержащий сквозное цилиндрическое отверстие в корпусе сенсорного элемента для размещения протяженного источника ионизирующего излучения, расположенное в несколько витков по окружности на внутренней поверхности цилиндрического отверстия в корпусе сенсорного элемента полимерное бета-чувствительное сцинтилляционное оптическое волокно, один торец которого с помощью оптического разъема и транспортного оптического волокна соединяется с одним из входов управляемого посредством микроконтроллерной системы многоканального оптического коммутатора, выход которого соединен с входом счетчика фотонов, электрический сигнал которого обрабатывается микроконтроллерной системой и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения, отличающаяся тем, что сенсорный элемент содержит спектросмещающее оптическое волокно, уложенное в виде концентрических витков, покрывающих всю поверхность объемного гамма-чувствительного тороидального пластикового сцинтиллятора, размещенного в цилиндрическом отсеке внутри корпуса сенсорного элемента с осью симметрии, совпадающей с осью симметрии сквозного цилиндрического отверстия в корпусе сенсорного элемента, при этом выходные торцы спектросмещающего оптического волокна, а также второй торец бета-чувствительного сцинтилляционного оптического волокна через оптические разъемы посредством транспортных оптических волокон соединяются с отдельными входами многоканального оптического коммутатора [2].

Недостатками известных систем [1], [2] является возможность измерения сигнала только от одного сенсорного элемента. Поэтому точность измерения в таких системах невысока.

Кроме этого недостатком данных систем является ограниченные функциональные возможности, поскольку системы предназначены для измерения только бета-излучения на ограниченном участке круглого сечения и не позволяют проводить радиационный контроль гамма-излучения.

Известен радиационно-прочный сцинтилляционный детектор, содержащий чувствительные сцинтилляционные элементы, световод, соединенный с фотодетектором, расположенным за пределами зоны с интенсивной радиацией, отличающийся тем, что в качестве сцинтилляционных элементов используются радиационно-прочные сцинтилляционные наночастицы, а световодом служит микрокапиллярная структура с полой сердцевиной, окруженной микрокапиллярами, образующими в поперечном сечении фотонный кристалл [3].

Данный сцинтилляционный детектор не обладает необходимой гибкостью и не способен изменять геометрическую форму для проведения измерений в различных условиях с учетом геометрической формы обследуемого объекта. Кроме того, сложность используемых технологий, связанных с формированием наночастиц и микрокапиллярных структур волновода, не позволяет обеспечить постоянство метрологических характеристик известного детектора.

Известен сенсорный элемент оптоволоконной дозиметрической системы, содержащий светонепроницаемый корпус, сцинтилляционный материал, спектросмещающее оптическое волокно и оптический разъем для соединения с измерительной системой, отличающийся тем, что корпус сенсорного элемента выполнен из гибкого материала, способного сохранять форму после деформаций, в виде заполненного жидким сцинтилляционным материалом тонкого полого цилиндра, внутренняя поверхность которого покрыта отражающим оптическое излучение слоем, один торец которого герметично закрыт заглушкой, а второй торец имеет отверстие для крепления герметичного оптического разъема, к которому присоединено спектросмещающее оптическое волокно, помещенное внутрь корпуса сенсорного элемента.

Недостатком данной полезной модели является малая площадь чувствительной поверхности при проведении измерений уровня радиоактивного излучения от объемных радиационных источников. Кроме того, сенсорный элемент имеет один канал съема измерительной информации, что снижает точность измерений [4].

Известен сенсорный элемент оптоволоконной дозиметрической системы, содержащий светонепроницаемый корпус, жидкий сцинтилляционный материал, спектросмещающие оптические волокна и оптические разъемы для соединения с измерительной системой, в котором светонепроницаемый корпус сенсорного элемента состоит из основания для размещения цилиндрического источника ионизирующего излучения и крышки, выполненной в виде герметично закрытого полого цилиндрического контейнера в форме перевернутого стакана, пространство между стенками которого заполнено жидким сцинтилляционным материалом, окружающим цилиндрический сетчатый каркас с равномерно размещенными на нем спектросмещающими волокнами в виде нескольких находящихся друг над другом катушек из 5-10 витков с шагом между витками, превышающим диаметр спектросмещающего волокна, концы которых подключены к оптическим разъемам, расположенным на верхней поверхности цилиндрического контейнера, при этом внутренние поверхности стенок контейнера выполнены зеркальными [5].

