Методические исследования и программно-аппаратное обеспечение портативных информационно-измерительных приборов для недеструктивного контроля делящихся и радиоактивных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.10, кандидат технических наук Барышев, Леонид Васильевич

• Барышев, Леонид Васильевич
• кандидат технических наук
• 2002

Оглавление диссертации кандидат технических наук Барышев, Леонид Васильевич

Введение

Глава 1. Требования к аппаратным средствам радиометров спектрометрического типа.

Глава 2. Методы уменьшения и учета просчетов в спектрометрических радиометрах.

Глава 3. Организация стабилизации измерительного тракта спектрометрических радиометров.

Глава 4. Портативный многоцелевой радиометр спектрометрический РПГ-09П.

4.1. Контроль плотности отложений урана-235 с помощью РПГ-09П.

4.2. Программно- методическое обеспечение для 44 определения обогащения урана-235.

4.3. Применение метода корреляционного анализа для 52 качественной идентификации радиоизотопов.

4.4. Применение методов регуляризации для 56 улучшения энергетического разрешения сцинтилляционных детекторов и решения дозиметрических задач.

Глава 5. Портативный гамма - нейтронный радиометр 69 РПС-07П для скрытного обнаружения делящихся и радиоактивных материалов.

Глава 6. Система РПГ-06Пм для многоточечного контроля концентрации урана-235 в технологических емкостях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методические исследования и программно-аппаратное обеспечение портативных информационно-измерительных приборов для недеструктивного контроля делящихся и радиоактивных материалов»

Развитие атомной промышленности, обусловленное ростом энергетических потребностей экономики, а также применение ядерно-физических методик и соответственно радиоактивных источников в различных отраслях производственной и научной деятельности человека, сопровождается возрастанием количества делящихся и радиоактивных материалов (ДРМ) и числом лиц, с ними работающих. Значительная собственная радиоактивность, опасность возникновения самоподдерживающейся цепной реакции в технологических процессах, высокая стоимость, угроза хищений и несанкционированных перемещений ДРМ требуют надежного приборного контроля ДРМ, а также экологического контроля над территорией предприятий, использующих ДРМ.

Проблема учета и контроля (ДРМ) широкое понятие и включает в себя большое количество задач, из которых выделим следующие: задачи, связанные с определением количества и изотопного состава делящихся и радиоактивных материалов, которые находятся в распоряжении предприятий на различных этапах обращения с ДРМ: производство, хранение, использование, переработка, транспортировка и захоронение; проведение инвентаризационных процедур для проверки соответствия фактического количества ДРМ декларируемому; К задачам контроля ДРМ с целью предотвращения хищений, несанкционированных перемещений ДРМ тесно примыкают задачи технологического контроля при производстве ДРМ и сопутствующие задачи контроля параметров ядерной безопасности, ибо часто перечисленные выше задачи могут решаться путем измерения одинаковых физических величин, при этом измерения проводятся при помощи одних и тех же технических средств с использованием одной и той же методики выполнения измерений.

Проблема учета и контроля ДРМ существовала с момента создания атомной промышленности и, очевидно, будет существовать, пока существуют ДРМ. В течение 50 лет от момента возникновения советской атомной промышленности была создана эффективная система учета и контроля и физической защиты ДРМ. Функционирование этой системы основано на строгой персональной ответственности сотрудников, в ведении которых находятся ДРМ, четкой регламентации документального сопровождения ДРМ в процессе их жизненного цикла, организации процедур независимых инвентаризационных проверок, совершенствовании физической защиты ДРМ.

Цель внутригосударственного контроля за ДРМ- рациональное использование ДРМ, предотвращение хищений и потерь ДРМ, всемерное повышение ядерной и радиационной безопасности на предприятиях атомной промышленности, выполнение требований технологических регламентов на предприятиях по переработке ДРМ.

На международном уровне создана система международных договоров, регулирующих использование ядерной энергии, препятствующих появлению новых стран, обладающих ядерным оружием. Центральное место в этой системе занимает Договор о нераспространении ядерного оружия, вступивший в силу в марте 1970 года. Контроль за выполнением этого договора осуществляет Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), Евратом путем применения гарантий ко всей мирной ядерной деятельности стран-участниц Договора, не обладающих ядерным оружием. Цель контроля МАГАТЭ за деятельностью предприятий, использующих ДРМ - обнаружение переключения ядерных энергетических установок с мирной деятельности на военную.

Особую актуальность проблема контроля ДРМ приобрела в последнее время в связи с крупномасштабными сокращениями ядерных вооружений, которые привели к высвобождению больших количеств ДРМ, что требует надлежайщего учета, контроля и сохранности при утилизации и длительном хранении.

В 1997 году в России принята государственная программа по учету и контролю ДРМ, в которой подтверждена необходимость создания единой информационной системы и использования аппаратуры неразрушающего анализа по собственному излучению.

Помимо организационных мероприятий при решении проблемы контроля ДРМ важное значение имеет развитие приборной базы.

Весь арсенал аналитических инструментальных методов контроля ДРМ можно разделить на 2 группы: деструктивные и недеструктивные.

К деструктивным методам относят качественный и количественный химический анализ, масс - спектрометрия, а-спектрометрия и другие методы, позволяющие выполнять к* kj т Л прецизионныи элементный анализ. К достоинствам деструктивных методов можно отнести наивысшую точность, а к недостаткам -необходимость разрушения анализируемого материала, имеющего высокую стоимость, и длительность проведения анализа.

