Переносной радиометр для радиационного контроля продукции агропромышленного производства Советский патент 1992 года по МПК G01T1/161 

Изобретение относится к радиаци нно му контролю объектов, подвергшихся радиоактивному заражению в регионах с повышенным уровнем радиации, в частности в областях, пострадавших в результате аварии на ЧАЭС, и предназначено для прижизненного радиационного контроля сельскохозяйственных животных, а также контроля молока и продуктов его переработки, продуктов растениеводства и т.д. Такой контроль необходим для рассортировки объектов как на комбинатах, так и в полевых условиях. Причем в полевых условиях применяемая аппаратура должна быть легкой и переносной, достаточно чувствительной для

определения уровней заражения ниже предельно допустимых за приемлемое время быстродействия (0,1-10 с) и, главное, должна быть достаточно простой и дешевой, чтобы реализовать возможность широкомасштабного и повсеместного контроля в зараженных регионах.

Эти требования в некоторых случаях являются абсолютно взаимоисключающими, чтозатрудняет создание такого рода радиометров. В первую очередь осложения вызывают большие вариации фона в загрязненных регионах на пастбищах в пределах 30-1000 мкР/ч, а также адекватность энергетических спектров гамма-излучения фона

XJ

оо

СА Јь СП

VI

окружающей среды и контролируемых объектов.

Поэтому основная задача при разработке сводится к отделению поля гамма-излучения объекта от внешнего поля окружающей среды

Известен радиометр для радиационного контроля продукции агропромышленного производства. Радиометр состоит из детектора на основе йодистого натрия размером 63x63 мм, который размещен в свинцовой зсщите. Пробу, подготовленную из части объекта контроля продукции, располагают в сосуде Маринелли и надевают на детектор. Затем защиту закрывают и измеряют скорость счета рабочих импульсов с детектора в энергетическом диапазоне Л00- 800 кэВ (фотопик цезия-137), по которой судят об уровне заражения гУр15дУКции. Основными недостатками этого радиометра являются необходимость подготовки пробы весом до 4 кг из части продукции (которая после контроля идет на уничтожение), невысокая экспрессность и экономичность контроля, невозможность организации прижизненного контроля и сортировки сельскохозяйственных животных с помощью этого радиометра в полевых условиях.

Наиболее близким к изобретению является переносной радиометр типа WAM4 для радиационного контроля продукций агропромышленного производства, включающий в себя детектор в виде пустотелого параллелепипеда с основанием и толщиной стенок 4 см (внутренний объемТполости равен 4 л), детектор из сцинтиллирующей пластмассы с защитой от внешнего фона из свинца толщиной в 1 см и съемный пульт с цифровым измерителем скорости счета рабочих импульсов с детектора. Защита окружает детектор со всех сторон, кроме окна сверху, через которое производят загрузку детектора очередной подготовленной про-- бой. Вес детектора с защитой 60 кг. Радио- Мётр позвйляет за 10 с обнаружить 250 Бк в указанном объеме пробы, т.е. имеет порог чувствительности 1,6 Ки/кг.

Указанные выше нёдостатки свойствен- ны и этому переносному радиометру. Другим недостатком является большой вес (60 кг), что исключает его использование в носимом варианте контроля.

Целью изобретения является устранение вышеуказанных недостатков, а именно: повышение экономичности и экспрессно- сти контроля за счет организации измерений продукции в том состоянии, в котором предполагается их дальнейшее использование, без пробоподготовки и разрушения

объекта контроля, повышение представительности и достоверности контроля, расширение функциональных возможностей радиометра вплоть до прижизненной сортировки сельскохозяйственных животных в полевых условиях, а также повышение мобильности контроля.

Цель достигается тем, что в предлагаемом переносном радиометре для

0 радиационного контроля продукции агропромышленного производства, состоящем из детектора на основе пластмассового сцинтиллятора, оптически соединенного с фоторегистратором, защиты детектора от

5 внешнего фона и съемного пульта обработки и управления, содержащего цифровой измеритель скорости рабочих импульсов с детектора, сцинтиллятор выполнен в виде монолитного прямого параллелепипеда с

0 заданными сторонами основания а и b и высотой h, где а b, h hi + П2, и двугранными углами #1 и аг , где a 90° и «2 90°, причем внешние грани при угле a служат входным окном для излучения, выходящего