Указанный сенсорный элемент предназначен для измерения излучения от цилиндрического источника ионизирующего излучения, который может быть размещен в полости, сформированной внутренними стенками полого цилиндрического корпуса сенсорного элемента, что существенно ограничивает функциональные возможности известного устройства. Данная особенность также не позволяет измерять внешнее ионизирующее излучение, воздействующее на обследуемый объект.

Известны волоконно-оптические радиационные датчики на основе сцинтилляционных волокон, включающие чувствительный элемент в виде одного или нескольких сцинтилляционных волокон, соединенных с транспортным оптическим волокном, подключенным к фотоприемному устройству. При взаимодействии с ионизирующим излучением присутствующие в сцинтилляционных волокнах легирующие примеси испускают видимый свет, попадающий на фотоприемное устройство. Дополнительные усилители, предусмотренные в системе обработки сигнала фотоприемного устройства, проводят усиление и передачу сигнала к устройству в цепи сигнализации, показывающему наличие ионизирующего излучения [6].

Для создания нескольких каналов измерения в предлагаемом волоконно-оптическом радиационном датчике использовано несколько независимых фотоприемников со своими системами обработки сигналов, что существенно усложняет конструкцию и повышает ее стоимость.

Известное устройство предназначено для мониторинга подземных объектов, где хранятся ядерные отходы или ядерные материалы с различным уровнем радиоактивного загрязнения и не может быть использовано для дозиметрического контроля человека, поскольку датчики не обеспечивают измерение параметров ионизирующих излучений и выполняют лишь функцию индикации его наличия.

Известен радиационно-дозиметрический прибор на основе сцинтилляционных оптических волокон. В таком приборе для измерения уровней доз ионизирующих излучений использован массив сцинтилляционных оптических волокон. В сцинтилляционных волокнах за счет взаимодействия с излучениями различных типов создается оптическое излучение, которое передается посредством нескольких транспортных оптических волокон в один фотодетектор для преобразования в электрический сигнал. В предлагаемом радиационно-дозиметрическом приборе оптические сигналы от всех сцинтилляционных волокон одновременно измеряются фото детектором, который представляет собой ПЗС-матрицу (прибор с зарядовой связью) [7].

Недостаток прибора заключается в отсутствии возможности раздельного измерения сигналов от каждого сцинтилляционного волокна.

Известен дозиметр для осуществления радиационного контроля во время проведения медицинских рентгенодиагностических исследований, содержащий сенсорный элемент в светонепроницаемом корпусе, состоящий из пластикового основания, зафиксированного на нем двуслойного сцинтиллятора, представляющего собой слой сцинтилляционного вещества на базе оксосульфида иттрия, активированного европием, нанесенный на подложку из пластика или акрила, и предназначенного для генерации оптического сигнала под воздействием радиационного излучения, который затем вводится в сформированный специальным образом торец транспортного волокна, закрепленный на поверхности сцинтиллятора, и передается по транспортному волокну на вход фотоприемника [8].

К недостаткам известного дозиметра относится его точечный характер и неэластичность конструкции сенсорного элемента, в связи с чем известный дозиметр не применим для контроля параметров объектов сложной геометрической формы, проведения измерений на поверхностях произвольной геометрической конфигурации.

Также известна многоканальная дозиметрическая система для измерения во времени активности источников ионизирующего излучения при проведении экстракционно-хроматографических процессов, включающая в себя сенсорный элемент на основе полимерного сцинтилляционного волокна, соединенного посредством транспортного оптического волокна с фотоприемником, сигнал которого обрабатывается с помощью микроконтроллерной системы и преобразуется в величины активности источника ионизирующего излучения, При этом в систему дополнительно введены несколько сенсорных элементов на основе полимерных сцинтилляционных волокон, каждый из которых посредством транспортного оптического волокна соединен с отдельным входом дополнительного многоканального оптического коммутатора, управляемого с помощью микроконтроллерной системы, выход которого соединен с входом фотоприемника [9].

Общий недостаток всех известных технических решений [1] -[9] заключается в том, что рассмотренные средства не предназначены и не имеют возможности для дифференциального измерения параметров ионизирующих излучений в различных областях тела человека при обеспечении высокой технологичности их эксплуатации.

