Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений с анализом времени регистрации частиц Российский патент 2025 года по МПК G01T1/167 

Изобретение относится к области радиационного контроля (РК) и предназначено для поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений (ИИИ). Способ, основанный на анализе интервалов времени регистрации заданного количества частиц, не требует экспозиции и без замедления фиксирует факт превышения фонового уровня ионизирующего излучения. В задаче поиска предложенный способ позволяет обнаружить источник ионизирующих излучений с большей вероятностью. Изобретение может быть использовано при ведении поиска ИИИ носимыми портативными или мобильными устройствами РК, для мониторинга радиационной обстановки, при радиационной разведке местности, на контрольно-пропускных пунктах, таможнях, предприятиях ядерного цикла, в аэропортах и на ж/д станциях при контроле багажа пассажиров, в местах скопления людей, на конвейерах, при РК сельхозпродукции.

В портативных устройствах РК [1-5] используется простейший способ поиска и обнаружения, основанный на использовании постоянного порога, зависящего от заранее измеренного уровня фона:

- перед началом контроля проверяемых объектов производят измерение количества импульсов фонового излучения N_b за время t_b;

- прибор переключают в режим оперативного контроля, то есть измерению подлежит количество импульсов излучения от контролируемого объекта N_o в течение интервала контроля t_n (величина N_o пропорциональна средней скорости счета n аддитивной смеси сигнала и фона, полученной за время t_n нахождения объекта в зоне контроля детектора -N_o=n⋅t_n);

- вычисляют порог q=b⋅t_n+m⋅σ, где - среднеквадратичное отклонение (СКО) величины N_b; m - число СКО (обычно m≥3); b=N_b/t_b - средняя скорость счета фона;

- полученное N_o сравнивают с порогом q и, если N_o>q, принимают решение об обнаружении искомого источника (включают световой или звуковой сигнал тревоги), в противном случае принимают решение об отсутствии ИИИ и продолжают поиск.

Недостатками описанного способа поиска и обнаружения являются невозможность работать в условиях нестационарного фона; жесткость установки порогов обнаружения, не позволяющая получить низкие пороги обнаружения при одновременном обеспечении допустимой (задаваемой) вероятности ложных тревог; сложность обнаружения ИИИ в движении ввиду отсутствия подстройки времени экспозиции циклов измерений и отсутствия центрирования экспозиции по времени (относительно проезда/перемещения ИИИ).

«Способ обнаружения движущихся источников ионизирующих излучений» [6], «Способ мониторирования перемещающихся объектов на предмет обнаружения делящихся ядерных материалов» [7] и «Способ обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений» [8] не подходят для задач поиска и могут использоваться только для задач обнаружения ИИИ на контролируемых объектах. Ключевым моментом является то, что фон измеряют заранее, когда объект контроля отсутствует в зоне чувствительности детектора. Оператору всегда точно известно, присутствует ли контролируемый объект в зоне контроля (для этого используются так называемые «датчики присутствия» либо оператор сам непосредственно видит объект контроля и в нужный момент времени нажимает кнопки «Старт» и «Стоп»). В отличие от радиационного контроля, поиск ИИИ и мониторинг радиационной обстановки производится в принципиально других условиях: измерение уровня радиационного фона ведется постоянно и в течение длительного времени, поток естественного излучения не стационарен, а момент появления ИИИ в зоне чувствительности детектора не определен.

Известна группа устройств, предназначенных для обнаружения ИИИ на подвижных объектах. Например, системы типа «Янтарь» [9, 10] для контроля проезжающих автомобилей, в которых используется способ обнаружения, описанный в [7]. Устройства типа [9, 10] и [11, 12] являются стационарными, оборудованы датчиками присутствия и предназначены для радиационного контроля проезжающего транспорта, но не для поиска ИИИ.

