способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений

Классы МПК:G01S13/02 системы, использующие принцип отражения радиоволн, например первичные радиолокационные системы; аналогичные системы
G01T1/167 измерение радиоактивности объектов, например определение зараженности
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Елохин Александр Прокопьевич
Приоритеты:
подача заявки:
1999-04-21
публикация патента:

Изобретение относится к способам дистанционного контроля радиационной обстановки в зонах с объектами выбросов и загрязнений. Сущность: над зоной контроля с радиоактивными объектами с помощью радиолокационных систем (РЛС) осуществляют зондирование сопутствующей радиации области плазмообразования - плазмоидов и по сигналу отклика измеряют коэффициент отражения |R|. Измеряют также параметры воздушной среды: относительную влажность D, давление Р, температуру Т и скорость воздушного (конвективного) потока U0. По измеренным величинам с помощью корреляционных соотношений определяют мощность выброса Рв для зоны контроля с радиоактивным объектом выброса, поверхностную плотность активности q0 для зоны контроля с поверхностной радиоактивной загрязненностью. По установленным радиационным характеристикам судят о радиационной обстановке в зоне контроля. Технический результат: обеспечение радиационного контроля зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений на значительном расстоянии от этих зон и без размещения в них датчиков контроля. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

Формула изобретения

1. Способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений посредством радиолокации воздушной среды над зоной контроля, измерения коэффициента отражения радиосигналов от сопутствующей радиации области плазмообразования - плазмоидов, отличающийся тем, что последние зондируют радиоизлучением в заданном диапазоне длин волн, измеряют параметры воздушной среды: относительную влажность D, температуру Т, давление Р и вертикальную скорость воздушного потока над зоной контроля Uв, а также либо предварительно устанавливают нуклидный состав Аi радиоактивного объекта, либо измеряют спектральный состав его гамма-излучения Еi и о радиоционной обстановке судят для объектов радиоактивных загрязнений по плотности поверхностной активности qo, определяемой из соотношения

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

а для объектов радиоактивных выбросов - по мощности выброса Рв, определяемой из соотношения

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

где |R| - коэффициент отражения;

Kспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - гамма-постоянная, являющаяся функцией энергетического спектра Еi или нуклидного состава Аi радиоактивного объекта;

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 = 2способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137c/способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 21471370, где способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 21471370, с - длина волны падающего радиоизлучения и скорость света в вакууме соответственно;

е - заряд электрона;

М - масса иона;

G - радиационный выход ионов, в сухом воздухе G = 2,08 х 109P-1 см-3;

kr - коэффициент рекомбинации ионов;

Nк - концентрация нейтральных капель воды,

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

D - относительная влажность;

Pнас(Т) - давление насыщенных паров воды в атмосфере при заданной температуре (табличная величина);

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137(T) - плотность воды при заданной температуре (табличная величина);

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - вес г-моль воды = 18;

R - газовая постоянная, R=461 Дж/(кгспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137К);

Vеd = 1 см3;

kc - коэффициент захвата ионов нейтральными каплями воды,

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

тепловые скорости аэроионов;

k - постоянная Больцмана; способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - подвижности аэроионов;

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 заданная функция распределения мощности дозы объекта (вычисляется для заданных условий измерений на границе области радиоактивного загрязнения при r = rо, например для плоского кругового источника

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137i - квантовый выход i-й составляющей энергетического спектра Ei;

qed = qed(x,y,z) - пространственное распределение активности в выбросе (при единичной мощности выброса Рв = 1 Ки/с).

2. Способ дистанционного контроля радиационной обстановки по п.1, отличающийся тем, что зондирующее излучение используют в метровом диапазоне длин волн.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к методам радиационного контроля окружающей среды, более конкретно к дистанционному контролю ионизированных образований, возникающих в воздухе либо от загрязненных поверхностей местности, вентиляционных труб, зданий, могильников радиоактивных отходов на атомных электростанциях - АЭС и других радиационно опасных предприятиях, либо непосредственно от радиоактивных выбросов (факелов) АЭС и предприятий, связанных с хранением, переработкой и производством радиоактивных материалов. Контроль ионизированных образований позволяет оценить радиационную обстановку зоны контроля.

