устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения

Формула изобретения

Устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, калибровочный альфа-источник, калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному детектору, выполненному газоразрядным, подключенный к источнику рабочего напряжения, и компаратор, причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, отличающееся тем, что дополнительно содержит двухпозиционный переключатель режима работы устройства, сумматор, причем управляющий вход двухпозиционного переключателя является входом выбора режима устройства, первый информационный вход соединен с шиной нулевого потенциала, а второй - с дополнительной шиной наперед заданного числа, первый вход сумматора подключен к выходу компаратора, второй - к выходу двухпозиционного переключателя режима работы, а выход сумматора подключен к управляющему входу источника рабочего напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиационной экологии и может быть использовано для дистанционного поиска остатков ядерного топлива, например плутония, загрязняющих поверхности в результате аварий или в ходе производственных процессов.

Известно устройство для дистанционной регистрации альфа-частиц, описанное в патенте [1] и его модификации, представленные в патентах [2÷7]. В устройстве [1] использована ионизационная камера с проницаемыми сетчатыми электродами, сквозь которые прокачивается воздух, содержащий аэроионы, возникшие в результате ионизации воздуха альфа-частицами. Детектирование излучения осуществляется путем измерения ионизационного тока между электродами.

Модификации устройств, описанные в патентах [2÷7], отличаются формой электродов, режимом подачи напряжения на электроды, способом транспортировки ионов в ионизационную камеру, режимом съема и обработки сигналов с выхода усилителя постоянного тока. Технические решения, используемые в устройствах, представленных в патентах [2÷7], направлены на повышение эффективности регистрации аэроионов, расширение области применения, снижение стоимости оборудования. Например, устройство [4] предназначено для регистрации радона, содержащегося в воздушной пробе, помещенной внутрь рабочего объема детектора. Общим признаком для устройств, представленных в патентах [1÷7], является наличие ионизационной камеры,

предназначенной для измерения интегрального ионизационного эффекта, произведенного в воздухе излучениями разной природы, т.е. наряду с источниками альфа-излучения регистрируются источники бета- и гамма-излучения. Измерение ионизационного тока не позволяет различать источники излучения разной природы. Таким образом, с помощью устройств [1÷7] не осуществляется выделение ионизации от альфа-излучения на фоне сопутствующего бета- и гамма-излучения, что является их существенным недостатком.

Наиболее близким техническим решением к данному к данному предложению и принятым за прототип является устройство [8] для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, и калибровочный альфа-источник, калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному детектору, выполненному газоразрядным, и компаратор, причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, выход - с управляющим входом источника рабочего напряжения, выход которого подключен также к калибровочному детектору.

Особенностью газоразрядного детектора аэроионов, открытого на воздух, является отсутствие плато счетной характеристики, что в традиционных детекторах является недостатком. Это обстоятельство используется для нахождения оптимального рабочего напряжения.

Избирательность (селективность) регистрации альфа-излучения в присутствии значительного фона от сопутствующего излучения иной природы в прототипе является следствием разницы в эффективности дистанционной регистрации ионных сгустков (кластеров), образующихся на следах частиц с различной ионизирующей способностью. Средняя плотность ионизации на следах альфа-частиц значительно выше, чем на следах электронов, и это является причиной более высокой эффективности регистрации. Под эффективностью здесь понимается вероятность появления хотя бы одного импульса на выходе детектора при поступлении в рабочий объем всех аэроионов, доставленных со следа ионизирующей частицы. Эффективность регистрации однозначно связана со скоростью счета импульсов с детектора. В работе [9] было показано, что при различных значениях атмосферного давления, температуры и влажности воздуха существует диапазон рабочих напряжений, в котором эффективность дистанционной регистрации частицы зависит от плотности ионизации в ионном сгустке, перемещенном с трека ионизирующей частицы к аноду счетчика. Эффективность тем выше, чем выше плотность ионов в сгустке. Ширина диапазона рабочих напряжений составляет величину порядка 10÷15 В. Например, при изменении атмосферного давления в пределах (750÷770) Торр, температуры - (14÷30)°С и влажности (30÷90)% диапазон рабочих напряжений остается в пределах (2800÷3100 В). В (приведенные значения справедливы, разумеется, для конкретного детектора). В указанном интервале всегда можно выделить диапазон напряжений шириной 10÷15 В, в котором эффективность регистрации ионных сгустков со следа альфа-частицы в десятки раз превышает эффективность для сгустков со следа электрона. В прототипе отслеживание эффективности регистрации достигается благодаря точной установке рабочего (анодного) напряжения в процессе калибровки, в ходе которой происходит сравнение скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора с заранее заданным значением скорости счета, определяемым активностью калибровочного источника. В результате сравнения компаратором (цифровым) вырабатывается сигнал управления, в соответствии с которым напряжение на выходе источника рабочего напряжения изменяется таким образом, чтобы уменьшить разницу между измеренным значением скорости счета калибровочного детектора и заданным значением вплоть до достижения их равенства с заданной точностью. Коррекция осуществляется в пошаговом режиме с точностью ±3 В. Такая оптимизация позволяет сохранить достаточно высокую эффективность регистрации альфа-частиц на фоне низкоэффективной регистрации сопутствующих бета- и гамма-излучений. Калибровочный детектор выполнен аналогично измерительному.