5 из контролируемого объекта, внутренние грани при угле «2 и нижнее основание с внешней стороны пристыкованы к экранирующей защите, а с внутренней стороны удовлетворяют условию полного светоотра0 жения путем выполнения этих граней дмф- фузно или зеркально отражающими, верхнее основание пристыковано к фоторегистратору, защита детектора выполнена многослойной, комбинированно-съемной и

5 состоит из трех частей - основной, дополнительной и комплексной, причем основной слой представляет собой пластины из защитного материала, образующие двугранный угол с размерами пластин cxd, где

0 с 2а; d : h, которые вплотную примыкают к внутренним граням сцинтиллятора, а дальние от вершины угла аг консоли этих пластин выполнены с возможностью вращения вокруг оси, проходящей на расстоянии

5 а от вершины угла и параллельно его ребру, создавая тем самым возможность экранировки внешних граней сцинтиллятора от внешнего гамма-излучения окружающей среды, за исключением рабочих граней

0 входного окна, и ограничивая рабочий телесный угол радиометра с раствором в аг, пульт обработки исправления дополнительно снабжен логарифмической шкалой с индикатором во всем диапазоне измеряемых величин, на которой размещены пределы сортировки продукции, и шкалой измерения внешнего фона с разметкой пределов применения дополнительной и комплексной защиты сцинтиллятора детектора.

5

При использовании переносного радиометра на пастбищах в полевых условиях с внешним фоном, превышающим 50 мкР/ч, увеличивается порог чувствительности и снижается быстродействие радиометра. В этом случае предлагается использовать дополнительную защиту, которая выполнена из листовой стали в виде двугранного угла с нижним основанием и с внутренними размерами, соответствующими внешним размерам cxd основной защиты сцинтилля- тора, и толщиной стенок не менее 20 мм и укреплена на телескопической стойке или тельфере, выполненных с возможностью регулирования по высоте.

Если внешний фон превышает значение 200 мкР/ч, то предлагается использовать комплексную защиту, которая дополнена баком с полостью в его середине, заполненной радиационно-чистой водой с толщиной слоя не менее 30 см, окружающего радиометр с основной и дополнительной защитой со всех сторон, кроме стороны, обращенной входным окном к объекту контроля, а высота сцинтиллятора имеет размер не менее h S 400 мм при а b 100-150 мм.

Положительный эффект достигается повышением экономичности контроля за счет исключения процесса пробоподготовки, расширением функциональных возможностей радиометра за счет сортировки продукции в полевых условиях с различным внешним гамма-фоном и возможностью организации прижизненного контроля сельскохозяйственных животных, а также повышением мобильности контроля.

, Реализация предложенной взаимной геометрии расположения защиты-детектора-объекта (где объект дополнительно является и защитой от внешнего фона) в радиометре в совокупности с новыми дополнениями в пульте управления облегчает и упрощает радиометр, делает его самонастраивающимся и позволяет с его помощью производить контроль и измерение продукции без пробоподготовки и разрушения объекта в том состоянии, в котором предполагается ее дальнейшее использование.

На фиг.1 приведена схема взаиморасположения предлагаемой системы 2 щита-детектор-объект (2 -защита) при измерениях с помощью предлагаемого радиометра; на фиг.2 - предлагаемый радиометр; на фиг.З - элемент дополнительной защиты, установленный на телескопическую стойку; на фиг.4 - защита в виде бака с полостью посередине, заполненного радиационно-чистой водой.

Предлагаемый перенос).ой радиометр имеет основную защиту 1 (фиг.1), которая экранирует сцинтиллятор детектора 2 от внешнего фона, и предназначен для регистрации гамма-излучения от объекта 3 в диапазоне 10-250 кэВ в геометрии 2 я-за- щита-детектор-объект (2 тг-защита). При этом сам объект контроля является достаточно эффективной защитой от внешнего

потока 4 гамма-излучения (при выполнении требований по толщине объекта), приходящего из другой половины (2 л) полупростан- ства окружающей среды.

Поэтому регистрируемый поток 5 с поверхности объекта 3 надежно изолирован от рассеянного потока 4 внешнего фона. Выбранный энергетический диапазон 10-250 кэВ регистрации гамма-квантов, обусловленный характером спектра толстослойного

источника, позволяет существенно снизить требования к толщине защиты. Так, например, толщина стали в 2 см имеет кратность подавления гамма-излучения со средневзвешенной энергией 100 кэВ (по спектру 10-250 кэВ), равную 10.

