Способ определения количества точечных источников гамма-излучения в пределах обследуемого района Российский патент 2025 года по МПК G01T1/169 

Изобретение относится к области средств и методов выявления радиационной обстановки и обеспечения радиационной безопасности, а именно, поиска точечных источников гамма-излучения.

Источники гамма-излучения, находящиеся в местах нахождения людей, представляют собой объекты высокой опасности. Высокая активность источника и длительное нахождение в поле излучения могут привести к переоблучению, обуславливающему радиационные поражения человека, вплоть до летального исхода. В этой связи при появлении информации о превышении уровня радиации по сравнению с фоновой величиной должны быть организованы поиски источника, попавшего в окружающую среду для дальнейшей его локализации.

В настоящее время существует ряд способов аналогов, заключающихся в нахождении на пройденном маршруте движения точки с максимальным значением мощности дозы, в области расположения которой впоследствии проводят более детальное обследование по принципу наибольшего градиента возрастания мощности дозы. Обследование также может осуществляться методом гребенки, параллельного галсирования, расходящегося (сходящегося) квадрата или спирали в зависимости от площади обследуемого участка и условий рельефа местности.

К недостаткам указанных способов можно отнести то, что обследование предполагает нахождение оператора в поле ионизирующего излучения, создаваемом одним или несколькими источниками высокой активности, в результате чего может быть получена значительная доза облучения.

В качестве аналога может послужить способ поиска и обнаружения источников гамма-излучения в условиях неравномерного радиоактивного загрязнения с помощью наземных робототехнических комплексов [1]. Способ заключается в регистрации гамма-излучения тремя детекторами, размещенными на платформе мобильного робота. Один из блоков детектирования является поисковым и состоит из двух детекторов, разделенных экраном. Блок детектирования располагают на платформе робота таким образом, чтобы ось разделительного экрана совпадала с продольной осью робота. При поиске источника мобильный робот двигается в направлении, определенном равноинтенсивными сигналами с обоих детекторов. Второй блок детектирования обнаружительный и представляет собой детектор, размещенный на манипуляторе робота. С его помощью регистрируется изменение мощности дозы и определяется примерное местоположение источника гамма-излучения.

Еще одним аналогом является способ автоматического определения местоположения точечного источника гамма-излучения на местности с помощью беспилотного летательного аппарата, заключающийся в том, что корректировка направления на источник гамма-излучения осуществляется на основе сравнения скоростей счета импульсов от трех детекторов, расположенных вокруг свинцового цилиндрического экрана [2].

К недостаткам способов аналогов является то, что заложенный в них принцип работы позволяет определять направление только лишь на один источник и не дает информацию о наличии нескольких источников в обследуемом районе.

В качестве прототипа был выбран способ определения положения точечного источника гамма-излучения, который основан на использовании носимого измерителя мощности дозы [3]. Сущность способа заключается в том, что предварительно осуществляют измерения мощности дозы гамма-излучения в точках по периметру участка, внутри которого находится источник. Определяются точки с наименьшим, наибольшим и две со средними значениями мощности дозы. Затем намечаются два прямолинейных маршрута разведки, представляющих собой отрезки, соединяющие точку минимума мощности дозы с точками, где наблюдаются средние значения. В точках, лежащих на данных отрезках, проводятся измерения значений мощности дозы, строятся зависимости изменения мощности дозы вдоль маршрутов разведки. Используя установленные зависимости, на маршрутах определяются точки с максимальными значениями и в этих точках строятся два перпендикуляра к соответствующим линиям маршрутов. Находится точка пересечения этих перпендикуляров, которая и указывает на положение источника гамма-излучения.

Основным недостатком способа-прототипа является сложность проведения расчетов, которые снижают оперативность поиска. Движение оператора по маршрутам внутри круга, в котором находится радиационно опасный объект, приводит к получению дополнительных дозовых нагрузок. Также значительный объем требуемой информации в совокупности с построением большого количества линий на карте местности делает процесс поиска трудоемким и вносит дополнительную погрешность в определение координат источника гамма-излучения.

Вместе с тем, практически все указанные способы основаны на использовании центральной симметрии поля гамма-излучения и позволяют определить положение источника, проводя измерения прибором, не приближаясь к нему на опасное расстояние. Однако в том случае, если имеется несколько достаточно близко расположенных источников, то расчетное положение источника излучения будет иметь большую погрешность. В этой связи важной задачей является определение количества источников гамма-излучения, расположенных в пределах обследуемого района, до начала проведения поисковых работ.