Недостатком данного устройства является небольшая площадь поверхности, обследуемой в одном измерительном цикле, для которой может осуществляться надежная регистрация точечных источников альфа-излучения, поскольку из-за снижения плотности ионизации (за счет рекомбинации) в ионном кластере при его переносе от точечного источника к детектору с помощью специально создаваемого воздушного потока или электрического поля вероятность его регистрации убывает с увеличением этой дистанции, что особенно ощутимо проявляется при поиске источников с низкой активностью. В свою очередь, сокращение площади единичного замера приводит к значительному росту времени обследования. Кроме того, небольшая дистанция регистрации точечных источников альфа-излучения снижает вероятность их обнаружения на поверхностях сложного профиля (в щелях, небольших по площади, но глубоких впадинах и т.п.). Увеличение анодного напряжения детектора выше оптимального позволяет компенсировать уменьшение площади, контролируемой в одном измерительном цикле, но при этом снижается селективность устройства, т.е. становится возможной регистрация ионных сгустков, порождаемых источниками бета-излучения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является существенное сокращение времени обследования территории или объектов, которые могут быть загрязнены альфа-радиоактивными нуклидами, и повышение надежности обнаружения альфа-радиоактивных загрязнений на поверхностях сложного профиля.

Этот результат достигается тем, что устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, содержащее измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно, калибровочный альфа-источник, калибровочный детектор аэроионов, аналогичный измерительному детектору, выполненному газоразрядным, подключенный к источнику рабочего напряжения, и компаратор (цифровой), причем калибровочный детектор соединен с калибровочным счетчиком импульсов, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с шиной наперед заданного числа, дополнительно содержит двухпозиционный переключатель режима работы устройства и сумматор, причем управляющий вход двухпозиционного переключателя является входом выбора режима устройства, первый информационный вход соединен с шиной нулевого потенциала, а второй - с дополнительной шиной наперед заданного числа, первый вход сумматора подключен к выходу компаратора, второй - к выходу двухпозиционного переключателя режима работы, а выход сумматора подключен к управляющему входу источника рабочего напряжения.

Совокупность существенных признаков предложенного устройства: двухпозиционный переключатель режима работы устройства, сумматор, причем управляющий вход двухпозиционного переключателя является входом выбора режима устройства, первый информационный вход соединен с шиной нулевого потенциала, а второй - с дополнительной шиной наперед заданного числа, первый вход сумматора подключен к выходу компаратора, второй - к выходу двухпозиционного переключателя режима работы, а выход сумматора подключен к управляющему входу источника рабочего напряжения.

Сущность изобретения заключается в значительном сокращении времени обследования больших территорий благодаря введению двух режимов работы устройства: «измерение» и «поиск», различающимся величиной задаваемого анодного напряжения в измерительном газоразрядном детекторе. В первом случае это напряжение устанавливается при проведении процедуры калибровки (описанной в прототипе) оптимальным для обеспечения надежного различения ионных сгустков, образующихся на следах частиц с различной ионизирующей способностью (альфа-частиц и электронов). Во втором - напряжение повышается для обеспечения регистрации сгустков с меньшей плотностью, благодаря чему удается регистрировать ионные кластеры от точечных источников, расположенных на значительно большем расстоянии, чем у прототипа (при этом становится возможной и регистрация ионных сгустков со следов электронов). Обследование заданной территории производится сначала в режиме «поиск», а после обнаружения источника радиоактивного излучения устройство переводится в режим «измерение» и производится достоверное определение типа обнаруженного источника излучения и, в случае если обнаружен источник альфа-излучения, находится место его размещения и оценивается активность.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для дистанционного обнаружения альфа-частиц.