Известен способ определения индивидуальных доз облучения, основанный на применении счетчиков излучения человека. Способ заключается в размещении человека внутри защитной камеры, измерении гамма-излучения высокоэффективными детекторами, расположенными вплотную к телу человека, и определении энергетического спектра гамма-излучения с помощью многоканального амплитудного анализатора импульсов с последующей идентификацией радионуклидов. Защитные камеры представляют собой помещения, смонтированные из радиационно-чистого стального или чугунного литья с толщиной стен 15-20 см для снижения интенсивности фонового излучения. В качестве детектора наиболее часто используется сцинтилляционный детектор NaI(Tl), обладающий высокой эффективностью регистрации гамма-излучения. В высококачественных прецизионных установках может использоваться и полупроводниковый детектор, имеющий по сравнению со сцинтилляционным детектором высокое энергетическое разрешение.

Недостатком известного способа является трудоемкость осуществления, поскольку дозиметрический контроль с использованием счетчиков излучений человека необходимо проводить в местах с минимальным уровнем фонового гамма-излучения, при измерениях необходимо обеспечить строго определенное положение тела человека относительно детекторов. Указанные требования возможно обеспечить лишь в стационарных условиях. Кроме этого трудоемкость связана с большими размерами используемого оборудования.

Результаты измерений с использованием счетчиков излучений человека имеют погрешность, связанную с нестабильностью величины коэффициента экранирования гамма-излучения частями тела человека.

Также недостатком известного способа является невозможность его осуществления во время проведения радиационно опасных работ, отсутствие возможности непрерывного проведения измерений и низкая оперативность.

Указанный аналог выбран в качестве прототипа, так как обладает наибольшим сходством с предлагаемым техническим решением, поскольку ему присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков настоящего изобретения.

Техническая проблема состоит в необходимости обеспечения непрерывного оперативного дифференциального измерения параметров ионизирующих излучений в различных областях тела человека.

Техническая проблема решена разработкой способа контроля радиоактивного облучения с использованием интегрированной в одежду сцинтилляционной оптоволоконной многоканальной дозиметрической системы, содержащей измерительные каналы, размещенные в различных областях тела человека.

Раскрытие сущности изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что способ непрерывного контроля радиоактивного облучения человека включает измерение параметров ионизирующих излучений дозиметрической системой с детекторами, расположенными на поверхности тела человека, при этом дозиметрическую систему интегрируют непосредственно в одежду, в качестве детекторов используют сцинтилляционное волокно в эластичном корпусе, отражающем оптическое излучение, из сцинтилляционных волокон создают несколько измерительных каналов, каждый из которых размещают в различных частях одежды, результаты измерений отдельных каналов интегрируют для оценки облучения отдельных органов, ограничивают время работы в условиях воздействия ионизирующих излучений в случае превышения допустимого предела дозы облучения для одного из органов.

Таким образом, совокупность существенных признаков является необходимой и достаточной для достижения технического результата - обеспечение непрерывного оперативного дифференциального измерения параметров ионизирующих излучений в различных областях тела человека.

Краткое описание графических материалов

Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых изображены варианты осуществления изобретения.

На фигуре 1 изображен вариант размещения фотоприемного устройства, преобразователя электрических импульсов и устройства передачи результатов измерений в корпусе одежной пуговицы при осуществлении контроля радиоактивного облучения человека.

На фигуре 2 изображен вариант размещения интегрированных в одежду измерительных каналов при осуществлении контроля радиоактивного облучения человека.

На фигурах использованы следующие обозначения:

1 - сцинтилляционное волокно;

2 - слой, отражающий оптическое излучение;

3 - светонепроницаемый эластичный корпус;

4 - фотоприемное устройство;

5 - многоканальный преобразователь электрических импульсов в дозиметрические величины ионизирующих излучений;

6 - устройство передачи результатов измерений;

7 - корпус одежной пуговицы;

8 - измерительные каналы, чувствительные к гамма-излучению;

9 - измерительные каналы, чувствительные к нейтронному излучению;

10 - область головы;

11 - область шеи;

12 - область груди;

13 - область правой руки;

14 - брюшная область;

15 - область левой руки;

16 - область правой ноги;

17 - область левой ноги;

18 - ремень с размещенными на нем фотоприемными устройствами, многоканальным преобразователем электрических импульсов в дозиметрические величины ионизирующих излучений и устройством передачи результатов измерений.

Осуществление изобретения

Способ непрерывного контроля радиоактивного облучения человека заключается в измерении параметров ионизирующих излучений дозиметрической системой с детекторами, расположенными на поверхности тела человека, отличается тем, что дозиметрическую систему интегрируют непосредственно в одежду, в качестве детекторов используют сцинтилляционное волокно в эластичном корпусе, отражающем оптическое излучение, из сцинтилляционных волокон создают несколько измерительных каналов, каждый из которых размещают в различных частях одежды, результаты измерений отдельных каналов интегрируют для оценки облучения отдельных органов, ограничивают время работы в условиях воздействия ионизирующих излучений в случае превышения допустимого предела дозы облучения для одного из органов.