Для дистанционного контроля радиационных параметров выбросов атомных электростанций (факелов) и загрязнений местности вблизи зоны эксплуатации устанавливают на заданных расстояниях и по определенным правилам датчики радиометрической аппаратуры /1/. Показания датчиков позволяют судить о радиационных параметрах выбросов в динамике и принять соответствующие меры в случае аварийных ситуаций. Метод требует использования дорогостоящей аппаратуры и строго привязан к определенному объекту выбросов.

Для получения панорамной картины загрязнения местности используют метод аэро-гамма-съемки /2/. Данные таких измерений позволяют выявить очаги радиоактивных загрязнений на местности и распределение активности в зоне контроля. Метод требует использования летательных аппаратов со специфической радиометрической аппаратурой, совмещающей панорамную съемку с локальными (коллимированными) измерениями. Метод малопригоден для радиационного контроля факельных выбросов АЭС, ибо для получения информации в динамике требует многократных измерений путем регулярных облетов или зависаний над зоной выбросов, подвергая обслуживающий персонал переоблучению.

Наличие в атмосфере Земли ионизированных областей, способных отразить радиоизлучение, было в свое время использовано для передачи радиосигналов на дальние расстояния. В дальнейшем было установлено, что способность радиосигналов отражаться от ионизированных образований в атмосфере может быть использована и для обнаружения радиоактивных выбросов АЭС /3/. В то же время, как справедливо утверждается в работе /3/, существующие модели ионизации воздуха выбросов не дают корректной взаимосвязи между его радиоактивными характеристиками и сигналом отклика радиолокационных измерений.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является известный способ дистанционного (радиолокационного) контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов /4/.

Согласно данным /4/ первые наблюдения радиолокационного отклика от облака (факела) радиоактивного выброса осуществлялись в 1986 г. в районе Чернобыльской АЭС. В последующем такие измерения проводились и в других регионах. Наблюдения проводились с использованием локаторов штатных радиовысотометров и станций наведения сантиметрового и дециметрового диапазонов. Зона отклика представляла собой вертикальные образования ("свечи") высотой до нескольких километров.

Экспериментальные данные радиолокационного метода показали его принципиальную возможность для контроля радиационной обстановки в зонах с объектами радиоактивных выбросов, удаленных от места наблюдения до 500 км. Его сущность заключается в том, что часть зондирующего излучения отражается от ионизированной факелом зоны, и коэффициент отражения сигнала может служить параметром оценки радиационной обстановки.

Отсутствие данных о структурах вертикальных образований над радиационной зоной, механизме их образования, факторах, их создающих, и т.д. не позволяли с уверенностью утверждать о реальной радиационной обстановке в зоне контроля в связи с отсутствием корректных корреляционных зависимостей между сигналом отклика и радиационными характеристиками объектов. Мало того, в некоторых источниках /5/ утверждается, что вертикальные образования - "свечи", можно получить на экране радиолокационной системы (РЛС) при зондировании пространства над многими высокими объектами, в том числе и не связанными с радиоактивным производством. Утверждается также, что действующие РЛС малопригодны для оценки радиационной обстановки зон контроля в связи с низким сигналом отклика и о необходимости использования высокомощных импульсов радиолокаторов СВЧ-диапазона.

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение радиационного контроля зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений на значительном расстоянии от этих зон и без размещения в них датчиков контроля.

Предлагаемое техническое решение заключается в следующем.

Определенную область над зоной контроля зондируют радиоизлучением в заданном диапазоне длин волн способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 = (способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137нспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137в) и регистрируют коэффициент отражения |R| (сигнал отклика на экране радиолокатора РЛС). Одновременно (непосредственно перед или после локации) устанавливают (измеряют) параметры воздушной среды над зоной контроля: относительную влажность D, температуру T, давление P, вертикальную скорость Uв воздушного (конвективного) потока над зоной контроля, спектральный состав гамма-излучения Ei либо нуклидный состав Ai радиоактивного объекта. Используя измеренные параметры, вычисляют мощность выброса Pв для факельных выбросов либо плотность поверхностной активности q0 для загрязнений поверхностного типа (загрязнения подстилающей поверхности). Схема регистрации иллюстрируется чертежом (фиг.1).

На фиг. 1 представлена схема радиолокации зоны контроля с радиоактивным выбросом: 1 - АЭС, 2 - РЛС, 3 - факел выброса, 4 - плазмоид, 5 - радиосигналы (зондирующий, отраженный).

