Разработка радиометрических систем и методов полевых и дистанционных измерений радиоактивного загрязнения
Скачать 0.62 Mb.
|
| Глава V. Способы контроля радиационной обстановки по данным дистанционных измерений гамма-локатора Гамма-локатор – это автоматизированная система дистанционного измерения радиоактивных загрязнений, предназначенная для оценки радиационной обстановки аварийных объектов, территорий проведения реабилитационных работ по ликвидации временных хранилищ радиоактивных отходов, объектов использования атомной энергии, объектов хранения радиоактивных источников и т.п. Эта система также может быть использована и для мониторинга радиационной обстановки на этих объектах и их территориях. Применение дистанционных методов измерения сокращает дозовые нагрузки на персонал, обеспечивающий радиационный контроль выше перечисленных объектов, поскольку исключает в процессе измерения присутствие персонала внутри аварийных объектов. Применение систем автоматизированного дистанционного измерения уровней радиоактивного загрязнения – гамма-локаторов – в помещениях, загрязненных в результате радиационных аварий, позволяет получать компьютерную базу данных о распределении плотности активности по всем внутренним поверхностям помещения, что дает информацию для проведения и оптимизации, и моделирования реабилитационных работ с последующей оценкой их эффективности. Гамма-локатор содержит измерительный блок, который состоит из спектрометрического детектора, имеющего защиту и коллиматор. Измерительный блок располагается на поворотном устройстве, которое обеспечивает сканирование всей поверхности аварийного помещения. Сканирование происходит с заданным угловым шагом с помощью датчиков поворота по двум углам сферической системы координат – полярному и азимутальному. Измерительный блок снабжен также видеокамерой, которая дает видеоизображение элемента объекта обследования при каждом угловом положении коллимированного детектора. В помещениях (объектах) с неизвестной (неполной) информацией о внутреннем строении (например, как следствие аварийной ситуации), применение гамма-локатора возможно с лазерным дальномером, который определяет расстояние до обследуемой поверхности при определенной (угловой) ориентации коллимированного детектора в процессе измерения. В зависимости от характера загрязнения поверхности обследуемого объекта выбирается тот или иной способ реконструкции мощности дозы внутри него. Самой простой ситуацией является случай, когда загрязнение имеет поверхностный характер. Раздел 5.2 посвящен описанию и реализации способа восстановления распределения мощности дозы по результатам дистанционных измерений загрязнений поверхностного характера внутри обследуемого объекта. Такой случай восстановления был реализован при обследовании машинного зала 4-ого блока Чернобыльской АЭС, результаты которого представлены на рис.24. В разделе 5.3 описаны методы расчета мощности дозы внутри обследуемых объектов по данным дистанционного измерения загрязнений объемного характера. Если загрязнения в машинном зале носили поверхностный характер, то в реакторном зале ЧАЭС ситуация существенным образом отличалась. Это было связано с тем, что в результате разрушений, вызванных аварией, загрязнения носили явно выраженный объемный характер.
В такой ситуации детектор гамма-локатора регистрирует не только нерассеянное излучение источника, но и многократно рассеянное и отраженное излучение, доля которого может быть достаточна велика. Этим и объясняется иной подход в способе восстановления картины распределения мощности дозы в таком случае. Если в первом варианте (поверхностное загрязнение) допустимым являлось использование детектора, работающего в счетном режиме, то для случая объемного загрязнения восстановить картину распределения мощности дозы возможно только по результатам спектрометрических измерений. При объемном характере загрязнения были рассмотрены и проанализированы различные способы восстановления мощности дозы внутри центрального зала. На рис. 25 представлена картина распределения мощности дозы на одной из горизонтальных плоскостей внутри центрального зала 4-го блока ЧАЭС. В результате многолетней научно-производственной деятельности РНЦ «Курчатовский институт» накопилось большое количество радиоактивных отходов, которые направлялись во временные хранилища, расположенные на территории института. В конце 2001 г. было принято решение о ликвидации этих хранилищ, реабилитации площадки их размещения и прилегающих участков загрязненной территории института. В 2002-2006 гг. были проведены реабилитационные работы, в ходе которых использовались системы дистанционных измерений (гамма-локаторы) загрязнения территории, что позволило контролировать радиационную обстановку как на площадке временных хранилищ радиоактивных отходов (ВХРАО), так и в ближайшей окрестности (зоне городской жилой застройки).
Гамма-локатор располагался на крыше прилегающего к площадке ВХРАО здания, на высоте 25 м от уровня земли. Если загрязнение почвы после аварии на ЧАЭС происходило в результате атмосферных выпадений и в начальный период имело чисто поверхностный характер, то территория на площадке ВХРАО имела объемный характер загрязнения. Это определялось спецификой выполнения работ как в процессе загрузки хранилищ радиоактивными отходами, так и при проведении реабилитационных мероприятий. Была разработана модель реконструкции радиационной обстановки, в которой все источники излучения (контейнеры с РАО, вскрытые хранилища, загрязненная почва на территории площадки и т.п.) заменялись в горизонтальных направлениях неравномерно распределенными в почве с заглублением в 3 дсп. Таким образом создавался почвенный псевдоисточник с толщиной дозообразующего слоя ~ 30 см, и по результатам сканирования определялась характеристика (поверхностная активность) такого почвенного псевдоисточника. Такая информация позволяет восстанавливать картину дозового распределения на территории площадки ВХРАО. Особенностью данной задачи являлся тот факт, что дозовые характеристики поля излучения нужно было определять далеко за пределами территории ВХРАО, т.е. на больших расстояниях, а это означало, что роль рассеянного излучения в воздухе становилась определяющей. Решать такую задачу возможно только с привлечением предварительных данных, полученных методом Монте-Карло. В работе рассмотрены как способы представления этих данных, так и метод реконструкции дозовых полей. Реконструкция дозовых полей осуществлялась в горизонтальных плоскостях на различных высотах от 1 до 50 м. На рис. 26 показан внешний вид гамма-локатора, а на рис. 27 приведена картина распределения мощности дозы, восстановленная по результатам сканирования гамма-локатором территории ВХРАО. В процессе эксплуатации этой системы контроля проводились оценки точности восстановления мощности дозы на загрязненной территории путем сравнений результатов прямых измерений и данных расчетов. В целом, расхождения между результатами измерений и восстановленными данными не превышали 20÷30%. Гамма-локатор мог работать не только в режиме сканирования, но и в режиме мониторинга, т.е. осуществлять дистанционный контроль радиационной обстановки конкретного объекта, например, вскрытого хранилища РАО. Информация о спектре регистрируемого излучения коллимированного детектора, изображение видеокамеры и другие данные по каналу Интернета поступала на компьютеры сотрудников и руководителей подразделений, для оперативного вмешательства в случае нештатной ситуации, возникающей в процессе выполнения реабилитационных работ. Глава VI. Сцинтилляционные детекторы на основе кремниевых фотоприемников В большинстве разработанных радиометрических приборов и систем использовались компактные спектрометрические сцинтилляционные детекторы с кремниевыми фотодиодами. В этих радиометрических приборах, как правило, применялись детекторы со свинцовой защитой и коллиматором, поэтому для оптимизации их веса необходимо было иметь детекторы с минимальным объемом. Минимизировать объем детектора позволяют, в отличие от традиционных фотоэлектронных умножителей, компактные кремниевые фотоприемники. Кроме того, помимо компактности, основными преимуществами таких фотоприемников являются отсутствие влияния на их работу магнитного поля, невысокое напряжение питания и другие. В последнее время в качестве фотоприемников сцинтилляционных детекторов, помимо кремниевых фотодиодов, применяют твердотельные фотоумножители, которые также имеют ряд других преимуществ по сравнению с кремниевыми фотодиодами. Все это стимулировало разработку и развитие определенного класса сцинтилляционных детекторов с кремниевыми фотоприемниками, которые нашли свое применение для решения ряда задач радиометрии. Раздел 6.1 посвящен разработке математической модели сцинтилляционных детекторов, созданных с использованием фотоприемников на основе кремниевых фотодиодов. Основной задачей модели спектрометрических сцинтилляционных детекторов является получение аналитических выражений, определяющих основные характеристики детекторов, например, такие как энергетическое разрешение. В основе модели положено рассмотрение многоступенчатой цепочки преобразований от момента поглощения гамма-кванта в сцинтилляторе до образования электронно-дырочных пар в фотодиоде. Каждый этап преобразования является случайным процессом, поэтому на выходе цепочки число электронно-дырочных пар, рожденных в фотодиоде, будет являться случайной величиной, дисперсия которой и будет определять энергетическое разрешение такого детектора. Полученное аналитическое выражение для энергетического разрешения таких детекторов является многокомпонентным. Каждый компонент имеет свое физическое содержание и связан с различными факторами – от пространственной неоднородности светосбора, внутреннего разрешения сцинтиллятора и так далее, и до аддитивной составляющей шума электроники. Рассмотрены возможные механизмы формирования внутреннего разрешения сцинтилляторов, обусловленные влиянием как неоднородности распределения концентрации атомов активатора, так и непропорциональности световыхода от энергии образованных в сцинтилляторе фотоэлектронов и Оже-электронов. Такая математическая модель позволила осуществлять прогноз предполагаемых характеристик создаваемых спектрометрических детекторов, что в дальнейшем подтвердили результаты измерений метрологических характеристик созданных детекторов с различным объемом сцинтиллятора от 1 до 300 см3. Раздел 6.2 посвящен разработке математической модели сцинтилляционных детекторов, созданных с использованием фотоприемников нового поколения, так называемых твердотельных фотоумножителей (Solid State Photomultiplier (SSPM)), или кремниевых фотоумножителей (Si Photomultiplier (SiPM)). Твердотельный ФЭУ представляет собой многопиксельный фотоумножитель. Выходы всех пикселей через нагрузочные резисторы присоединены к общему выходу прибора. Каждый пиксель представляет собой pn-переход, к которому приложено напряжение обратного смещения, превышающее пробойное (  60 В). В этом случае пиксели работают в гейгеровском режиме. Квант света, попадая в активную область пикселя, генерирует первичный электрон, который вызывает в пикселе гейгеровский разряд, прекращающийся при падении напряжения на пикселе ниже пробойного. Коэффициент усиления заряда отдельного пикселя составляет ~106. Несмотря на то, что каждый пиксель работает как независимый гейгеровский элемент, весь прибор может работать как аналоговый, так как величина заряда на выходе такого фотоумножителя определяется суммой зарядов всех его пикселей, сработавших от воздействия световой вспышки сцинтиллятора. Детекторы с твердотельными ФЭУ как правило имеют нелинейную энергетическую шкалу. Это обусловлено наличием у пикселей фотоприемника мертвого времени, т.е. времени необходимого для восстановления работоспособности пикселя после гейгеровского разряда. Это означает, что при поглощении гамма-кванта бóльшей энергии в сцинтилляторе также рождается бóльшее количество световых фотонов, часть из которых оказывается незарегистрированной, так как попадает на пиксель в тот момент, когда он находится в состоянии гейгеровского разряда или восстановления. В этом случае возникает непропорциональная зависимость между поглощенной энергией и числом фотонов, зарегистрированных фотоприемником, что и приводит к нелинейности энергетической шкалы детектора.По сравнению с традиционными лавинными фотодиодами (ЛФД) такой фотоприемник имеет ряд преимуществ, в частности: значительно более высокий коэффициент внутреннего усиления (для ЛФД это ~103), невысокое напряжение обратного смещения и слабую зависимость коэффициента внутреннего усиления от изменений напряжения смещения и температуры. Эти преимущества позволяют использовать такой прибор в качестве фотоприемника сцинтилляционных детекторов, предназначенных для решения спектрометрических задач определенного класса. Значительная часть математической модели детектора с твердотельным ФЭУ повторяет описание детектора с фотодиодом, но и имеет ряд отличительных особенностей. Например, на характеристики сцинтилляционных детекторов с такими твердотельными ФЭУ существенное влияние оказывает процесс рождения инфракрасных фотонов при гейгеровском разряде пикселей, часть из которых через отражение в кристалле сцинтиллятора вновь попадает на пиксели фотоприемника, вызывая дополнительные гейгеровские разряды (effects of crosstalk). В работе показано, что этот дополнительный процесс оказывает влияние на энергетическое разрешение детектора. Существенным для этого типа фотоприемников являются временные характеристики сцинтиллятора, т.