При решении широкого спектра задач контроля ДРМ недеструктивные методы занимают особое место по следующим причинам:

1. Недеструктивные методы не подвергают изменению физическое и химическое состояние анализируемого вещества. Измерения на одном и том же материале могут повторяться неоднократно. Материал после анализа может быть возвращен для основного использования.

2. Недеструктивный анализ может проводиться в заводских условиях при инспекционных проверках и при проведении физических инвентаризаций.

3. Недеструктивные методы требуют обычно значительно меньше времени, чем деструктивные методы анализа, и относительно просты в процедуре проведения измерений.

По точности результатов определения физических величин измерения делятся на учетные и контрольные измерения. Согласно [31], учетными будем называть измерения с точностью лучше 5% (значения погрешностей, приводимые в диссертационной работе, указаны для доверительной вероятности 0.95). Результаты учетных из измерений заносятся в учетные документы на ДРМ, а контрольными будем называть измерения, результаты которых имеют погрешность около 10% и хуже, при этом задача контрольных измерений состоит в проверке соответствия значений физических величин учетным данным или приблизительная оценка значений физических величин.

Среди многообразных средств измерений ДРМ недеструктивными методами выделяют аппаратуру для «полевых» измерений. Отличительной особенностью данной аппаратуры является возможность проведения измерений и получения результата измерений непосредственно на месте проведения измерений без внесения помех в работу технологической линии. Требования, предъявляемые к таким приборам для недеструктивного контроля ДРМ:

- приборы должны быть портативными, надежными и удобными для транспортировки;

- проведение измерений должно как можно меньше вносить помех в работу технологической линии;

- работа с прибором должна быть простой удобной и не требовать высокой квалификации от оператора;

- к приборам недеструктивного анализа (НДА) предъявляются повышенные требования к эспрессности проводимых измерений. Наиболее широко при инспекционных проверках применяется гамма - спектрометрический и гамма-радиометрический методы НДА из-за своей представительности, простоты и наглядности. Для регистрации излучения при учете и контроле ДРМ применяются сцинтилляционные детекторы (Nal(Tl), CsI(Tl)) и полупроводниковые детекторы на основе германия, кремния, теллурида кадмия.

Сцинтилляционные детекторы, вследствие своей простоты в обслуживании и дешевизны относительно полупроводниковых детекторов, получили более широкое применение при проведении экспрессного анализа ДРМ.

Создание портативных гамма - радиометров и сцинтилляционных гамма-спектрометров было и остается важнейшей задачей для специалистов в области ядерного приборостроения как в нашей стране, так и зарубежом.

Так в 80-е годы для потребностей МАГАТЭ были разработаны 2-х канальные радиометры SAM-2 , BSAM -2 с выносным сцинтилляционным блоком детектирования. Эти приборы позволяли определять значение обогащения урана-235 и широко применялись в МАГАТЭ при инспекционных проверках.

Из современной продукции зарубежных фирм в области портативных гамма - спектрометров и радиометров для контроля ДРМ, представленных на Российском рынке, можно выделить:

- 256-канальный полевой анализатор тМСА-430 (продукция ф-TSA) со встроенным детекторами: Nal (Т1) для регистрации гамма-излучения и LiI(Eu) для регистрации нейтронного излучения. Прибор имеет ЖК-дисплей (100x32 точки) и клавиатуру из 12 клавиш. Время непрерывной работы около 10 часов, вес прибора 1.4 кг. Программное обеспечение прибора позволяет проводить измерение спектра с его визуализацией на экране дисплея, вычисление скоростей счета в четырех выбранных оператором энергетических окнах на амплитудном спектре гамма-излучения и скорости счета от нейтронного детектора, а также пересылку спектра в персональный компьютер через интерфейс RS-232 для последующей обработки;

- 512-канальный анализатор SCOUT-512 (продукция ф. Quantrad Sensor) - универсальный анализатор , который функционирует как приставка, подключаемая к портативному компьютеру Hewlett Packard ЕР LX через стандартный последовательный интерфейс RS-232. Время непрерывной работы прибора около 8 часов, вес непосредственно самого анализатора около 900 грамм. Программное обеспечение, функционирующее на подключенном к анализатору компьютере, позволяет, помимо измерения спектра с визуализацией на графика спектра на дисплее, вычислять мощность экспозиционной дозы, вычислять скорости счета в установленных энергетических диапазонах. Кроме этого программное обеспечение поддерживает библиотеку изотопов, в которой для каждого радиоизотопа записана энергия гамма квантов, испускаемых при радиоактивном распаде данного радиоизотопа. Информация в этой библиотеке радиоизотопов используется оператором при необходимости идентификации изотопа. Анализатор поставляется с различными типами детекторов: сцинтилляционный детектор с кристаллом Nal(Tl) различного размера для регистрации гамма-излучения, кремниевый детектор для спектрометрии альфа-излучения, сцинтилляционный детектор LiI(Eu) для регистрации нейтронного излучения.