Устройство для дистанционного обнаружения альфа-частиц содержит измерительный открытый на воздух детектор 1 аэроионов, сопряженный с блоком 2 переноса аэроионов от исследуемой поверхности к измерительному детектору 1, выход которого связан с измерительным счетчиком импульсов 3, калибровочный детектор 4, аналогичный измерительному, сопряженный с калибровочным альфа-источником 5 и соединенный с калибровочным счетчиком 6 импульсов, выход которого связан с первым входом компаратора 7, второй вход которого соединен с шиной 8 наперед заданного числа, соответствующего максимальному значению эффективности регистрации аэроионов от помещенного в калибровочную камеру калибровочного альфа-источника 5 для существующих на данный момент значений атмосферного давления, влажности и температуры, выход компаратора 7 подключен к первому входу сумматора 9, второй вход которого соединен с выходом двухпозиционного переключателя 10 режима работы устройства, причем управляющий вход двухпозиционного переключателя 10 является входом выбора режима работы устройства 11, его первый информационный вход соединен с шиной нулевого потенциала, второй информационный вход - с дополнительной шиной наперед заданного числа 12, а выход подключен к управляющему входу источника 13 рабочего напряжения, выход которого соединен с измерительным и калибровочным детекторами соответственно 1 и 4. Исследуемая поверхность, содержащая источники альфа-излучения, обозначена позицией 14.

Измерительный детектор 1 и калибровочный детектор 4 могут быть выполнены в виде плоскопараллельного счетчика (регистратора) заряженных частиц с проволочным анодом, снабженным охранными электродами аналогично описанному в [8]. Рабочее значение потенциала на аноде зависит от геометрических размеров газоразрядного детектора, а также от температуры, давления и влажности окружающей среды и в результате калибровки устанавливается в пределах 2800÷3100 В. Газоразрядная регистрация аэроионов осуществляется за счет образования свободных электронов в процессах соударения отрицательных ионов кислорода с молекулами О₂ и N₂ в области электрического поля напряженностью 100 В/(см ·Торр).

В предлагаемом устройстве использованы стандартные элементы современной техники.

Устройство работает следующим образом. После включения питания устройства выполняется операция калибровки рабочего напряжения детектора 1 аэроионов. При этом двухпозиционный переключатель 10 режима работы устройства устанавливается в положение «измерение», следовательно, на соответствующий вход сумматора 9 поступает код «О» и выходной код сумматора полностью определяется числом, поступающим с выхода коммутатора 7, т.е. скоростью счета зарегистрированных импульсов аэроионов, возникших на следах частиц от калибровочного альфа-источника 5. Регистрация детектором 4 импульсов аэроионов начинается после того, как напряжение на выходе источника 13 достигнет нижней границы рабочего диапазона напряжений. Зарегистрированные импульсы с выхода калибровочного детектора 4 через калибровочный счетчик 6 поступают на первый вход компаратора 7, в котором производится сравнение скорости счета импульсов с выхода калибровочного детектора 4 с заранее заданной величиной скорости счета на шине 8 наперед заданного числа (на соответствующем входе компаратора 7), определяемой в процессе первоначальной настройки заявляемого устройства и соответствующей оптимуму рабочего напряжения. Компаратор 7 вырабатывает сигнал на проведение коррекции рабочего напряжения, поступающий на один вход сумматора, на другой вход которого подается, как это указано выше, код «0». Поэтому код, выработанный компаратором, передается на управляющий вход источника 13 рабочего напряжения, подаваемого на измерительный и калибровочный детекторы 1 и 4 соответственно. Коррекция напряжения осуществляется пошагово с точностью ±3 В. При достижении заданного значения скорости счета с выхода детектора 4 коррекция прекращается. Таким способом устанавливается оптимальное рабочее напряжение на измерительном детекторе 1 и операция калибровки завершается.