Способ контроля радиоактивного облучения человека осуществляют следующим образом.

В одежде размещают многоканальный преобразователь электрических импульсов, устройство передачи результатов измерений и измерительные каналы. Каждый измерительный канал включает сцинтилляционное волокно в светонепроницаемом эластичном корпусе и фотоприемное устройство.

При поглощении ионизирующего излучения сцинтилляционное волокно излучает свет, который передается по сцинтилляционному волокну, отражаясь от слоя, покрывающего внутреннюю поверхность светонепроницаемого эластичного корпуса волокна.

Достигнув торца сцинтилляционного волокна, свет собирается на фотоприемном устройстве и преобразуется в импульс тока, который регистрируется многоканальным преобразователем электрических импульсов в дозиметрические величины ионизирующих излучений.

Излучаемое количество фотонов света для каждого типа излучения приближенно пропорционально поглощенной энергии, что позволяет измерять энергетические параметры излучения.

Каждый измерительный канал размещен в конкретной части одежды, что позволяет дифференциально измерять параметры ионизирующих излучений в различных областях тела человека, например, в областях головы, шеи, груди, ног, рук, кистей, стоп, брюшной полости и др.

Кроме этого, измерительные каналы могут отличаться составом сцинтиллирующего вещества, обладающего избирательной чувствительностью к разным видам ионизирующих излучений, что позволяет дифференциально измерять параметры разных видов ионизирующих излучений, например, гамма-излучения, излучения тепловых нейтронов, излучения быстрых нейтронов и др.

Совмещение сцинтилляционных волокон с материалом одежды, а также размещение в корпусе одежной фурнитуры фотоприемных устройств, многоканального преобразователя электрических импульсов и устройства передачи результатов измерений может обеспечить высокую технологичность реализации настоящего изобретения.

При реализации изобретения материал корпуса сцинтилляционных волокон может выполнять не только функцию защиты сцинтилляционных волокон, но и функции текстильного материала. В результате этого материал одежды может быть полностью замещен сцинтилляционными волокнами, что существенно повысит чувствительность дозиметрической системы к ионизирующим излучениям. Указанное преимущество позволяет осуществлять способ контроля радиоактивного облучения человека с использованием дозиметрических систем любой конфигурации и размеров в форме текстильных изделий.

Список литературы

1. Пат. 138047 Российская Федерация, МПК G01T 1/20 (2006.01). Оптоволоконная дозиметрическая система [Текст] / Новиков С.Г., Черторийский А.А., Беринцев А.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГБОУВО «Ульяновский государственный университет». - №2013147952; заявл. 28.10.13; опубл. 27.02.14, Бюл. №6. - 13 с.: ил.

2. Пат. 167517 Российская Федерация, МПК G02B 6/00(2006.01). Оптоволоконная бета- и гамма-дозиметрическая система [Текст] / Новиков С.Г., Черторийский А.А., Беринцев А.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГБОУВО «Ульяновский государственный университет». - №2016117748; заявл. 04.05.16; опубл. 10.01.17, Бюл. №1. - 10 с.: ил.

3. Пат. 85680 Российская Федерация, МПК G01T 1/24 (2006.01). Радиационно-прочный сцинтилляционный детектор [Текст] / Белоглазов В.И., Кедров В.В., Классен Н.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель ИФТТ РАН. - №2008151843; заявл. 29.12.08; опубл. 10.08.09, Бюл. №22. - 10 с: ил.

4. Пат. 174124 Российская Федерация, МПК G01T 1/20 (2006.01). Сенсорный элемент оптоволоконной дозиметрической системы [Текст] / Новиков С.Г., Алексеев А.С, Беринцев А.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУВО «Ульяновский государственный университет». - №2017115074; заявл. 27.04.17; опубл. 03.10.17, Бюл. №28. - 7 с: ил.

5. Пат. 193439 Российская Федерация, МПК G01T 1/20 (2006.01). Сенсорный элемент оптоволоконной дозиметрической системы [Текст] / Новиков С.Г., Алексеев А.С, Беринцев А.В.; заявитель и патентообладатель ФГБОУВО «Ульяновский государственный университет». - №2017145195; заявл. 21.12.17; опубл. 29.10.19, Бюл. №31. - 7 с.: ил.