- MicroNomad (продукция ф. ORTEC) - 2048-канальный анализатор с возможностью подключения как сцинтилляционного детектора, так и ППД. Анализатор не имеет дисплея, общение оператора с прибором в процессе рутинных измерений осуществляется через кнопку для набора спектра и несколько светодиодов. Прибор снабжен сканером для считывания штрих-кода, который наносится на изделия, подлежащие инвентарному контролю. Фактически прибор MicroNomad функционирует, как накопитель спектров с возможностью передачи накопленной спектрометрической информации в персональный компьютер через параллельный интерфейс. Время измерения, регистрируемый энергетический диапазон задаются с персонального компьютера перед началом рутинных измерений. Вес анализатора - 0.7 кг, время непрерывной работы около 8 часов;

- U-Pu Inspector (ф.Canberra) - мощная «полноценная» спектрометрическая система. Представляет собой анализатор на 16К каналов, подключаемый к носимому персональному компьютеру Notebook. U-Pu Inspector может комплектоваться различными детекторами: сцинтилляционный детектор на основе Nal(Tl), ППД HPGe и CdTe. Разработаны различные программы для анализа изотопного состава урановых и плутониевых образцов: MGA (анализ плутониевых образцов), MGA-U (анализ образцов урана), программа PC/FRAM. Вес анализатора U-Pu InSpector-2000 - 1.3 кг, время непрерывной работы-10. 12 часов;

- Новейшая разработка фирмы «ORTEC" многоканальный (16К/ 32 К каналов) портативный анализатор digiDart. Время непрерывной работы до 12 часов. Типовая комплектация анализатора с ППД на основе особо чистого германия (ОЧГ).

Несмотря на хорошие метрологические характеристики, вычислительные и сервисные возможности зарубежных полевых спектрометров, нельзя не отметить тот факт, что представленные на Российском рынке зарубежные полевые радиометры и спектрометры часто не предназначены специально для решения задач контроля ДРМ и очень дороги, кроме этого, существует проблема сервисного обслуживания, ремонта этой техники и авторского сопровождения, поэтому разработка на основе современной электронной комплектации отечественных портативных радиометров и спектрометров для задач контроля ДРМ, постоянное повышение их функциональных и эксплуатационных возможностей - важная задача для российского ядерного приборостроения. Заслуживает внимание полевая спектрометрическая аппаратура отечественных производителей:

- автономный многоканальный анализатор АИ-8КЖВ (фирма «АСПЕКТ») с числом каналов от 1024 до 8192, к анализатору подключается ППД или сцинтилляционный детектор. Вес пульта около 2 кг, время работы прибора от аккумулятора до 7 часов.

- Одноплатный спектрометр SBS-60 (фирма «Green Star")-спектрометрическая плата, устанавливаемая в слот ISA-интерфейса материнской платы персонального компьютера. На плате спектрометра реализован аналоговый процессор обработки импульсов сигналов с детектора (усилитель, режектор наложений, восстановитель базовой линии, АЦП, узел высоковольтного питания). Число каналов амплитудного преобразования 512. 16384. К спектрометрической плате могут подключаться как сцинтилляционный, так и полупроводниковый детекторы. Поставляемое со спектрометром программное обеспечение позволяет определять изотопный состав урановых и плутониевых образцов.

- Спектрометрическое устройство «Колибри» (фирма «Green Star") - миниатюрный анализатор на 256/1024 канала с выносным сцинтилляционным детектором. Время непрерывной работы - 24 часа.

Особое место среди приборов инструментального контроля ДРМ занимают избирательные (селективные) гамма - радиометры и методики, основанные на гамма - радиометрическом методе измерения. Радиометрический метод предполагает измерение скоростей счета в одном или нескольких энергетических окнах с последующей обработкой этой информации для определения плотности потока ионизирующего излучения, активности радиоактивного материала, а также различных физических величин, связанных с выше указанными, таких как плотность отложений урана-235, обогащение урана-235, удельная концентрация урана-235.

Традиционный подход к построению избирательных радиометров состоял во введении в регистрирующую аппаратуру амплитудных дискриминаторов уровней, сигналы с которых поступают на измерители скоростей счета. Границы энергетических окон в такой аппаратуре либо фиксированные, либо допускают регулирование.

Практиковался и другой подход к построению селективных радиометров, заключавшийся во введении в состав анализирующей аппаратуры аналого-цифрового преобразователя, результаты преобразования которого поступали на вход шифратора в качестве адреса. Выходные данные с этого шифратора приводили к инкременту соответствующего счетного канала селективного (избирательного) радиометра (см. [34]).

Подобный подход к построению радиометрической аппаратуры ограничивал области применения аппаратуры фиксированным количеством энергетических окон. Фактически такая аппаратура предназначена для решения конкретной ядерно-физической задачи. Кроме этого к недостаткам такого подхода можно добавить значительные аппаратные ресурсы (микросхемы компараторов уровней, источники опорных напряжений для задания границ энергетических окон), необходимые для реализации таких радиометров.