Априорно можно утверждать, что регистрируемое РЛС отражение радиолокационного сигнала может быть обусловлено следующими доминирующими факторами зоны контроля:

отражением от самих частиц радиоактивной примеси факела выбросов;

отражением от флуктуаций плотности факела выбросов:

отражением от плазменных образований, обусловленных ионизацией воздуха гамма-излучением либо радиоактивной примеси факела выбросов, поступающих из вентиляционной трубы АЭС (или других аналогичных объектов) в атмосферу, либо загрязненных радиоактивной пылью внутренних поверхностей труб и других радиационно-опасных предприятий.

Из данных аналогичных измерений известно, что зона отклика сигнала РЛС простирается по высоте до нескольких километров. В то же время поскольку факел штатных выбросов даже при условии безразличного равновесия (условия штиля) не может составлять высот 600 и более метров, а тем более при сильном ветре, то первый фактор нельзя считать причиной отклика.

Флуктуации плотности факела выбросов, согласно закону Клапейрона, связаны с флуктуацией температуры способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 = R-1P/T, где способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - плотность, R - газовая постоянная, P и T - давление и температура.

В то же время экспериментальные данные свидетельствуют, что возникающие в среде зондирования флуктуации от тепловых выбросов, например выбросов ТЭЦ, работающих на газе, не обеспечивают отражение радиолокационного сигнала в диапазоне длин волн используемых РЛС, в силу чего предложение по данному пункту является также несостоятельным.

Отражение радиолокационного сигнала от самой радиоактивной примеси факела выбросов также нельзя считать состоятельным, поскольку, как отмечалось выше, сам факел выбросов поднимается не выше 600 метров.

Автором установлено, что отражение радиолокационного сигнала связано с сопутствующей радиации областью плазмообразования - плазмоидами, возникающими над зоной с объектами радиационных выбросов (например, вентиляционных труб АЭС) или поверхностных загрязнений (крыши зданий, могильники радиоактивных отходов, места осаждения радиоактивных выбросов и т.д.) в результате ионизации воздуха гамма-бета-излучением.

Автором было проведено детально изучение механизма образования плазмоидов.

На фиг.2 представлены радиолокационные сигналы нештатного выброса АЭС с экрана РЛС: 6-8 плазмоиды на экранах локаторов РЛС выглядят в виде вертикальных столбов или "свеч", причем основной плазмоид 6 имеет зону "перетяжки" 7; 8 - отделившиеся части столба.

Наличие "перетяжек" 7 в верхней части наблюдаемых РЛС-целей автор обуславливает слоистостью пограничного слоя атмосферы и сдвигом слоев относительно друг друга. Этими же причинами можно объяснить и наблюдаемое отделение части столба от основной массы. Это обстоятельство, в частности, опровергает доводы авторов /5/ о том, что "свечи" не связаны с ионизационными образованиями. Наоборот, наличие "свечовых" фрагментов лишний раз подтверждает, что их природа связана с ионизационными образованиями.

В ионизированном воздухе в пределах пограничного слоя атмосферы молекулярные ионы O2+, N2+, O2- составляют подавляющее большинство, количество атомарных ионов составляет величину в 10 раз меньшую. Свободные электроны также практически отсутствуют, в отличие от верхних слоев атмосферы, поскольку при большой плотности молекул O2 = 0,54 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 1019 част/см3 захватываются ими, образуя отрицательные ионы.

Положительные и отрицательные ионы способны образовывать ионы-кластеры (ионные рои) в результате присоединения к ним молекул воды (30-50 на 1 ион).

В отличие от кластеров молекулярные и атомарные ионы кислорода и азота называют легкими ионами.

Адсорбция легких ионов на ядрах концентрации (каплях тумана и других частиц) приводит к образованию "тяжелых" ионов размером 10-6 - 10-3 см.

При определенных условиях в воздухе могут образоваться и "средние" ионы размером 10-7 - 10-6 см.