В настоящее время определение положения нескольких близко расположенных источников может быть получено только за счет проведения измерений мощности дозы гамма-излучения в большом количестве точек, расположенных в пределах обследуемого района. Очевидно, что такой подход приведет к получению больших доз излучения, так как предполагает многократное проведение измерений и в том числе на малых расстояниях от источников гамма-излучения. Следовательно, поиск нескольких источников с применением носимых приборов приведет к нарушению требований радиационной безопасности, а для решения задач потребуется привлечение специализированных робототехнических поисковых средств.

Предлагаемое техническое решение позволяет уже на начальном этапе поисковых работ определить количество источников в пределах обследуемого района на основе анализа результатов измерений мощности дозы гамма-излучения в точках на окружности, охватывающей обследуемый район. Количество источников определяется путем выявления количества максимумов мощности дозы гамма-излучения при измерениях по данной окружности.

Достоверность предлагаемого решения можно обосновать путем анализа функции, описывающей распределение мощности дозы гамма-излучения вдоль окружности.

Доказательство проведем при условии, что энергия Е первичных гамма-квантов составляет не менее нескольких сотен килоэлектронвольт, а расстояние r до источников не превышает нескольких десятков метров (Е~n-100 кэВ, r~ n⋅10 м, где n≥1). Расчеты, проведенные с привлечением исходных данных работы [4], показывают, что в воздушной среде на расстоянии 100 м от точечного источника с радионуклидом Cs-137 точный учет ослабления мощности дозы дает отличие по сравнению с ослаблением по закону r^-2, не превышающее 15%. Принятые условия вполне удовлетворяют большинству практических поисковых задач и позволяют исключить из проводимого анализа рассеянное излучение, что обуславливает возможность получения аналитического решения.

Будем полагать, как это отображено на схеме фигуры 1, что источники находятся внутри круга радиусом R с центром в точке, задаваемой радиус-вектором R=(x₀,y₀). Внутри круга имеется N источников, положение которых определяется радиус-векторами r_i={x_0i, y_0i).

Суммарная мощность дозы гамма-излучения, создаваемая всеми источниками в произвольной точке на окружности, составляет

где P_i(x,y) - мощность дозы гамма-излучения, создаваемая i-ым источником в точке (х,у), рад/ч;

N - количество источников гамма-излучения;

К_γ - гамма-постоянная, (рад⋅м²)/(ч⋅Ки);

A_i - активность i-го источника, Ки.

Уравнение окружности с радиусом R=|R| имеет вид

Выражая координату у точек окружности через х и подставляя полученную зависимость в (1), получаем выражение для мощности дозы гамма-излучения в точках окружности

Знак «±» учитывает тот факт, что координата у может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

Количество экстремумов полученной функциональной зависимости основывается на определении количества корней у уравнения

Дифференцирование дает следующий результат:

Выполнив тождественные преобразования, получаем:

Приведя члены суммы к единому знаменателю, получаем итоговое уравнение для поиска экстремумов и дополнительные ограничивающие условия:

Преобразование уравнения дает следующий результат:

Выражение, являющееся первым сомножителем в левой части (10) и стоящее в круглых скобках, имеет степень по переменной х равную 1. Остальные сомножители в количестве (N-X), представленные выражениями, стоящими в квадратных скобках, имеют максимальные степени по х равные 2. Следовательно, уравнение (10) имеет порядок по переменной x, равный 1+(N-2)⋅2=2N-1. Это означает, согласно известным положениям [5], функция P_s(x) на области х∈]-R,R[имеет 2N-1 экстремума, среди которых присутствует N максимумов и N-1 минимумов.

Следует уточнить, что в декартовой системе координат P_s(x) состоит из двух ветвей. Одна из ветвей строится для случая у>0, а вторая ветвь - для случая, когда у<0. С формальной точки зрения при замыкании обеих ветвей функции точками P_s(-R) и P_s(R) создается дополнительный минимум. В целом получаем, что при обходе контура прибор будет регистрировать N максимумов и N минимумов мощности дозы, что можно интерпретировать как наличие внутри контура N источников.

Дополнительно отметим, что условие (9), согласно которому должно выполняться х ≠R или х ≠-R, появляется после проведения операции дифференцирования. На самом деле данный запрет является формальным, поскольку исходное выражение (3) для суммарной мощности дозы не накладывает данного ограничения.

Возможно построение рассматриваемой функциональной зависимости в полярной системе координат, у которой полюс расположен в центре окружности обхода рассматриваемого района, используя в качестве переменной угол ϕ между полярной осью (прямой ОХ) и прямой, соединяющей текущую точку окружности и полюс

Использование такого представления целесообразно для практической реализации способа, так как дает наиболее наглядное представление о количестве и расположении максимумов значений мощности дозы гамма-излучения.