Представленные подходы к построению селективных радиометров широко практиковались разработчиками до конца 80-х годов. В современных условиях на российском рынке уже много лет присутствует продукция ведущих мировых лидеров в области микропроцессорной техники, аналого-цифровых, цифро-аналоговых преобразователей, жидкокристаллических дисплеев, конструктивов, всевозможных электронных микросхем интерфейсных конвертеров, позволяющих создавать компактные, надежные и интеллектуальные средства, с продуманным современным дизайном. Помимо этого, нельзя не упомянуть и о доступности программных средств, необходимых при проектировании радиоэлектронной аппаратуры. Неоспоримо более высокий уровень современных разработок объясняется не более высоким уровнем квалификации современного поколения разработчиков, а научно-техническим прогрессом, который выразился в доступности для разработчика продукции ведущих мировых производителей. Ушли в прошлое времена, когда разработчик разрабатывал сам аналого-цифровой преобразователь или схему управления жидкокристаллического дисплея. В современных условиях в подобного рода деятельности нет необходимости, намного важнее ориентироваться в рынке современной электронной комплектации. В настоящее время совершенно реально выполнять разработку интеллектуальных спектрометрических средств небольшим коллективом разработчиков, обеспечивая низкую себестоимость производимых изделий.

При создании современного поколения избирательной радиометрической аппаратуры соискателем был выбран подход, основанный на предварительном измерении амплитудного спектра гамма-излучения с последующим вычислением скоростей счета в энергетических окнах. При этом количество энергетических окон и границы устанавливаются программно под конкретную ядерно-физическую задачу. Таким образом, введение в радиометр спектрометрического тракта и возможность измерения спектра гамма-излучения в различных энергетических диапазонах превращает радиометр в универсальное аппаратное средство для решения разнообразных ядерно-физических задач радиометрическими методами. Помимо способности реализации различных радиометрических методик, возможность аппаратуры измерить спектр гамма-излучения позволяет проверить корректность выполнения той или иной ядерно-физической методики, полнее проверить правильности функционирования технических средств, выполнить упрощенную спектрометрическую обработку, например, качественную идентификацию радионуклидов, аппроксимацию формы аппаратурного спектра кривой Гаусса с учетом комптоновского пьедестала.

Особо необходимо отметить то, что, несмотря на возможность измерения амплитудного спектра гамма-излучения, называть такие технические средства спектрометрами некорректно. Для этого имеются веские основания. Государственные стандарты на амплитудные спектрометры ионизирующих излучений устанавливают относительно жесткие требования к номинальным значениям, которым должны удовлетворять технические характеристики амплитудных спектрометров (в том числе и сцинтилляционных), а именно:

- интегральная нелинейность преобразования энергии гамма-квантов в номер канала менее 1%;

- дифференциальная нелинейность менее 1%;

- энергетическое разрешение менее 8.5% при регистрируемой скорости счета 50000. 100000 имп./сек;

- стабильность градуировочной характеристики преобразования спектрометра менее 2% при отключенной системе стабилизации.

Отметим также и то что, поверка амплитудных спектрометров довольно сложная и дорогостоящая процедура. К спектрометрической аппаратуре предъявляются повышенные требования, связанные с максимизацией соотношения сигнал-шум аппаратуры, режекцией наложений импульсов, восстановлением базовой составляющей и т.д. Удовлетворение этих требований означает введение соответствующих узлов в состав аппаратуры, что ведет к ее безусловному усложнению и удорожанию. Кроме этого, спектрометрия предполагает не только измерение амплитудного спектра, но и проведение последующей спектрометрической обработки. Целями такой обработки может быть определение (или уточнение) значения энергии гамма - линии (при проведении ядерно

- физических исследований) или определение количественного изотопного состава неизвестного образца. Программное обеспечение для количественного определения изотопного состава предполагает:

- проведение градуировки спектрометра по энергии и по эффективности;

- прецизионный поиск центроид пиков полного поглощения;

- разрешение мультиплетов на спектре;

- поддержка обширной библиотеки радионуклидов, содержащей информацию по энергии гамма -линий и удельному выходу гамма- квантов для каждого радионуклида;

- вычисление скоростей счета в пиках полного поглощения;

- Количественное определение изотопного состава на основании вычисленных скоростей счета в пиках полного поглощения.

Нет большой необходимости говорить о том, что создание таких аппаратных и программно - информационных средств требует больших затрат сил и средств. Кроме этого необходимо отметить то, что для многих задач технологического контроля ДРМ и при проведении физических инвентаризаций хранилищ ДРМ радиометрическими методами возможности амплитудных гамма -спектрометров избыточны и существует большой класс измерительных задач при контроле ДРМ, которые можно успешно решать (и это будет показано в дальнейшем в диссертационной работе) при помощи радиометрической аппаратуры со спектрометрическим трактом измерения, с реализованном на данной аппаратуре программно-методическим обеспечением, поддерживающим радиометрические методики и упрощенную спектрометрическую обработку.

В рамках такого концептуального подхода был разработан ряд радиометров - спектрометрических, предназначенных для контроля ДРМ. Все эти приборы представляют собой автономные (т.е. способные функционировать без внешнего персонального компьютера, с собственной клавиатурой, графическим дисплеем) интеллектуальные технические средства, позволяющие получить результат измерений непосредственно на месте измерения (в литературе такие средства измерения называют «полевыми средствами измерения»). Результаты измерений могут быть переданы в персональный компьютер для дальнейшей обработки, хранения и представления. Таким образом программно-методическое обеспечение функционирует как на персональном компьютере, так и на приборе. Тем самым достигается полная функциональная законченность, состоящая в возможности запуска режимов прибора как с клавиатуры пульта прибора, так и с персонального компьютера, архивирования и просмотра спектров вместе с результатами обработки на персональном компьютере.

