СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ С САМОЛЕТА (ВЕРТОЛЕТА) ИЛИ АВТОМАШИНЫ ПЛОТНОСТИ И РАДИОИЗОТОПНОГО СОСТАВА ОСКОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ, ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ МЕСТНОСТЬ Советский патент 2009 года по МПК G01T1/167 

1. Радиоактивные продукты ядерных взрывов и выбросы предприятий атомной промышленности загрязняют атмосферу, местность, воды, а также попадают на растения, живые организмы и человека, оказывая на них вредное биологическое воздействие. Опасность существует также и вследствие внешнего облучения организмов радиоактивными продуктами, загрязняющими природные среды.

Сведения о загрязненности природных сред необходимы для решения многообразных вопросов народного хозяйства и обороны, в том числе сельского хозяйства, медицины и биологии.

Радиоактивное загрязнение местности исследуется главным образом путем отбора проб и измерения их в лабораторных условиях. При высоких уровнях загрязнения применяются полевые методы (в том числе самолетные) определения эквивалентной суммарной активности радиоактивных продуктов, загрязняющих местность. Институт прикладной геофизики в своих работах использовал гамма-спектральный самолетный метод для идентификации радиоизотопного состава осколочных продуктов, распределенных на местности. Ясно, что по сравнению с суммарными методами радиоизотопные способы дают очень важную информацию о составе выброшенных продуктов. Подобная информация необходима при установлении типа и места выброса (взрыва), биологической опасности загрязнения и выбора мер защиты от вредного воздействия загрязнения. Вместе с тем, при самолетных и наземных гамма-спектральных съемках важно не только идентифицировать радиоактивные изотопы, но и количественно определить их запас на единице площади местности. Последняя задача представляет определенную трудность, так как глубинное распределение осколочных продуктов (по почвенному разрезу) может быть различным в зависимости от типа почвы, вида продуктов, условий их отложения. Способам решения указанной задачи и посвящено настоящее изобретение.

2. В зависимости от типа ядерной реакции (взрыва), времени, прошедшего после деления, условий деления и распространения образовавшихся радиоактивных продуктов будет различным и радиоизотопный состав загрязнения местности, в частности состав гамма-излучающего загрязнения. Например, для загрязнений, возникающих в результате испытаний ядерного оружия, характерными гамма-излучающими изотопами являются:

- в период 10-50 дней после взрыва характерен Ba140 + La140 с линиями гамма-излучения La - 140, имеющими энергию 0,49 Мэв и 1,6 Мэв;

- в период 50-200 дней после взрыва основное значение имеют Zr 95 + Nb95 с интенсивными линиями гамма-излучения в интервале 0,72-0,77 Мэв.

Осколочные продукты на местности располагаются в сравнительно тонком слое грунта или на поверхности растительного покрова. Глубина проникновения осколков для незаболоченных территорий обычно не превосходит нескольких сантиметров. Тем не менее количественная связь между наблюдаемым гамма-излучением и запасом гамма-излучающих продуктов на единице площади местности непосредственно зависит от возможных вариаций их глубинного распределения. В этой связи рассмотрим схему загрязнения местности, при которой концентрация гамма-излучателей в грунте убывает с глубиной по экспоненциальному закону:

Известно, что интенсивность первичного гамма-излучения в поглотителе над излучающим бесконечно-плоским тонким слоем (пленкой) определяется выражением:

где σ - поверхностная концентрация излучателей

µ - коэффициент ослабления гамма-излучения

y - толщина поглотителя

ε₁(t) - интегрально-показательная функция первого рода.

Очевидно, что в случае экспоненциального глубинного распределения интенсивность на высоте h в воздухе над зараженной территорией получится из интеграла

где ν - коэффициент ослабления гамма-излучения в воздухе,

µ - коэффициент ослабления гамма-излучения в почве.

При h=0 получим

При β=0 (равномерное по глубине загрязнение) имеем

где ε₂(t) - интегрально-показательная функция второго рода.

