Спосіб виявлення і ідентифікації радіоактивних аномалій в природних середовищах в потоці

Спосіб виявлення і ідентифікації радіоактивних аномалій в природних середовищах в потоці, який полягає в тому, що використовують один або 3 діапазоні енергій піка повного поглинання (ППП) гамма-випромінювача, що цікавить дослідника. Для цього в натурних умовах, періодично, вимірювання уриваються, в середу, що досліджується, якщо це можливе, вносяться зразкові спектрометріческі джерела випромінювання (ОСГИ), і проводиться калібрування тракту посилення сигналу (енергія випромінювання - номер каналу спектрометру) по ППП зразкових джерел випромінювання. На основі даних калібрування контролюють роботу спектрометричного каналу, виділяють діапазон каналів спектрометру, що містить ППП випромінювача, що досліджується, і отримують параметри для критеріїв вибраковки статистичної інформації і, нарешті, видаляють ОСГИ і продовжують вимірювання. Процедура тривала, трудомістка і, певною мірою, небезпечна. Крім того, якщо фонові завантаження (счетності) стандартних детекторів в ППП природних гамма-випромінювачів становлять ~1імп/с, а природні флюктуації і активності забезпечує добавки завантажень ~0,01імп/с, то, виходячи з стандартних критеріїв значущості, I   2I , де  - час експозиції, α - коефіцієнт, відповідний встановленому статистичному критерію значущості, час експозиції, необхідний для детектування такої зміни акти I 1 вності (∆І), складає   2 2   , і для 5%-ного  I  I рівня значущості дорівнює 80000с, що значно перевищує тимчасові масштаби явища, що аналізуються. Подолання вказаних труднощів по забезпеченню статистичної надійності вимірювань на малих часах експозиції, для стандартного способу вимірювання, можливе за рахунок збільшення ефективного випромінюючого об'єму середовища, що постачає випромінювання в детектор, шляхом збільшення його чутливого об'єму. Однак, при цьому cчетность зростає пропорціонально об'єму детектора, а його вартість, по технологічних причина, - пропорціонально кубу об'єму. Потрібно новий підхід до аналізу інформативності гамми-поля. Необхідний такий вибір параметрів, що реєструються, і їх аналізу, який би дозволив знизити необхідні порогові завантаження при вимірюваннях і забезпечив би статистичну надійність інформації, що отримується. Основою такого підходу для досліджень гамми-поля є особливості спектрального складу гамма-випромінювання в середовищі з розподіленими джерелами. По-перше, розсіюване випромінювання в середовищі з'являється внаслідок комптонефекту, утворення електрон-позітронних пар і фотоеффекту, на кожний первинний гамма-квант народжується від 4 до 8 квантів більш м'яких енергій. По-друге, цей спектр випромінювання в середовищі з'являється за 10-5 10-7с, що значно менше часу експозиції, тому володіє властивістю сінхроністи появи. І, нарешті, розпад ряду радіонуклідів, пов'язаних із задачами виявлення, супроводиться каскадним випромінюванням з характерним часом 10-7 10-9с, тобто володіє цією ж властивістю сінхроністи. Можна передбачити, що аналіз сінхроністи флюктуації счетністи в окремих діапазонах спе 93766 4 ктрального складу гамма-випромінювання середовища, як елементів фазового простору (ФП) поля гамма-випромінювання, при їх адекватному нормуванні, дасть істотну надбавку інформативності відносно поставленої задачі. Специфічність поля радіоактивності природних середовищ складається в системності. Вона полягає в тому, що будь-які впливи на природне середовище викликають адекватні зміни багатьох компонент поля радіоактивності, вони пов'язані зміни системні. Ця обставина дозволяє здійснювати екологічну інтерпретацію впливу не по значеннях окремих параметрів, що вимірюються, але і по їх взаємодії (системний ефект). Екологічні чинники, - параметри впливу, виявляються не самими параметрами (концентраціями радіонуклідів), що вимірюються, а їх системним ефектом, навіть найпростішого типу: в попарнім співвідношенні. Це торкається прямого впливу, наприклад, інжекція групи штучних радіонуклідів в природне середовище внаслідок аварії атомного реактора через атмосферне випадання викликає системний радіоекологічний ефект на радіаційну безпеку людини через цілий ряд харчових, інгаляційних і інш. ланцюжків. Аналогічний системний вплив посередніх чинників, наприклад, зміна