СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАДИОНУКЛИДАМИ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В СЛЕДЕ РАДИОАКТИВНОГО ВЫБРОСА РАДИАЦИОННО-ОПАСНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Название	СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАДИОНУКЛИДАМИ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В СЛЕДЕ РАДИОАКТИВНОГО ВЫБРОСА РАДИАЦИОННО-ОПАСНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Разработчик (Авторы)	Елохин Александр Прокопьевич, Рау Дмитрий Федорович, Пархома Павел Александрович, Жилина Мария Владимировна
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2388018
Дата регистрации	26.06.2009
Правообладатель	Елохин Александр Прокопьевич
Область применения (класс МПК)	G01T 1/29 (2006.01)

Описание изобретения

1. Изобретение относится к области радиометрии и может использоваться для определения радиационной обстановки в районе размещения радиационно-опасных предприятий в условиях нормальной эксплуатации контролируемого объекта и при аварийных выбросах.

Известен способ определения концентрации радиоактивной примеси в выбросе АЭС, включающий отбор проб воздуха из канала выброса (вентиляционной трубы), измерение объемной активности суммы аэрозолей, инертных радиоактивных газов (ИРГ) и паров йода с последующим расчетом концентрации указанных составляющих вдоль оси выброса с использованием одной из математических моделей метеорологического разбавления и обеднения облака [1, 2].

Недостатком известного способа является то, что определение концентрации реперных радионуклидов в облаке выброса невозможно, так как в канале выброса измеряют значения только суммарных объемных активностей составляющих выброса: аэрозолей, ИРГ и паров радиойода. Между тем, знание соотношений объемной активности реперных радионуклидов ИРГ и радиойода имеет большое значение при оценке радиационного воздействия на население в случае аварийного выброса и используется для разработки необходимых мер защиты.

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ дистанционного определения концентрации радионуклидов, распространяющихся в атмосфере, в воздушном выбросе радиационно-опасных предприятий и устройство его осуществления [3], включающие определение концентрации газоаэрозольной радиоактивной примеси путем измерения мощности дозы гамма-излучения, измерение спектрального состава гамма-излучения от факела выброса и расчет концентрации радионуклидов в факеле.

Недостатком известного способа при определении поверхностной концентрации радионуклидов, осевших на подстилающую поверхность, является отсутствие информации относительно геометрических параметров, ограничивающих область радиоактивного загрязнения, что приводит к невозможности использования расчетной формулы оценки поверхностной концентрации радиоактивных аэрозолей, загрязняющих подстилающую поверхность. Это связано с тем, что в отличие от объемного источника, где область интегрирования ограничивается радиусом сферы, определяемым величиной порядка пробега гамма-кванта, для оценки мощности дозы от загрязненной подстилающей поверхности необходимо знание двух дополнительных параметров: высоты точки детектирования и эффективного радиуса загрязненной подстилающей поверхности, являющейся поверхностным источником гамма-излучения.

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение чувствительности и точности определения концентрации радиологически значимых радионуклидов в следе радиоактивных облаков, возникающих в атмосфере в результате радиационных аварий на радиационно-опасных предприятиях, например атомных станциях.

В предлагаемом способе дистанционного определения загрязнения радионуклидами подстилающей поверхности (в следе радиоактивных облаков, возникающих в атмосфере в результате радиационных аварий на радиационно-опасных предприятиях), включающем выполнение измерения состава гамма-излучения от загрязненного радиоактивными аэрозолями участка подстилающей поверхности с применением спектрометрического устройства детектирования и расчета загрязнения радионуклидами на выделенной подстилающей поверхности из выражения, согласно изобретению загрязнение радионуклидами на выделенной подстилающей поверхности определяют, выполняя измерения мощности поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения, для чего фиксируют спектрометрическое устройство детектирования и устройство детектирования мощности поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения на определенной высоте от подстилающей поверхности, дополнительно измеряют высоту полета (высотомером), на которой измеряют мощность дозы, а для расчета парциальных активностей радионуклидов на подстилающей поверхности используют выражение:

где - весовой множитель данного нуклида, определяемый по спектру гамма-излучения;

- измеренная мощность дозы гамма-излучения (на измеряемой высоте) в точке размещения блока детектирования;

х₀, у₀ - координаты точки детектирования;

γ(E_i) - коэффициент поглощения гамма-излучения с энергией E_i в воздухе;

µ_i - коэффициент линейного ослабления гамма-излучения с энергией E_i в воздухе;

ν(E_i) - квантовый выход гамма-излучения с энергией E_i при распаде данного радионуклида;

h_D - высота точки детектирования, а эффективный радиус области детектирования на подстилающей поверхности находят из выражения: r_эф=h_Dm, где m=3;

ψ(E_i) - поправочная функция энергии гамма-излучения, определяемая путем сравнения расчетных величин мощности дозы, полученных методом Монте-Карло, и с использованием аналитических методов, основанных на использовании фактора накопления в виде формулы Бергера, для различных источников, отличающихся энергией гамма-квантов;

β(E_i) - энергетическая чувствительность детектора гамма-излучения;

A_i и ΔE_i - соответственно высота и полуширина пика при энергии E_i в спектре гамма-излучения, соответствующего данному радионуклиду;

α_i - величина, обратная эффективности регистрации гамма-линии при энергии E_i,

a_i и b_i - безразмерные параметры формулы Бергера [4], зависящие от энергии гамма-излучения.

Способ дистанционного определения концентрации примеси радионуклидов на выделенной подстилающей поверхности, возникающей в следе радиоактивного облака, образующегося в атмосфере в результате радиационной аварии на радиационно-опасном предприятии, например атомной электростанции, основан на измерении спектра гамма-излучения, высоты точки детектирования и мощности дозы гамма-излучения, создаваемого радионуклидами, загрязняющими подстилающую поверхность.

Блоки детектирования при измерениях размещают на высоте над подстилающей поверхностью с помощью, например, радиоуправляемого легкого беспилотного летательного аппарата. Измерительная информация передается в наземный комплекс обработки и управления с помощью дистанционного приемо-передающего устройства, а управление летательным аппаратом осуществляют с наземного комплекса с помощью дистанционного устройства.

Используя данные обработки спектрограмм, определяют площади пиков полного поглощения гамма-излучения различных нуклидов и рассчитывают весовые множители, характеризующие вклад каждого из них в величину суммарной активности радионуклидов на подстилающей поверхности. На основе полученных данных, а также результата измерения мощности дозы в воздухе рассчитывают парциальные активности интересующих радионуклидов, загрязняющих подстилающую поверхность в соответствии с приведенным выражением.

При этом, поскольку высота, на которой осуществляется измерение значения мощности дозы, согласуется с измеряемым значением высоты, входящей в выражение, представленное в знаменателе расчетной формулы, то это обеспечивает уменьшение погрешности определения парциальных активностей радионуклидов.

Вывод расчетного выражения приведен в Приложении.

2. Известно устройство определения концентрации радиоактивной примеси в выбросе АЭС, включающее линии отбора проб воздуха из канала выброса (вентиляционной трубы), блоки детектирования для измерения объемной активности суммы аэрозолей, инертных радиоактивных газов (ИРГ) и паров йода [1]. Недостатком известного устройства является то, что с его помощью осуществляется определение величины суточного выброса по отдельным его составляющим: аэрозолям, ИРГ и сумме радионуклидов йода. Устройство не позволяет измерять концентрации радионуклидов ни в факеле выброса, ни на подстилающей поверхности.