Система уравнений, определяющих концентрацию "легких" положительных, отрицательных ионов и электронов, имеет следующий вид:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

где N+, N-, Ne - концентрации положительных, отрицательных ионов и электронов соответственно; G - радиационный выход электрон-ионных пар G=2,08 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 109 P-1см-3; H - мощность дозы гамма-бета излучения, P/c; N0 - концентрация кислорода в воздухе; kei = 7 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-7; kii = 1,6 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-6 - коэффициенты электрон-ионной рекомбинации соответственно, см3/с; kз = 8,8 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-11 - коэффициент захвата электронов, см3/с, при этом время жизни электронов в квазисвободном состоянии способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137e способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 1/kзN0 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 2 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-9 c. При стационарных и квазистационарных условиях, полагая левые части уравнений приведенной выше системы равными нулю, находим: при H = 1 P/ч Ne способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 3,5 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-3 1/см3, N+ способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 N- способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 6,5 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 105 1/см3.

Из сравнения концентраций электронов и ионов видно, что электронной составляющей плазмы в приграничном слое атмосферы можно пренебречь.

Можно отметить, что все носители положительных и отрицательных зарядов в воздушной среде характеризуются различной подвижностью способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137.

При равных массах ионов M подвижность способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 отрицательных ионов больше, чем положительных. Коэффициент рекомбинации легких ионов составляет величину порядка 2 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-6 см3/с, а тяжелых на 3-4 порядка меньше.

На фиг. 3 представлено распределение мощности дозы по радиусу r и оси трубы H(r, z), полученное для источника в виде вентиляционной трубы. 9 - зависимость мощности дозы H гамма-излучения от высоты z на оси цилиндра (при z=0), 10 -зависимость мощности дозы H от радиуса r при z = const.

Анализ распределения мощности дозы и соответственно концентрации ионов, пропорциональной распределению H(r,z), затруднения в понимании и объяснении наблюдаемых радиолокационными станциями РЛС "свечей" (столбов) от радиоактивных пятен над подстилающей поверхностью и радиоактивными захоронениями, а также устойчивость этих образований не позволяет дать разумной интерпретации экспериментальным данным без привлечения дополнительной информации об электрическом и магнитном полях Земли и особенности атмосферы в ее пограничном слое.

Автором проводился детальный анализ образования плазмоидов с учетом электрического и магнитного полей Земли.

Анализ показывает, что воздействие электромагнитных полей Земли на ионизированную под действием радиации область воздушной среды приводит к образованию устойчивых в поперечном направлении плазмоидов (в виде длинных цилиндров или вытянутого усеченного конуса в своей плоской проекции или других конфигураций тел вращения), достигающих по высоте от нескольких сот метров до нескольких км. В отсутствие внешнего электрического поля пространственное распределение ионов определялось бы амбиполярной диффузией. Причем размеры плазмоида определяются поперечными размерами области радиоактивного загрязнения (подстилающей поверхности) или факела выбросов радиоактивной примеси в атмосферу.

Поэтому в заявленном предложении и предлагается при дистанционном контроле зондировать сопутствующую радиации область ионообразования - плазмоиды. Локация высотных плазмоидов (несколько км) с больших расстояний (до 500 км) с помощью действующих РЛС открывает большие возможности по оценке радиационной обстановки различных регионов.

Из анализа распределения мощности дозы H, представленной на фиг. 3 (в зависимости от радиуса r при заданном z; зависимость - 10), следует, что область, где градиент мощности дозы наибольший, равна примерно двум диаметрам вентиляционной трубы. Если учесть, что пространственное распределение мощности дозы бета-излучения имеет подобное ограничение (пробег электронов в воздухе с Eeспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 0,5 МэВ составляет Re способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 1,5 м), то становится очевидным, что фронтальное распределение ионов в источнике также будет иметь достаточно резкую границу. Более того, столь же резкую границу будут иметь и плазменные образования. Это следует из того, что размытые фронта ионной плазмы за счет амбиполярной диффузии в отличие от нейтральных частиц не может быть больше радиуса Дебая.

Отсюда следует еще один вывод - после достижения равновесия и стабилизации во внешнем магнитном поле Земли фронтальная поверхность ионной плазмы будет также иметь резкую границу, что позволяет использовать градиентный механизм отражения электромагнитных волн от плазменных образований плазмоидов (метод локации) для оценки радиационной обстановки в зонах контроля.