Конструктивно все разработанные соискателем приборы состоят из регистрирующего пульта и выносных блоков детектирования, допускающих оптимальное размещение и коллимацию по отношению к измеряемому объекту. Пульт радиометров спектрометрических состоит из 2-х плат: платы управления и платы усилителя-формирователя. Плата усилителя-формирователя принимает сигнал с детектора и формирует сигнал, поступающий на вход АЦП. Принципиальна возможность программной корректировки коэффициента усиления измерительного тракта, что позволяет проводить измерение спектра гамма-излучения в различных энергетических диапазонах.

2-я плата пульта радиометра спектрометрического - плата управления, имеет в своем составе процессор, из семейства 8-разрядных однокристальных ЭВМ MCS-51, приемо - передатчики для взаимодействия с внешним персональным компьютером, 12-разрядное АЦП последовательного приближения, ОЗУ, ПЗУ для функционирования программного обеспечения, регистры приема сигналов. Функции платы управление - исполнение программного обеспечения, формирование амплитудного спектра, поддержка взаимодействия оператора с прибором (графический дисплей, клавиатура) и внешний персональный компьютер. Формирование амплитудного спектра гамма-излучения производится программно путем запуска соответствующей программы обработки прерывания от сигнала окончания преобразования АЦП. Ввиду значительного времени на обработку для уменьшения погрешности в определении скоростей счета вводится «быстрый тракт измерения скорости счета» и производится интегральная коррекция спектра, измеренного «медленным» трактом. В диссертационной работе будет проведен статистический анализ этого метода учета просчетов и показано то, что данный метод «убирает» систематическую погрешность в определении скоростей счета и практически не уменьшает случайную составляющую погрешности в определении скорости счета в энергетическом окне. Поэтому в ряде выполненных разработок радиометров спектрометрического типа, предназначенных для выполнения измерений за ограниченное в несколько секунд время экспозиции, в состав аппаратуры вводится буферная память, в которую поступают результаты преобразования АЦП. В диссертационной работе проводится статистический анализ данной технической системы регистрации.

На основе выработанных концептуальных положений к построению полевой радиометрической аппаратуры была создана единая программно-аппаратная база, основа модельного ряда разработанных радиометров спектрометрического типа. В этот модельный ряд входят:

- портативный гамма - радиометр спектрометрического типа РПГ-09П для многофункционального контроля ДРМ в «полевых» условиях;

- гамма - нейтронный радиометр РПС-07П для скрытного обнаружения ДРМ;

- многоточечная радиометрическая установка РПГ-ОбПм для контроля концентрации урана-235 в технологических жидких средах сцинтилляционным методом.

Представленные радиометры спектрометрического типа внедрены в практическую эксплуатацию на многих предприятиях атомной промышленности.

Стоит отметить то, что процесс внедрения приборов для контроля параметров ядерной безопасности, а также для задач учета и контроля ДРМ занимает большой промежуток времени. Продукция и технологические процедуры на предприятиях топливного цикла сильно различаются. Из-за разнообразия продукции предприятий и особенностей их технологического цикла не существует, как правило, единых методик выполнения измерений. Поэтому на каждом предприятии после получения прибора проводятся работы по созданию методики выполнения измерений для конкретных ядерных и радиоактивных материалов и только после получения положительных результатов происходит утверждение вышестоящей организацией методики выполнения измерений и прибора для его реализации. Поэтому для ускорения процесса разработки методики и внедрения прибора в производство важно не только разработать аппаратуру, но и предложить базовые универсальные алгоритмы, которые могут быть использованы на предприятиях для создания методик выполнения измерений без существенной переработки программного обеспечения.

На построенных технических средствах, были реализованы как классические радиометрические методики по определению плотности отложений урана-235, обогащения урана-235, концентрации урана-235 в жидких средах, так и спектрометрические методики, обладающие определенной степенью новизны для портативной аппаратуры контроля ДРМ:

- методика определения обогащения урана-235 методом аппроксимации аппаратурного спектра кривой Гаусса с учетом комптоновского пьедестала. Методика требует для градуировки только один эталонный образец, более устойчива к радиоактивным примесям, которые могут присутствовать в рециклированном уране;

- для проведения качественной идентификации радионуклидов разработана методика, основанная на корреляционном анализе измеренного спектра с библиотечными спектрами;

- помимо разработанных методик «упрощенного спектрометрического» анализа, разработаны и реализованы алгоритмы, позволяющие решать задачи определения мощности эквивалентной дозы и улучшения энергетическое разрешение сцинтилляционных спектрометров через математическую обработку измеренного аппаратурного спектра гамма-излучения с применением математического аппарата цифровой регуляризации Тихонова А.Н.

Итак, диссертационная работа заключалась в создании портативных полевых приборов (спектрометрических радиометров гамма-излучения) для задач контроля ДРМ. В основе этой работы лежала выработка общего концептуального к построению портативной полевой радиометрической аппаратуры, создание единой аппаратно-программной базы для построения модельного ряда полевых радиометров спектрометрического типа, реализация на разработанных аппаратных средствах программно-методического обеспечения для задач контроля ДРМ.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы», Барышев, Леонид Васильевич

Заключение

Диссертационная работа соискателя заключалась в создании портативных полевых спектрометрических радиометров гамма-излучения для задач контроля ДРМ. Для сокращения сроков и трудозатрат при разработке радиометров спектрометрического типа различного назначения необходимо было создать общую программно-аппаратную платформу, на базе которой путем незначительных модификаций в аппаратуре и в программном обеспечении, можно быстро создавать различные измерительные приборы из класса радиометров спектрометрического типа. Поэтому в основе диссертационной работы лежала выработка общего концептуального подхода к построению портативной полевой радиометрической аппаратуры, создание единой аппаратно-программной базы для построения модельного рада полевых радиометров спектрометрического типа, реализация на разработанных аппаратных средствах программно-методического обеспечения для задач контроля ДРМ.

В диссертационной работе представлены и обоснованы основные принципы, которых придерживался автор при создании портативной радиометрической аппаратуры:

- исполнение методик избирательной радиометрии для контроля ДРМ через "упрощенную" спектрометрию , т.е. через предварительное измерение 256/1024-канального амплитудного спектра с последующим вычислением скоростей счета в выбранных энергетических окнах;

- формирование амплитудного спектра гамма-излучения производит программа прибора путем чтения результата преобразования либо непосредственно из АЦП последовательного приближения либо из буферной ФИФО - памяти, в которую помещаются результаты преобразования АЦП;

- просчеты радиометрической аппаратуры компенсируются методом "интегральной коррекции", который состоит в том, что подсчитываются события, поступающие с выхода дискриминатора нижнего уровня ("быстрый тракт"), далее все каналы измеренного аппаратурного спектра домножаются на коэффициент таким образом, чтобы суммарный счет аппаратурного спектра равнялся количеству зарегистрированных событий от быстрого тракта регистрации. Метод интегральной коррекции убирает систематическую погрешность в определении скоростей счета в энергетических окнах, практически не уменьшая статистический разброс;

- применение 8-разрядного микроконтроллера из семейства MCS-51 во всех разработанных радиометрах, как одного из наиболее популярных и доступных микропроцессорных средств с производительностью достаточной для исполнения радиометрических методик контроля ДРМ;

- реализация на радиометрической аппаратуре развитых средства ввода-вывода информации; клавиатура на 16 клавиш, ЖК-дисплей, аппаратный драйвер связи с внешними компьютером.

- двухплатное разделение аппаратуры регистрирующего пульта: на узел управления и узел усилителя формирователя, что позволяет полнее использовать внутренний объем конструктива регистрирующего пульта без необоснованной насыщенности электронных плат и упрощает процесс модификации радиометров для решения различных задач;

- программно управляемый коэффициент усиления спектрометрического тракта измерения, обеспечивающий оптимальный энергетический диапазон регистрации гамма-излучения;

- программная организация стабилизации измерительного тракта по температуре и по реперному источнику гамма-излучения.

С учетом изложенных принципов была создана программно-аппаратная база, основа модельного ряда спектрометрических радиометров, В этот модельный ряд входят 3 прибора: РПГ-09Ц, РПС-07П, РПГ-06П.

Для ускорения процесса разработки методики выполнения измерений и внедрения спектрометрических радиометров в практическую деятельность предприятий разработанная аппаратура снабжена программным обеспечением, поддерживающим исполнение алгоритмов контроля ДРМ. То есть автор придерживается подхода создания единого комплекса аппаратных, методических и программных средств.

С учетом представленных выше принципов, был разработан портативный спектрометрический радиометр РПГ-09П , внедренный в деятельность многих предприятий атомной отрасли. На данном приборе были реализованы как "классические" радиометрические методики для контроля ДРМ, так и, благодаря возможности измерения амплитудного спектра, были разработаны и апробированы методики для контроля ДРМ, обладающие новизной для портативной аппаратуры:

- методика определения обогащения урана-235 через аппроксимацию аппаратурного спектра в области основной аналитической линии 185.6 кэВ функцией Гаусса с постоянным

Комтоновским пьедесталом. Преимущество данной методика перед "классической" в меньшем количестве эталонных образцов, требуемых для градуировки, и в меньшей чувствительности результата определения обогащения к присутствию радиоактивных примесей в объекте измерения;

- методика для автоматической качественной идентификации изотопного состава с применением метода корреляционного анализа;

- предложены и реализованы программно методы регуляризации Тихонова А.Н. при решении систем линейных уравнений для определения мощности эквивалентной дозы через восстановление истинного спектра гамма-излучения из аппаратурного спектра и для улучшения энергетического разрешения сщштилляционных спектров. Определение мощности эквивалентной дозы через восстановление истинного спектра гамма-излучения из аппаратурного спектра устраняет ход жесткости сцинтилляционного детектора, результаты лабораторных испытаний показали точность при определении мощности эквивалентной дозы менее 20%, что является удовлетворительным при оценке радиационной нагрузки на оператора при контроле ДРМ. Возможность улучшения энергетического разрешения сцинтилляционных спектров через цифровую обработку аппаратурного спектра методом регуляризации Тихонова А.Н, расширяет возможности применения сцинтилляционных спектрометров для анализа сложных спектров.

Как уже отмечалось выше, спектрометрический радиометр РПГ-09П - базовое средство для контроля ДРМ в полевых и производственных условиях. На основе этого прибора путем незначительной корректировки платы управления регистрирующего пульта были созданы гамма - нейтронный радиометр РПС-07П и система РПГ-ОбПм для многоточечного контроля концентрации урана-235 в жидких технологических средах.

Прибор РПС-07П является комбинированным прибором для обнаружения ДРМ по нейтронному, гамма-излучению и высокоэнергетическому бета - излучению. Прибор РПС-07П отличается от РПГ-09П введением двух блоков детектирования нейтронов на основе счетчиков СНМ-18, помещенных в полиэтиленовый замедлитель нейтронов. Кроме этого, для регистрации высокоэнергетического бета- излучения введены две секции на основе счетчиков Гейгера-Мюллера (СБМ-19). В приборе РПС-07П применен алгоритм поиска радионуклида с варьируемым временем экспозиции в зависимости от активности источника, и автоматической корректировкой радиационных характеристик фона.

Примененный поисковый алгоритм с варьируемым временем измерения позволил снизить порог обнаружения без увеличения вероятности ложного обнаружения источника. Программное обеспечение РПС-07П позволяет , помимо обнаружения источника, выполнить автоматически качественную идентификацию обнаруженного изотопа методом корреляционного анализа, который применен в РПГ-09П.

Созданная система РПГ-ОбПм выполняет важную задачу многоточечного контроля концентрации урана-235 в жидких технологических средах для удовлетворения требованиям ядерной безопасности и технологическим регламентам, действующим на урано-перерабатывающих предприятиях атомной промышленности. Установка РПГ-ОбПм состоит из совокупности спектрометрических радиометров, объединенных в информационную сеть под управлением главного персонального компьютера. По своей схемотехнике радиометры спектрометрические из состава системы РПГ-ОбПм подобны РПГ-09П. При этом наиболее значительные изменения касаются лишь платы управления регистрирующего пульта: чтение результата преобразования производится процессором из буферного ОЗУ, куда аппаратно помещаются результаты преобразования. Этот механизм обеспечивает резкое снижение просчетов при формировании амплитудного спектра и как следствие этого снижение статистической погрешности при определении скоростей счета в энергетических окнах в условиях непродолжительных измерений.

Стабилизация измерительного тракта по реперному источнику гамма-излучения, разработанная для РПГ-09П, применена и в спектрометрических радиометрах из состава системы РПГ-ОбПм. Практика показала корректность алгоритма стабилизации через перерасчет измеренного спектра методом прямолинейной интерполяции.

Необходимо отметить то, что представленные технические средства внедрены в практическую деятельность большого числа предприятий атомной промышленности. По ситуации на 2002-й год, как видится автору диссертационной работы , портативный спектрометрический радиометр РПГ-09П - один из наиболее широко распространенных портативных средств для радиометрического контроля ДРМ на предприятиях атомной промышленности в сравнении с аналогичными приборами как отечественного, так и зарубежного производства, которые представлены во введении диссертационной работы. Помимо хороших метрологических и технических характеристик, удобного программного обеспечения, приемлемого качества выпускаемой продукции и хорошей работы сотрудников , занимающих внедрением и распространением техники на предприятия отрасли, факт широкого распространения РПГ-09П говорит о жизнеспособности подхода, основанного на применении "упрощенной спектрометрии", при построении портативных, недорогих средств контроля ДРМ в полевых и цеховых условиях.

Автор хотел бы особо подчеркнуть то, что радиометры спектрометрического типа ни в коей мере не являются заменой амплитудных спектрометров, ибо это приборы разного функционального назначения. Задачей амплитудной спектрометрии является количественное определение относительного изотопного состава, априорно не известного, а задача селективной радиометрии = определение активности одного или нескольких радионуклидов в условиях, когда известно, какие радионуклиды присутствуют в объекте измерения. В тоже время введение в радиометр спектрометрического тракта и возможность измерения спектра гамма-излучения в различных энергетических диапазонах превращает радиометр в универсальное аппаратное средство для решения разнообразных ядерно-физических задач радиометрическими методами. Помимо способности реализации различных радиометрических методик, возможность аппаратуры измерить спектр гамма-излучения позволяет проверить корректность выполнения той или иной ядерно-физической методики, полнее проверить правильности функционирования технических средств, выполнить упрощенную спектрометрическую обработку.

Разработанные соискателем приборы реализованы и внедрены на многих предприятиях атомной промышленности, среди которых:

- ВНИИА (г. Москва);

- ГНЦ РФ ВНИИНМ (г. Москва);

- РНЦ "Курчатовский институт" (г. Москва);

- НИКИМТ (г.Москва);

- ГНЦ РФ ФЭИ (г. Обнинск);

- НПО "ЛУЧ" (г.Подольск);

- РФЯЦ - ВНИИТФ (г.Снежинск);

- УЭХК (г.Новоуральск);

- СХК (г.Северск);

- ОАО "Машиностроительный завод" (г. Электросталь);

- АЭХК (г. Ангарск);

- НЗХК (г. Новосибирск).

Среди перечисленных выше предприятий по объемам закупленного оборудования особое место занимает УЭХК, автор хотел бы выразить признательность руководству этого комбината, предоставившего заказы предприятию, где работает соискатель, а также инженерно-техническому персоналу УЭХК за внедрение поставленного оборудования в практическую эксплуатацию.

В заключении соискатель считает необходимым сказать слова благодарности и признательности коллективу сотрудников ООО "СНИИП - Автоматика" и ВНИИА (Корытко Л.А., Титову Л.Г., Ананьеву А.А., Афанасьеву А.Г., Александрову В.Д., Миронову И.И. и др.) за всестороннюю помощь при создании аппаратуры, отработке программно-методических решений, проведении практических измерений и внедрении аппаратуры в производственную деятельность предприятий атомной промышленности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Барышев, Леонид Васильевич, 2002 год

1. В.В.Фролов. Ядерно-физические методы контроля делящихся веществ. Энергоатомиздат. 1989.

