Способ определения местоположения и активности точечных источников гамма-излучения на местности Российский патент 2025 года по МПК G01T1/169 

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

Одной из важных задач при выявлении радиационной обстановки является поиск источников ионизирующего излучения и, в первую очередь, источников гамма-излучения.

Как показывает практика, точечные источники гамма-излучения могут попасть в окружающую среду в результате разрушений атомных электростанций, подвижных, судовых, научно-исследовательских, космических и других ядерных энергетических установок [1]-[4]. Существует вероятность применения высокоактивных источников в актах терроризма [5], [6]. Нельзя упускать из внимания также и точечные источники гамма-излучения, широко распространенные в различных отраслях промышленности, в медицине, в военном приборостроении и в системе метрологического обеспечения радиационных измерений. Большая часть из подобных источников при потере может представлять опасность для жизни и здоровья населения [7]-[9].

Особо следует отметить, что в современных условиях очень высок риск радиоактивного загрязнения местности в связи с проведением Специальной военной операции. Вооруженными силами Украины неоднократно предпринимались попытки обстрела Запорожской атомной электростанции из реактивных систем залпового огня, ствольной артиллерии и с использованием ударных беспилотных летательных аппаратов [10]. Также угрозу радиационной безопасности представляет хранилище отработанного ядерного топлива Чернобыльской станции. В случае разрушения хранилища высокоактивные куски ТВЭЛов будут разбросаны на удалении до 150 метров от места подрыва и представлять собой множество точечных источников ионизирующего излучения. Следует учитывать имеющуюся информацию о проводимых на Украине работах по созданию «грязной бомбы» [11], [12].

В настоящее время для решения задач радиационной разведки, поиска и обнаружения источников гамма-излучения применяется комплекс КРПИ, включающий в себя аппаратуру воздушной и наземной разведки, которая монтируется на базе вертолета Ми-8 и БТР-80 [13]. Комплекс эффективен для поиска высокоактивных источников ионизирующего излучения (ИИИ) на большой по площади территории. Основной недостаток поиска источников гамма-излучения с применением вертолета Ми-8 заключается в том, что технические характеристики вертолета не позволяют осуществлять измерение мощности дозы в полете на малой высоте. При этом аппаратура воздушной радиационной разведки не обеспечивает идентификацию малоактивных ИИИ при измерениях на большой высоте. Помимо этого, существенным недостатком комплекса является высокая стоимость и большие массогабаритные характеристики.

Следующим аналогом является бортовой измеритель мощности дозы ИМД-24. Изделие содержит регистрирующую часть и набор газоразрядных счетчиков с электронными блоками. В общей сложности в качестве детекторов ионизирующего излучения используются 62 газоразрядных счетчика, из них 28 шт. - СБМ-21, 24 шт. - СБМ-20, 4 шт. - СИ38Г, 6 шт. - СИ29БГ [14]. Такое большое количество детекторов влечет за собой увеличение массогабаритных характеристик прибора и создает определенную трудность его технического обслуживания, а также усложняет процесс обработки информации, поступающей с каждого детектора. Метрологическое обеспечение такого сложного прибора требует также больших затрат. Прибор обеспечивает только лишь определение направления на источник гамма-излучения, а процесс определения его местонахождения требует применения специальных методик.

В качестве прототипа был выбран способ поиска и обнаружения источников гамма-излучения в условиях неравномерного радиоактивного загрязнения. 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 источников гамма-излучения мобильный робот двигается в направлении, определенном равноинтенсивными сигналами с обоих детекторов. Второй блок детектирования - обнаружительный. Он представляет собой детектор, размещенный на манипуляторе робота. С его помощью регистрируется изменение мощности дозы и определяется примерное местоположение источника гамма-излучения [15].

К недостаткам способа-прототипа можно отнести следующее.

При нахождении источника гамма-излучения сзади по курсу робот будет продолжать движение прямо. Кроме того, из-за статистической неравномерности скорости счета фотонов гамма-излучения детекторы практически постоянно будут регистрировать различное количество импульсов. В результате этого будут подаваться частые сигналы на смену курса, что приведет к тому, что движение робота будет осуществляться рывками из стороны в сторону. Помимо этого, в случае нахождения робота в поле ионизирующего излучения, создаваемом двумя источниками гамма-излучения, существует вероятность попадания условно одинакового количества квантов в боковые детекторы. В этом случае мобильный робот пройдет мимо двух источников без их обнаружения. Кроме того, на движение робота будет существенно влиять рельеф местности, а крупные складки местности и овраги могут полностью воспрепятствовать движению.

Не исключено, что поиск источников гамма-излучения будет осложнен наличием различных препятствий и объектов природного и искусственного происхождения, которые за счет ослабления ионизирующего излучения вносят существенные ограничения в нормальное функционирование даже специальных поисковых средств. По сути, поиск опасных объектов будет сильно затруднен или невозможен в условиях наличия двух и более источников с анизотропным полем гамма-излучения.

Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в том, что радиационная разведка местности и поиск источников гамма-излучения осуществляется путем измерения величины мощности дозы и определении спектрального состава дифференциальных пучков гамма-излучения, выделяемых из общего потока с помощью коллимирующего устройства, вращаемого в горизонтальной и вертикальной плоскостях, определении углов ориентации коллиматора относительно поверхности земли. На основе данных об углах ориентации осуществляется определение координат участка местности, в котором при очередном изменении положения коллиматора наблюдалось резкое возрастание мощности дозы и в котором находится источник гамма-излучения.

Рассмотрим плоскую поверхность, загрязненную радионуклидом, излучающим моноэнергетические гамма-кванты. Мощность дозы гамма-излучения в точке, расположенной на высоте h над поверхностью, можно оценить на основе использования выражения [16]

где - расстояние от точки измерения до рассматриваемой точки на местности, м;

- коэффициент, определяемый выбранной единицей измерения мощности дозы гамма-излучения;

- линейный коэффициент поглощения энергии, м^-1;

- энергия гамма-квантов, МэВ;

- количество гамма-квантов на один распад;

- координаты точек местности в полярной системе координат;

- радиус участка загрязненной поверхности, с которого приходит излучение в рассматриваемую точку, м;

- плотность радиоактивного загрязнения, Бк/м²;

- линейный коэффициент ослабления гамма-излучения, м^-1;

- дозовый фактор накопления, отн. ед.

При выборе в качестве единиц измерения Р/ч коэффициент пропорциональности к имеет величину [16].

Загрязненную поверхность можно условно разделить на участки, в пределах которых плотность загрязнения будет примерно постоянной. В том случае если по координате α произведено разбиение на сектора с угловыми размерами , а по координате R на кольца шириной то выражение (1) примет следующий вид:

где - расстояние от точки измерения до рассматриваемой точки на местности, м.

При суммировании выполняется нормировка на размеры рассматриваемого участка поверхности

Суммарная активность загрязнения участков будет иметь величину

где - площадь (i,j)-го участка.

В этом случае выражение (2) может быть переписано в виде:

Введем дополнительное условие, что радиоактивное загрязнение обусловлено не только аэрозолем, но и высокоактивными точечными источниками. В этом случае активность участка, где расположен точечный источник, будет резко отличаться от активности соседних участков:

где

Проведение сравнительного анализа активности участков может позволить определить как общую конфигурацию загрязнения, так и положение точечных источников гамма-излучения.

Техническая реализация измерения мощности дозы участков местности может быть основана на использовании коллимирующего устройства, схема которого представлена на фиг. 1.

Использование коллиматора с достаточно узкой диаграммой направленности позволит избавиться от рассеянного гамма-излучения и проводить измерение мощности дозы и спектрального состава прямого излучения рассматриваемого участка загрязненной поверхности

Результаты подобных измерений позволят легко оценить активность загрязнения каждого из рассматриваемых участков

где

В том случае, когда гамма-излучение радиоактивного загрязнения содержит кванты различных энергий выражение принимает вид

где - количество линий в энергетическом спектре гамма-излучения;

- энергия гамма-квантов k-ой линии спектра, МэВ;

- количество гамма-квантов с энергией E_k на один распад радионуклидов загрязнения.

Спектральный состав прямого излучения может быть определен с помощью спектрометра, например полевого бета-гамма-спектрометра ПБГС [17].

Положение участка площадью ΔS, для которого определяется активность радиоактивного загрязнения, задается высотой h, на которой расположен детекторный блок, а также углом α, задающим направление и углом наклона к поверхности земли θ. Удаленность участка от проекции точки детектирования на поверхность равна

Протяженность участка ΔS зависит от угла возвышения коллиматора детекторного блока θ и раствора коллиматора Δα и составляет

На фиг. 2 приведены графики зависимостей При построении зависимостей полагалось, что максимальная высота расположения детекторного блока h не должна превышать величины порядка 5 м.

Если полагать, что для визуальной идентификации источника достаточна его локализация с точностью до 3 м. Принимая, что раствор коллиматора составляет 10 градусов, получаем из графиков на фиг. 2 максимальную величину угла возвышения θ, равной примерно 55 градусам. При этом максимальная дальность R, на которой будет возможна локализация источника, составит около 40 м.

Таким образом, проведенный анализ показывает принципиальную возможность реализации способа определения местоположения и активности точечных источников гамма-излучения на местности с помощью коллимирующего устройства. Способ позволит осуществлять выявления и оценку радиационной обстановки в наиболее сложных вариантах радиационных аварий, сопряженных с загрязнением окружающей среды не только радиоактивным аэрозолем, но и высокоактивными точечными источниками гамма-излучения. Существенным преимуществом разработанного способа является всестороннее обеспечение радиационной безопасности операторов прибора, поскольку локализация источников будет проводиться без проведения радиационной разведки по обычным методикам.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абагян А.А. Информация об аварии на ЧАЭС и ее последствиях, подготовленная для МАГАТЭ / А.А. Абагян, В.Г. Асмолов, А.К. Гуськова [и др.] // Атомная энергия. - 1986. - Т. 61. - Вып.51. - С.301-312.

2. Сойфер В Л., Горячев ВА., Гуренцов В.И., Макаров В.Г., Сергеев А.Ф. Численные расчеты переноса радионуклидов в атмосфере и морской воде и оценка последствий ядерной аварии в бухте Чажма Японского моря / В.Н. Сойфер, В.А. Горячев, В.И. Гуренцов, В.Г. Макаров, А.Ф. Сергеев // Метеорология и гидрология - 2001. - Вып.4. - 16 с.

3. Бристов К. Применение метода аэрогамма-спектрометрии при поиске радиоактивных обломков русского спутника Космос-954. Операция «Утренний свет» / Перевод с английского, редактор Еркин А.И., МО СССР. - 1980. - 90 с.

4. Port В. Current Research / В. Port; Geological Survey of Canada Paper. -1978.- 162 c.

5. Агапов A.M. Радиологический терроризм - меры по противодействию и минимизации последствий / A.M. Агапов, Г.А. Новиков, М.И. Солонин, Л.А. Болыпов, Р.В. Арутюнян, О.А. Павловский // Бюл. по атомной энергии. - Июнь 2004. - С.34.

6. Рылов М.И. Ядерный и радиационный терроризм и проблемы безопасности в современном мире / М.И. Рылов, М.Н. Тихонов // Экологические системы и приборы. - 2015. - №3. - С.19-37.

7. Маленький Чернобыль. Они отыскали в Чечне радиоактивную «бомбу» и разозлили Басаева [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https://rn.lenta.ru/articles/2018/02/20/avaria/amp/ свободный. - Загл. с экрана. Яз. Рус, англ.

8. Бразильский Чернобыль: радиоактивное заражение в Гоянии в 1987 г. [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https: // www.maximonline.ru / longreads / brazilskii-chernobyl-radioaktivnoe-zarazhenie-v-goyanii-v-1987, свободный - Загл. с экрана, Яз. рус.

9. В Австралии на шоссе потеряли радиоактивную капсулу с цезием-13 7. [Электронный ресурс]: - Режим доступа: https: // www.rbc.ru / society / 30.01.2023, свободный - Загл. с экрана, Яз. рус.

10. Выступление Начальника войск РХБ защиты ВС РФ на переговорах руководства Росатома и Магатэ по вопросам, связанным с Запорожской АЭС / Дайджест по вопросам радиационной, химической и биологической безопасности и общим вопросам оборонного характера: информ.-аналит.журнал / ФГБУ «27 Научный центр» МО РФ. - 2023. - Вып.4 (98). - С.6-7.

11. Служба внешней разведки обнародовала новую информацию о работах на Украине по созданию «грязной ядерной бомбы / Дайджест по вопросам радиационной, химической и биологической безопасности и общим вопросам оборонного характера: информ.-аналит.журнал / ФГБУ «27 Научный центр» МО РФ. - 2023. - Вып.7 (101). - С.10.

12. В Польшу могут прибывать ядерные грузы и США и Швеции / Дайджест по вопросам радиационной, химической и биологической безопасности и общим вопросам оборонного характера: информ.-аналит.журнал / ФГБУ «27 Научный центр» МО РФ. - 2023. - Вып.2 (96). - С.12-13.

13. Министерство обороны РФ. Приказ №569. О принятии на снабжение ВС РФ комплекса радиационной разведки и поиска источников ионизирующего излучения КРПИ: приказ утвержден первым заместителем МО РФ 1 декабря 2000 года. - М.: МО РФ, 2000. - 3 с.

14. Измеритель мощности дозы и дифференциальных потоков гамма-излучения ИМД-24. Руководство по эксплуатации Т71.570.063 РЭ: 2006 г. - 136 с.

15. Пат.2195005 Российская Федерация, МПК G01T1/169. 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.

16. Израэль Ю.А., Стукин Е.Д. Гамма-излучение радиоактивных выпадений. - М.: Атомиздат, 1967. - 224 с.

17. Полевой бета-гамма-спектрометр ПБГС (ГО.2.86.00). Руководство по эксплуатации Т71.570.050 РЭ: 2002 г. - 103 с.

Изобретение относится к области радиационной разведки местности и поиска точечных источников гамма-излучения. Способ определения местоположения и активности точечных источников гамма-излучения на местности заключается в том, что проводят радиационную разведку местности и осуществляют поиск точечных источников гамма-излучения путем измерения мощности дозы дифференциальных пучков гамма-излучения, выделяемых из общего потока с помощью коллимирующего устройства, вращаемого в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Значения углов ориентации коллиматора относительно поверхности земли позволяют определить координаты участков местности, при переходе к которым при очередном изменении положения коллиматора наблюдалось резкое возрастание мощности дозы за счет наличия источника гамма-излучения. Измеренная величина мощности дозы и установленный спектральный состав прямого излучения с учетом известного расстояния до источника позволяют оценить его активность. Технический результат – возможность получения детальной информации о характере радиоактивного загрязнения для каждого участка местности. 2 ил.

Способ определения местоположения и активности точечных источников гамма-излучения на местности, заключающийся в измерении параметров гамма-излучения и определении на основе полученных результатов координат и характеристик источника гамма-излучения, отличающийся тем, что проводят измерения мощности дозы и определение спектрального состава дифференциальных пучков гамма-излучения, выделяемых из общего потока с помощью коллимирующего устройства, вращаемого в горизонтальной и вертикальной плоскостях, определяют углы ориентации коллиматора относительно поверхности земли, на основе данных об углах ориентации определяют координаты участков местности, резкое возрастание мощности дозы при очередном изменении положения коллиматора интерпретируется как наличие на обследуемом участке точечного источника гамма-излучения, активность источника определяют расчетным путем на основе результатов проведенных измерений.