повітряної маси з іншим складом природних радіонуклідів (морської або континентальної) внаслідок загальної циркуляції атмосфери. Причому точний облік всіх процесів від самої аварії або процесів у верхній атмосфері до самопочуття людини практично не можливий, а системний аналіз «вплив-ефект» цілком здійснимо з отриманням реальних прогностичних даних статистичного типу. Відома результативність такого підходу до рішення задач, пов'язаних з полями радіоактивності природних середовищ. Наприклад, всі методи радіоактивного датування засновані не на аналізі концентрацій окремих радіонуклідів, а на системному аналізі співвідношень їх концентрацій, а саме, на найпростішому варіанті - аналізі попарних співвідношень концентрацій, С-14/С-12 або Pa231/Th-230. Саме співвідношення концентрацій несе системну інформацію про геологічний вік. Вражаючим прикладом системного аналізу радіоактивності в океанології є дослідження співвідношень концентрацій О-18/О-16 для оцінки параметрів регіонального обміну океан-атмосфера [2]. Цілеспрямований пошук відхилень від стандарту співвідношення концентрацій ізотопів U-235/U-238 дозволили довести існування ЕЯР (природного ядерного реактора) на території уранових рудників в Габоне. У той час як окремі значення концентрацій цих ізотопів, хоч і несуть інформацію про природний ядерний катаклізм, вона завуальована подальшими геологічними процесами. У зв'язку з цим, великі надії для підтвердження адекватності ЕЯР-концепції покладаються на системні дослідження співвідношень інших пар радіонуклідів, трансформація яких може нести системний ефект при ЕЯР-процесах, а також інших параметрів геологічних структур, зміни яких пов'язані з цими процесами [3]. Ефективність такого підходу продемонстрована Георгієвським [4] для отримання радіоекологічних параметрів при оцінці радіаційної 5 ситуації після чорнобильської аварії шляхом аналізу саме співвідношень концентрацій Cs-137/Sr90, Ru-106/Ce-144, Zr-95/Sr-90, Sr-89/Sr-90 і інш. У всіх цих випадках системний аналіз зводився до найпростішої операції - аналізу попарних відносин концентрацій. Природно, виникає питання про більш загальний підхід - аналізі багатомірного образу явища. Процедура системного аналізу складається в конформному відображенні фонового багатомірного образу поля в експериментально отриманий образ під дією вектора подій, в загальному випадку. У залежності від способу формалізації багатомірного образу поля вибирається інструмент системного аналізу. Відмічена ситуація властива і системі гаммивипромінюючих ізотопів природних середовищ, тобто вона виявляється і в полі гаммавипромінювання. Системний ефект при цьому складається як в тому, що «впливи-задачі» викликають певні, суворо пов'язані зміни в комплекті радіонуклідів, інжектіруемих в довкілля, так і в тому, що серед них завжди є гамма-випромінююча складова, що створює, детермінований по інтенсивності і спектральному складу, компонент гамми-поля. Серед інших видів випромінювання гаммаполе володіє, в цьому плані, рядом достоїнств: воно містить повну інформацію про покомпонентнії склад радіоактивності, має лінійчатий спектр, виключно високу швидкість передачі інформації, а також оптимальні транспортні параметри випромінювання (середня довжина вільного пробігу в середовищі перевищує характерні конструктивні розміри детекторів, але менше просторових процесів, що досліджуються ). Досить простий спосіб реєстрації випромінювання, висока ефективність реєстрації сучасними детектірующіми системами в порівнянні з іншими типами радіоактивних випромінювань і широкий набір ядернофізичних параметрів випромінювачів, що зумовлює високу інформативність поля для їх ідентифікації, доповнює цей ряд. Тому системний аналіз статистичних параметрів поля гаммавипромінювання природного середовища дозволяє вирішувати позначені задачі моніторинга, будучи, в той же час, найбільш перспективним способом автоматизації процесу вимірювання. І мають на увазі під ним організацію спеціальної конфігурації вимірювального комплексу, а також методику вимірювання і обробки отриманих даних, що дозволяє представляти їх інтерпретацію не тільки по окремих параметрах, що вимірюються, але по їх сукупності, а в загальному випадку по всьому багатомірному образу поля. У основу винаходу поставлена задача створення способу виявлення і ідентифікації радіоактивних аномалій в природних середовищах в потоку, сукупністю суттєвих ознак якого досягається нова технічна властивість - можливість адекватного вибору елементів ФП гамми-поля і системного аналізу счетності в них. Вказана нова властивість забезпечує технічний результат винаходу - підвищення оперативності статистично забезпеченого детектування варіацій радіоактивності природного 93766 6 середовища з десятків тисяч секунд до одиниць секунд, що підвищує точність виявлення і ідентифікації радіоактивних аномалій. Поставлена задача винаходу вирішується тим, що в способі вимірювання і аналізу статистичних параметрів поля гамма-випромінювання природних середовищ, при якому використовують один або декілька ідентичних незалежних один від одного спектрометричних детекторів гаммавипромінювання і реєструють тимчасової ряд інтенсивності первинного гамма-випромінювання радіонукліда за вибраний інтервал часу, новим є те, що реєструють тимчасової ряд спектрів загального і каскадного гамма-випромінювання радіонуклідів природного середовища з встановленим часом експозиції, здійснюють розрахунок коефіцієнтів кореляцій всіх елементів спектрального складу між собою на вибраному інтервалі часу, виконують нормування коефіцієнтів кореляцій і складають матрицю коефіцієнтів парних кореляцій, по якій виявляють і ідентифікують радіоактивні аномалії. Сутність винаходу пояснюється наступним. Використовують детектори, що дозволяють реєструвати спектри гамми-фону за короткий, відносно масштабів явища, що аналізується, час експозиції, яки являють собою миттєвий (в значенні синхронності) образ гамми-поля по елементах фазового простору. У їх склад входять: - власне детектірующа система - сцинтиляційний детектор з ФЭУ або ФД, попередній підсилювач сигналу і система живлення; - аналізатор імпульсів (АИ), що складається з підсилювача, амплітудно-цифрового перетворювача (АЦП) і спеціальної обчислювальної техніки для побудови енергетичних спектрів випромінювання, їх калібрування і трансформацій до зручного вигляду; - інтерфейс зв'язку АИ з більш або менш могутньої ЭВМ; - і, власне, ЭВМ, що дозволяє отримувати статистичні висновки і зв'язки для тимчасових рядів спектрів випромінювання. Всі позиції, починаючи з другою, в приведеному списку можна замінити стандартним комп'ютером з встановленим на йому пакетом програм Matlab з моделюючою програмою Simulink. У цьому випадку імпульсний сигнал з предусіліча вводиться на мікрофонний вхід звукової карти, внутрішній АЦП якої перетворює його в цифровий код, а в Simulink будуються відповідні дискрімінатори, підсилювач і диференціальні лічильники на 1024 канали для стандартної спектрометрії, фіксується номер каналу 1024-канального спектрометра, в якому з'явився імпульс, і поточний час його появи для поімпульсного запису сигналу. Важливо підібрати звукову карту, мертвий час АЦП якої складав би менше за 0,5мкс, з відповідним масштабом оцифровки тимчасової мітки. Програмна частина комплексу складається з двох пакетів програм, відмінних принципово призначенням і, відповідно, швидкодією. Перший містить пакет програм для прийому з АЦП - коду амплітуди сигналу, а з таймера - коду тимчасової мітки надходження характерної особливості амплітуди аналогового сигналу на АЦП 7 93766 (наприклад, по досягненні 0,7 амплітуди) або появи коду з АЦП і крізного запису коду сигналу в оперативну пам'ять. Важлива властивість пристрою реєстрації сигналу - швидкодія, на рівні 0,5мкс, в цьому випадку несе головна частина цього пакету. Середня швидкість надходження аналогових сигналів з детекторів складає для реальних морських умов до 10імп/с, тому умови стандартної спектриметрії неважко забезпечити існуючими апаратними засобами. Для забезпечення роботи каналів каскадного випромінювання (час дозволу не гірше 1 мкс) необхідно введення додаткових АЦП, по одній на канал для реєстрації коду сигналів різних каналів шляхом створення віртуальних мікропроцесорів, працюючих паралельно. Відсутність пропуску сигналів в цьому випадку забезпечує програмний дискримінатор імпульсів, отбраковающі імпульси з амплітудами менше ~ за 50кэВ. Другий пакет програм служить: - для організації масивів багатомірних тимчасових рядів счетності спектрального складу випромінювання природного середовища; - визначення