Портальный монитор источников альфа- и бета-радиоактивного загрязнения на основе газоразрядного счётчика открытого типа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.05, кандидат наук Гурковский Борис Вячеславович

• Гурковский Борис Вячеславович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Гурковский Борис Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АЛЬФА- И БЕТА-РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

1.1. Актуальность

1.2. Сравнение методов обнаружения альфа-радиоактивного загрязнения

1.3. Обзор существующих дистанционных методов на основе воздушного переноса

1.4. Обзор существующих приборов, позволяющих обнаруживать альфа - и

бета-загрязнение

Выводы

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОИОННОГО МЕТОДА НА ОСНОВЕ ГАЗОРАЗРЯДНОГО СЧЁТЧИКА ОТКРЫТОГО ТИПА

2.1. Принцип действия

2.2. Метод регистрации поверхностных низкоактивных источников альфа - и бета-радиоактивных загрязнений аэроионным способом в замкнутом объёме пешеходного портального монитора, позволяющий оперативно обнаруживать малые концентрации загрязняющих веществ

2.3. Селективность обнаружения альфа-радионуклидов

2.4. Повышение эффективности регистрации ионизирующих излучений

2.5. Расчёт конструктивных параметров детектирующих ячеек

2.6. Оптимизация параметров всей системы

2.7. Зависимость значения скорости счёта импульсов от параметров

окружающей среды

Выводы

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА

3.1. Аппаратная часть

3.2. Программная часть

Выводы

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ПРИБОРА В СЧЁТНОМ РЕЖИМЕ

4.1. Экспериментальная установка

4.2. Эффективность

4.3. Анизотропия

4.4. Автокалибровка

4.5. Очистка детектора

4.6. Способы обеспечения стабильности измерений

4.7. Метод распознавания типа регистрируемого низкоактивного излучения по плотности ионизации на основе газоразрядного счётчика открытого типа и

искусственной нейронной сети

Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретические результаты

Практические результаты

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ В АО

«ФЦНИВТ «СНПО «Элерон»

ПРИЛОЖЕНИЕ В. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИИ В SARAD GMBH

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Портальный монитор источников альфа- и бета-радиоактивного загрязнения на основе газоразрядного счётчика открытого типа»

Актуальность темы

Растущая загрязнённость окружающей среды опасными для человека альфа-и бета-радиоактивными нуклидами требует создания технических средств дистанционного оперативного контроля низкоактивных источников радиоактивного загрязнения.

В настоящее время в мире осуществляется демонтаж старых блоков атомных электростанций (АЭС) и утилизация их узлов и частей, а также приборов и систем обеспечения безопасности персонала и экологического мониторинга. Наряду с этим происходит и введение новых мощностей атомной генерации, в частности, в Турции, Индии и Бангладеш. Актуальными являются также проекты плавучих АЭС и мини-АЭС в России. Так завершает швартовые испытания плавучий энергоблок «Академик Ломоносов».

Также за последние 30 лет произошли две крупные ядерные аварии: авария на Чернобыльской АЭС и авария на АЭС Фукусима-1. Они нанесли колоссальный урон окружающей среде. Как правило, крупные радиационные аварии относятся к событиям мирового масштаба.

Но, в первую очередь, оперативная регистрация радиоактивных излучений всех видов особо важна для контроля распространения ядерных материалов. Согласно данным материалов шестьдесят первой очередной сессии (2017 года) Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ), в период со времени создания базы данных по инцидентам и незаконному обороту (ITDB) до 30 июня 2017 года государства представили или иным образом подтвердили в ITDB информацию о 3138 инцидентах. За отчётный период в базу данных были добавлены отчёты о 162 инцидентах. 115 из них произошли в период с 1 июля 2016 года по 30 июня 2017 года.

Радиологическое оружие - ещё одна область применения радиоактивных изотопов. Самый простой вариант радиологического оружия - так называемая

«грязная бомба», которая состоит из взрывчатого вещества и контейнера с радиоактивным веществом, которое при взрыве распыляется на большие площади. Однако, такой вид оружия официально нигде не стоит на вооружении, в отличие от пуль и бронебойных снарядов на основе обеднённого урана. К наиболее известным случаям применения таких снарядов можно отнести так называемый «балканский синдром» и боевые действия в Ираке.

Очень опасными для жителей планеты являются террористические акты, так как ядерной атаке могут быть подвержены густонаселённые города с развитой инфраструктурой, на воссоздание которой необходимо потратить много средств, сил и времени, не говоря уже и о большом количестве жертв. Причём специальные службы по ликвидации и минимизации последствий могут оказаться не готовыми к оперативным действиям в конкретном регионе во время возникновения угрозы. Хотя наиболее вероятными являются террористические акты с использованием «грязных бомб», не требующих наличия критической массы взрывчатых веществ.

Ядерная медицина и лучевая терапия являются одним из приоритетов медицинской науки и здравоохранения в Российской Федерации, согласно докладу Министра здравоохранения Российской Федерации на научном форуме МАГАТЭ в 2017 году.

Во всех случаях в первую очередь необходимо быстро определить опасные участки загрязнённых объектов и наличие малых концентраций радиоактивных веществ на поверхности тела людей, оказавшихся в зоне риска. Таким образом, основными требованиями к приборам такого класса являются оперативность и высокая чувствительность к различным типам радиоактивных излучений.

На сегодняшний день не существует портальных мониторов, позволяющих одновременно удовлетворять требованиям ГОСТ Р 51635-2000 «Мониторы радиационные ядерных материалов» и СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009» (см. Рисунок 1). Мониторы, работающие по сопутствующему гамма- или нейтронному излучению, обладают низкой чувствительностью

(относительно требований СанПиН 2.6.1.2523-09), а мониторы на основе пропорциональных счётчиков являются недостаточно оперативными в том смысле, что для полного обследования поверхности человека необходимо проводить измерения в несколько этапов или использовать дополнительные выносные модули.

1) ГОСТ Р 51635-2000 «Мониторы радиационные ядерных материалов» 2) СанПиН 2.6.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009»

Основные требования к радиационным мониторам (ГОСТ Р 51635-2000): 1) высокая чувствительность к изменению излучения и низкий порог обнаружения;

2) оперативность контроля;

3) простота в эксплуатации;

4) наглядное отображение результата

Коммерческие приборы

По сопутствующему гамма-или нейтронному излучению

Недостатки: 1) низкая чувствительность (СанПиН 2.6.1.2523-09)

На основе газовых пропорциональных счетчиков (закрытого типа):

Недостатки: 1) недостаточная оперативность контроля альфа-загрязнений

Возможные методы

Дистанционное оптическое детектирование

Недостатки: 1) низкая чувствительность (СанПиН 2.6.1.2523-09)

Измерение ионизационного тока (ЬКАЦ)

Недостатки; 1) меньшая чувствительность (СанПиН 2.6.1.2523-09)

Рисунок 1 - Требования и существующие решения

Так, согласно СанПиН 2.6.1.2523-09 "Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)", допустимый уровень загрязнения поверхности неповрежденной кожи, спецбелья, полотенец, внутренней поверхности лицевых частей средств индивидуальной защиты равен 2 част/см2*мин (примерно 0,7х10-11 г 239Ри) для альфа-активных нуклидов, и 200 част/см2хмин (40 част/см2*мин для источника 90Бг + 90У) для бета-активных нуклидов. А для одежды, обуви и поверхности помещений постоянного пребывания - 5 част/см2*мин и 2000 част/см2*мин соответственно. В то время как существующие мониторы, позволяющие оперативно регистрировать альфа-излучение (по сопутствующему гамма- или нейтронному излучению), не

позволяют обнаружить источники с небольшой активностью (например, для приборов высшей категории I Пу, согласно ГОСТ Р 51635-2000, порог обнаружения составляет 0,03 г или около 6,83х107 Бк 239Ри).

Высокочувствительные портальные мониторы на основе сцинтилляционных детекторов (например, TwoStep-ExitTM компании МШЮК с диапазоном измеряемой плотности потока бета-частиц с поверхности равным 1 - 1*104 част/см2*мин (15 Бк для 90Бг + 9(^, 35 Бк для 13^ (в-распад)), 20 Бк - 241Ат (а-распад)) являются эффективными только для измерения бета-радиоактивных загрязнений из-за небольшой длины пробега альфа-частиц в воздухе. Так, длина пробега альфа-частицы с энергией равной 10 МэВ в воздухе при нормальных условиях составляет всего около 10 см. В то время как по условной шкале биологической радиационной опасности альфа-радиация в 20 раз превышает действие гамма- и бета-излучений [1].

Здесь могут найти применение дистанционные методы обнаружения источников ионизирующего излучения. Большинство современных детекторов и индикаторов регистрируют либо непосредственно альфа-частицу на её пробеге, либо сопутствующее альфа-распаду гамма- или нейтронное излучение. Первый метод нельзя назвать дистанционным, второй имеет крайне малую чувствительность. Разработанные в Лос-Аламосе (США) методы дистанционной регистрации альфа-радиации по измерению ионизационного тока в воздушном зазоре (Макартур Д.В., Болтон Р.Д., Алландер К.С.) не обладают высокой селективностью к другим видам ионизации и не позволяют оперативно проводить обследования поверхностей сложного профиля.

Попытки обнаруживать треки альфа-частиц в воздухе по рекомбинацион-ному свечению (Ханнуксела В., Тоивонен Дж., Тоивонен Х.) также не достигли пока практической значимости. Прибор на основе метода дистанционного оптического детектирования, связанный с флуоресценцией в ближнем ультрафиолетовом диапазоне при специально подобранном освещении позволяет обнаружить альфа-источник с активностью 1 кБк на расстоянии в 40 см. Так как метод основан на регистрации фотонов, то регистрация возможна только в зоне прямой видимости.

В НИЯУ МИФИ был предложен практический метод дистанционной газоразрядной регистрации альфа-частиц, обладающий большей чувствительностью и селективностью по сравнению с упомянутыми выше подходами (Мирошниченко В.П., Родионов Б.У., Чепель В.Ю.). В предложенном методе кластеры лёгких аэроионов, возникающие на треках альфа-частиц в воздухе, транспортируются специально сформированным воздушным потоком в газоразрядную камеру открытого типа, где происходит лавинный разряд на высоковольтном проволочном аноде счётного детектора. Среднее время жизни лёгких аэроионов составляет от 5 с (для сильно запылённого воздуха) до 1000 с, что и позволяет их перемещать на расстояние значительно большее, чем длина пробега самой частицы. В отличие от метода на основе измерения ионизационного тока, усиление сигнала происходит, помимо использования электронного усиления, также за счёт газового усиления, что делает развитие данного метода наиболее подходящим при решении актуальной проблемы оперативной регистрации низкоактивных радионуклидов.