Таким образом, с учетом доказанных положений предлагается способ определение количества точечных источников гамма-излучения в пределах обследуемого района, заключающийся в проведении измерений значений мощности дозы в точках на местности и определении на основе анализа полученных результатов количества точечных источников гамма-излучения, отличающийся тем, что измерения осуществляются в точках при движении по окружности, охватывающей обследуемый район, на основе полученных результатов строят график зависимости величины мощности дозы гамма-излучения от расстояния, пройденного от начальной точки движения, по графику определяют количество максимумов мощности дозы гамма-излучения, полученное число идентифицируют как количество точечных источников в пределах обследуемого района.

Для проверки обоснованного способа было проведено математическое моделирование поля мощности дозы гамма-излучения, создаваемого несколькими источниками.

Были использованы следующие исходные данные:

- K_γ=0,3242 (рад⋅м²)/(ч⋅Ки) для источника на основе радионуклида Cs-137 [6];

- R=30 м;

- x₀₁=-15 м; γ₀₁=-5 м; A₁=10 Ки;

- х₀₂=0 м; у₀₂=10 м; А₂=18 Ки;

- х₀₃=10 м; у₀₃=-7 м; А₃=14 Ки.

На фигуре 2 показана схема расположения источников гамма-излучения. На фигуре 3 представлен вид функции (3) в декартовой системе координат, построенной для трех источников гамма-излучения на основе радионуклида Cs-137.

Из построенного графика видно, что распределение мощностей доз гамма-излучения имеет 3 максимума.

На фигуре 4 представлен тот же график, построенный в полярной системе координат с использованием выражения (11). Подобное построение может быть выполнено при проведении реальных работ непосредственно в ходе проведения измерений. Как видно, полученная зависимость позволяет установить наличие максимумов в распределении значений мощности дозы и определить количество источников излучения.

В целом предлагаемый способ позволяет на начальном этапе поисковых работ определить количество источников гамма-излучения на обследуемой местности и осуществить планирование дальнейших работ, позволяющих в наиболее короткие сроки и с минимальными радиационными нагрузками на задействованный персонал осуществить локализацию и последующую утилизацию опасных объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Пат. 2195005 Российская Федерация, МПК G01T 1/169. Способ поиска и обнаружения источников гамма-излучения в условиях неравномерного радиоактивного загрязнения / Соловых С.Н., Алимов Н.И., Перевозчиков А.Н.; Глухов Ю.А.; Андриевский Э.Ф.; заявитель и патентообладатель воинская часть 61469 / публикация патента 29.12.2002 г.

2 Пат. 2620451 Российская Федерация G01T 1/169. Способ автоматического определения местоположения точечного источника гамма-излучения на местности / Кулагин И.Ю., Глухов Ю.А., Садовников Р.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБУ «33 ЦНИИИ» Минобороны России. - №2016133814 от 17.08.2016; опубл. 25.05.2017.

3 Пат. 2481597 Российская Федерация, МПК G01 T1/169. Способ определения положения точечного источника гамма-излучения / Садовников Р.Н., Быков А.В., Васильев А.В., Тырышкин С.Н.; заявитель и патентообладатель «33 ЦНИИИ» МО РФ - №2011144488 от 02.11.2011 г. опубл. 10.05.2013 г., Бюл. №13.

4 Машкович В.П., Кудрявцев А.В. Защита от ионизирующих излучений: справочник - 5 изд. - М.: АП «Столица», 2013. - 496 с.

5 Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работников и инженеров): определения, теоремы, формулы. - Пер. с англ. под общ. ред. И.Г. Арамановича. - 4 изд. - М.: Наука, 1977. - 832 с.

6 Гусев Н.Г., Дмитриев П.П. Квантовое излучение радиоактивных нуклидов: справочник. - М.: Атомиздат, 1977. - 397 с.

Изобретение относится к области средств и методов выявления радиационной обстановки и обеспечения радиационной безопасности. В способе определения количества точечных источников гамма-излучения в пределах обследуемого района на начальном этапе поисковых работ определяют количество источников гамма-излучения в пределах обследуемого района путем выявления количества максимумов мощности дозы гамма-излучения вдоль окружности, охватывающей обследуемый район. Информация о количестве источников делает возможным планирование дальнейших работ по выбору наиболее подходящих средств и методов, обеспечивающих наиболее оперативную локализацию опасных объектов при соблюдении требований радиационной безопасности задействованного в работе персонала. 4 ил.

Способ определения количества точечных источников гамма-излучения в пределах обследуемого района, заключающийся в проведении измерений значений мощности дозы в точках на местности и определении на основе анализа полученных результатов количества точечных источников гамма-излучения, отличающийся тем, что измерения осуществляются в точках при движении по окружности, охватывающей обследуемый район, на основе полученных результатов строят график зависимости величины мощности дозы гамма-излучения от расстояния, пройденного от начальной точки движения, по графику определяют количество максимумов мощности дозы гамма-излучения, полученное число идентифицируют как количество точечных источников в пределах обследуемого района.