параметрів спектрального розподілу випромінювання середовища і контролю якості статистичної інформації; - виявлення моментів значущих змін інтенсивності випромінювання, виділення репрезентативної дільниці зміни, визначення її величини і ідентифікації причини варіації гамма-поля; - розрахунку статистичних параметрів процедури детектування і ідентифікації причини радіоактивної аномалії в формалізмі імовірностей виявлення, пропуску сигналу і помилкових тривог. Інструментом формалізації багатомірного образу гамма-поля вибраний апарат кореляційної спектрометрії. Повну інформацію про структуру синхронних флюктуацій активності компоненти несе кореляційна матриця - матриця коефіцієнтів парних кореляцій (МКПК), складена по всіх елементах ФП - таблиця М×М коефіцієнтів кореляції. Тимчасової ряд (індекс k) счетності у виділених елементах ФП з номерами і і j складає Nk і i Nk , і коефіцієнт кореляції j qi, j  1 1 K  1 SNi SNj   Nk  Ni Nk  Nj  i j K k 1 (1)  2 1 K 1 K (2)  Nk  Np ; Np  K  1  Nk p p K  1 k 1 k 1 де K - довжина реалізації. Для побудови довірчого інтервалу коефіцієнта кореляції його нормалізують з допомогою перетворення Фішера [5]. Статистика 1 1 q Z  ln( ) (3) 2 1 q добре аппроксімується [6] нормальним розподілом з параметрами 1 1 q q 1 MZ  ln( ) ; 2  (4) Z 2 1 q 2K  1 K 3 2 SNp  У цьому випадку довірчий інтервал для q має вигляд thZ 1  Z  thZ 2 , 8 1 1 q 1 ln( )  Nl ; 2 1 q K 3 1 1 q 1 Z2  ln( )  Nl 2 1 q K 3 Z1  (5) де Nl - нормована функція Лапласа для l - % довірчого інтервалу. Значення величин Z1 і Z2 можна знайти в таблицях, наприклад, [6]. Застосовність такої умови забезпечена нормальністю Ni i Nj. У кожному конкретному випадку вона повинна дослідитися спеціальним чином, принаймні, такий метод дає надійні оцінки для рахунку N>30. Більш того, забезпеченість цього критерію виявляється не необхідною. Фишером аналітично досліджений характер розподілу Z від величини q. Ілюстрація результатів цих досліджень представлена в [6]. Відмінностей розподілів для q=0 і q=0,8 від нормального немає. За рамками досліджень залишилася залежність Z від характеру розподілу значень N, в елементах ФП. Чисельне моделювання щільності імовірності розподілу Z для різних Ni, що мають пуассоновський розподіл, здійснювалося методом МонтеКарло прямим моделюванням двох пуассоновских рядів, що складаються з дільниць з N1 і N2 . Для моделювання значень рядів застосовувався метод Неймана, що дозволяє чекати некоррелірованість результатів вибірки для 106 подій. Результати моделювання підтвердили припущення про незалежність розподілу Z від величини завантажень Ni аж до одиниць імпульсів в елементах ФП. Для модельних рядів ( N1  1 , N2  2 ), ( N3  5 , N4  10 ) і ( N5  50 , N6  100 ) при довжині реалізацій 103 відхилення від нормальності не залежать від Ni і Nj і для вибірок ~10000 не перевищують 0,5%. Таким чином, мінімальні просторово-часові масштаби мінливості структури гамма-поля природного середовища, які можуть бути статистично надійно ідентифіковані запропонованим способом, визначаються пороговими завантаженнями в елементах ФП гамма-поля, що не перевищують одиниць імпульсів за час експозиції. Для прийняття рішень, відповідних екологічній ситуації, потрібно узагальнений багатомірний екологічний образ природного середовища перетворити в простий одномернії узагальнений параметр або просту плоску картинку, елементи якої відображають той або інший стан середовища (екологічний статус) і тимчасову його траєкторію. Одномернії образ фактично являє собою деяку шкалу стану середовища, вибрану в залежність від вимог, що пред'являються, або «екологічний градусник». Його ціна ділення задається деякими реперними станами середовища, отриманими розрахунковим або досвідченим шляхом, в тому числі і фоновим станом. Математичний інструмент такого відображення являє собою апарат аналізу багатомірних тимчасових рядів з всіма його складовими: метод головних компонент, кластерний аналіз, факторний аналіз, нелінійне шкаліроване, імітаціїні статистичні експерименти на основі різ 9 93766 них способів рандомізації (наприклад, будстрєпоперації). Важливо відмітити, що саме багатомірний образ (в нашому випадку МКПК) містить максимальну інформацію про екологічний стан середовища, і будь-яке його відображення в одномерні або плоскі картинки