Формирование плазмоидов осуществляется в реальной атмосфере, характеризующей своим составом и, следовательно, дисперсным составом ионов, а также определенными параметрами среды: относительной влажностью D, температурой T, давлением P и конвективным процессом воздуха со своей вертикальной скоростью U0 воздушного потока, так что в общем случае плазмоид формируется из совокупности легких аэроионов и тяжелых заряженных ионов - микрочастиц пыли или водных капель, адсорбирующих легкие ионы. Концентрация водных капель в воздухе зависит от его температуры, давления и влажности.

Анализ всех реальных факторов, влияющих на формирование плазмоидов, позволил автору установить корреляционные связи между параметрами радиоактивной зоны (мощностью выброса для факельных объектов и плотностью поверхностной активности для радиоактивных загрязнений подстилающей поверхности) и сигналом отклика радиолокационных систем наблюдения. Ниже приводятся упомянутые выше корреляционные связи.

A. Соотношение между коэффициентом отражения R (сигналом отклика РЛС) и плотностью поверхностной активности подстилающей поверхности в зоне контроля можно получить исходя из известных и установленных автором факторов.

Коэффициент отражения |R| (его модуль) в общем случае имеет вид: способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 где способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 21471370 - длина волны падающего радиоизлучения, способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 c - скорость света, M - масса тяжелого иона, Nспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137k - концентрация тяжелых ионов соответствующего заряда.

В общем случае концентрация ионов Nспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137k определяется решением достаточно сложной системы уравнения в диффузионно-дрейфовом приближении. Ограничиваясь для простоты только членами химической кинетики, описывающими процессы захвата легких аэроионов каплями воды, рекомбинации и т.д., можно показать, что для небольших мощностей доз концентрация тяжелых носителей заряда при выполнении условия квазинейтральности заряженных частиц описывается выражением: Nспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137k способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 (Nспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137okcNk/kr)1/2, где способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 концентрация легких аэроинов; G - радиационный выход аэроионов (в сухом воздухе 2,08 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 109 см-3); H - мощность дозы, kr - коэффициент рекомбинации ионов (k способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 1,6 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-6 см3/с); kc - коэффициент захвата ионов каплями воды; Nk - концентрация капель воды в см3. Величины G, kr, kc, Nk являются функциями измеряемых параметров: относительной влажности D, температуры T, давления P.

Дифференцируя концентрацию Nспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137k, находим:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

Для дискового изотропного источника с удельной активностью q0 и гамма-постоянной Kспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 мощность дозы можно записать /6/:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

и для z = z0

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

При этом коэффициент отражения запишется следующим образом:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

Функция распределения способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 вычисляется для заданных условий измерения на границе области при r=r0 и, например, для плоского кругового источника имеет вид:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

Б. Соотношение между коэффициентом отражения |R| и мощностью выброса Pв для объектов с факельными выбросами в зоне контроля можно получить следующим образом.

Из литературных данных известно, что для объемной активности мощность дозы можно представить следующими соотношениями:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 где Ei - энергетические линии нуклидов в источнике, а способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137i - квантовый выход соответствующей гамма-линии. С другой стороны Aспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 = Pвqед(x, y, z), где Pв - мощность объемного источника или в нашем случае - мощность выброса (Кюри/с), а qед - концентрация радиоактивной примеси объемного источника при Pв = 1.

Подставляя для коэффициента отражения вместо производной по r производную по y (излучение идет на наблюдателя - см.фиг.1), имеем для

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

Из вышеприведенных данных следует, что между коэффициентом отражения сигнала РЛС и мощностью выброса имеется следующее корреляционное соотношение

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

где способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137i - квантовый выход i-й составляющей энергетического спектра Ei; qед(x, y, z) - пространственное распределение активности в выбросе (при единичной мощности выброса Pв = 1 Ки/с; вычисляется производная по координате y - направлению к точке нахождения РЛС, см.фиг.1).