Цель и задачи исследований

Целью диссертационного исследования является разработка методов и средств дистанционной оперативной регистрации поверхностных низкоактивных источников альфа- и бета-радиоактивных загрязнений в замкнутом объёме портального монитора для применения в контрольно-пропускных системах радиационной безопасности на ядерно опасных объектах и системах предупреждения радиационного терроризма.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. проведение сравнительного анализа современных методов и средств дистанционной регистрации ионизирующих излучений для выбора подходящего метода;

2. исследование аэроионного метода как основного метода решения проблемы оперативного обнаружения поверхностных низкоактивных источников

альфа- и бета-радиоактивных загрязнений, и выработка технических требований и рекомендаций по проектированию аппаратно-программных средств для регистрации загрязнений в замкнутом объёме портальной кабины на поверхностях сложного профиля;

3. разработка алгоритма расчёта и оптимизации конструкции газоразрядного счётчика открытого типа для повышения эффективности регистрации альфа-и бета-радиоактивных загрязнений в стационарных портальных системах;

4. разработка системы управления портальным монитором на основе газоразрядного счётчика открытого типа для работы в условиях изменяющихся параметров окружающей среды;

5. разработка алгоритмов идентификации низкоактивных источников альфа- и бета-радиоактивных загрязнений аэроионным методом, и программных средств обработки и отображения информации;

6. разработка прототипа портального пешеходного монитора для регистрации поверхностных низкоактивных источников альфа - и бета-радиоактивных загрязнений;

7. проведение исследований компонентов стационарной портальной системы.

Теоретическая и методологическая компоненты диссертационного исследования основываются на анализе результатов исследований и разработок отечественных и зарубежных учёных в области дистанционных методов обнаружения ионизирующих излучений, радиационных мобильных поисковых и стационарных портальных мониторов.

Информационную базу составляют монографические работы, материалы научно-технических конференций, статьи в периодических изданиях и научных сборниках по исследуемой проблеме, предметный патентный и интернет-поиск.

Научная новизна работы

1. Предложен метод одновременной дистанционной оперативной регистрации поверхностных низкоактивных источников радиоактивных загрязнений в замкнутом воздушном объёме аэроионным способом, позволяющий регистрировать как альфа-, так и бета-радиоактивные загрязнения.

2. Разработан алгоритм расчёта конструктивных параметров газоразрядных счётчиков открытого типа, который позволяет сократить время создания, а также повысить эффективность газоразрядных детекторов открытого типа для работы в составе портальных мониторов.

3. Разработан метод и компьютерные алгоритмы распознавания типа регистрируемого радиоактивного загрязнения на основе искусственной нейронной сети.

4. Разработана методика проведения обследования в камере портального монитора.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Метод регистрации поверхностных низкоактивных источников альфа- и бета-радиоактивных загрязнений аэроионным способом в замкнутом объёме пешеходного портального монитора, позволяющий оперативно обнаруживать малые концентрации загрязняющих веществ.

2. Метод распознавания типа регистрируемого низкоактивного излучения по плотности ионизации на основе газоразрядного счётчика открытого типа и искусственной нейронной сети.

Практическая значимость работы

1. Экспериментальные исследования структурных и конструктивных вариантов газоразрядных детекторов позволили создать серию высокочувствительных

детекторных систем, предназначенных для стабильной и надёжной работы при различных условиях окружающей среды.

2. Расчётные и экспериментальные результаты выполненных в диссертации исследований на базе разработанной системы управления позволили выработать технические требования к конструкции, комплектации, режимам работы и метрологическим характеристикам портальной шлюзовой кабины, обеспечивающей оперативное обнаружение поверхностных альфа- и бета-радиоактивных загрязнений персонала в составе интеллектуальных роботизированных систем контроля и управления доступом на ядерных и радиационно-опасных объектах, а также предложены автоматические системы калибровки, управления воздушным потоком, отображения информации и аварийного оповещения, позволяющие поддерживать стабильный процесс регистрации в режиме реального времени.

3. Впервые был разработан прототип пешеходного портального монитора дистанционной оперативной регистрации альфа- и бета-радиоактивных загрязнений на основе газоразрядного счётчика открытого типа, позволяющий повысить эффективность регистрации загрязнений для соответствия требованиям СанПиН 2.6.1.2523-09 «Нормы радиационной безопасности НРБ-99/2009».

4. Результаты экспериментальных исследований показали, что экспериментальный образец пешеходного портального монитора по порогу обнаружения альфа-радиоактивных нуклидов существенно превосходит используемые в настоящее время стационарные радиационные мониторы, в которых используются гамма-детекторы: расчётный порог обнаружения поверхностного альфа-радиоактивного загрязнения - меньше 20 Бк (для точечного источника альфа-излучения) и время полного обследования человека меньше 15 секунд.

5. Разработанный алгоритм распознавания регистрируемого излучения позволяет определять тип радиоактивного загрязнения: альфа- или бета-загрязнение.

Апробация работы

Участие в проекте «Разработка технологии и портативного прибора для оперативного обнаружения альфа-радиоактивных загрязнений газоразрядным методом» по государственному контракту №16.525.12.5004 с Министерством образования и науки РФ в НИЯУ МИФИ. В соавторстве получен патент на изобретение RU 0002598695 C2 (Приложение А).

Имеется сертификат Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии №РОСС RU.AE68.A16608. Работа по диссертационному исследованию велась на основании проекта «Разработка пешеходного портального монитора для оперативного дистанционного контроля наружного альфа-радиоактивного загрязнения персонала на объектах атомной промышленности и обнаружения источников альфа-радиоактивного излучения при ликвидации последствий техногенных катастроф и угрозах радиационного терроризма» по государственному контракту №14.515.11.0058 с Министерством образования и науки РФ совместно с крупнейшим в стране объединением по созданию систем безопасности для важных государственных объектов АО «ФЦНИВТ «СНПО «Элерон» (акт о внедрении: см. Приложение Б).

Часть работ по созданию электронных узлов была выполнена в рамках стажировки в Тюбингенском университете (Германия, г. Тюбинген) (проект «Разработка электроники для газочувствительных датчиков»).

Часть исследований разработанных электронных узлов была проведена в рамках стажировки в Дрезденском техническом университете (Германия, г. Дрезден) и в немецкой научно-производственной компании радиационного экологического приборостроения SARAD GmbH (Германия, г. Дрезден) (проект «Исследование нового метода для дистанционного обнаружения альфа- и бета-радиоактивного загрязнения») (акт о внедрении: см. Приложение В).

Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих всероссийских и международных семинарах и конференциях:

- IEEE Симпозиум по экологическим, энергетическим и структурным системам мониторинга «EESMS» (Италия, г. Милан, 2017);

- 8-я международная конференция «8th Dresden Symposium Hazards Détection and Management» (Германия, г. Дрезден, 2015);

- 29-я международная конференция «Eurosensors» (Германия, г. Фрайбург-им-Брайсгау, 2015);

- 3-я международная конференция по тематике нанотехнологий и биомедицинского инжиниринга ICNBME, (Республика Молдова, г. Кишинёв, 2015);

- 6-я международная конференция по сенсорным системам и программному обеспечению S-CUBE, (Италия, г. Рим, 2015);

- 2-я международная конференция по передовым исследованиям изотопов ARIS, (Япония, г. Токио, 2014);

- ежегодные научные сессии НИЯУ МИФИ (Россия, г. Москва, 2012-2015).

Достоверность результатов работы

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными исследованиями с высокой степенью воспроизводимости результатов; сопоставлением результатов исследований, полученных разными методами с помощью различного оборудования, а также сравнением с аналогичными результатами, полученными другими авторами. Получены акты о внедрении у ведущих предприятий России и Германии, разрабатывающих приборы для контроля радиоактивных загрязнений, таких как АО «ФЦНИВТ «СНПО «Элерон» и SARAD GmbH.

Личный вклад автора

Основные результаты диссертационного исследования получены автором лично или при непосредственном его участии. Часть исследований проведена совместно с сотрудниками кафедры микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ Е.М.

Онищенко и В.П. Мирошниченко. Часть программ и электронных узлов разработана совместно с сотрудниками кафедры микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ Д.Л. Осиповым и А.В. Поляковым. Совместно с научным руководителем обсуждались цели работы.

Публикации

По теме диссертационного исследования опубликовано 11 печатных работ, в том числе 2 - в российских периодических изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 - в журналах и сборниках трудов конференций, включённых в базы данных SCOPUS и Web of Science, 3 - в журналах и сборниках трудов конференций и 1 патент на изобретение.

Объём и структура диссертационного исследования

Диссертация содержит 153 страницы, в том числе 89 рисунков, 10 таблиц, и состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 94 наименований.

ГЛАВА 1. ДИСТАНЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ АЛЬФА- И БЕТА-РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

1.1. Актуальность

Дистанционное обнаружение альфа- и бета-радиоактивных загрязнений является важной задачей, так как известно, что они оказывают сильное биологическое влияние на людей, особенно альфа-загрязнение при попадании внутрь организма. Тогда как прямые методы регистрации альфа-радиоактивных загрязнений не позволяют регистрировать альфа-радиоактивные нуклиды на расстоянии большем длины пробега альфа-частиц. Помимо терапевтического действия, например, при радиоимунной терапии, альфа-излучение оказывает также негативное влияние на здоровье человека. Альфа-частицы, большие и тяжёлые ядра атома гелия-4 могут быть причиной появления многочисленных повреждений в тканях и органах дыхательной и пищеварительной систем человека. Так, возникновение некоторых типов рака может стать результатом повреждения всего одной клетки, а восстановительный механизм не сможет обеспечить полную защиту даже при небольших дозах воздействия [2].

Следует отметить, что разные виды излучений оказывают существенно различное воздействие на организм человека, что учитывается взвешивающими коэффициентами для отдельных видов излучения при расчёте эффективной дозы Значения взвешивающих коэффициентов для различных типов излучений приведены в Таблице 1 [3]. Токсичность отдельных нуклидов, присутствующих в организме, различна, и вклад их в суммарный биологический эффект неодинаков. На него влияют содержание нуклида в продуктах, энергия излучения, период полураспада, величина коэффициента всасывания, скорость накопления и скорость выведения из организма. Даже основные в-излучающие нуклиды по своей токсичности различаются в несколько раз. Токсичность альфа-излучающих нуклидов в сотни раз выше токсичности бета-излучающих нуклидов [4]. Однако бета-активные ра-

дионуклиды представляют опасность не только при попадании внутрь человеческого организма (лейкемия, рак костей, рак лёгких и т.п.), но и при внешнем воздействии на кожу, глазной хрусталик (лучевой дерматит, лучевая катаракта). По этой условной шкале «опасности» излучений разной природы наиболее «серьёзным» признается воздействие альфа-частиц - взвешивающий коэффициент при расчёте эффективной дозы в этом случае принимается равным 20, в то время как для фотонов всех энергий он считается равным 1 [1].