Предлагаемый переносной радиометр состоит из детектора 2 (фиг,2), защиты 1, окружающей детектор со всех сторон, кроме двух внешних боковых граней детектора,

образующих два входных окна 6. Консоли 7 крыльев защиты 1 могут свободно вращаться вокруг осей 8 и полностью закрывать входные окна 6 при измерении фона или при транспортировке и хранении, а во Ёремя

контроля уровня заражения продукции эти крылья открыты, образуют с основной защитой двух внутренних граней детектора двугранный угол «2 и по сути ограничивают угол измерения с раствором аг широкого

пучка 5 (фиг.1) гамма-излучения, выходящего из объекта 3 контроля, что позволяет организовать измерения потока излучения из фиксированного телесного угла и с фиксированной установочной геометрией, показанной на фиг,1. Для такой геометрии будут выполняться все условия прямой пропорциональности регистрируемого потока N рабочих сигналов, обусловленных взаимодействием со сцинтиллятором гаммаизлучения в диапазоне-10-250 кэВ, определяемой удельной активности Q це- зия-137 в объекте контроля, т.е. N BQ, где В - чувствительность радиометра.

Съемный пульт управления 9 содержит

цифровой измеритель 10 скорости счета, переключатели 11 и 12 режимов работы и времени экспозиции каждого измерения радиометра. Индикаторы 13 указывают пригодность напряжения питания, переполнения памяти и текущего состояния режима работы. В пульте имеются также пороговое устройство с выходом на звуковой зумер 14, импульсный выход 15 на ЭВМ, логарифмическая шкала 16 со всем измеряемым диапазоном удельных активностей объектов контроля с указанием над ней разметки 17 пределов сортировки по уровням заражения; под шкалой измерения внешнего фона нанесена секторная разметка 18с указанием использования типа защиты в зависимости от показаний измерения внешнего фона с помощью индикатора (стрелки) 19.

Защита 1 переносного радиометра является комбинированно-съемной и состоит из основного комплекта 1, 7 (фиг.1, 2), выполненного из листовой стали толщиной 5- 10 м м и закрывающего полностью все грани детектора 2, При этом входное окно 6 радиометра, выполненное на двух внешних гранях детектора, при измерениях объекта открывается и устанавливается по отношению к объкту 3 контроля в геометрии, указанной на фиг.1, а консоли 7 основной защиты образуют двугранный угол аг , который наряду с экранировкой детектора от внешнего фона одновременно выполняет функции ограничения широкого пучка 5 рассеянного потока гамма-излучения, выходящего из слоя Хо (фиг.1) толстослойного источника 3. Если при изменении внешнего фона последний превышает установленный предел 18 (50 мкР/ч) на шкале, то используют дополнительную защиту, установленную на стойке 20 (фиг.З) с регулируемой по высоте трубой 21. Эта защита выполнена в виде двугранного угла аг из набора пластин 22 и 23 с нижним основанием 24 из стали или из свинца. В случае превышения внешним фоном значения 200 мкР/ч используют бак 25 с полостью 26 (фиг.4), наполненный радма- ционно-чистой водой с толщиной слоя до 50 см,

С помощью переносного радиометра контроль уровней заражения продукции производят следующим образом. Перед началом контроля большого объема одинакового типа продукции необходимо корректно произвести измерения фона оттого или иного типа объекта контроля. Этот фон будет иметь различное значение в зависимости от толщины объекта 3 (фиг.1). Если толщина слоя L этого объекта соответствует двум- трем длинам свободного пробега гамма- квантов с энергией 662 кэВ (цезий-137), т.е. если выполняется условие L S 33 см, то как источник объект можно считать толстослойным, а как защиту - достаточно толстой для экранизации детектора от

внешнего фона, также обсулсвленного в основном излучением цезия-137. В этом случае фон можно измерять двумя методами. В одном случае его измеряют с помощью так

называемого фантома, т.е. модели, которая имеет лишь заражение суммой естест- венных радионуклидов (калий-40, висмут-214, таллий-208) из окружающей среды, свойственной для данного региона,

в котором полностью отсутствует цезий- 137. В предлагаемом варианте фон измеряют с помощью консолей 7 основной защиты 1, которыми закрывают входные окна 6 внешних граней сцинтиллятора 2. Толщина

основной защиты из стапи, соответствующая значениям 5-10 мм, задерживает большую часть потока внешнего фона, обусловленного спектром гамма-излучения цезия-137 из толстослойного источника окружающей среды, имеющего средневзвешенную энергию также 100 кэВ. Другая, часть внешнего фона, обусловленного естественными радионуклидами, проходит сквозь эту защиту и дает вклад в показания

радиометра, регистрирующего гамма-излучения в диапазоне 10-250 кэВ. Этот вклад в фон пропорционален искомому потоку от определенного выше фантома.