Наиболее близким к настоящему изобретению является устройство дистанционного определения концентрации радионуклидов, распространяющихся в атмосфере, в воздушном выбросе радиационно-опасных предприятий [3], содержащее управляемый по радиоканалу беспилотный летательный аппарат, на котором крепятся датчик мощности поглощенной дозы в воздухе, спектрометрический датчик для измерения спектрального состава гамма-излучения от факела выброса, показания которых используются для расчета концентрации радионуклидов в факеле выброса, блок бесконтактной дистанционной передачи информации, а анализатор спектра размещен на наземном средстве передвижения, снабженном блоком приема измерительной информации, причем летательный аппарат и наземное средство передвижения снабжены блоками определения координат и приемо-передающими блоками управления полетом летательного аппарата, а блок бесконтактной дистанционной передачи информации соединен с выходами амплитудно-цифрового преобразователя, дозиметра.

Недостатком известного устройства в условиях его применения к определению поверхностного загрязнения радионуклидами, осевшими на подстилающую поверхность, является отсутствие информации относительно геометрических параметров, ограничивающих область радиоактивного загрязнения, приводящей к невозможности использования расчетной формулы, предназначенной для оценки поверхностного радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности. Это обусловлено тем, что в отличие от объемного источника, где область интегрирования ограничивается радиусом сферы, определяемым величиной порядка пробега гамма-кванта, для оценки мощности дозы от загрязненной подстилающей поверхности необходимо знание двух дополнительных параметров: высоты точки детектирования и эффективного радиуса загрязненной подстилающей поверхности, являющейся поверхностным источником гамма-излучения.

Техническим результатом заявленного изобретения является реализация возможности выполнения измерений радиоактивного загрязнения, располагающегося непосредственно на подстилающей поверхности, и повышение точности измерений. Этот результат достигается за счет того, что кроме размещения на легком летательном аппарате спектрометрического устройства, дозиметра поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения и блока бесконтактной дистанционной передачи информации, дополнительно размещается высотомер, а анализатор спектра размещен на наземном средстве передвижения, снабженном блоком приема измерительной информации, причем летательный аппарат и наземное средство передвижения снабжены блоками определения координат и приемо-передающими блоками управления полетом летательного аппарата, а блок бесконтактной дистанционной передачи информации соединен с выходами амплитудно-цифрового преобразователя, дозиметра и высотомера.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, на котором изображена гамма-спектрометрическая установка (1), размещенная на легком беспилотном летательном аппарате (2) и частично на наземном средстве передвижения (3), содержащая спектрометрический блок детектирования (4), блок усиления (5) импульсов, блоки высоковольтного (6) и низковольтного (7) питания, блок (8) амплитудно-цифрового преобразования, блоки (9), (10) дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации и анализатор спектра (11). Кроме того, устройство по данному изобретению дополнительно содержит дозиметр (12) мощности поглощенной дозы гамма-излучения, приемо-передающие блоки управления полетом летательного аппарата (13) и (14) дистанционного управления летательным аппаратом, а также блоки (15) и (16) определения координат летательного аппарата (2) и наземного средства передвижения (3) и высотомер (17). При этом информационный выход спектрометрического блока детектирования (4) связан с входом блока усиления (5) импульсов, выход которого связан с входом блока (8) амплитудно-цифрового преобразования, а анализатор спектра (11) выполнен виде промышленного компьютера.

Устройство работает следующим образом.

Беспилотный летательный аппарат с устройством детектирования (4), дозиметром (12), блоками (5)-(10) и блоками (13) и (15) и высотомером (17) на борту направляют в заданный сектор пространства, в котором выполняют сканирование подстилающей поверхности, управляя летательным аппаратом с помощью блоков (13) и (14), принимая во внимание изменение показаний дозиметра (12). Передачу и прием информации дозиметра обеспечивают блоки (9) и (10) дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации. Фиксируют показание дозиметра, устанавливая летательный аппарат в данной точке воздушного пространства и выполняют измерения спектра гамма-излучения, мощности дозы и высоту сканирования (17) подстилающей поверхности. Измерительная информация через блоки (9) и (10) поступает в анализатор спектра (11), где выполняется ее обработка с расчетом весовых коэффициентов p_i соответствующих радионуклидов. Далее с учетом измеренных значений мощности дозы и высоты, на которой находится измерительная аппаратура, рассчитывают искомые парциальные концентрации радионуклидов в области радиоактивного загрязнения следа выброса. С помощью блоков (15) и (16) определения координат устанавливают истинное положение в пространстве летательного аппарата (2) и наземного средства передвижения (3). Использование этих данных позволяет с помощью специального программного обеспечения осуществить визуализацию области радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности.