вихолащують цю інформаційність. Критерієм достачністи інформаційності і, відповідно, ефективності процедури відображення (вибору шкали екологічного градусника) є оцінка її чутливості і можливості рішення зворотної задачі. Спосіб здійснюють, наприклад, таким чином. Апаратно в середовищі розміщуються три ідентичних незалежних один від одного гаммаспектрометрических детектора випромінювання. Отримують спектри загального і каскадного гаммавипромінювання, в тому числі реєструванням тимчасового ряду інтенсивності первинного гаммавипромінювання радіонуклідів за вибраний інтервал часу. Здійснюють, наприклад, за допомогою співвідношень (1), (2) розрахунок коефіцієнтів кореляцій всіх елементів спектрального складу між собою на вибраному інтервалі часу. Проводять, наприклад, з використанням співвідношення (3), нормування коефіцієнтів кореляцій. Складають матрицю коефіцієнтів парних кореляцій, по якій виявляють і ідентифікують радіоактивні аномалії за виглядом матриці ідентифікують флюктуюющий радіонуклід на вибраному інтервалі часу, а по зміні матриці у часі визначають початок активності флюктуації і її розвиток в просторі або у часі. Для оптимального використання статистики вводиться нелінійне калібрування спектрометріческих трактів. Енергетичний спектр, що реєструється, має експонентний вигляд, тому канали м'яких енергій мають надлишок рахунку, в порівнянні з приведеним критерієм статистичної забезпеченості, в той же час в каналах жорстких енергій (більше 2МэВ) рахунок складає не більше за 0,1-0,01імп/с. Для вирівнювання поканальної статистичної забезпеченості програмно вводиться нелінійне енергетичне калібрування спектрометрічних трактів, що забезпечує рівномірне поканальне завантаження тракту. Це дозволяє, з одного боку, оптимально використати завантаження, що є, аз іншого - збільшує число каналів спектрометра в м'якій частині спектра, де ідентифікаційні можливості методу по ППП суттєво знижені. Для здійснення калібрування спектрометричних трактів в процесі вимірювання в середовищі може провестися безперервне калібрування по ППП природних випромінювачів (К-40, Ві-214, Рb Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 10 214). Це дозволяє позбутися процедури калібрування по ОСГИ, що дорого коштує, без переривання процесу вимірювання. Для корекції плавання коефіцієнта посилення спектрометрічного тракту може бути програмно введена безперервне плаваюче калібрування спектрометричного тракту і, відповідно, корекція межей каналів спектрометра. Програмно між ідентичними і незалежними каналами може бути здійснений перехресний контроль флюктуації счетності. По синхронності спрацювання трактів тимчасові ряди для каналів коректуються або бракуються на основі вибраних критеріїв значущості. До складу вимірювального комплексу можуть бути додатково введені аналогові вимірювальні канали (температура, тиск, швидкість звуку, електропровідимість, метеопараметри і пр.), що дозволяють, на відміну від квантових - радіоактивних, в одних випадках підвищити достовірність процесів детектування, ідентифікації і визначення статистичних параметрів, в інших - служать критерієм достовірності ідентифікації флюктуації по радіоактивних параметрах. Для управління вибіркою з метою обробки статистичної інформації по відкоректованих тимчасових рядах в зв'язку із зміною калібровочних параметрів трактів може бути введена поімпульсна запис спектрометрическої інформації. Це дозволяє вводити більш тонкі способи обробки статистичної інформації на етапі аналізу багатомірного образу поля випромінювання. Джерела інформації: 1. Б.В.Гринев, В.Д.Рыжиков, В.П.Семиноженко. Сцинтилляционные детекторы и системы контроля радиации на их основе. Киев, Наукова думка, 2007г., С.451. 2. В.Н.Еремеев, Б.Н.Нелепо. Кислород-18 как индикатор процессов регионального обмена в системе океан - атмосфера. Физические аспекты загрязнения атмосферы. - Вильнюс - 1976. Т.2. С.225-227. 3. И.Ф.Лукашин. Концепция ЕЯР. В кн. Системы контроля окружающей среды. Севастополь, 2007. - С.311-313. 4. В.Б.Георгиевский. Экологические и дозовые модели при радиационных авариях. Киев. Наукова думка. 1994. - 235с. 5. Fisher R.A., Biometrika, 10, (1915), 507. 6. Худсон Д. Статистика для физиков. М, Изд. Мир, 1970, с.296. Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601