2. Егиазаров Б.Г., Ю.П. Сельдяков, Ю.А. Воробьев, Г.И. Эльцин, JI.A. Корытко, В.Д. Александров. Отчет 1981 год. " Практика и тенденций в использований методов й приборов для недеструктивного анализа ядерных материалов в международных гарантиях."

3. Воробьев Ю.А. Приборный контроль параметров ядерной безопасности в ядерно-химическом и твэльном производствах. Труды Научно-Инженерного Центра "СНИИП" 1998год.

4. Отраслевой руководящий документ. Основные требования к приборным средствам контроля параметров ядерной безопасности. 1991.

5. В.В. Матвеев, Б.И. Хазанов приборы для измерения ионизирующих излучений. Атомиздат. 1967.

6. А.П. Цитович. Ядерная электроника. Энергоатомиздат. 1984.

7. Р.Вольдсет. Прикладная спектрометрия рентгеновского излучения. Атомиздат. 1977.

8. С.С.Курочкин. Многомерные статистические анализаторы. Атомиздат. 1968.

9. В.И. Калашникова, М.С. Козодаев. Детекторы элементарных частиц. Наука. 1966

10. И. JI.C. Горн, И.С.Крашенинников, Б.И. Хазанов Электроника в спектрометрии ядерных излучений. Госатомиздат. 1963.

11. В.И.Иванов. Курс дозиметрии. Атомиздат. 1970

12. В.Ф.Козлов. Справочник по радиационной безопасности. ЭнергоАтомИздат.14. 1. В.Б.Иванов, Ю.П. Сельдяков, В.И. Шипилов. Просчеты в амплитудной спектрометрии импульсов. Приборы и техника эксперимента эксперимента. 1979, №6.

13. Б.Г.Егиазаров, Л.А.Корытко, Ю.П.Сельдяков. Измерительная техника в инструментальном нейтронно-активационном анализе. 1972. Атомиздат.

14. В.В.Аверкирев и др. Измерение и обработка непрерывных спектров фотонного излучения в области от 10 КэВ до 1.3 МэВ.

15. Экспериментальные методы ядерной физики .Сборник статей. Атомиздат. 1978.

16. В.А.Ильин, Э.ГЛозняк. Линейная алгебра. Наука. 1978.

17. А.Н.Тихонов, В.Я.Арсенин, А.А.Тимонов. Математические задачи компьютерной томографии. Москва. Наука. 1987.

18. Т.Л.Саати. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. Советское Радио. 1971.

19. Ю.Н.Федосеев. Теория массового обслуживания. МИФИ. 1982.

20. Б.В. Гнеденко. Курс теории вероятностей. Наука. 1969.

21. К. Доэрфель. Статистика в аналитической химии. Мир. 1969.

22. Л.В. Барышев, Л.А. Корытко, А.Г. Афанасьев. Базовый носимый радиометр спектрометрический РПГ-09П ("Купол»). Труды Российской международной конференции по учету, контролю и физической защите ядерных материалов, Обнинск. Март 1997 года.

23. Л.В. Барышев, Л.А. Корытко. Цифровая фильтрация для улучшения энергетического разрешения сцинтилляционных спектров. Ядерно-измерительные технологии. Труды НИЦ СНИИП. 1998.

24. Афанасьев А.Г., Барышев Л.В., Корытко Л.А. Портативные приборы для контроля делящихся и ядерных материалов. Ядерные измерительно-информационные технологии. Труды НИЦ СНИИП. 1997 год.

25. Барышев Л.В., Корытко Л.А. Цифровая фильтрация для улучшения энергетического разрешения сцинтилляционных спектров. Ядерные измерительно-информационные технологии. Труды НИЦ СНИИП. 1998 год.

26. Барышев Л.В., Корытко Л.А. Методы уменьшения и учета просчетов в амплитудной спектрометрии. Ядерные измерительно-информационные технологии. Труды НИЦ СНИИП. 1999 год.

27. Барышев Л.В. Совершенствование системы непрерывного многоточечного контроля концентрации урана-235 в технологических емкостях. Ядерные измерительно-информационные технологии. Труды НИЦ СНИИП. 2000 год.

28. Ю.И. Брегадзе, Э.К. Степанов, В.П. Ярына. Прикладная метрология ионизирующих излучений. Энергоатомиздат. 1990.

29. Ю.А. Цирлин, А.Р. Дайч, A.M. Радыванюк. Сцинтилляционные блоки детектирования. АтомИздат. 1978.

30. Л.С.Горн, Б.И. Хазанов. Современные приборы для измерения ионизирующих излучений. Энергоатомиздат. 1989.

31. В.И. Дмитриев. Прикладная теория информации. Высшая школа. 1989.

32. Analog Devices. Data converter Reference Manual. 1995.

33. MAXIM. New Releases Data Book. 1998.

34. Д. Райлли, H. Энслинн,Х. Смит, С. Крайнер. Пассивный неразрушающий анализ ядерных материалов. Бином. Москва. 2000.1. РОССИЙСКАЯгосударственная1. БИБЛИОТГБ*/1/