Литературные ссылки

1. Установка радиометрическая РКС-07П. Технические условия 95 2191-90 ЖШ1.289.404. ТУ Установка радиометрическая РКС-07П. Руководство по эксплуатации. ЖШ1.289.404.РЭ.

2. "Метеорология и атомная энергия". Пер. с англ. под ред. Н.Л.Бызовой и К.П.Махонько. Л.: Гидрометеоиздат, 1971, 618 с.

3. Елохин А.П., Рау Д.Ф., Пархома П.А. "Способ дистанционного определения концентрации радионуклидов в воздушном выбросе радиационно-опасных предприятий и устройство его осуществления". Патент №2299451, бюл. №14, от 07.12.2006, стр.604-605, ч.3.

4. Машкович В.П., Кудрявцева А.В. "Защита от ионизирующих излучений". Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1995, 494 с.

5. RU 2007128982/28 А (Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И.Алиханова" (RU), 2009.02.10 - Способ измерения константы радиоактивного распада.

ПРИЛОЖЕНИЕ

После обработки приборного спектра получают амплитудное распределение семейства гамма-линий (см. Фиг.1), каждая из которых характеризуется амплитудой A(E_i) соответствующего пика и полушириной пика ΔE_i измеряемой на его полувысоте.

Произведение А(E_i)·ΔE_i пропорционально произведению поверхностной концентрации радионуклида χ_i(х₀, y₀, p_i) на выход соответствующих гамма-квантов на распад данного нуклида - ν_i:

где k - поправочный коэффициент, учитывающий геометрические условия измерения; α(E_i) - коэффициент, характеризующий энергетическую зависимость ксенонового спектрометра (величина, обратная эффективности регистрации гамма-квантов), определяемую экспериментально или расчетным путем, например с использованием метода Монте-Карло. В этом случае поверхностная концентрация χ_i может быть определена по формуле:

Если в воздухе содержится N радионуклидов, то

При этих условиях весовой вклад радионуклида в общую активность примеси при ограниченном времени счета (для осуществления передачи информации в режиме on-line) найдем как отношение:

Запишем выражение для мощности дозы гамма-излучения, создаваемой радионуклидом с энергией E_i, квантовым выходом ν_i в точке расположения детектора:

где γ(E_i), µ(E_i) - коэффициенты поглощения и линейного ослабления гамма-излучения соответственно; ψ(E_i) - поправочный коэффициент, являющийся функцией энергии гамма-излучения, определяемый путем сравнения расчетных величин мощности дозы, полученных методом Монте-Карло и с использованием аналитических методов, основанных на использовании фактора накопления в виде формулы Бергера, для различных источников, отличающихся энергией гамма-квантов; B(E_i,R) - дозовый фактор накопления гамма-излучения в гомогенной среде (воздухе); R - расстояние между точкой детектирования и элементарным источником площадью ds;

x₀, y₀ - координаты точки детектирования из области интегрирования S; h_D - высота точки детектирования; х, у - текущие координаты.

Если в пределах области интегрирования S считать, что поверхностное распределение радиоактивной примеси любого радионуклида имеет один и тот же характер, ƒ(x, y), то вес p_i не будет зависеть от координаты, т.к. для любого χ_i можно будет записать:

и соответственно для суммы:

При этом из (4), (7), (8) следует:

Если считать

где X₀ не зависит от координат, то, используя (5), получим для χ_i выражение:

где p_i определено формулами (4), (9), а распределение ƒ(x, у) задается либо аналитическим, либо численным решением уравнения переноса примеси в атмосфере [П2].