Функция qед((x, y, z), например, для точечного источника может быть описана выражением:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

где Sед(x,z) и способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137y(x) - известные функции /4/ при Pв = 1, так что функция

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

будет иметь вид

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

Исследования, проведенные автором, показали, что первичная причина возникновения плазмоидов, простирающихся до больших высот (несколько км над уровнем Земли), преимущественно обусловлена наличием объектов ионизации в пограничном слое атмосферы. Объекты ионизации - это радиоактивные образования факельного типа либо различного вида поверхностные радиоактивные загрязнения. И в том, и в другом случае в пограничном слое атмосферы появляются ионы различной полярности (это легкие, средние и тяжелые ионы атомарного и молекулярного азота, кислорода, в том числе адсорбированные на каплях тумана и других частицах), а также ионы кластерного типа, когда к ионам присоединяются десятки молекул воды. В результате диффузионно-рекомбинационных процессов, атмосферных течений воздушного потока и воздействия электрического и магнитного полей Земли возникают стабилизированные воздушные столбы над приповерхностными объектами радиации - плазмоиды.

Согласно заявленному предложению для дистанционной оценки радиационной обстановки осуществляют выбор зоны контроля с наличием радиоактивных выбросов или загрязнений 1 (см. фиг.1).

Над зоной контроля осуществляют зондирование плазмоидов 1 (см. фиг.1) радиоизлучением 5 действующих или специально установленных для этих целей РЛС 2. Регистрируют сигнал отклика - коэффициент отражения |R| = Pr/Pt, где Pr - мощность принятого РЛС сигнала, Pt - излучаемая РЛС мощность.

Далее по приведенным в разделах А и Б соотношениям и измеренному коэффициенту |R| вычисляют радиационные параметры зоны контроля - мощность выброса Pв либо плотность поверхностной активности загрязнения q0 и по вычисленным радиационным параметрам судят о радиационной обстановке зоны контроля.

Для зондирования можно использовать диапазон длин волн способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 = (способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137нспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137в). Нижняя граница соответствует концу сантиметрового участка, а верхняя - соответствует метровому участку диапазона (фиг.4 - зависимость 11). Как следует из анализа, проведенного автором, предпочтительным является зондирование в метровом диапазоне. Это следует из того, что условие неприменимости приближения геометрической оптики при распространении электромагнитной волны в неоднородных средах, т.е. условие, при котором будет иметь место отражение, выполняется тем эффективнее, чем больше длина волны. Для санти- и дециметрового диапазона эффект также должен наблюдаться при целом (z2-z1)/способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137, где (z2-z1) - поперечный размер плазмоида, что не противоречит экспериментальным данным.

Необходимым условием для оценки радиационной обстановки является знание параметров воздушной среды в зоне контроля. Это относительная влажность D, плотность P, температура T, а также скорость конвективного потока в зоне контроля, т.е. вертикальная скорость воздушного потока U0. Эти параметры хотя непосредственно не входят в корреляционные соотношения, но от них зависят входящие в эти соотношения параметры ионообразования, рекомбинации (через подвижности ионов, коэффициентов диффузии т.д.), а также распределение концентрации ионов по высоте. Если измерения проводятся с небольших расстояний, то можно сказать, что параметры в зоне контроля и в месте наблюдения близки. Если измерения проводятся на больших расстояниях, то необходимые параметры можно запросить с места контроля через региональные метеорологические службы. В принципе это не является проблемой.

Достоверность предлагаемого способа контроля радиационной обстановки подтверждается данными многочисленных натурных измерений в зонах с радиоактивными объектами /3/.

Источники информации

1. Патент РФ N 2042157, G 01 T 1.16, 20.08.95.

2. Высотная зависимость спектров земного гамма-излучения: простая модель/Пер. с английского. P 23-284, 23 c.. Bailey R.C. The altitude dependence of terrestrial spectra: simple model. Journal "Geophysics", vol. 51., n.11, p.2108-2116.

3. Боярчук К.А., Кононов Е.Н., Ляхов Г.А., Радиолокационное обнаружение областей локальной ионизации в приземных слоях атмосферы. Письма в ЖТФ.-1993, т.19, вып.6, с.67-72.

4. Елохин А. П и Кононов Е.Н., Применение радиолокационных станций для обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу. Атомная энергия. Т.80. Вып. 1, 1996, январь с.47-54.

5. Диденко А.Н. и др. Использование импульсных радиолокаторов СВЧ-диапазона для контроля радиоактивных выбросов в атмосферу. Атомная энергия. Т. 80, Вып. 2. 1996, февраль, с.129-135.

6. Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. -М.: Атомиздат, 1966, 311 с.

Приложение

К заявке на "Способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений".