е. его время высвечивания. Условно сцинтилляторы можно разделить на быстрые и медленные. Для быстрых сцинтилляторов отдельные пиксели, в которых произошел гейгеровский разряд, не успевают восстановиться за время высвечивания и выбывают из дальнейшего участия, в то время как у медленных сцинтилляторов за время высвечивания отдельные пиксели успевают восстанавливаться несколько раз. От этого зависит степень линейности энергетической шкалы спектрометрического детектора. Создание математической модели дает понимание роли и влияния различных процессов на характеристики детекторов, что позволяет делать оптимальным процесс их разработки и изготовления. На основе кремниевых фотоумножителей были разработаны спектрометрические детекторы со сцинтилляционными кристаллами CsI(Tl), LGSO и LaBr3. При разработке и изготовлении детекторов гамма-излучения использовались твердотельные ФЭУ российского производства с чувствительной площадью размером 1, 4 и 9 мм2 (576, 1764 и 8100 пикселей соответственно), изготовленные в ООО «Центр Перспективных Технологий и Аппаратуры». На рис. 28 приведены примеры аппаратурных спектров детекторов с кристаллом сцинтиллятора CsI(Tl) при регистрации гамма-квантов различного энергетического диапазона. Важной характеристикой таких детекторов является их способность сохранять форму спектра при измерениях в мощных радиационных полях гамма-излучения. Для этого детектора также были проведены исследования на предмет влияния загрузки детектора на изменение формы аппаратурного спектра. С этой целью проводились измерения спектров гамма-излучения 137Cs в полях в широком диапазоне экспозиционной дозы до 27 Р/ч (~0,26Зв/ч). Эти результаты исследования показали, что такие детекторы можно использовать для спектрометрических измерений в полях гамма-излучения с экспозиционной дозой в несколько десятков Р/час.
Были проведены исследования влияния температуры внешней среды на характеристики сцинтилляционных детекторов с твердотельными фотоумножителями. Было показано, что такие детекторы хорошо сохраняют свои характеристики до температур 55оС. В разделе 6.3 описаны нейтронные детекторы, созданные на основе твердотельных кремниевых фотоумножителей. Сцинтилляционные кристаллы для детекторов нейтронного излучения изготавливают из материалов, содержащих изотопы  или  , т.к. они могут участвовать в экзотермических реакциях типа  с выделением энергии, которая в сцинтилляторах преобразуется в световую. Для создания нейтронных детекторов на основе твердотельного ФЭУ были использованы кристалл  размером 13х13мм и сцинтилляционный экран, созданный из мелкокристаллического порошка на основе  .В таких сцинтилляторах на атомах  тепловые нейтроны участвуют в экзотермической реакции : с выделением энергии 4,8 МэВ, которая распределяется между тритоном и α-частицей в соотношении 2,73 и 2,05 МэВ. Регистрация тепловых нейтронов сопровождается выделением в сцинтилляторе энергии 4,8МэВ, что приводит к образованию пика в амплитудном спектре детектора. На рис. 29 приведены аппаратурные спектры излучения  источника, полученные с кадмиевым фильтром и без него (кадмиевое отношение равно 4,5).Достоинством таких нейтронных детекторов, созданных на основе кремниевых фотоумножителей, является их компактность. Одним из недостатков этого детектора является его высокая чувствительность к гамма–излучению, что ограничивает их применение для случаев, когда высокий фон гамма-излучения. Этот недостаток можно преодолеть, если использовать тонкие сцинтилляционные экраны, чувствительные к тепловым нейтронам. Толщина таких экранов составляет несколько сот микрометров, поэтому эффективность регистрации гамма–квантов невелика, и, кроме того, даже если такое взаимодействие происходит, то высокоэнергетические вторичные электроны имеют пробеги, превышающие толщину экрана. В таких ситуациях электроны оставляют незначительную часть своей энергии, при этом формируется сигнал малой амплитуды, который соответствующим подбором порога дискриминации можно отсекать при формировании счетного режима регистрации нейтронов.