Следует обратить внимание, что весовой множитель p_i (относительная величина активности отдельного радионуклида в общей величине поверхностной активности) определяется через амплитудное распределение спектрального состава нуклидов (4) и через концентрацию радиоактивной примеси в воздухе (9). Очевидно, в любом случае значения p_i, полученные тем или иным образом, должны быть одинаковы, но значение величины X₀, определяемой формулой (10), и аналогичная ей величина, определяемая знаменателем формулы (4), могут различаться, поскольку, например, увеличение времени счета может привести к изменению амплитудных характеристик приборного и обработанного спектров гамма-излучения, а концентрация примеси при стационарных условиях ее распространения в атмосфере должна оставаться неизменной. Поэтому для определения Х₀ целесообразно воспользоваться некоторыми интегральными характеристиками радиоактивной примеси, распространяющейся в воздушной среде, которые выражались бы непосредственно через концентрацию радиоактивной примеси.

Воспользуемся выражением для мощности поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения, регистрируемой соответствующим блоком детектирования для определения величины Х₀, подставляя (11) в выражение (6):

где β(E_i) - энергетическая чувствительность дозиметра, определяемая экспериментально; ψ(E_i) - поправочная функция, зависящая от энергии гамма-излучения, определяемая путем сравнения (отношения) расчетных величин мощности дозы, полученных методом Монте-Карло и с применением аналитических методов, основанных на использовании фактора накопления в виде формулы Бергера, для различных источников, отличающихся энергией гамма-квантов (см. Фиг.2). Такая коррекция энергетической чувствительности аналитической формулы обусловлена тем, что расчеты методом Монте-Карло нецелесообразно включать в расчетный алгоритм, предусматривающий проведение расчетов в режиме реального времени (on-line), поскольку расчет этим методом, обеспечивая небольшую погрешность в отличие от аналитической формулы, требует значительно больше времени, чем расчет по аналитической формуле, что не дает возможность осуществлять передачу информации в режиме реального времени. В связи с чем включение поправочной функции в виде сомножителя в аналитическую формулу дает такую же точность оценки исследуемой величины (погрешность расчета не превышает 10%), как и метод Монте-Карло, но в то же время дает возможность проводить расчеты в режиме реального времени. Поскольку каждый радионуклид характеризуется своей энергией гамма-излучения, то мощность дозы смеси радионуклидов будет определяться суммой:

Вычисляя интеграл в правой части равенства (12) и подставляя в левую его часть показание детектора гамма-излучения, находим величину Х₀. Определив величину Х₀, мы, таким образом, по формуле (11) находим концентрацию любого радионуклида на подстилающей поверхности в зоне ее радиоактивного загрязнения.

Откуда с учетом выражения 11 определяем парциальную активность каждого радионуклида в области радиоактивного загрязнения от факела выброса:

Кроме того, если перейти к полярной системе координат и ограничить область интегрирования некой граничной площадью с граничным радиусом r_гр, в центре которой находится детектор на высоте h_D (см. Фиг.3) [П4], то, полагая, что газоаэрозольная примесь равномерно распределена на этой ограниченной поверхности, т.е. (^*Неравномерность распределения концентрации радиоактивных аэрозолей на подстилающей поверхности может быть обусловлена двумя причинами:

1. За счет различия в гравитационной скорости их оседания при различном дисперсном составе в процессе переноса их по ветру в атмосфере.