В формуле предлагаемой заявки отмечается о необходимости измерений, наряду с коэффициентом отражения |R| зондирующего излучения от плазмоидов, таких параметров воздушной среды в зоне контроля, как относительная влажность D, температура T, давление P и вертикальная составляющая воздушного (конвективного) потока U0.

В то же время в корреляционные соотношения между |R| и мощностью выброса Pв либо плотностью поверхностной активности q0 параметры воздушной среды непосредственно не входят. С другой стороны, в соотношениях фигурирует выражение вида:

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

где Nk - концентрация нейтральных капель воды, kc - коэффициент захвата ионов нейтральными каплями воды, kr - коэффициент рекомбинации ионов.

Можно показать, что коэффициент захвата ионов нейтральными каплями воды

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

где Da = 2способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137,

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

r0 способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 10-3 см,

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

k - постоянная Больцмана,

e - заряд электрона,

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - подвижности аэроионов (табличные величины), Dспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - коэффициенты диффузии аэроионов; Cспособ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - тепловые скорости аэроионов, kr - коэффициент рекомбинации ионов (табличная величина);

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137

Vед - 1 см3,

R - газовая постоянная (R = 461 Дж/кг К);

D - относительная влажность;

Pнас - давление насыщенных паров воды в атмосфере при заданной температуре;

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137(T) - плотность воды при заданной температуре (табличная величина);

способ дистанционного контроля радиационной обстановки зон   с объектами радиоактивных выбросов и загрязнений, патент № 2147137 - вес г-моля воды = 18.

Все перечисленные выше табличные величины подразумевают, что их значения при расчетах выбирают в зависимости от параметров воздушной среды. Кроме того Nk - концентрация капель воды в атмосфере является функцией атмосферных потоков, в частности, концентрация капель воды по высоте формируется, в том числе, в зависимости от вертикальной скорости воздушного потока (см. ссылку 4).

Как следует из вышеизложенного, перечисленные в формуле параметры воздушной среды в корреляционные соотношения входят в неявной форме и знание их величин является необходимым фактором в оценке радиационной обстановки согласно заявляемому способу.

Класс G01S13/02 системы, использующие принцип отражения радиоволн, например первичные радиолокационные системы; аналогичные системы

способ скрытной радиолокации подвижных объектов -  патент 2529483 (27.09.2014)
способ поиска малозаметных подвижных объектов -  патент 2528391 (20.09.2014)
способ предотвращения угрозы для планеты путем оценки размеров пассивных космических объектов -  патент 2527252 (27.08.2014)
радиолокационный способ выявления закона изменения угловой скорости поворота сопровождаемого воздушного объекта по последовательно принятым отражениям сигналов с перестройкой несущей частоты -  патент 2525829 (20.08.2014)
способ обнаружения и пространственной локализации подвижных объектов -  патент 2524401 (27.07.2014)
способ обнаружения малоразмерных подвижных объектов -  патент 2524399 (27.07.2014)
многоканальное устройство радиомониторинга -  патент 2523913 (27.07.2014)
импульсно-доплеровский радиовысотомер -  патент 2522907 (20.07.2014)
способ обнаружения подвижных объектов -  патент 2522170 (10.07.2014)
способ скрытного обнаружения подвижных объектов -  патент 2521608 (10.07.2014)

Класс G01T1/167 измерение радиоактивности объектов, например определение зараженности

способ определения порога обнаружения радиационного монитора -  патент 2524439 (27.07.2014)
способ обнаружения и выделения горячих частиц -  патент 2510047 (20.03.2014)
устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения -  патент 2503034 (27.12.2013)
система дистанционного радиационного контроля -  патент 2487372 (10.07.2013)
устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения -  патент 2479856 (20.04.2013)
способ градуировки относительных чувствительностей детекторов, предназначенных для регистрации характеристик жесткого гамма- или тормозного излучения -  патент 2470326 (20.12.2012)
способ определения порога обнаружения радиационного монитора -  патент 2467353 (20.11.2012)
способ радиологического мониторинга загрязнения тритием недр месторождений углеводородов -  патент 2461023 (10.09.2012)
способ динамического радиационного контроля -  патент 2444029 (27.02.2012)
способ автоматического отбора трития из атмосферного водяного пара -  патент 2442129 (10.02.2012)
Наверх