Далее открывают входные окна 6 у радиометра, приближают его по возможности вплотную к поверхности объекта 3 (фиг.1) на расстояние I ± ДI и производят измерение потока 5 и фона, вычитают фон из показаний и измерения отсчитывают с помощью логарифмической 16 или цифровой 10 шкал пульта 9 обработки и управления (фиг.2).

Выбор предлагаемой геометрии (фиг.1) расположения внешних граней сцинтиллятора по отношению к поверхности объекта

3 обусловлен тем, что нормально к поверхности объекта 3 выходят более энергетические (2-3-кратно рассеянные на малые углы) гамма-кванты с энергией 100-250 кэВ. Они наиболее эффективно регистрируются на

большей средней длине сцинтиллятора, т.е. вдоль диагонали, Под большими углами (со средним углом 45°) выходят многократно рассеянные в слое Х0 гамма-кванты цезия- 137 соответственно со средней энергией

10-100 кэВ, поток которых в два-три раза больше кратнорассеянных.

Поэтому среднеэффективная чувствительная площадь детектора в предлагаемой геометрии расположения фиг.1, а следовательно, и чувствительность будет в полтора- два раза выше по сравлению с геометрией, при которой к поверхности объекта повернута параллельно ей только одна грань сцинтиллятора.

Так как все контролируемые объекты толстослойны, то при фиксированном угле (Xi и при достаточно малых I поток 5 внешнего гамма-излучения объекта строго пропорционален весу объекта с толщиной слоя Х0, который для данной геометрии и данного радиометра является константой, что позволяет проводить контроль удельной массовой активности Q (Ки/кг).

Указанные на логарифмической шкале пределы 17 (фиг.2) уровней заражения позволяют производить сортировку продукции без пробоподготовки в полевых условиях с различными вариациями внешнего фона путем использования дифференцированной защиты. Тип защиты указывает сам радиометр при изменении внешнего фона.

Отбраковку наиболее грязной продукции можно производить по звуковому сигналу 14, Для удобства сортировки и создания базы данных можно радиометр подключить к полевой (LAP-Top) или стационарной ЭВМ (IBM PC AT/XT) через выход 15, организуя тем самым одновременно локальный и дистанционный контроль за полным потоком продукции.

Так, например, в таблице приведены конкретные размеры сцинтиллятора детектора его фона Мф в ествественных условиях, толщина защиты, чувствительность (В), время измерения и порог чувствительности (МДО). Эти параметры связаны между собой следующим соотношением:

МДО

No m t

В

Поэтому при увеличении фона увеличивается порог чувствительности. Если порог чувствительности соизмерим с одним из критических уровней заражения, по которому необходимо производить сортировку, то такой контроль неосуществим. Для того чтобы он стал осуществимым, необходимо в три-четыре раза снизить порог чувствительности ниже критического уровня. Это можно сделать за счет ухудшения быстродействия, т.е. переходя от времени экспозиции 1 с к 10 с.

Этого же эффекта можно достичь еще двумя возможными путями (см, таблицу) - увеличением толщины защиты {т,е. от m 2 к m 8) или увеличением размера детектора

1010кВ 6

10

ю имп кг

Ки

Таким образом, использование предлагаемого радиометра позволит существенно

повысить мобильность контроля продукции без пробоподготовки в полевых условиях экономичность, экспрессность и чувствительность измерений,

Формула изобретения

1. Переносной радиометр для радиационного контроля продукции агропромышленного производства, содержащий детектор на основе пластмассового сцинтиллжгора, оптически соединенный со сцин- тиллятором фоторегистратор, выход которого соединен со съемным пультом обработки и управления, включающем цифровой измеритель скорости счета рабочих

имплуьсов с детектора и экранирующую детектор от внешнего гамма-фона защиту, о т- личающийся тем, что, с целью обеспечения мобильности контроля, в том числе прижизненного контроля сельскохозяйственных животных в полевых условиях при различных вариациях внешнего гамма-Фона, а также повышения экономичности, экс- прессности и чувствительности измерений, сцинтиллятор выполнен в виде монолитного

прямого параллелепипеда с заданными сторонами основания а и b и высотой h, где а b, a ri hi-h2M двугранными угламиат и аг , где «1 90° и Oi 90°, причем внешние грани при угле «1 служат входным окном

для излучения, выходящего из контролируемого объекта, внутренние грани при угле (12 и нижнее основание с внешней стороны пристыкованы к экранирующей защите, а с внутренней стороны удовлетворяют усло

вию полного светоотражения путем выпол

50

нения этих граней диффузно или зеркально отражающими, верхнее основание пристыковано к фоторегистратору, защита детектора выполнена многослойной,

40 комбинированно-съемной и состоит из трех частей - основной, дополнительной и комплексной, причем основной слой представляет собой пластины из защитного материала, образующие двугранный угол Q.I с размера45 ми пластин cxd, где с 2a,ad h, которые вплотную примыкают к внутренним граням сцинтиллятора, а дальние от вершины угла а.1 консоли этих пластин выполнены с возможностью вращения вокруг оси, проходящей на расстоянии а от вершины угла и параллельно его ребру, создавая тем самым экранировку внешних граней сцинтиллятора от внешнего гамма-излучения окружающей среды за исключением рабочих граней

55 входного окна и ограничивая рабочий телесный угол радиометра с раствором в as., пульт обработки и управления дополнительно снабжен логарифмической шкалой с индикатором во всем диапазоне измеряемых

величин, на которой размещены пределы сортировки продукции и шкалой измерения внешнего фона с разметкой пределов применения слоев дополнительной и комплексной защиты сцинтиллятора.

2. Радиометр поп.1,отличающий- с я тем, что, с целью снижения порога чувствительности радиометра при увеличении внешнего фона свыше 50 мкр/ч, дополнительная защита радиометра выполнена из листовой стали в виде двугранного угла с нижним основанием и с внутренними размерами, соответствующими внешним размерам cxd основной защиты сцинтиллятора и толщиной стенок не менее 20 мм и которая прикреплена к телескопической стойке или

0

тельферу, выполненных с возможностью регулирования по высоте.

3. Радиометр по п.Ч, от л ичающий- с я тем, что, с целью снижения порога чувствительности без ухудшения быстродействия радиометра при увеличении внешнего фона свыше 200 мкР/ч, комплексная защита радиометра выполнена в виде бака с полостью в его середине, заполненного радиа- ционно чистой водой с толщиной слоя не менее 30 см, окружающего радиометр с основной и дополнительной защитой со всех сторон, кроме стороны, обращенной входным окном к объекту контроля, а высота сцинтиллятора имеет размер не менее h Ј 40 мм при a e b 100-150 мм.

Изобретение относится к контролю объектов, подвергшихся радиационному воздействию в зонах с повышенным уровнем радиации, и может быть использовано при прижизненном контроле сельскохозяйственных животных в полевых условиях с различными вариациями внешнего фона. Для контроля используют переносной радиометр, детектор которого из сцинтиллирую- пластмассьГвыполнен в виде прямого параллелепипеда с размерами 10х10х(10- 40) см. Защита комбинированно-съемная, состоит из трех частей - основной, дополнительной и комплексной. Две внешние грани параллелепипеда повернуты к контролируемой поверхности под углом 45° и образуют два входных окна, кбторые могут закрываться консолями основной защиты при измерении фона и ограничивать телесный угол при измерениях. Пульт обработки и управления дополнен логарифмической шкалой с индикатором во всем диапазоне измеряемых величин, на которой нанесены пределы сортировки объектов, а также дополнен шкалой для измерения внешнего фона с указанием пределов применения основной, дополнительной и комплексной защиты. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

Зависимость минимально детектируемой (МДО, Ки/кг) удельной активности от размера пластического

степени (т) подавления фона в диапазоне гамма-излучения сцинтиялятора, от 10-250 кэ8 и

от времени экспозиции одного измерения от 1 до 10 с (при ВДУ 0-2-10 ° Ки/кг)

to. I

ТЧ

гб

Фиг. 4

21