Изменяя пределы интегрирования, легко получить интенсивность гамма-излучения в конусе с углом θ (отсчитывается от вертикали)

При гамма-спектральной съемке искомым является запас гамма-излучающих радиоактивных продуктов на единице площади местности

Для перехода к запасу в кюри имеем очевидное соотношение:

где: η - выход гамма-линии на одно деление,

Е_о - энергия гамма-излучения.

Следовательно, из гамма-измерений для каждого радиоизотопа необходимо определить два числа: ε_о и β. В настоящей работе предлагаются два основных способа их определения - с использованием нескольких монохроматических линий искомого радиоизотопа или по угловым измерениям двумя детекторами. Рассмотрим эти способы.

3. В первом способе на сцинтилляционной спектрограмме измеряются интенсивности фотопиков для двух или большего числа гамма-линий, принадлежащих одному и тому же изотопу или семейству изотопов, находящихся в радиоактивном равновесии.

Интенсивность фотопика можно измерить или по амплитуде, или по площади пика. В первом случае имеем следующее выражение для амплитуды фотопика, вызванного гамма-излучением с энергией Е_о

где Р - фотоэффективность кристалла для энергии Е_о,

S - площадь кристалла.

Сравнивая выражения (3) и (9), мы видим, что соотношение интенсивностей двух фотопиков не зависит от ε_о, а является функцией только коэффициента заглубления β и высоты полета h (при известных энергиях гамма-фотонов, их выхода и характеристиках кристалла)

В следующей таблице даны эти отношения для двух линий La 140 с энергиями 0,49 Мэв и 1,6 Мэв.

β N₂/N₁       В расчете принято: 0,2 8,4 E₁=0,49 Мэв, E₂=1,6 Мэв 2,0 7,1 η₁=0,40 η₂=1,0     P₁=0,73 P₂=0,37     h=25 м, NaJ(тl) - 10×10 см

Определив по отношению фотопиков коэффициент заглубления, можно по одному из фотопиков определить концентрацию ε_о (см. уравнения (3) и (9)); далее по формуле (7) определяем запас. При наличии более чем двух автономно регистрирующихся гамма-линий одного изотопа можно улучшить точность определения запаса или учесть искажения фотопиков за счет гамма-линий естественных радиоизотопов, присутствующих в почве.

4. Во втором способе двумя направленными детекторами одновременно измеряется интенсивность гамма-излучения в двух телесных углах. Если один детектор измеряет интенсивность гамма-излучения в вертикальном конусе с углом θ° (отсчитывается от вертикали), а другой - интенсивность гамма-излучения в остальном угле зрения, охватывающем местность (т.е. в угле (90°-θ°), то отношение измеренных интенсивностей определится формулой (6)

где через n обозначена интенсивность фотопика в ограниченном телесном угле и считается известной энергия гамма-фотонов, их выход и характеристики кристалла. Следовательно, по измеренному угловому отношению (n₁/n₂) и при фиксированных значениях h и θ можно определить коэффициент заглубления β. В следующей таблице приведены значения углового отношения n₁/n₂, вычисленные для системы двух детекторов с характеристическим углом θ=30°:

β [см^-1] Значение n₁/n₂ Е=0,5 Мэв E=1,0 Мэв h=1 м h=25 м h=1 м h=25 м 0,2 8,7 4,95 9,5 6,1 2,0 16,0 7,02 17,6 9,0

Таким образом, при изменении коэффициента заглубления в 10 раз, угловое отношение изменяется приблизительно в 1,5 раза (или в 2 раза при характеристическом угле экрана θ~60°); это указывает на удовлетворительную разрешающую силу способа угловых измерений.

Если глубинное распределение осколочных продуктов на местности является известным, то угловые измерения двумя детекторами позволяют надежно разделить эффекты искусственных (искомых) и естественных (мешающих) изотопов при близких энергиях их гамма-линий, т.е. тогда, когда фотопики этих элементов перекрываются (например, пик 1,46 Мэв естественного калия - 40 и пик 1,6 Мэв осколочного лантана - 140). Поскольку для естественных элементов β=0, а для осколочных β=0,5÷2,0 (считается известным), то угловые измерения дадут два числа, на основании которых можно определить неизвестные концентрации ε_о' (калий - 40) и ε_о" (лантан - 140). Принимая во внимание уравнения (6), (9) и обозначения, принятые в уравнении (11), мы можем записать систему для определения двух неизвестных концентраций

Соотношения естественных и искусственных изотопов иллюстрируются на фиг.1-5.

Фиг.1 - пик 1,6 Мэв лантана - 140 и пик 1,46 Мэв калия - 40 в случае интенсивного осколочного загрязнения.

Фиг.2, 3 - то же при более низких уровнях осколочного загрязнения.

Фиг.4 - высотный ход интенсивности гамма-излучения калия - 40 и бария - 140 + лантана - 140.

Фиг.5 - спектрограммы, измеренные двумя детекторами с характеристическим углом θ=50°.

5. Для осуществления измерений по второму способу предлагается использовать сцинтилляционный гамма-спектрометр с двумя датчиками, имеющими различную направленность. Один датчик имеет угол обзора в вертикальной конусе с полууглом θ=50° (отсчитывается от вертикали), другой регистрирует излучение от местности в остальном телесном угле. Направленность датчиков достигается применением стальных экранов соответствующей формы с толщиной стенок 100 мм. Использование экранов, кроме обеспечения перечисленных выше задач, резко снижает мешающее излучение радиоактивных загрязнений самолета (остаточный фон самолета уменьшается в 3-4 раза).

Общий вид экрана и установка датчиков в фотолюке самолета показаны на фиг.6, 7 и 8. Конструкция сцинтилляционных счетчиков и экрана из пермаллоя изображены на фиг.9.

С целью более экономного использования каналов амплитудного анализатора была применена функциональная энергетическая шкала, растягивающая диапазон мягких энергий. Эффективное использование такой шкалы возможно лишь при высокой стабильности спектрометра. Стабильность спектрометра обеспечивалась дифференциальной схемой, включенной в распределительное устройство анализатора в каналы регистрации фотопика калия - 40. Дифференциальная схема воздействовала на напряжение, подаваемое на фотоумножитель, компенсируя уход фотопика. Стабильность работы спектрометра составляет 1% за шесть часов непрерывной работы.

6. Предлагаемый способ определения запаса осколочных изотопов широко применялся авторами при изучении в 1962 г. загрязнений некоторых районов СССР с самолета. В качестве примера на фиг.10 даны концентрации циркония - 95 + ниобия - 95 в милликюри/км² для одного из маршрутов. Всего в течение 1962 г методом самолетной гамма-спектральной съемки получено более 3000 спектрограмм осколочного загрязнения в различных районах СССР.

Способ определения с самолета (вертолета) или автомашины плотности и радиоизотопного состава осколочных продуктов, загрязняющих местность и образующихся в результате ядерного взрыва или выбросов предприятий атомной промышленности, основан на измерении энергии излучения загрязняющих продуктов спектрометром. Спектрометр регистрирует отдельные гамма-линии. Причем интенсивность гамма-излучения какой-либо энергии измеряют двумя детекторами в двух известных телесных углах и, зная высоту, на которой проводят измерение и эффективность детекторов, определяют "коэффициент заглублениям", а по нему определяют плотность загрязнения площади данным изотопом. Технический результат - идентифицирование ряда равновесных изотопов при количественном определении их плотности. 10 ил.

Способ определения с самолета (вертолета) или автомашины плотности и радиоизотопного состава осколочных продуктов, загрязняющих местность и образующихся в результате ядерного взрыва и выбросов предприятий атомной промышленности, основанный на измерении энергии излучения загрязняющих продуктов спектрометром, регистрирующим отдельные гамма-линии, отличающийся тем, что, с целью идентифицирования ряда равновесных изотопов при количественном определении их плотности, измеряют интенсивность гамма-излучения какой-либо энергии двумя детекторами в двух известных телесных углах и, зная высоту, на которой проводят измерение и эффективность детекторов, определяют "коэффициент заглубления", а по нему - плотность загрязнения площади данным изотопом.