6. Pat. 5313065 USA, Int. CI. G01T 1/20; G0T 1/203. Fiber optic radiation monitor [text] / Stuart E. Reed; Assignee: The Babcock & Wilcox Company, New Orleans, La. - Appl. No.: US 07/938 722; Filed: 01.09.92; Date of Patent: 17.05.94. - 7 s.

7. Pat. 8183534 USA, Int. CI. G02B 6/4298. Scintillating fiber dosimeterarray [text] / Frederic Lacroix, Luc Beaulieu, Sam Beddar, Mathieu Guillot, Luc Gingras, Quebec Fontbonne, Louis Archambault. - Appl. No.: 60/989,637; Filed: 21.11.07; Date of Patent: 22.05.12. - 18 s.

8. Pat. Appl. 2016/0015338 USA, Int. CI. A61B 6/00, G01T/T10, G01T 1/02(2006.01). Dosimeter [text] / Koichi Chida, Masayuki Nakamura, Koetsu Sato, Tsutomu Iyoki, Eiichi Uchijima; Assignee: TORECK CO.,LTD., Yokohama-shi, Kanagawa (JP); NATIONAL UNIVERSITY С ORPORATION, TOHOKU UNIVERSITY, Sendai-shi, Miyagi (JP). - Appl. No.: 14/771,725; Filed: 21.01.16. - 15 s.

9. Пат. 154082 Российская Федерация, МПК G01T 1/20(2006.01). Многоканальная оптоволоконная дозиметрическая система [Текст] / Новиков С.Г., Черторийский А.А., Беринцев А.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель ФГБОУВО «Ульяновский государственный университет». - №2015111164; заявл. 27.03.15; опубл. 10.08.15, Бюл. №22. - 6 с.: ил.

10. MP 2.6.1.0006-10. Проведение комплексного экспедиционного радиационно-гигиенического обследования населенного пункта для оценки доз облучения населения. Методические рекомендации. - М.: Федеральный Центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2011. - 40 с.

Изобретение относится к области регистрации ионизирующих излучений. Способ непрерывного контроля радиоактивного облучения человека содержит этапы, на которых дозиметрическую систему интегрируют непосредственно в одежду, в качестве детекторов используют сцинтилляционное волокно в эластичном корпусе, отражающем оптическое излучение, из сцинтилляционных волокон создают несколько измерительных каналов, каждый из которых размещают в различных частях одежды, результаты измерений отдельных каналов интегрируют для оценки облучения отдельных органов, ограничивают время работы в условиях воздействия ионизирующих излучений в случае превышения допустимого предела дозы облучения для одного из органов. Технический результат – обеспечение непрерывного оперативного дифференциального измерения параметров ионизирующих излучений в различных областях тела человека. 2 ил.

Способ непрерывного контроля радиоактивного облучения человека, заключающийся в измерении параметров ионизирующих излучений дозиметрической системой с детекторами, расположенными на поверхности тела человека, отличающийся тем, что дозиметрическую систему, включающую измерительные каналы, многоканальный преобразователь электрических импульсов и устройство передачи результатов измерений, интегрируют непосредственно в одежду, включая возможность полного замещения текстильного материала одежды и одежной фурнитуры детекторной системой; в качестве измерительных каналов используют сцинтилляционные волокна в светонепроницаемом эластичном корпусе, отражающем оптическое излучение, и совмещенное с каждым волокном фотоприемное устройство, собирающее свет с торца сцинтилляционного волокна и преобразующее его в импульс тока, который регистрируется многоканальным преобразователем электрических импульсов в дозиметрические величины ионизирующих излучений и передается устройством передачи результатов измерений; из сцинтилляционных волокон с совмещенными фотоприемными устройствами создают несколько групп измерительных каналов, каждую из которых размещают в различных частях одежды, при этом каждая группа измерительных каналов каждой части одежды включает несколько каналов на основе сцинтилляционных волокон различного состава сцинтиллирующего вещества, обладающего избирательной чувствительностью к разным видам ионизирующих излучений; осуществляют дифференциальное измерение параметров разных видов ионизирующих излучений в области каждой части тела; результаты измерений отдельных каналов интегрируют по времени для оценки степени облучения отдельных органов; ограничивают время работы в условиях воздействия ионизирующих излучений в случае превышения допустимого предела дозы облучения для одного из органов одним из видов ионизирующих излучений.