Таблица 1 - Взвешивающие коэффициенты ^^ для различных типов излучений

Вид излучения и диапазон энергий

Фотоны всех энергий 1

Электроны и мюоны всех энергий 1

Нейтроны с энергией менее 10 кэВ и свыше 20 МэВ 5

Нейтроны с энергией от 10 кэВ до 100 кэВ 10

Нейтроны с энергией от 100 кэВ до 2 МэВ 20

Нейтроны с энергией от 2 МэВ до 20 МэВ 10

Протоны с энергией более 2 МэВ 5

Альфа-частицы 20

Альфа-частицы, представляющие собой ядра гелия (состоят из 2 протонов и 2 нейтронов), кроме всего прочего, естественным образом испускаются и большим количеством радиоактивных ядер ториевого и уранового семейств, а также многими искусственными радионуклидами. На Рисунке 2 представлены основные компоненты фонового облучения [5].

Бета-частицы - электроны (в-) или позитроны (в+) с энергиями, распределёнными непрерывно от нуля до некоторой максимальной энергии, зависящей от распадающегося изотопа. На Рисунке 3 показана диаграмма в--распада нейтрона. Это обусловлено превращением одного из d-кварков в ^кварк.

Рисунок 2 - Схема основных составляющих фонового облучения

Рисунок 3 - Диаграмма Фейнмана для в--распада нейтрона с образованием протона р, электронного антинейтрино уе, электрона е, при участии тяжёлого

бозона

Известно более 200 а-активных ядер, расположенных в основном в конце периодической системы. Известно также около 20 а-радиоактивных изотопов редкоземельных элементов. Здесь а-распад наиболее характерен для ядер с числом нейтронов N=84, которые при испускании а-частиц превращаются в ядра с заполненной ядерной оболочкой (N=82). Время жизни а-активных ядер колеблется в широких пределах: от 3*10-7 сек (для 212Ро) до (2-5)*1015 лет (природные изотопы 142Се, 144Се, 176Се). Энергия наблюдаемого а-распада лежит в пределах 4-9 МэВ (за исключением длиннопробежных а-частиц) для всех тяжелых ядер и 2-4,5 МэВ для

редкоземельных элементов. Также известно примерно 1500 в-радиоактивных изотопов всех элементов периодической системы кроме самых тяжёлых (7=102, 103, 104), для которых пока в-радиоактивность не была отмечена [6].

Основным источником радиации является излучение от искусственных источников. Так, например, техногенная авария на АЭС Фукусима -1 в августе 2013 года привела к утечке радиоактивной воды с большим содержанием изотопов стронция и цезия, претерпевающих бета -распад:

^ 93°9¥ + е + ув, ^ Щва + ё + ге.

(1) (2)

Естественный фон образуется, например, природным изотопом радона 222Rn (период полураспада Тх/2=3,8235 суток), 22(>Кп (Тш=55,6 с), 219^п (Тш=3,96 с), 218Яп (Т1/2=35 мс), который испытывает альфа-распад:

^ 2ЦРо + \Не. (3)

Необходимо подчеркнуть, что, в связи с риском возникновения рака лёгкого при облучении радоном и продуктами его распада, Международная комиссия по радиологической защите (МКРЗ) установила значение дополнительного пожизненного абсолютного риска. Так, рекомендованное Публикацией 115 МКРЗ, значение составило 5-10-4 на рабочий уровень за месяц (РУМ) (14-10-5 на мДж-ч-м-3) [7]. Международный проект Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) по радону, в свою очередь, рекомендовал введение референсного уровня концентрации радона в воздухе помещений со значением 100 Бк/м3 [8].

Наиболее распространёнными вариантами возникновения радиоактивных загрязнений являются радиационные аварии и ядерные испытания. На сегодняшний день большинство стран официально не могут проводить ядерные испытания, в отличие от «молодых» ядерных держав, не подписавших Договор о всеобъемлющем

запрещении ядерных испытаний (Индия, Пакистан, КНДР); а также ряда ядерных держав, не ратифицировавших этот договор: США, Израиль, КНР.

Ещё одной причиной возникновения загрязнений может оказаться ядерный и радиационный терроризм. Потенциальными объектами могут быть:

а) ядерно опасные и радиационно-опасные предприятия (например, предприятия ядерного цикла);

б) радиационно-чувствительные предприятия (например, компании, производящие сельскохозяйственную и пищевую продукцию, лекарства и т.д.);

в) территории и объекты массового пребывания людей (аэровокзалы, морские и речные порты, железнодорожные и автовокзалы, метро, стадионы, концертные залы, банки, торговые комплексы, больницы и т.п., а также водо- и воздухозаборники) [9-11].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Гурковский Борис Вячеславович, 2018 год

- -

Измерение

Рисунок 13 - Селективность к другим видам радиоактивного распада

2.4. Повышение эффективности регистрации ионизирующих излучений

Чтобы добиться большого коэффициента усиления, а также регистрации ионизации от бета-частиц, прибор должен работать в области ограниченной пропорциональности (см. Рисунок 14), исключая переход в область самостоятельного разряда.

Рисунок 14 - Зависимость величины импульса от напряжения на детекторе

Для обеспечения регистрации слабой ионизации воздушной среды электронами предлагается цилиндрическая конструкция детектирующей ячейки (ДЯ), структура которой показана на Рисунке 15, и объединение нескольких подобных трубок-разрядников в единый многоканальный детекторный блок (см. Рисунок 17). Пропорциональный режим работы предлагаемых ДЯ, обеспечивает внутреннее усиление выходных сигналов за счёт лавинообразного умножения ионов вблизи анода. Принцип работы детектора на основе цилиндрической детектирующей ячейки изображён на Рисунке 16.

Рисунок 15 - Конструкция и принцип работы детектирующей ячейки (ДЯ): уо -скорость поступления рабочего газа; 1 - длина трубки детектора; R - радиус трубки детектирующей ячейки; и - рабочее напряжение

Рисунок 16 - Детектор на основе цилиндрической детектирующей ячейки: 1 - источник а- или ^-ионизирующего излучения, 2 - аэроионы, 3 - фильтр, 4 - нить анода, 5 - вентилятор, 6 - цилиндрический катод, 7 - усилитель

Рисунок 17 - Принцип работы многодетекторного блока

Такая конструкция позволяет рассчитывать блоки детектирования для требуемых типов портальных мониторов с заданным объёмом воздушной среды.

2.5. Расчёт конструктивных параметров детектирующих ячеек

Аналитическое выражение закономерности образования отрицательных ионов определяется следующим уравнением:

N0 = ап+п- —

д2п

дх2

(14)

где N0 - число ионов, образующихся в единице объёма в единицу времени;

а - коэффициент рекомбинации ионов (для воздуха значение составляет 1,ббх10-6 см3/с);

п+ и п- - концентрации положительных и отрицательных ионов;

- коэффициент диффузии отрицательных ионов (для воздуха значение составляет 0,042 см2/с).

Расчёт процесса рекомбинации в колонках очень сложен, так как вероятность рекомбинации зависит от коэффициента диффузии, от удельной ионизации и т.д. [82]. Диффузию ионов или электронов в объёме, заполненном нейтральными молекулами, можно рассматривать как взаимную диффузию. Для оценки влияния диффузии, используем уравнение Эйнштейна-Смолуховского для среднеквадратичного смещения частицы Д2= При отсутствии конвекции получаем, что за 5 с отрицательные ионы пройдут примерно 0,7 см. Так как осуществляется продувка всего воздуха камеры портального монитора и предполагается, что практически все аэроионы попадут в рабочую область детектора, то точный расчёт процессов диффузии не представляет интереса. Ввиду большой сложности, расчёт трансформации образовавшихся кластеров также не приводится.

На Рисунке 18 изображена блок-схема программы для расчёта характеристик конструкции детектирующих ячеек и рабочего напряжения на основе задаваемых пользователем входных данных: радиуса нити анода, радиуса трубки катода, типа вентилятора с заданной производительностью (или объёма портального монитора и времени прохождения всего воздуха). Конкретные значения выбираются в зависимости от типа прибора (портативный, портальный монитор, монитор поверхностей), а также от технологической осуществимости и воспроизводимости создания определённых деталей. Время прохождения всего воздуха выбирается на основе среднего времени жизни лёгких аэроионов, которое, в свою очередь, зависит от степени запылённости воздуха (для города это значение составляет примерно 1214 секунд).

В качестве примера были выбраны следующие исходные конструктивно-технологические параметры ДЯ: радиус поперечного сечения нити г = 15 мкм (радиус нити должен быть как можно меньше для того, чтобы увеличить напряжённость поля вблизи нити, но с другой стороны нить должна быть достаточно крепкой, чтобы выдерживать испытания на ударо- и вибропрочность, а также одним из условий является возможность быстрого осуществления замены нити); максимальная длина трубки детектора 1 = 40 см (при слишком большой длине нити возможно её провисание); радиус поперечного сечения трубки детектора R = 10 мм; толщина стенки трубки детектора ё = 3 мм. Поскольку скорость счёта импульсов, обусловленная уровнем радиоактивной загрязнённости объекта, зависит от электрофизических характеристик газовой (рабочей) среды, то важно учитывать также параметры окружающей среды.

Критерии оптимизации электрических, геометрических и аэродинамических параметров детектирующей ячейки определялись из следующих соображений. Для повышения эффективности регистрации а- и в-частиц в подвижном потоке ионов газа (прежде всего - увеличения скорости счёта и снижения уровня случайных погрешностей) выбран пропорциональный режим работы ДЯ. Поскольку газовое усиление осуществляется вблизи анода на расстоянии, сравнимом с диаметром нити (х ~ 3-10 г, где г = 15 мкм), то для оптимального соотношения сигнал-шум необходимо поддерживать в области х е (10г; R] значение напряжённости поля Е(х) меньшим, чем напряжённость пробоя воздуха Епр [76]. Процесс лавинного умножения возможен, если вероятность ионизации больше, чем вероятность прилипания.

С Останов

Рисунок 18 - Алгоритм расчёта характеристик конструкции детектирующих ячеек

Электрическое поле между катодом и анодом детектирующей ячейки неоднородно. Для цилиндрической конструкции ДЯ (см. Рисунок 15) величина напряжённости поля Е в точке, удалённой от центра поперечного сечения нити на расстоянии х, пропорциональна рабочему напряжению и и выражается как

Е(х) = и/[х^1п(Я/г)],

(15)

где R и г - радиусы поперечных сечений трубки и нити соответственно.

Примеры зависимостей Е(х) при различных значениях Я показаны на Рисунке 21. Максимальное значение напряжённости электрического поля определяется выражением

Емакс = и/[г-1п(Я/г)] (16)

и зависит от радиуса поперечного сечения трубки. Минимальное значение напряжённости электрического поля Бмин = И/[Я1п(Я/г)] должно быть меньшим величины Епр. Из этих соображений для радиуса поперечного сечения трубки R = 1 см оптимальным будет напряжение и = 2,944 кВ (см. Рисунки 19,20).

Рисунок 19 - Зависимости напряжённости поля Е(х) вблизи 10 радиусов нити анода г при различных значениях радиуса трубки Я при напряжении на аноде

И=2,92 кВ

Рисунок 20 - Зависимости напряжённости поля Е(х) вблизи 10 радиусов нити анода г при различных значениях радиуса трубки Я при напряжении на аноде

^2,95 кВ

Величина Епр = 30 кВ/см взята для сухого воздуха. На Рисунке 21 показаны расчётные зависимости напряжённости поля Е(х) при различных значениях радиуса трубки Я.

и = 2,944 кВ

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5

X, СМ

Рисунок 21 - Зависимости напряжённости поля E(х) при различных значениях радиуса трубки R

Мгновенные скорости дрейфа носителей заряда удр в электрическом поле ДЯ различны и определяются средней подвижностью зарядов ^ и значениями электрического поля Е(х).

Минимальная дрейфовая скорость удр мин соответствует минимальному значению напряжённости поля Емин = И/[Я1п(Я/г)]. Тогда максимальное время дрейфа носителей заряда можно выразить как

^рм = Я/Удр мин = Я2 1п^/г)/ци, (17)

где ^ - средняя подвижность ионов.

Для Я = 10 мм, подвижности ^ ~ 1,83 см2/Вс и напряжения и = 2,944 кВ величина ^м ~ 1,3 мс.

С точки зрения повышения эффективности регистрации зарядов в ДЯ максимальное время дрейфа носителей заряда 1дры должно быть меньше времени пролёта носителей заряда т вдоль нити ДЯ и меньше времени их жизни тж:

^рм < мин{т; Тж}. (18)

Средние значения концентраций ионов в воздухе: п+ = 400 - 50 000 ионов/см3; п— = 600 - 50 000 ионов/см3. Время жизни ионов сильно зависит от ре-комбинационных процессов, температуры и влажности воздуха и находится в широких пределах, достаточных для выполнения условия (18). Минимальное значение времени пролёта носителей заряда вдоль нити ДЯ длиной I можно выразить как

Т = 1/Умакс, (19)

где умакс - максимальная скорость движения частиц в газовом потоке, которая зависит от входной скорости потока рабочего газа V, радиуса трубки Я, вязкости газа и

координат частиц. Входная скорость потока V зависит от аэродинамических параметров вентилятора: производительности QВ (м3/час) и полного давления вентилятора Ар, равного разности полных давлений потока за вентилятором и перед ним:

V < ув = (2Лр/р)0-5 « Qв/Sв, (20)

где ^ - выходная скорость потока из вентилятора;

SВ - эффективная площадь выходного отверстия вентилятора; р - плотность воздуха.

На Рисунке 22 показана расчётная модель многодетекторного измерительного блока. При расчёте предполагается, что габариты одного измерительного блока, включающего вентилятор, кассеты с ДЯ и обслуживающие электронные схемы не должны превышать 30*25*25 см3.

Рисунок 22 - Расчётная модель измерительного блока: 1 - аэроионы, 2 - катоды, 3

- аноды, 4 - вентилятор

Для вентиляции такого объёма используется малогабаритный вентилятор Sunon PMD1212PMB3A с производительностью QВ = 260 м3/час и давлением Аp ~ 100 Па. Вентиляционный газовый поток должен быть направлен вдоль ДЯ. Тогда

минимальная эффективная площадь поперечного сечения потока газа внутри измерительного блока Б = 500 см2. Рассмотрим поперечное сечение потока внутри измерительного блока. Таким образом, площадь сечения цилиндрической камеры Б = 551,3 см2 (так как при самой плотной шестиугольной упаковке кругов, плотность

Я"

равна ~ 0,9069). Может поместиться максимум 94 трубки радиуса Я = 1 см с

толщиной стенок ё = 3 мм. При нормальных атмосферных условиях максимальная выходная скорость потока из вентилятора:

ув = (2Лр/р)0-5 = (2-100/1Д85)0-5 « 13 м/с, (21)

тогда средняя скорость в рабочей камере при стационарном движении газового потока определяется как

Уср = Qв/S « 1,44 м/с. (22)

В зависимости от месторасположения ДЯ по отношению к выходному отверстию вентилятора максимальная входная скорость потока vмакс может принимать значения от 1,44 м/с до 13 м/с. Поскольку в данных условиях время жизни тж больше времени пролёта т, то согласно (16) - (18) получаем условие для минимального значения длины трубки при рассмотренных выше её параметрах:

! > Vмакс Я21п^/г)/ци « 17 мм. (23)

В принципе рабочая длина трубки может быть равна её диаметру 1 = 20 мм. При малых скоростях V потока рабочего газа движение в ДЯ оказывается ламинарным (слоистым), скорости частиц меняются по радиусу (по оси х) и направлены вдоль оси трубки (оси у) (см. Рисунок 23 а). С увеличением скорости потока движение становится турбулентным, и слои перемешиваются. При турбулентном движении скорость в каждой точке быстро меняет величину и направление, сохраняется

только средняя величина скорости. При прохождении газа в трубку скорости слоев вначале постоянны по всему сечению. По мере продвижения газа по трубке картина распределения скоростей меняется, так как сила трения о стенку тормозит прилежащие к ней слои (Рисунок 23 б). Характер движения газа в трубке определяется числом Рейнольдса:

где v - скорость потока; R - радиус трубки; р - плотность движущейся среды; П - динамическая вязкость.

В трубках круглого сечения переход от ламинарного движения к турбулентному происходит при Re ~ 1000. Поэтому желательно, чтобы выполнялось условие:

Для уменьшения погрешностей измерения концентраций ионов в подвижных газовых потоках лучше использовать ламинарный режим (см. Рисунок 23 а). Характерное для ламинарного течения параболическое распределение скоростей устанавливается на некотором расстоянии 10 от входа в трубку (см. Рисунок 23 б), которое зависит от радиуса трубки R и числа Рейнольдса как 10 ~ 0,2R•Re. При V = 1,44 м/с и R = 10 мм число Re ~ 1000, величина 10 ~ 208 см.

Следует отметить, что с увеличением длины трубки и соответственно длины анодной нити суммарные токи возрастают, что повышает эффективность ДЯ для больших скоростей газовых потоков. Однако важными являются габаритные параметры измерительных блоков, которые ограничивают длину ДЯ. Поэтому длина 1 не должна превышать 20 см. В таких трубках ! < !0, и параболическое распределение

Яе = уЯр/л,

(24)

у < 1000 л/№) ~ 1,45 м/с.

(25)

скоростей в продольном сечении трубки не достигается, скорость распределена равномерно по сечению (как в начале трубки) и равна входной скорости потока V. В этом случае объёмную скорость газового потока Qi (м3/с) для каждой ДЯ можно оценить как Qi = л^Я2. Для длинных трубок (1 > 1о) применяется формула Пуазёйля: Qi = лR4Дpi /8^1. Общую объёмную скорость газового потока для одной детекторной кассеты можно оценить как Qn = nQi , где п - количество ДЯ в кассете.

УЛ, Ламинарный режим У,, Турбулентный режим

а)

б)

Рисунок 23 - Формирование ламинарного потока рабочего газа в ДЯ (эпюры скоростей внутри трубки)

При параллельном объединении ДЯ в кассеты повышается эффективность измерений вследствие охвата большего объёма проточного ионизированного газа и суммирования токов ионов. Считая воздушные потоки вдоль ДЯ стационарными можно оценить аэродинамическую эффективность измерительного блока как

К = ^¡^В « ППУ1 Я2/(УсрБ) = ппу1Я2/(УВ5В).

Например, для п = 4 и приведённых выше параметров К ~ 4лЯ2/8 = 0,025.

Для повышения аэродинамической эффективности измерительного блока можно уменьшить его поперечные размеры (по оси x), однако при этом повысится средняя скорость = Qb/S, которая из-за условия ламинарности потока не должна превышать 1,45 м/с. Поэтому оптимальная площадь сечения измерительной камеры S ~ 22,4^22,4 см2 с учётом габаритов вентилятора (12*12*4 см3), а длина измерительной камеры может быть равной 30 см при длине детекторной кассеты 15 - 20 см.

На Рисунке 24 показан один из вариантов реализации блока детектирования, разработанный сотрудником кафедры микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ, на основе трёх ДЯ в программе Ansys SpaceClaim. Одна ДЯ служит для проведения автоматической калибровки. При использовании нестандартных конструкций, течение газов в детекторе моделируется в среде Ansys Fluent. Основными задачами являются оптимизация газодинамического сопротивления для эффективной работы вентилятора, а также обеспечение ламинарности движения воздушных масс.

Рисунок 24 - Модель блока детектирования в среде Ansys SpaceClaim для проведения анализа воздушных потоков в Ansys Fluent

На Рисунке 25 изображён прототип многодетекторного блока на основе детекторов в виде трубок.

Рисунок 25 - Вариант исполнения многодетекторного блока, где 1 - позолоченные аноды, 2 - вентилятор, 3 - позолоченные катоды

2.6. Оптимизация параметров всей системы

В кабине со свободным воздушным объёмом V = 1,5 м3 и регламентированным временем измерения ~ 10 с для полной прокачки всего объёма общая производительность вентиляторов

Q = УДиз (27)

должна превышать 540 м3/час. При производительности вентилятора Qв одного блока детектирования (БД), количество БД (К) должно быть больше, чем Q/Qв. Для выбранных вентиляторов Qв = 260 м3/час и величина Q/Qв > 2,07, тогда N > 3. Для улучшения аэродинамических параметров вентиляционной системы лучше использовать 4 БД, расположенных на потолке, на полу и на противоположных стенках кабины.

Из анализа приведённых выше результатов расчётов параметров БД следует, что для выбранных типов вентиляторов минимальные габариты БД 34*23*23 см3.

2.7. Зависимость значения скорости счёта импульсов от параметров

окружающей среды

Основным недостатком приборов, где имеет место активный газообмен между рабочей областью и окружающей средой является проблема с работоспособностью в условиях повышенной влажности. Особенно это касается набирающих популярность газовых электронных умножителей (GEM) [20]. Однако, для приборов на основе газоразрядных счётчиков проблема менее актуальна. С увеличением влажности воздуха увеличивается счёт импульсов. На Рисунке 26 показаны фотографии испытательного бокса для исследования работы газоразрядного счётчика в условиях с изменяющейся влажностью воздуха.

Так, зависимость скорости счёта импульсов в фоновом режиме от влажности воздуха для однопроволочного детектора изображена на Рисунке 27 [83]. Из рисунка видно, что при изменении параметров состояния окружающей среды (влажности воздуха) прибор необходимо периодически калибровать. Но, нужно отметить, что при использовании газоразрядного счётчика для работы в пешеходных портальных мониторах, которые устанавливаются в помещениях, колебания относительной влажности воздуха будут незначительными, если использовать коммерчески доступные системы поддержания микроклимата (в том числе осушители).

Рисунок 26 - Фотографии испытательного бокса

Время,

Рисунок 27 - Скорость счёта импульсов фона (непрерывная кривая) в зависимости от влажности воздуха (погрешность измерения относительной влажности воздуха для датчика 8ИТ15 составляет ±2% в диапазоне от 10% до

90%, Т = 17,31 ±0,05 °С)

В Таблице 6 показана зависимость скорости счёта импульсов от активности альфа-источника. При увеличении активности скорость счёта импульсов также увеличивается, поэтому при дальнейших измерениях можно ограничиться только одним источником.

Таблица 6 - Зависимость скорости счёта импульсов от активности альфа-источника

Активность Ско] юсть счета импульсов, имп/с Среднее значение

источника, Бк 1 2 3 4 5 (без фона), имп/с

760 326± 318± 361± 388± 383± 355

107 77 89 127 92

1660 611± 717± 760± 755± 640± 697

164 96 162 162 151

4550 1436± 1538± 1584± 1477± 1566± 1520

179 146 188 262 200

Измерения проводились при высоте БД (с трубой 30 см) - 35 см от входного окна БД;

давление - 744±2 мм рт. ст., температура - 22±2°С, влажность - 21 ±2%

В Таблице 7 показана зависимость скорости счёта импульсов от относительной влажности воздуха. Как видно, при увеличении влажности воздуха

для поддержания одинакового значения скорости счёта необходимо повышать рабочее напряжение.

Таблица 7 - Зависимость скорости счёта импульсов от относительной влажности

Темпе- Относи- Рабочее Ско рость счета импульсов, имп/с Среднее значение

ратура, тельная (анодное) 1 2 3 4 5 (без фона), имп/с

°С влажность, % напряжение, В

23,0 29,2 3376 1063± 1180± 1059± 823± 1191± 1063

246 338 248 131 145

23,0 55,0 3382 1180± 1056± 925± 1064± 1014± 1047

198 151 237 95 184

22,5 62,0 3386 954± 1127± 1014± 1064± 900± 1012

93 145 184 95 133

Измерения проводились при высоте БД (с трубой а-источник - 4550 Бк 30 см) - 35 см от входного окна БД;

Авторы в статье [84] установили уравнение регрессии для концентрации отрицательных аэроионов у в зависимости от расстояния от источника коронного разряда х (напряжение 30 кВ, источник напряжения Spellman SL300, T=25,2 ± 1,4 °0), а также коэффициента регрессии а, величина которого отрицательна и уменьшается с увеличением относительной влажности воздуха:

у = 2,8 х 106ехр(ах). (28)

Очевидно, что при большей влажности воздуха аэроионы распределяются кучнее и ближе к ионизирующему источнику.

Шарпак и др. в работе [20] предложили конструкцию однопроволочного пропорционального счётчика, позволяющего проводить измерения при повышенной влажности окружающего воздуха. Однако чувствительность детектора существенно уменьшается.

В статье Полка с увеличением давления ионизационный ток от альфа-радиоактивных источников уменьшается, тогда как ионизация от бета-радиоактивных источников, а также космического и рентгеновского излучения увеличивается [85].

Хотя, в диапазоне от максимально зарегистрированного атмосферного давления до минимально зарегистрированного, изменения ионизации являются несущественными. Однако давление оказывает влияние на коэффициент газового усиления цилиндрического пропорционального счётчика, который основывается на макропараметре аф, где а - коэффициент ионизации, p - давление газа. И, для более стабильных результатов, требуется осуществлять калибровку прибора при измерении давления на значение около 2 торр.

Выводы

Использование аэроионного метода возможно в селективном и неселективном режимах работы. В селективном режиме по альфа-излучению калибровку необходимо производить по альфа-источнику, а основной характеристикой является скорость счёта импульсов. В неселективном режиме лучше осуществлять калибровку по бета-источнику. Повышение эффективности сбора аэроионов достигается за счёт расчёта конструкции детектора, при которой все заряженные частицы попадают на анод, а также за счёт увеличения количества детекторов.

На следующем этапе разработки пешеходного портального монитора необходимо:

1) разработать систему управления портальным монитором на основе газоразрядного счётчика открытого типа для работы в условиях изменяющихся параметров окружающей среды (наиболее важным фактором является значение абсолютной влажности воздуха);

2) разработать алгоритмы и программные средства обработки и отображения информации;

3) разработать прототип портального пешеходного монитора для регистрации альфа- и бета-излучения на основе газоразрядного счётчика открытого типа.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА

3.1. Аппаратная часть

Детектор может быть использован как в составе портативного прибора для контроля альфа-радиоактивных загрязнений (см. Рисунок 8), так и в составе портального монитора [86]. На сегодняшний день большое количество пешеходных портальных мониторов (обычно портальные мониторы применяются для обнаружения бета- или гамма-загрязнения: мониторы компаний Canberra Industries Inc., Ludlum Measurements Inc. [87; 88]) не позволяют дистанционно обнаруживать очень маленькие концентрации альфа-радиоактивного загрязнения на человеческой одежде, волосах, руках и т.д., особенно это необходимо для использования на пропускных пунктах на атомных объектах и в публичных местах, где присутствует террористическая ядерная угроза. В наиболее критических случаях, обычно системы мониторинга позволяют измерять альфа-загрязнение рук. Наиболее похожий коммерческий портальный монитор TwoStep™-Gas II компании Mirion [89] -это также монитор, служащий для обнаружения загрязнения всего тела, но работающий на основе технологии на базе проточного пропорционального счётчика. Имеет хорошую эффективность регистрации бета-частиц, но для регистрации альфа-частиц, субъект должен находиться близко к детектору вследствие торможения альфа-частиц в воздухе. Таким образом, используя прямые методы регистрации альфа-частиц, возможно их обнаруживать когда источник альфа-загрязнения находится рядом с детектором (для частиц с энергией в 10 МэВ это около 10 см в воздухе, для 2 МэВ частиц - около 1 см [85]). На Рисунке 28 показана схема пешеходного портального монитора на основе газоразрядного счётчика открытого типа. На компьютере оператора (12) отображается превышение уровня фона. Система микроклимата (17) служит для поддержания температуры и влажности воздуха в помещении в заданном диапазоне.

Рисунок 28 - Использование детектора в пешеходном портале. 1 - система направления потока воздуха с электростатическими фильтрами, 2 - источник ионизирующего излучения (а,в), 3 - двери, 4 - увеличенный вид детектора, 5 - за-

рядочувствительный усилитель и формирователь импульсов, 6 - аэроионы, 7 -проволочная сетка и фильтр, 8 - вентилятор, 9 - катод, 10 - анод, 11 - система обработки данных, 12 - удалённый компьютер, 13 - система управления оператором и дисплей, 14 - прецизионный источник высокого напряжения, 15 - датчики температуры, давления и влажности, 16 - удалённое управление блоком детектирования, 17 - система микроклимата

На Рисунке 29 изображена модель пешеходного портального монитора для более эффективной и более надёжной регистрации ионизирующих источников с разных частей тела. Такая модель предполагает использование четырёх детекторов. Таким образом, система подаст сигнал тревоги в случае срабатывания хотя бы одного из детекторов.

Рисунок 29 - Общий вид портальной шлюзовой кабины: 1 - вентилятор; 2 -входное окно блока детектирования; 3 - блок детектирования; 4 - повехностное загрязнение альфа- и бета-радионуклидами; 5 - дверь; 6 - система микроклимата;

7 - обследуемый человек; 8 - датчики температуры, давления и влажности; 9 -блок управления и обработки данных; 10 - персональный компьютер

Наиболее важным элементом газоразрядного детектора является источник высокого напряжения. Основными требованиями, предъявляемыми к источнику, являются обеспечение стабильности рабочего напряжения (около 3 кВ) и минимальный шаг по напряжению для осуществления более точной калибровки. Лабораторный источник напряжения позволил добиться хорошего соотношения скорости счёта для альфа-радиоактивного источника относительно фона (см. Рисунок 30). Источник высокого напряжения, разработанный на кафедре микро - и нано-электроники НИЯУ МИФИ, является более стабильным по напряжению (отклонение скорости счёта от среднего значения: см. Рисунок 31) и имеет наименьший шаг. Для проведения исследований использовался экранированный источник высокого напряжения DPp 60 105 24 5 MS компании iseg (зависимость скорости счёта от вре-

мени показана на Рисунке 32), который позволяет устанавливать рабочее напряжение в широком диапазоне до 6 кВ. Температурный коэффициент составляет 5 X 10-5/^. Стабильность по напряжению питания ЛУоМ < 0,06 В. Однако присутствует довольно высокая пульсация напряжения < 30 мВ. Специальный фильтр, работающий при высоком напряжении, позволяет сгладить пульсации на входе усилителя.

Рисунок 30 - Скорость счёта импульсов при использовании лабораторного источника напряжения БНВ-30 (давление: (996±4)мбар; отн. влажн. воздуха:

(28±2)%; температура: (22,2±0,3)°С): максимальная скорость счёта с использованием скользящей средней по 10 отсчётам (каждый по 1 сек) ~ 7500

имп/сек

Pres. 995 mbar Rel Hum 29 89 % Temp 22.45 С HV Current 0 04 A HV voltage 3.10 V (alter divider 1:1000) EM SOulce (can't go up)

Main page Ьод Results Graph Settings

*

CD U

M

с; >

с z s

J

и

— Счёт — Скользящая иам:

1300

1100

dt)

800 700

I \„

if 1 \II

500 f-W if 1

/

L /

200 t 1

4

15:21:41 15:21:5t 15:22 15:22:11 15:22:21 15:22:31 15:22:41 15:22:51

Время

Рисунок 31 - Скорость счёта импульсов для портативного источника высокого напряжения, разработанного на кафедре микро- и наноэлектроники НИЯУ МИФИ (давление: (995±4)мбар; отн. влажн. воздуха: (29±2)%; температура: (22,4±0,3)°^: максимальная скорость счёта с использованием скользящей средней по 10 отсчётам (каждый по 1 сек) ~ 800 имп/сек

Рисунок 32 - Скорость счёта импульсов для источника DPp 60 105 24 5 MS компании iseg (давление: (997±4)мбар; отн. влажн. воздуха: (26±2)%; температура: (21^0,3)^): максимальная скорость счёта с использованием скользящей средней по 10 отсчётам (каждый по 1 сек) ~ 10000 имп/сек

Для управления системой используется одноплатный компьютер FOX Board G20 [84]. Для отображения результатов и управления клавиатурой был использован программируемый дисплейный модуль (¿LCD-43P компании 4D SYSTEMS [90]. Внешний вид блока управления и вид изнутри показан на Рисунке 33. Данные между двумя основными модулями передаются через последовательный интерфейс.

Рисунок 33 - Монтаж управляющей платы и внешний вид блока управления

На Рисунке 34 изображена внешняя плата для измерения параметров окружающей среды с датчиками давления (K1513 компании TDK), относительной влажности воздуха и температуры (SHT15 компании Sensirion).

Рисунок 34 - Плата для измерения параметров окружающей среды и отображение текущих значений через панель веб-интерфейса для англоязычной версии

программного обеспечения

На Рисунке 35 показана электрическая принципиальная схема платы, на которой расположены процессор и коммутатор. На встроенной в плату БУ плате D5 размещен одноплатный компьютер ACME FOX Board G20 на базе процессора At-mel ARM9 (400 МГц). Импульсный стабилизатор D4 (модель SIP3 фирмы RECOM) и элементы: D2 (логическая микросхема HEF4093B), резисторы R1..R5, биполярный транзистор VT3 (BC557) и МДП-транзисторы VT1 (IRF5305) и VT2 (BS170) образуют схему включения и выключения питания БУ по сигналу одной функциональной кнопки клавиатуры БУ. Для счёта импульсов, поступающих с БД, используется микроконтроллер PIC16F628 (D1), так как одноплатный компьютер с операционной системой (ОС) Linux не позволяет обрабатывать все импульсы слишком маленькой и слишком большой скважности.

Компаратор, обеспечивающий питание вентилятора БД и внутреннего вентилятора БУ организован на аналоговом компараторе D4.B (1/2 микросхемы LM393) и мощном МДП транзисторе IRFU5305. Вторая половина компаратора и прецизионный источник опорного напряжения на микросхеме AD780 совместно с прецизионным резистивным делителем напряжения на резисторах R10 (триммер), R11 и R12 и МДП-транзистором VT3 (BS170) образуют схему контроля напряжения питания (+12 В). Размещение элементов на плате показано на Рисунке 36.

Ер

и*ао*йо_егв

п гйх-Еслте-сщ-

-I

р®

готатаиато,

Рисунок 35 - Электрическая принципиальная схема платы процессора БУ

Рисунок 36 - Размещение элементов на плате процессора

Функциональная схема ЭО пешеходного портального монитора для обнаружения поверхностного альфа- и бета-радиоактивного загрязнения представлена на Рисунке 37.

На Рисунке 38 показаны воздушные потоки в камере портального монитора при использовании 4 вентиляторов и 1 детектора. Портальный монитор располагается в комнате. Производительность вентиляторов (скорость вращения равна 240

мин-1), нагнетающих воздух в камеру портального монитора, подбирается в соответствии с производительностью вентилятора детектора (скорость вращения равна 4200 мин-1). Основным требованием является прохождение воздушных потоков через детектор с как можно меньшими задержками. Как видно из рисунка, наибольшая чувствительность будет достигаться на уровне головы и в области плеч, тогда как наименьшая - при расположении источника ионизирующего излучения ниже пояса. Также стоит отметить, что в реальном приборе используются фильтры, которые замедляют прохождение воздушных потоков.

■оо:

Блок детектирования

Детектор Усилитель импульсов Вентилятор

I Х12

хк

Х15

I Х13 I I _Х10_ I

Коммутатор

Микропроцессор

Клавиатура

ЖК-монитор

Управляемый источник Высокого напряжения-УИBt

Блок

упрадления

I я I

50Гц 220 V

— XI

Зарядное устройство (преобразодатель напряжения)

+ 12В

Х'5'

Рисунок 37 - Функциональная схема ЭО пешеходного портального монитора

Рисунок 38 - Моделирование воздушных потоков в камере портального монитора при использовании 4 вентиляторов и 1 детектора

На Рисунке 39 и Рисунке 40 соответственно приведены внешний вид портального монитора и вид изнутри. ЭО пешеходного портального монитора смонтирован на основе серийной шлюзовой кабины УАК - РТ2. Блок детектирования (БД) был установлен на одной из боковых стенок кабины, блок управления (БУ) и зарядное устройство (преобразователь напряжения питания) были размещены на столе, а четыре вентилятора для создания воздушного потока в контрольной зоне ЭО пешеходного портального монитора были смонтированы на противоположной боковой съёмной панели. Фронтальные вентиляторы (1) на левой стороне портала создают воздушный поток, а детектор (12), размещённый на правой стороне, затягивает поток воздушных ионных кластеров при наличии альфа- и/или бета-загрязнения используя встроенный вентилятор. Человек пребывает в портале в течение пятнадцати секунд. Процесс измерения начинается после закрытия дверей и стабилизации воздушных потоков по истечении 2 секунд.

Для более эффективного сбора аэроионов, форма металлизированной панели, к которой крепится заземление дететора, должна быть вогнутой по направлению к детектору.

Рисунок 39 - Внешний вид портального монитора. 1 - система управления воздушным потоком, 3 - двери, 11 - система обработки данных, 12 - детектор

Рисунок 40 - Вид портального монитора изнутри. 1 - система управления

потоком, 3 - двери, 12 - детектор

3.2. Программная часть

На Рисунке 41 представлена фотография блока управления портальным монитором [91] в режиме «Поиск». Режим позволяет измерять активность альфа- и бета-радиоактивных источников. Результаты измерения непрерывно отображаются на ЖК-дисплее и отображаются на локальном веб-сервере.

Рисунок 41 - Блок управления в режиме «Поиск»

С этой панели пользователь может управлять устройством, изменяя различные параметры основных режимов («Калибровка», «Фон», «Поиск», «Измерение»): рабочий диапазон, количество измерений, параметры скользящей средней, информация об устройстве, дата и время и т.д. Также оператор может проводить диагностику модулей прибора.

Блок-схема системы управления показана на Рисунке 42, где также приведены обозначения аппаратных и программных компонентов системы. Основой управляющей системы является модуль на базе микропроцессора Atmel с ядром ARM Cortex-A9.

Рисунок 42 - Блок-диаграмма системы управления прибором. Описание пронумерованных узлов приведено в тексте

Передача данных и команд осуществляется с помощью портов ввода-вывода общего назначения (GPIO) и последовательных портов управляющей платы. При нажатии кнопок на клавиатуре (5), ЖК-дисплей (4), который имеет встроенный микропроцессор, передаёт соответствующий запрос управляющей плате. А так как в операционной системе Linux обработка произвольных прерываний возможна только из пространства ядра, то взаимосвязь между передачей запроса и управляющей программой (1) обеспечивает специально разработанный модуль ядра (3). Посредником является программа в пользовательском пространстве, которая позволяет обнаружить посылки от ядра системы и передать данные непосредственно управляющей программе. Она считывает информацию о прерываниях из символьного файла и передаёт её в стандартный вывод.

Измерительный цикл в режиме поиска альфа- и бета-источников включает в себя калибровку детектора с целью коррекции рабочего режима с использованием встроенного калибровочного радиоактивного источника (предлагается использо-

вать калибровочный альфа-источник для осуществления селективного режима работы и бета-источник в случае, если необходимо регистрировать и альфа-излучение и бета-излучение).

В режиме «Калибровка» (11) значение скорости счёта импульсов должно попасть в заданный интервал (¥¡,¥2) определённое количество раз:

< п < У2. (29)

При непопадании в интервал напряжение на аноде повышается/понижается на 1 шаг, равный приблизительно 3 В (на несколько шагов при проведении быстрой калибровки).

Затем происходит регистрация собственного фона детектора (при выключенных вентиляторах). После чего производится регистрация счёта ионов, содержащихся в воздухе вблизи исследуемого объекта.

На начальном этапе измерения осуществляется автоматический контроль напряжения на выходе управляемого источника высокого напряжения (УИВН) исследовательской установки, усилителя - формирователя сигналов на выходе детекторов ионов. Эти действия осуществляются в рамках общего алгоритма управления, реализуемого с помощью программного обеспечения работы микропроцессорной системы, управляющей исследовательской установкой.

Особенностью нитяного газоразрядного детектора открытого типа, является отсутствие плато счётной характеристики. Скорость счёта ионов экспоненциально зависит от рабочего напряжения на детекторе. Для обеспечения воспроизводимости результатов измерений необходимо при каждом измерении устанавливать рабочее напряжение на детекторе, при котором устанавливается достигнутая ранее эффективность регистрации ионов. Оптимальное значение эффективности находится исходя из оптимального соотношения скоростей счёта ионов, содержащихся в ионизованном воздухе и фонового счёта, который растёт с увеличением рабочего

напряжения в детекторе. Оптимальное рабочее напряжение, соответствующее конкретным условиям, находится в процессе лабораторных измерений на исследовательском стенде. Найденное значение напряжения не является постоянной величиной, так как эффективность регистрации зависит от изменяющихся параметров атмосферы: давления, температуры, влажности. Для того, чтобы на детектор было подано напряжение, соответствующее выбранному ранее оптимальному значению эффективности, перед каждым циклом измерений автоматически производится калибровка.

В процессе калибровки измеряется скорость счёта импульсов от ионов, излучаемых контрольным источником альфа- или бета-излучения. Калибровка производится в два этапа: быстрая калибровка и точная калибровка. Эти виды калибровки отличаются количеством единичных замеров и их длительностью. В ходе быстрой калибровки напряжение на детекторе ступенчато изменяется достаточно «большими» шагами и при каждом установившемся значении напряжения в течение 2-3 секунд измеряется скорость счёта импульсов (единичный замер). При серии из 4 попаданий значений скорости счёта в интервал заданных значений прибор автоматически переходит в режим точной калибровки. Такой режим характеризуется уменьшенными шагами изменения напряжения. В режиме точной калибровки производится не менее 6 единичных замеров скорости счёта импульсов от образцового источника при установившемся напряжении на детекторе. Время каждого замера составляет 3-4 секунды. При этом все результаты всех 6 единичных замеров должны соответствовать упомянутому выше интервалу заданных значений. Увеличение времени измерения по сравнению с режимом быстрой калибровки позволяет увеличить статистику отсчётов и, как следствие, повысить надёжность точной калибровки. В случае, по крайней мере однократного непопадания скорости счёта в назначенный интервал значений, напряжение корректируется, и калибровка повторяется. Ширина и положение границ интервала заданных значений скоростей счёта оптимизируются исходя из задачи минимизации погрешности измерения и одновременного уменьшения времени измерения.

После завершения калибровки происходит переход к режиму измерения скорости счёта фона (12) окружающей среды, который измеряется в отсутствие людей в портальном мониторе, а также контрольных источников альфа- и бета-излучения. Производится п единичных замеров скорости фонового счёта. Полученный результат усредняется, вычисляется дисперсия распределения результатов единичных замеров и относительная погрешность измерения. Несмещённая оценка дисперсии Б 2 распределения величин X вычисляется по формуле:

= (30)

п - 1

где п - число единичных замеров; X - среднее значение величин X

Относительная погрешность 8Х определения среднего значения величин Х[ вычисляется по формуле:

8Х = ^. (31)

* X

Полученный результат заносится в память одноплатного компьютера. После завершения измерения фона осуществляется переход к рабочему измерению (14). Предварительно включается вентилятор, осуществляющий продувку атмосферного воздуха, содержащего ионы, возникшие вблизи исследуемого объекта. Втягиваемый воздух продувается через канал, в котором расположен детектор аэроионов. В процессе продувки ионы попадают в область дрейфового электрического поля и переносятся в рабочий объём детектора, где происходит регистрация. Измерение скорости счёта происходит аналогично измерению собственного фона детектора, т.е. производится выбранное число единичных замеров такой же дли-

тельности и вычисляются среднее значение, дисперсия и относительная погрешность измерения среднего. Длительность единичного замера может быть автоматически изменена в случае чрезмерно большой или чрезмерно малой скорости счёта импульсов от регистрируемых ионов. В этом случае скорость счёта нормируется на одну секунду.

В дальнейшем в ходе выполнения программы производится вычитание фона из измеренной в потоке воздуха скорости счёта. Вычисляется результирующая дисперсия и погрешность. Полученная разность нормируется на величину измеренной фоновой скорости счёта по формуле:

^ _ ^ИЗМ Мфон ^фон

где Ыизм и Ыфон - средние значения скоростей счёта фона и счёта в потоке воздуха. Величина К\ характеризует степень превышения скорости счёта ионных импульсов, обусловленных радиоактивным загрязнением, над фоновой скоростью счёта и позволяет судить о степени загрязнения исследуемой поверхности объекта. В результате многократных измерений в приборе происходит накопление значений величины К[. Следует заметить, что в процессе обработки результатов осуществляется дополнительный контроль достоверности измерений, заключающийся в том, что полученные при измерении фона и при рабочем измерении дисперсии сравниваются с контрольными величинами. Если одно из полученных значений дисперсии превышает контрольную величину, измерение признаётся недостоверным и повторяется. Калибровка при этом не производится. Такой отбор позволяет избежать измерений с широким распределением значений единичных замеров.

Расчёт текущего среднего значения активности источника производится по формуле:

к1(п - пф)

A=кпыгЁ- (33)

где п - текущее среднее значение скорости счёта регистрируемых импульсов, имп/с;

Пф - скорость счета импульсов фона, имп/с;

Е - значение чувствительности прибора по точечному источнику, 1/(Бкхс);

к}, к2 - коэффициенты для отображения единиц измерения и площадь эффективной регистрации активности;

А - текущее среднее значение [част/(см2/мин), Бк/см2, Бк] (единица измерения зависит от к}).

Текущая относительная погрешность вычисляется по формуле:

dA =

1

п - п

ф

N

т

1 т

~гХ(П-п)2 +

d п

ф

(34)

¿=1

где nt m dnф2 dA

скорость счёта импульсов на /-м интервале, имп/с; количество интервалов;

статистическая абсолютная погрешность скорости счёта фона, имп/с; текущая относительная погрешность показателя.

2

Параметры управляющей программы (1) можно изменить, используя сетевой протокол, например, сетевой протокол SSH или веб-интерфейс (15). Можно также воспользоваться USB флеш-накопителем (6) с записанным на него файлом настроек. Управляющая программа написана на скриптовом языке высокого

уровня Tcl с использованием инструмента для автоматизации Expect. Ценой снижения быстродействия (в допустимых пределах) это позволило упростить взаимодействие между модулями ядра, программами Linux, и программными средствами управления прибором, сбора и обработки данных и сделать систему управления более гибкой.

Так как необходимо осуществлять передачу большого объёма информации по последовательному порту, то был использован простой протокол передачи данных. Передающее устройство посылает символ 0x05 (ENQ, прошу подтверждения), являющийся запросом на соединение. Принимающее устройство формирует сигнал подтверждения 0x06 (ACK, подтверждаю) или 0x15 (NACK), или ничего не формирует. Далее происходит передача команды, которая состоит из трёх символов, затем передаются данные произвольной длины до появления завершающего символа 0x04 (EOT, конец передачи). Принимающая сторона проверяет команду и формирует байт 0x06 (ACK) или 0x15 (NACK).

Для обеспечения своевременного выхода из программы чтения данных с последовательного порта, она работает в неблокирующем режиме: по истечении определённого количества циклов чтения, можно возвратиться и начать передачу заново.

Чтобы обеспечить корректный подсчёт импульсов, используется внешний счётчик на базе микроконтроллера PIC16F628A. Это обусловлено тем, что при подсчёте импульсов на основе прерываний в операционной системе, на частоте большей 1 кГц, количество зарегистрированных импульсов сильно зависит от скважности импульсов. При определенном её значении прерывания не появлялись или они не успевали обрабатываться.

Программа управления (см. Рисунок 42 (пункт 1)) была написана с использованием Tcl / Expect. Блок-схема управляющей программы представлена на Рисунке 43.

Рисунок 43 - Блок-схема управляющей программы

Для работы с клавиатурой, помимо службы в пользовательском пространстве, написан также специальный модуль ядра. За формирование графических элементов и приём данных с дисплея uLCD отвечают программы send2tty и readtty пользовательского пространства (см. Рисунок 44).

uLCD дисплей

Клавиатура

Плата ARM9 (ОС Linux)

Пространство ядра Польз, пространство

Меню i

► Насадка Трубка

Порог 1,0

Ед. измер. Бк

Выбор «OK Ф Выход

Последоват..

соединение Шина

прерывании

Стандартные модули send2tty / readtty

keyboardalpha.ko демон keyboard

Для быстрой обработки

Tel / Expect управляющая программа

Рисунок 44 - Обработка нажатий кнопок клавиатуры и управление ЖК-дисплеем

Схема системы команд взаимодействия платы управления FOX Board G20 с ЖК-дисплеем uLCD показана на Рисунке 45.

Рисунок 45 - Схема системы команд взаимодействия платы управления FOX

Board G20 с ЖК-дисплеем uLCD

Как видно из Рисунка 46, когда человек с альфа-радиоактивным источником (в данном случае, с источником 239Ри с активностью 760 Бк) покидает портальный монитор, значение скорости счёта импульсов сводится к фоновому. Пороговый уровень счёта импульсов рассчитывается на основе фонового уровня. Коэффициент пропорциональности можно установить вручную. Это позволяет программе с большой вероятностью выявить наличие источника ионизации, как, например, источник альфа-радиации на фоне возможных колебаний уровня ионизации вблизи детектора. Использование при анализе скользящей средней с периодом равным нескольким секундам (для времени единичного измерения в 1 секунду) также позволяет избежать случайных колебаний величины скорости счёта импульсов.

Рисунок 46 - Изменение скорости счёта импульсов в режиме «Поиск». В момент времени, когда объект с а-радиоактивным источником входит в портальный монитор, скорость счёта увеличивается до 670 импульсов и снижается до 4 импульсов в секунду при покидании портального монитора

На Рисунке 47 показана работа устройства в режиме калибровки. Для успешной калибровки число импульсов должно попадать в указанный диапазон определённое количество раз. Ввиду возможного разброса параметров различных детекторов, для разных образцов приборов настройки будут отличаться. На данном рисунке показан пример успешной калибровки.

Рисунок 47 - Калибровка в режиме реального времени. Снимок экрана с окном

браузера

Настройка коэффициентов также осуществляется из окна браузера (см. Рисунок 48).

Для интерактивной визуализации временных рядов (в режиме калибровки, в режиме поиска, в режиме измерения, в фоновом режиме) была использована графическая библиотека dygraphs [92], написанная на языке JavaScript с использованием библиотеки JQuery. Графическая библиотека Bokeh обладает большим функционалом при работе с графиками и используется для реализации вспомогательных графиков. Также использовались средства языка для статистической обработки данных R и ПО OpenCPU для взаимодействия с R-программами посредством веб-интерфейса.

Вход, выход, изменение настроек, перезагрузка, выключение, загрузка файлов, а также некоторые функции тестирования (например, отправить сообщение на ЖК-дисплей) были выполнены с помощью серверного языка сценариев PHP. Также реализована система гибкого разграничения прав доступа к изменению настроек прибора. Журнал системных сообщений был реализован с использованием подхода

Ajax, заключающемся в «фоновом» обмене данными веб-сервера с пользовательским браузером.

Рисунок 48 - Окно с настройками управляющей системы портального монитора

Выводы

Был разработан прототип пешеходного портального монитора для контроля альфа- и бета-радиоактивных загрязнений поверхности тела человека на основе газоразрядного счётчика открытого типа. Система измерения портального монитора позволяет обнаруживать альфа-источники с очень маленькими активностями.