Такие детекторы были созданы на основе сцинтилляционных экранов из  . Такой экран изготавливают из мелкокристаллического порошка (с размером зерен в соотношении  - 1,5/5мкм и весовой смесью - 4:1) с эффективной плотностью 2,4г/см3. Зерна из  являются сцинтилляционным материалом, поэтому чувствительны к α-частице и тритону, образующимся в реакции  и вызывающим свечение с длиной волны 450нм. Для увеличения чувствительной поверхности детектора использовался специальный оптический световод конической формы (фокон) с переходом от диаметра 10 до 2мм, что позволило увеличить чувствительную поверхность в 25 раз. Эффективность регистрации детектора оказалась порядка 13%, а кадмиевое отношение – равным 7.При использовании сцинтилляционных экранов  в аппаратурном спектре не наблюдается пика тепловых нейтронов (см. рис. 30), и обусловлено это сильной пространственной зависимостью величины светосбора. Свет в экране имеет сильное самопоглощение, причем он примерно в два раза ослабляется в слое порошка толщиной в 40мг/см2. Кроме того, в сцинтилляционном экране α-частицы и тритон в реакции рождаются в зернах порошка  , а регистрируются в зернах  . При этом часть своей энергии α-частицы и тритоны теряют на пути их движения к сцинтилляционным частицам .Слабая чувствительность такого детектора к гамма–излучению дает возможность использовать их для измерения нейтронов работающих реакторов и других энергетических установок или при различных поставарийных ситуациях с высоким фоном гамма - излучения. | ||||||||||||||||
– место установки гамма-локатора при измерениях в реакторном зале 4-го блока ЧАЭС.
Похожие:
 | Пояснительная записка на курсовой проект по дисциплине «Разработка... Целью данной работы является разработка программы для автоматизации проектирования систем молниезащиты на базе сапр компас 3D, с... |  | Руководство по методам полевых и лабораторных исследований снежного... Руководство по методам полевых и лабораторных исследований снежного покрова для изучения Закономерностей длительного загрязнения... |
| Методическая разработка Цель освоения дисциплины «Теория измерений в социологии» формирование у студентов навыков практического использования наиболее эффективных... | | Программа bde administrator 28 Обязательной является разработка вопросов системного анализа объектов проектирования, оптимизации и выбора наилучших вариантов решений,... |
| Разработка урока с использованием новых педагогических технологий... Игра «Кто хочет стать миллионером» по информатике с использованием системы Learningapps org», 7 класс | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Основные типы радиоактивного распада. Закон радиоактивного распада. Период полураспада. Последовательный радиоактивный распад |
| Разработка моделей и Методов мониторинга сервис-ориентированных информационных систем Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Разработка и исследование моделей устойчивых систем инерциальной навигации Работа выполнена в лаборатории прецизионных оптических методов Института автоматики и процессов управления дво ран |
| Разработка методов контроля систем электрохимической защиты магистральных... Использование интерактивной доски Smart Board и программного обеспечения Notebook | | Методические рекомендации по изучению дисциплины «теория измерений... Цель освоения дисциплины «Теория измерений в социологии» формирование у студентов навыков практического использования наиболее эффективных... |
| Реферат на тему: Шумы приемно-усилительных устройств на полевых транзисторах Вследствие этого коэффициент шума полевых транзисторов может иметь очень малую величину, менее | | Отчет о научно-исследовательской работе разработка методов макроэкономической... «Разработка методов макроэкономической оценки расходов федерального бюджета», шифр темы 0111-03-09 |
| Программа дисциплины сд. 03. Разработка Интернет-приложений Рекомендуется... Целью дисциплины является изучение основных понятий и методов теории информации и кодирования, используемых при описании, проектировании... | | Материалы для самостоятельной работы по дисциплине Введение Правовые основы обеспечения единства измерений. Основные положения закона РФ об обеспечении единства измерений. Государственная... |
| Материалы для самостоятельной работы по дисциплине Введение Правовые основы обеспечения единства измерений. Основные положения закона РФ об обеспечении единства измерений. Государственная... | | Разработка методов информационной защиты в экономических информационных... Динамическая эквивалентность как способ преодоления различий в национальных картинах мира |