Известен «Способ обнаружения пуассоновского сигнала в пуассоновском шуме» [13], предназначенный для радиационного контроля движущихся ИИИ и/или проведения поиска ИИИ с борта движущихся транспортных средств наземного, воздушного или морского базирования. Способ основан на том, что перемещение ИИИ определяется по изменению скорости счета детектора посредством критериальной функции тренда n(t).

где x_i - количество импульсов в измерении, суммируемое по полному количеству измерений L, а также по промежуточному количеству измерений k для проверки гипотезы о тренде (изменении во времени) интенсивности пуассоновского потока, обусловленном появлением сигнала в шуме.

В описании способа не приведен ни принцип выбора экспозиции измерений, ни принцип выбора количества значений L, необходимых для расчета критериальной функции тренда n(t), ни алгоритм вычисления порога срабатывания, соответствующего задаваемой вероятности ложных тревог.

Недостатками подхода [13] являются: жесткое задание экспозиции измерений, учитывая, что динамика счета зависит как от скорости, так и от расстояния до траектории движения ИИИ; зависимость значения критериальной функции от количества обрабатываемых значений L для одного и того же массива данных; сложность обнаружения тренда в условиях нестационарного (меняющегося во времени) естественного фона.

Известен «Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений» [14], адаптированный непосредственно к задачам поиска ИИИ в процессе движения детектирующей системы по обследуемой территории.

Сразу по прибытии в зону поиска детекторы начинают измерять среднюю скорость счета аддитивной смеси сигнала и фона n(t) на интервалах времени t_эксп, длительность каждого из которых одинакова и составляет предпочтительно (8-15)t_e, где t_e - эффективная длительность сигнала, известная заранее и определяемая скоростью движения аппаратуры с детекторами и расстоянием между детектором и ожидаемой точкой размещения искомого ИИИ.

По окончании каждого интервала длительностью t_экcп из значений вектора n(t) определяют величины средней скорости счета фона b, амплитуды сигнала а_m и положения максимума сигнала на шкале времени t_m, после чего определяют величину параметра η, сравнивают η с порогом q₀, определяемым по заданной вероятности ложных тревог, причем решение об обнаружении искомого объекта принимают в случае, если η>q₀.

По сравнению с предыдущими, способ [15] подходит для поиска ИИИ в движении, адаптирован к работе в условиях нестационарного фона и не требует предварительных измерений фоновых значений.

Недостатками подхода является жесткая установка времени экспозиции измерений, а также увеличение вероятности ложных тревог в ходе обработки потоковых данных и выбора максимума сигнала на шкале времени.

Известно, что эффективная длительность сигнала зависит от скорости ИИИ и расстояния до линии его движения (значения этих параметров неизвестны или заданы приблизительно), вследствие чего предварительная и жесткая установка времени экспозиции измерений влечет за собой увеличение вероятности пропуска полезного сигнала.

Согласно [16] алгоритм, реализующий подход [14], предусматривает проведение результатов измерений через фильтр-сглаживатель типа «скользящее временное окно» с временем усреднения t_c. Это позволяет выделить максимальный счет (с экспозицией t_c) и, соответственно, обнаружить ИИИ, но если аналогичной обработке подвергается естественный фон, применение «скользящего временного окна» увеличивает вероятность ложного срабатывания аппаратуры. Величина такого увеличения зависит от гладкости «скольжения»: если сдвиг «окна» счета детектора составляет 0,1t_c, а время измерения составляет 10t_c, то общее количество анализируемых значений составляет 91, что, в зависимости от величины порога, до 9 раз увеличивает вероятность ложной тревоги по сравнению с анализом десяти последовательных измерений. Так как данные «скользящего временного окна» не являются случайными числами (каждое новое значение зависит от предыдущего), сложность расчета вероятности ложных срабатываний является отдельной проблемой.

Развитием способа [14] является «Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений» [15]. Во время поиска обработка данных производится последовательным увеличением эффективной длительности сигнала t_e в (1,3±0,1) раза от минимального до максимального значения t_e≤100 с.

Способ [15], выбранный за прототип, наследует недостатки предыдущего. Добавленный перебор вариантов экспозиции, с одной стороны, позволяет решить вопрос обнаружения ИИИ, но, с другой стороны, увеличивает вероятность ложного срабатывания, так как каждая обработка потока данных имеет свою вероятность ложной тревоги. В целом, это компромиссный вариант, позволяющий повысить вероятность обнаружения движущегося ИИИ, при том, что для удержания всех ложных тревог на требуемом уровне приходится поднимать пороги обнаружения.

Предлагаемый способ лишен недостатков [1-13], обеспечивая быстрое реагирование на изменение радиационной обстановки, так как:

- нет проблемы ожидания окончания экспозиции;

- учитывается полная группа событий, ни один импульс детектора не остается без проверки;

- отсутствует необходимость центровки экспозиции измерений относительно времени появления ИИИ с помощью специальных датчиков, обнаружение в любом случае происходит с максимально возможной вероятностью.

По сравнению со способом [15] предлагаемый алгоритм проводит обработку случайной величины времени регистрации заданного количества частиц. Это позволяет аналитически рассчитывать порог обнаружения для заданной частоты ложных срабатываний. В связи с тем, что регистрируемый параметр (время) имеет непрерывный характер, то при малой скорости счета снимается сложность определения порога, связанная с дискретностью регистрации частиц.

Для обнаружения ИИИ выполняется следующая последовательность операций:

1. По прибытии в зону поиска детектор начинает фиксировать время регистрации частиц.

2. По истечении времени набора фона Т_ф определяется значение средней скорости счета λ_ф (частиц/с).

3. Если условия поиска (скорость движения и предполагаемое расстояние до линии движения ИИИ) известны, то обработку результатов измерений проводят по пп. 4-6 с параметром масштаба N (количество импульсов), значение которого рассчитывают по формуле

где m - коэффициент, значение которого определяется конструкцией детектора (m=2 для плоского детектора, m=2,8 для всенаправленного);

Н - предполагаемое расстояние до линии движения ИИИ, м;

ν - предполагаемая максимальная скорость движения ИИИ, м/с.

Если условия поиска неизвестны, обработка результатов счета детектора проводится параллельными процессами обработки данных в соответствии с пп. 4-6 для нескольких параметров масштаба N путем последовательного их увеличения в 1,5 раза от минимального где H_min - минимально возможное расстояние до линии движения ИИИ, ν_max - максимально возможная скорость движения ИИИ, до максимального где H_max - максимальное расстояние до линии движения ИИИ, ν_min - минимальная скорость движения ИИИ.

4. По окончании регистрации не менее 11⋅N импульсов начинается анализ интервалов времени регистрации частиц.

5. После регистрации каждого импульса вычисляют:

интервал времени Δt_i=t_i-t_i-_N и актуальную скорость счета

6. Значения Δt_i сравнивают с порогом t_порог, рассчитанным для заданной частоты ложных тревог. Если Δt_i меньше t_порог, то принимают решение об обнаружении, в противном случае ИИИ в контролируемой зоне отсутствует.

Значение t_порог определяется решением интегрального уравнения для требуемой частоты ложных тревог, ω, с^-1:

где - плотность распределения Эрланга с параметрами масштаба N и интенсивности λ_ф [17];

t - время, с;

Г(N)=(N-1)! - гамма функция;

Примеры:

А) Поиск ИИИ вдоль определенного маршрута с помощью летательного аппарата. Высота и скорость (Н и ν) известны.

Включение детектора производится заблаговременно вне зоны поиска ИИИ.

Предположим, что используется плоский детектор, летательный аппарат движется со скоростью 1 м/с на высоте 10 м, предварительное измерение фоновой скорости счета λ_ф=1 имп/с. Частота ложных срабатываний задана на уровне 1 в сутки (ω=1,16⋅10^-5, с^-1).

Тогда параметр масштаба N=20 (3).

Обработка данных начинается после регистрации не менее 11N=220 имп.

А1) Начало обработки данных по критерию обнаружения

Пусть время регистрации 220-го импульса t₂₂₀=215,7 с, время регистрации 200-го импульса (на N импульсов раньше) t₂₀₀=196,6 с, время включения t₀=0 с. Следовательно, Δt₂₂₀-₂₀₀=19,1 с, актуальное значение скорости фонового счета

Значение порога, определенного решением интегрального уравнения (4), составляет t_порог=6,637 с.

Так как Δt₂₂₀-₂₀₀>t_порог принимается решение об отсутствии ИИИ.

А2) Обработка данных при регистрации очередной частицы.

Время регистрации t₂₂₁=216,1 с, t₂₀₁=198,9 с, t₁=0,6 с.

Следовательно, Δt₂₂₁-₂₀₁=17,2 с, актуальное значение скорости счета фона

Значение порога t_порог, определенного решением интегрального уравнения (4), составляет t_порог= 6,697 с.

Так как Δt₂₂₁-₂₀₁>t_порог, принимается решение об отсутствии ИИИ.

Анализ данных (пункт А2) повторяется при регистрации каждого импульса до обнаружения ИИИ или выключения прибора.

Б) Контроль наличия ИИИ в потоке транспортных средств стационарным средством радиационного контроля.

Расстояние до полос движения известно и составляет от H_min=2 м до Н_mах=8 м, скорость транспортных средств в потоке варьируется от ν_min=10 м/с до ν_max=30 м/с. Поиск осуществляется всенаправленным детектором, предварительное измерение фоновой скорости счета λ_ф=40 имп/с. Частота ложных срабатываний задана на уровне 1 в сутки (ω=1,1610^-5, с^-1).

Следовательно, назначается несколько параллельных процессов обработки q с различными параметрами масштаба N (от N_min=7 до N_max=90):

Обработка начинается после регистрации не менее 11N_max=990 импульсов.

Алгоритм работы каждого процесса q подобен рассмотренному выше примеру А, в котором обнаружение проводится одним потоком.

Анализ данных обработки результатов измерений повторяется при регистрации каждого импульса до обнаружения ИИИ любым процессом или выключения прибора.

Технический результат: повышение вероятности и оперативности обнаружения при поиске ИИИ средствами РК, не оборудованными специализированными датчиками.

Список источников

1. Дозиметр поисковый микропроцессорный ДРС-РМ1401. Техническое описание и инструкция по эксплуатации/ г. Минск: СП Полимастер, 1997.

2. МКС-А02. Руководство по эксплуатации. ДКЦИ.411168.002 РЭ/ г. Дубна Московской обл.: НПЦ Аспект, 2000 г., 19 с.

3. МКС-А03. Руководство оператора. ДКЦИ.41 И68.009 РО/ г. Дубна Московской обл.: НПЦ Аспект, 2021 г., 28 с.

4. Дозиметр-радиометр ДРБП-03. Паспорт ГКПС 14.00.00.000 ПС.- М.: ВНИИФТРИ, 1996.

5. Радиометр-дозиметр МКС-06Н INSPECTOR. Паспорт.- М: ТОО "Трин Стар", 1996.

6. Кириллов В.М., Супрунов В.И. Обнаружение движущихся источников ионизирующих излучений. Измерительная техника. - 1994. N 8, с. 63.

7. Способ мониторирования перемещающихся объектов на предмет обнаружения делящихся ядерных материалов// Горев А.В., Зайцев Е.И., Иванов А.И. Патент № 2150127 от 27.05.2000.

8. Способ обнаружения слабых потоков ионизирующих излучений// Викторов Л.В., Кружалов А.В., Шеин А.С., Шульгин Б.В., Шульгин Д.Б. Патент РФ № 2140660 от 27.10.1999.

9. Стационарная таможенная система обнаружения делящихся и радиоактивных материалов «Янтарь-1А». Руководство по эксплуатации. ДЦКИ.412159.008 РЭ/ г. Дубна Московской обл.: НПЦ Аспект, 2000 г., 54 с.

10. Система обнаружения делящихся и радиоактивных материалов стационарная таможенная «Янтарь-1Ж». Руководство по эксплуатации. ДЦКИ.412159.016 РЭ/ г. Дубна Московской обл.: НПЦ Аспект, 2000 г., 57 с.

11. Хазанов Д.Б. Построение систем оценки радиационной обстановки в районе расположения АЭС. (Обзор)// Ядерное приборостроение. (Вопросы атомной науки и техники). Вып. 2. 1985. С.З.

12. Устройство для поиска и обнаружения радиоактивных объектов// Мухин В.И., Муслимов Р.Х., Самосадный В.Т. Патент РФ № 2160909 от 12.20.2000.

13. Способ обнаружения пуассоновского сигнала в пуассоновском шуме/ Кубышкин А.В.// Патент РФ № 2692410 от 24.06.2019.

14. Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений/ Викторов Л.В., Ивановских К.В., Лазарев Ю.Г., Петров В.Л., Шеин А.С., Шульгин Б.В.// Патент РФ № 2242024 от 10.12.2004.

15. Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений/ Викторов Л.В., Кунцевич Г.А., Петров В.Л., Шеин А.С., Шульгин Б.В.// Патент РФ № 2456638 от 20.07.2012.

16. Петров В.Л. Методы и средства обнаружения делящихся материалов. Лабораторный практикум. - 2019, 2-е изд., 98 с.

17. Вентцель Е.С. Теория вероятностей/ М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы - 1969, 576 с.

Изобретение относится к области радиационного контроля (РК) и предназначено для поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений (ИИИ). Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений с анализом времени регистрации частиц заключается в непрерывном измерении времени регистрации частиц и сравнении интервала времени накопления N частиц с пороговым значением t_порог, при этом t_порог рассчитывают по формуле после регистрации каждого импульса (1). Число частиц N при наличии информации о скорости и расстоянии до ИИИ определяют как N=mλ_фH/ν, а при отсутствии информации о скорости и расстоянии до ИИИ обработку данных проводят с несколькими вариантами N, от минимального до максимального, путем последовательного увеличения N в 1,5 раза, при этом решение об обнаружении принимают в случае, если время регистрации N частиц меньше порогового значения t_порог. Технический результат – повышение вероятности и оперативности обнаружения при поиске ИИИ средствами РК, не оборудованными специализированными датчиками.

Способ поиска и обнаружения источников ионизирующих излучений с анализом времени регистрации частиц, заключающийся в непрерывном измерении времени регистрации частиц и сравнении интервала времени накопления N частиц с пороговым значением t_порог, отличающийся тем, что t_порог рассчитывают по формуле после регистрации каждого импульса

где - плотность распределения Эрланга с параметрами масштаба N и интенсивности λ_ф (скорость счета фонового излучения), имп/с; t - время, с; Г(N)=(N-1)! - гамма функция; ω - требуемая частота ложных тревог, с^-1;

число частиц N при наличии информации о скорости и расстоянии до ИИИ определяют как N=mλ_фH/ν, где m - коэффициент, значение которого определяется конструкцией детектора (m=2 для плоского детектора, m=2,8 для всенаправленного детектора), Н - расстояние до линии движения ИИИ, ν - скорость движения ИИИ, а при отсутствии информации о скорости и расстоянии до ИИИ обработку данных проводят с несколькими вариантами N от минимального где H_min - минимальное расстояние до линии движения ИИИ, ν_max - максимальная скорость движения ИИИ, до максимального где H_max - максимальное расстояние до линии движения ИИИ, ν_min - минимальная скорость движения ИИИ, путем последовательного увеличения N в 1,5 раза, при этом решение об обнаружении принимают в случае, если время регистрации N частиц меньше порогового значения t_порог.