В режиме «измерение» аэроионы, возникшие на следах альфа-частиц вблизи исследуемой поверхности 14, доставляются в рабочий объем измерительного детектора 1 с помощью блока 2 переноса аэроионов. Перенос осуществляется с помощью воздушного потока и электрического поля. Импульсы от зарегистрированных аэроионов с выхода измерительного детектора 1 поступают на вход измерительного счетчика 3, выход которого является информационным выходом устройства.

Для перевода устройства в режим «поиск» двухпозиционный переключатель 10 режима работы устройства переводится в положение «поиск» путем подачи соответствующего управляющего сигнала. При этом на соответствующий вход сумматора 9 поступает числовой код с дополнительной шины 12 наперед заданного числа, обеспечивающий увеличение рабочего напряжения на выходе источника 13, а, следовательно, и на аноде измерительного детектора на несколько шагов (6~12 В), что обеспечивает повышение чувствительности измерительного детектора 1. Это позволяет регистрировать с его помощью ионные сгустки со значительно меньшей плотностью ионизации, т.е. обнаруживать источники альфа-излучения, расположенные на значительно большем расстоянии от детектора 1, чем в режиме «измерение» (снижение плотности ионизации происходит при «транспортировке» ионного кластера от источника до детектора за счет рекомбинации). В свою очередь, увеличение дистанции регистрации позволяет существенно (в несколько раз) увеличить площадь поверхности, обследуемой в одном цикле измерений, и, следовательно, значительно сократить время обследования какого-либо объекта или территории. Однако при таком повышении рабочего напряжения появляется вероятность регистрации ионных сгустков, образовавшихся в воздухе не только на следах альфа-, но и бета-частиц, т.е. снижается селективность устройства. Для преодоления этих негативных последствий обследование достаточно больших поверхностей (территорий) должно производиться в следующим образом: сначала выполняется операция калибровки устройства для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения в полном соответствии с описанной выше процедурой калибровки, затем устройство переводится в режим «поиск» путем подачи соответствующего управляющего сигнала, и производится обследование заданной территории. В случае регистрации источника излучения устройство переводится в режим «измерение» и производится достоверное определение вида обнаруженного источника излучения (в этом режиме не регистрируются ионные кластеры, порождаемые электронами или гамма-излучением) и, в случае если обнаружен источник альфа-излучения, производится локализация его размещения и приближенное определение его активности.

Заявляемое устройство обеспечивает по сравнению с прототипом существенное сокращение времени обследования территории или объектов благодаря тому, что при обследовании заданной территории используется два режима работы: сначала устройство работает в режиме «поиск», в котором исследуемая в одном цикле площадь многократно превышает площадь, доступную для обследования в режиме «измерение», а затем, в случае определения источника радиоактивного излучения, устройство переводится в режим «измерение» и производится достоверное определение типа обнаруженного источника излучения, и если обнаружен источник альфа-излучения, находится место его размещения и оценивается активность. Таким образом, суммарное время обследования больших территорий и поверхностей со сложным профилем существенно сокращается. Кроме того, уменьшается и вероятность «пропуска» загрязнения, расположенного в щелях, небольших по площади, но глубоких впадинах и т.п., следовательно, обеспечивается повышение надежности обнаружения альфа-радиоактивных загрязнений на поверхностях сложного профиля.

Источники информации

1. США, пат. № 5184019 от 2.02.1993 г., 250/380, H01J 47/02.

2. США, пат. № 5194737 от 16.03.1993 г., 250/382, G01T 1/18.

3. США, пат. № 5187370 от 16.02.1993 г., 250/379, G01T 1/185.

4. США, пат. № 5281824 от 25.01.1994 г., 250/380, H01J 47/02.

5. США, пат. № 5525804 от 16.06.1996 г., 250/380, G01T 1/02.

6. США, пат. № 5877502 от 02.03.1999 г., 250/382, G01T 1/185.

7. США, патент № 6455859 от 02.04.2002, 250/374, G01T 001/18.

8. Патент РФ № 2158009 от 20.10.2000 г., кл. G01T 1/167.

9. В.П. Мирошниченко, Б.У. Родионов, В.Ю. Чепель. Аэроионная регистрация ионизирующих частиц. // Письма в ЖТФ. - 1989. - Т.15. - Вып.12. - С.53-54.