Разработанный экспериментальный образец (ЭО) пешеходного портального монитора по расчётному порогу обнаружения поверхностного альфа-радиоактивного загрязнения - менее 20 Бк (для точечного источника альфа-излучения) и по времени полного обследования человека - не более 15 секунд, заметно превосходит

используемые в настоящее время пешеходные портальные радиационные мониторы на основе гамма-сцинтилляционных детекторов, которые удовлетворяют требованиям к массе обнаруживаемых ЯМ, содержащимся ГОСТ Р 51635 -2000.

Экспериментальные исследования подтвердили перспективность использования газоразрядных детекторов в стационарных радиационных мониторах для обнаружения поверхностного альфа-активного загрязнения: порог обнаружения точечного альфа-активного источника составил 400 Бк (что значительно лучше, чем у современных пешеходных мониторов - 0,03 г 239Ри с активностью 6,8 х107 Бк), а время отклика - 10 секунд.

Основной задачей системы измерения портального монитора является обнаружение ионов, возникающих в результате взаимодействия альфа- и бета-частиц с воздухом. Косвенное измерение ионизации воздуха позволяет находить альфа- и бета-частицы с относительно больших расстояний: для такого класса измерительных систем - около 0,5 метра. Для обдува поверхностей, удалённых от детектора, используются дополнительные вентиляторы. Также измерительная система портального монитора имеет следующие особенности и преимущества: обнаружение ионов воздуха в модели счётчика событий; высокая селективность в отношении различных типов проникающего излучения; возможность регистрации в условиях изменяющихся атмосферных условий; работа в режиме реального времени; отсутствие ограничений, связанных с неровностями поверхностей тела; оперативность обследования.

Используя известные методы статистической обработки, используемые в практике непрерывного радиационного мониторинга (например, критерий Неймана-Пирсона, метод скользящего среднего и т.п.), можно задавать требуемую вероятность ложного обнаружения.

Следующей задачей является проведение комплексных экспериментальных исследований компонентов стационарной портальной системы.

ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАБОТЫ ПРИБОРА В

СЧЁТНОМ РЕЖИМЕ

4.1. Экспериментальная установка

В данной главе рассматриваются основные особенности использования прибора для регистрации альфа- и бета-излучения на основе газоразрядного счётчика открытого типа. Эксперименты с портальной системой в целом и с отдельными её модулями позволяют в конечном счёте выработать методику проведения измерений.

На Рисунке 49 изображена площадка с различными радиоактивными источниками для испытания детекторов.

Рисунок 49 - Площадка с различными радиоактивными источниками для

испытания детекторов

На рисунке 50 показана схема экспериментальной установки для мониторинга поверхностей. С целью повышения эффективности регистрации ионизационного эффекта, воздушный поток должен обладать псевдозамкнутой структурой (вихрь).

Рисунок 50 - Схема экспериментальной установки для мониторинга поверхностей. 1 - вентилятор, 2 - счётчик ионов, 3 - кольцевой формирователь воздушного потока, 4 - отклоняющие электроды, 5 - воздушный поток, 6 - исследуемая поверхность, 7 - кластеры лёгких ионов

4.2. Эффективность

Эффективность регистрации ионов зависит от различных показателей. Из Рисунка 51 можно увидеть, что даже без использования каких-либо насадок на расстоянии около 65 см возможна регистрация аэроионов (для невихревой структуры), чего не позволяет ни один из прямых методов [23]. Кроме того, используя многопроволочный детектор, можно добиться существенного повышения эффективности регистрации.

Для того, чтобы уменьшить внешний фон ионизации, возможно покрыть портальный монитор специальным материалом. Камера портального монитора должна быть как можно более герметичной, а воздух должен проходить через электростатические фильтры, располагаемые около вентиляторов, нагнетающих воздух в камеру.

Расстояние,

Рисунок 51 - Зависимость эффективности регистрации отрицательных ионов со следов альфа-частиц от расстояния между входным окном экспериментальной

установки и исследуемой поверхностью

При определении порога обнаружения поверхностного точечного альфа-радиоактивного загрязнения СО с минимальной из набора СО активностью (альфа-источник типа 1П9 - радионуклид 239Ри активностью 760 Бк) помещался в определённые зоны минимальной чувствительности. Для определения значения порога обнаружения активная поверхность СО с минимальной активностью может быть дополнительно ограничена. Проверки повторялись 6 раз с длительностью не более 16 секунд каждое. Результаты одной из серий измерений приведены в Таблице 8.

Таблица 8 - Результаты измерений скорости счёта импульсов для точечного источника альфа-радиоактивного загрязнения. Время отклика дано с учётом использования скользящей средней

Номер измерения 1 2 3 4 5 6

Скорость счёта импульсов, имп/сек 62 50 78 47 54 65

Время отклика, с 13 15 16 17 15 17

По результатам серии проверок среднее значение чувствительности s равно 0,042 имп/Бк*с. Поскольку количество СО ограничено, дальнейшее определение порога обнаружения загрязнения Amin (Бк) поверхности для ЭО пешеходного портального монитора проводилось расчётным методом по формуле:

_ 4Щ

^min = ~ I , (35)

О • £у Сизм

где Иф - значение уровня фона монитора, имп/с (в эксперименте - 0,9 имп/с); 8 - относительная статистическая неопределённость оценки минимально

измеряемой активности, равная 0,3; б - значение чувствительности БД к активности точечного источника, имп/(Бк*с) (в эксперименте - 0,042 имп/Бк*с); ¿изм - максимальное время единичного замера (время отклика), около 16 с.

Рассчитанное значение порога обнаружения равно приблизительно 18 Бк. Определение порога обнаружения при равномерном загрязнении поверхности (минимально измеряемую удельную активность) УАтП [Бк/см2] проводится расчётным методом, поскольку эксперимент в этом случае невозможен. Значение порога обнаружения рассчитывается по следующей формуле:

А ■

УАтЫ = (36)

^эфф

где Атт - значение минимально измеряемой активности, Бк;

8эфф - значение площади эффективной регистрации активности.

Значение площади эффективной регистрации активности Бэфф [см2] находится по формуле:

с - £п - л лэфф ~—>£т~ ло •"р

су Я.Д

А

где Л0 - средняя по 5 измерениям активность источника, Бк;

ЛЛ - аттестованная (паспортная) активность источника типа 1П9, Бк; е0 - значение чувствительности, ранее заданное в настройках прибора и используемое для расчёта активности источника во время испытаний, равное 0,2 имп/(Бк*с); £т - значение чувствительности к активности точечного источника, полученное в пределах одной калибровки в ходе определения значения еП, имп/(Бк*с).

Определённое расчётным образом значение порога обнаружения при равномерном загрязнении поверхности равно 0,043 Бк/см2.

4.3. Анизотропия

Разумеется, эффективность обнаружения ионов не одинакова в различных областях камеры портала. При расположении вентиляторов, как показано на рисунке, эффективность регистрации аэроионов для человека с 239Ри (760 Бк) альфа-источником расположенным в разных частях тела представлена на Рисунке 60 и Рисунке 61. Напряжение на аноде, температура и влажность воздуха в процессе измерений практически не изменялись.

Перемещение СО в горизонтальной плоскости по «ширине» кабины производятся путем перемещения поперечной планки, а по «глубине» - путём перемещения СО на планке, что показано на Рисунке 52.

Рисунок 52 - Перемещение СО вдоль шлюзовой кабины

При моделировании процесса обнаружения поверхностного загрязнения одежды обследуемого человека для крепления СО с активностью менее МЗА использовался «бейдж» (см. Рисунок 53).

Рисунок 53 - Крепление СО (с активностью меньше МЗА) на одежде

обследуемого человека

Для определения оптимальной скорости воздушного потока СО с помощью приспособления помещался на линии, перпендикулярной к плоскости боковой

стенки и проходящей через центральную ось одного из вентиляторов на равном расстоянии от обеих стенок. Измеряя скорость счета импульсов от СО, регистрируемых БД при различной скорости воздушного потока, можно найти оптимум этого параметра. Изменять скорость воздушного потока, создаваемого вентилятором, можно либо изменяя напряжение питания вентилятора, либо используя текстильные фильтры различной плотности. Второй способ предпочтительнее, поскольку одновременно возникают воздушные турбулентные потоки, позволяющие переместить зону чувствительности ближе к вентилятору. На Рисунке 54 показаны работающие вентиляторы, на выходных окнах которых закреплены воздушные фильтры.

Рисунок 54 - Боковая стенка шлюзовой кабины УАК-РТ2, на которой расположены вентиляторы с фильтрами

Предварительные испытания проводились в следующей последовательности: перед началом измерений проводилась операция калибровки БД, т.е. определение оптимального для данных условий окружающей среды (давления, влажности и температуры) анодного напряжения газоразрядного детектора. Для этого СО размещается на строго определенном расстоянии (5 см) от

окна БД и инициируется операция калибровки. Вид ЖКИ БУ с выводимой в этом случае информацией приведён на Рисунке 55.

Рисунок 55 - ЖКИ БУ с информацией, выводимой при операции «Калибровка»

После завершения операции калибровки выполняется измерение фона, для чего СО удаляется из кабины. Измерение фона проводится при включенном вентиляторе БД. Производится 5 замеров, выполняемых за 20 секунд каждый. На ЖКИ БД выводится усреднённый результат после каждого замера (см. Рисунок 56).

Рисунок 56 - Результат измерения фона на ЖКИ БД

Измерение фона необходимо для учёта его вклада в замеры, выполняемые в рабочем режиме ЭО пешеходного портального монитора - режиме поиска. При определении оптимальной скорости воздушного потока СО помещается в точку, определяемую в соответствии со сделанными выше замечаниями. В этой точке производится 6 замеров по 3 секунды (при этом работает лишь один вентилятор).

Определение размеров зоны обнаружения проводится в два этапа. Определение размеров зоны обнаружения ЭО пешеходного портального монитора производилось путем создания трёхмерной карты чувствительности. Вначале была построена трёхмерная карта чувствительности шлюзовой кабины без обследуемого человека посредством регистрации скорости счета с БД при размещении СО с максимальной активностью из набора СО с помощью приспособления в узловых точках трехмерной координатной сетки кабины (см. Рисунок 57).

хт Х2У1 Х3У1 Х4У1

Х1У2 Х2У2 Х3У2 Х4У2

Х1У3 Х2У3 Х3У3 Х4У3

Х1У4 Х2У4 Х3У4 Х4У4

Рисунок 57 - Трёхмерная координатная сетка в горизонтальной плоскости