2. За счет неоднородности подстилающей поверхности, характеризуемой уровнем шероховатости z₀.) и принимая фактор накопления для гомогенной среды (воздуха) в виде формулы Бергера [П3], нетрудно вычислить интеграл в знаменателе формулы (14), вынося за знак интеграла постоянную а также учитывая, что в числителе этой формулы функция ƒ(x, у) также должна быть заменена на Тогда после сокращения на эту величину и вычисления интеграла в знаменателе (14) в результате получаем следующее выражение для определения плотности поверхностной активности любого радионуклида, находящегося в рассматриваемой области на подстилающей поверхности факела выброса:

где a_i, b_i - безразмерные параметы формулы Бергера, зависящие от энергии гамма-излучения [П3]. При этих условиях парциальная поверхностная концентрация радионуклида на выделенной площади определится выражением:

где p_i определено формулой (4).

Для оценки величины радиуса ограниченно-эффективной площади подстилающей поверхности воспользуемся формулой для мощности дозы от подстилающей поверхности, загрязненной радиоактивными аэрозолями после прохождения радиоактивного облака [П5], с учетом рассеянного излучения, определяемого фактором накопления, представленного в виде формулы Бергера [П3]. Тогда в полярной геометрии получим:

где k - размерная постоянная; - эффективная энергия фотонов смеси радионуклидов, определяющих поверхностное радиоактивное загрязнение подстилающей поверхности; - коэффициент передачи энергии; φ - азимутальный угол; χ(r,φ) - активность подстилающей поверхности, В(µ,R) - фактор накопления в форме Бергера, B(µ,R)=1+aµR·exp(bµR), где , - известные функции энергии [П3]; - коэффициент линейного ослабления; - расстояние от точки наблюдения до элемента поверхности dr; r - радиус элементарного кольца на подстилающей поверхности. Полагая распределение поверхностной активности равномерным, формулу (17) преобразуем к виду:

Если сканирование осуществляется с бесконечной плоскости, то вместо формулы (18) записывают:

Очевидно, что если с некоторого r_гр отношение

будет близко к единице, то площадь, ограниченную этим радиусом, можно было бы считать ограниченно-эффективной. Для вычисления отношения (20) перейдем к переменной U=R, так что и UdU=rdr, что следует после дифференцирования последнего равенства. Подставляя в подынтегральные выражения числителя и знаменателя формулу Бергера, отношение, определяемое формулой (20), преобразуем к виду:

Измеряя r_гр в единицах h, т.е. r_гр=mh_D, где m - необязательно целое, последнюю формулу перепишем в следующем виде:

Вычисляя интегралы в числителе и знаменателе выражений (21) и учитывая, что при m≥0, и , окончательно получаем:

Результаты вычислений эффективного значения числа m_эф для Еγ=0,279 МэВ по формуле (22) с использованием пакета "MathCAD-2000" представлены в табл.1 и на Фиг.4 [П4]. Абсцисса касательной прямой, в которой ордината равна 1 и определяет искомое значение m_эф, значение которого равно 2,804. При этом значение эффективного радиуса равно r_гр=h_Dm_эф=2,8·h_D=198,58 м. При высоте сканирования подстилающей поверхности, равной пробегу гамма-кванта, эффективный радиус, при котором погрешность оценки мощности дозы составляет не более 13%, составляет ≈ 3 высоты.

Вычисления m_эф для энергий 0,5, 1, 1,5 МэВ, для которых высота сканирования подстилающей поверхности (высота точки детектирования) выбиралась также из условия h_D=1/µ, с учетом того, что относительная погрешность оценки мощности дозы при выбранном r_гр не должна была превышать 13%, показали аналогичные результаты, но величина m_эф≈2 (при m_эф = 3 относительная погрешность оценки мощности дозы составляла менее 5%) (см. Фиг.5) и табл.2 [П4].

Изобретение "СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАДИОНУКЛИДАМИ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В СЛЕДЕ РАДИОАКТИВНОГО ВЫБРОСА РАДИАЦИОННО-ОПАСНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ" (Елохин Александр Прокопьевич, Рау Дмитрий Федорович, Пархома Павел Александрович, Жилина Мария Владимировна ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога