Спосіб виявлення та ідентифікації радіоактивних аномалій в природному середовищі в потоці “in-situ”

Реферат: Винахід належить до області експериментальних методів ядерної фізики, зокрема до виміру радіоактивності та виявлення аномальних гамма-зон. Спосіб виявлення та ідентифікації радіоактивних аномалій в природному середовищі в потоці "in-situ" полягає в тому, що використовують один або декілька ідентичних незалежних спектрометричних каналів гаммавипромінювання, реєструють тимчасовий ряд інтенсивності спектрального складу гаммавипромінювання досліджуваного середовища за вибраний інтервал часу і здійснюють градуювання гамма-спектрометричних каналів шляхом визначення градуювальної кривої по положенню центрів піків повного поглинання гамма-випромінювання. Згідно з винаходом, в процесі градуювання гамма-спектрометричних каналів як випромінювачі використовують задані природні випромінювачі, що містяться в досліджуваному середовищі, реєструють за вибраний інтервал часу енергетичний спектр гамма-випромінювання цих випромінювачів і виділяють з отриманого спектра піки повного поглинання гамма-випромінювання цих випромінювачів, а за отриманими даними виявляють та ідентифікують радіоактивні аномалії. Спосіб забезпечує необхідну повноту статистичної інформації про флуктуаційні процеси в середовищі, що підвищує точність виявлення аномалій. UA 104074 C2 (12) UA 104074 C2 UA 104074 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до області експериментальних методів ядерної фізики, розробки методів і засобів виміру радіоактивності в природних середовищах, виявлення і ідентифікації аномальних гамма-зон. Екологічний моніторинг прибережних вод і повітря приводної атмосфери передбачає, у тому числі, і контроль поля радіоактивності природних середовищ. Його мета - здобуття тимчасових рядів даних натурних визначень концентрацій більш менш повного набору радіоактивних компонентів штучного і природного походження для аналізу просторово-часового розподілу їх варіацій (у цьому сенсі уживається термін "в потоці"), трендів і пікових викидів і, на основі рішення фонової задачі і завдання виявлення і ідентифікації, - вироблення адміністративних, командирських, дослідницьких і інших рішень. Вони приймаються відповідно до розроблених критеріїв екологічної ситуації, критеріїв небезпеки. Перш за все, це чисто дозиметричне завдання радіаційної безпеки населення і контроль аварійних ситуацій - моніторинг штучної радіоактивності в повітряному і водному середовищі по проявах в полі концентрацій найбільш репрезентативних її представників, а також контроль і вивчення процесів динаміки повітряних і водних мас по проявах в полі концентрацій природної радіоактивності. Відомий стандартний спосіб виявлення і ідентифікації радіоактивних аномалій в природному середовищі в потоці "in-situ" [1], прийнятий як прототип заявленого технічного рішення. Згідно з прототипом, детектор випромінювання (сцинтіблок на основі монокристала NAI(Tl) або CSI(Tl), ФЕУ або ФД, а також схеми живлення і передачі сигналу, поміщені в герметичну капсулу), розміщується в середовищі, і спектрометрична - по енергії - інформація по лінії зв'язку передається в бортовий реєструючий пристрій. Схожими з суттєвими ознаками заявленого технічного рішення є такі ознаки прототипу: використання одного або декількох ідентичних незалежних спектрометричних каналів гаммавипромінювання, реєстрація тимчасового ряду інтенсивності гамма-випромінювання середовища за вибраний інтервал часу і здійснення градуювання гамма-спектрометричних каналів шляхом визначення градуювальної кривої по положенню центрів піків повного поглинання гамма-випромінювання. Для детектування, ідентифікації і визначення статистичних параметрів флуктуацій компонентного складу і активності гамма-випромінювачів використовуються характерні для них енергетичні параметри випромінювання, а саме: тимчасові ряди лічильності в діапазоні енергій піка повного поглинання (ППП) гамма-випромінювача, що цікавить дослідника. Важливим етапом таких вимірів є процес градуювання (калібрування) вимірювального тракту приладу - встановлення енергетичної шкали спектрометра - калібрувальною кривою Eі=f(i) (тут Eі - енергія [МэВ] центру і-того каналу спектрометра). У прототипі для здійснення калібрування гамма-спектрометричного тракту приладу виміри періодично уриваються, до досліджуваного середовища вносяться зразкові спектрометричні гамма-джерела випромінювання (ЗСГД) і проводиться калібрування тракту посилення сигналу (енергія випромінювання - номер каналу спектрометра) по ППП зразкових джерел випромінювання. На підставі даних калібрування контролюють роботу спектрометричного каналу, виділяють діапазон каналів спектрометра, що містить ППП досліджуваного випромінювача, і отримують параметри для критеріїв вибраковування статистичної інформації і, нарешті, видаляють ЗСГД і продовжують виміри. Процедура тривала, трудомістка і, певною мірою, небезпечна. З огляду на те, що вживані спектрометри для середніх інтервалів енергій ~ 0,1-3,0 [МэВ] мають близький до лінійного характер зміни номера каналу з енергією, калібрування проводять по двох-трьох характерних ППП в спектрах випромінювання і за попередніми калібрувальними даними, отриманими за допомогою ЗСГД, скоректованих на випадок ізотропного джерела випромінювання. За результатами калібрування встановлюються репрезентативні енергетичні діапазони для окремих випромінювачів або їх груп, в які потрапляє випромінювання саме цих радіонуклідів. Набір статистики в них інтерпретується як активність відповідного компонента з врахуванням фонових процесів, а параметри тимчасового ряду адекватно відображають зміну радіоактивності середовища або набору зразків. Звідси очевидна необхідність ретельного проведення операції калібрування тракту, а у зв'язку з можливою і часто спостережуваною нестабільністю коефіцієнта посилення останнього - більш менш частого перекалібровування. Ідеально для дослідника було б мати в розпорядженні калібрувальні параметри паралельно і синхронно з процесом виміру гамма-поля природного середовища. Ступінчасте регулювання коефіцієнта посилення спектрометричних трактів гаммакомплексу, а також різне положення нульового порогу амплітудних аналізаторів практично не дозволяють добитися аппаратно стандартної енергетичної шкали для всіх спектрометричних 1 UA 104074 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 каналів. Більш того, в процесі виміру можливі малі довгоперіодні флуктуації цих параметрів, наприклад, із-за нестабільності температурного режиму заглибного пристрою, які можуть привести до тимчасових флуктуацій активності середовища, що задаються. Тому необхідне алгоритмічне приведення енергетичної шкали каналів до стандартної і контроль за варіаціями калібрувальних співвідношень в часі. Зазвичай процес проведення градуювання полягає у визначенні положення центрів піків повного поглинання (ППП) зразкових спектрометричних гамма-джерел (ЗСГД) в їх енергетичному спектрі гамма-випромінювання, і по декількох точках (кількість і положення яких визначається складом ЗСГД) реперів - побудові градуювальної кривої. Прототип має ряд суттєвих недоліків, що часто обмежують можливості цього методу, а саме: - переривання процесу виміру гамма-поля природного середовища у зв'язку з необхідністю калібрування вимірювального тракту, що знижує повноту отримуваної інформації про процеси, що протікають в середовищі; - необхідно мати набір ЗСГД, що само по собі достатньо дорого і морочливо, і включає ряд формальних процедур (реєстрація, перевірка, комплекс заходів радіаційного захисту персоналу, збереження, а також процедури зберігання, видачі, передачі і ін.); - такий спосіб для вимірів в режимі реального часу (типу вимірів "in-situ") не дозволяє проводити перекалібровування тракту виміру, оскільки детектор знаходиться в активному середовищі, куди доставка ЗСГД неможлива, небажана або зв'язана із значними технічними труднощами [2], а витягання приладу суттєво перериває процес виміру; - процес калібрування-перекалібровування вимірювального тракту по ЗСГД займає достатньо тривалий час, порівняно з часом вимірювання проби або натури, на цей час апаратура зайнята, вимірювання "сигналу" перервано, в ефективному об'ємі середовища детектора опиняються сторонні, відносно дослідницької задачі, джерела випромінювання, що значно знижує темп, власне, досліджень; - якщо ж ЗСГД мають вищі активності, то можливі принципові сумніви в адекватності перекалібровування по ЗСГД при дослідженні низькоактивних середовищ в принципі, оскільки відомо, що при вимірах високих інтенсивностей міняються параметри фотозбору в системі кристалл-ФЕУ, що приводить до нестабільностей коефіцієнта посилення тракту, тобто, взагалі кажучи, для кожної інтенсивності - свої калібрувальні параметри; - крім того, спектрометричний тракт має певну тимчасову нестабільність параметрів калібрування, тому в процесі виміру необхідне безперервне калібрування-перекалібровування тракту, тобто калібрування повинне здійснюватися не "до" і/або "після" початку вимірів, а саме "в процесі" вимірів. В основу винаходу поставлена задача створення такого способу виявлення та ідентифікації радіоактивних аномалій в природному середовищі в потоці "in-situ", сукупністю суттєвих ознак якого забезпечується нова технічна властивість - забезпечення безперервності вимірів з одночасним безперервним здобуттям в процесі цих вимірів калібрувальних даних. Особливо ця нова властивість виявляється при дослідженнях таких флуктуаційних явищ, як, наприклад, пошук, виявлення та ідентифікація в океані акваторій по наявності у воді аномальних гамма-зон від інжектованої штучної радіоактивності буксируваним гамма-спектрометром або свіжої повітряної маси над контрольованою територією стаціонарним постом спостереження. Вказана нова властивість обумовлює досягнення технічного результату винаходу - досягнення необхідної повноти статистичної інформації про флуктуаційні процеси в досліджуваному середовищі, що підвищує точність визначення аномалій. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виявлення та ідентифікації радіоактивних аномалій в природному середовищі в потоці "in-situ", при якому використовують один або декілька ідентичних незалежних спектрометричних каналів гамма-випромінювання, реєструють тимчасовий ряд інтенсивності спектрального складу гамма-випромінювання досліджуваного середовища за вибраний інтервал часу і здійснюють градуювання гамма-спектрометричних каналів шляхом визначення градуювальної кривої по положенню центрів піків повного поглинання гамма-випромінювання, згідно з винаходом, в процесі градуювання гаммаспектрометричних каналів як випромінювачі гамма-випромінювання використовують задані природні випромінювачі, що містяться в досліджуваному середовищі, реєструють за вибраний інтервал часу енергетичний спектр гамма-випромінювання цих випромінювачів і виділяють з отриманого спектра піки повного поглинання гамма-випромінювання цих випромінювачів. В даний час використання спектрометричної техніки в натурних дослідженнях полів гаммавипромінювання природних середовищ виправдано для здійснення процесів ідентифікації випромінювачів і визначення параметрів флуктуацій їх активності в середовищі. Винаходом 2 UA 104074 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 пропонується зробити це по параметрах вимірюваного (досліджуваного) випромінювання середовища або проби. Детально склад спектрів випромінювання морських середовищ представлений в [2]. Такими ППП можуть бути 2.6, 2.2, 1.76, 1.46, 1.15, 0.92, 0.55, 0.35, 0.24 [МэВ] для загального гамма-фону і 2.6, 1.76, 1.15, 0.88, 0.58 [МэВ] для каскадного випромінювання середовища. Всі вони мають природне походження, це кванти, супроводжуючі розпад ядер К-40, а також радіонуклідів членів U і Th рядів. Та обставина, що співвідношення їх концентрацій в морських середовищах має малі варіації, дозволяє використовувати їх для калібрування трактів в процесі виміру навіть без попереднього калібрування по ЗСГД. Квантовий характер поля гамма-випромінювання обумовлює специфічні умови процесу виміру і обробки спектрометричної інформації. Додаткова (ядернофізична, на відміну від гідрофізичної, пов'язаної з варіаціями концентрацій ізотопів-випромінювачів в середовищі) випадкова складова поля забезпечує нормальність статистичних процесів при реєстрації часток і визначає методи обробки статистичної інформації. Заявлений спосіб пояснюється наступним. Процедура способу заснована на припущенні про те (і це підтверджено експериментально [2]), що спектр випромінювання однорідного ізотропного середовища з рівномірно розподіленими джерелами випромінювання є суперпозицією ППП названих енергій форми гауса і фонової підкладки експоненціального вигляду. Вона складається з наступних етапів: визначення параметрів кривої натурного спектру; виділення ППП випромінювачів, що надійно ідентифікуються над фоновою підкладкою спектра; здобуття параметрів калібрування спектрометричного тракту. Спосіб здійснюють таким чином. Визначення параметрів кривої натурного спектра складається з послідовності процедур вписання методом найменших квадратів (МНК) в експериментальні точки кривої, що описує фонову підкладку, і, послідовно, значимі ППП у міру їх ідентифікації. В принципі, це - завдання розпізнавання образів, що полягає у віднесенні об'єкта на підставі поєднання ознак в ту або іншу із заздалегідь визначених і охарактеризованих груп сукупності модельних спектрів. Проте будь-яка така, досить складна, процедура може бути зведена, зрештою, до простих операцій, а саме: 1. Вписання МНК в експериментальні точки І(0) кривої вигляду типу (1) І = а ехр(-bЕ). (1) (1) Віднімання з експериментального спектра значень І поканально. Отриманий різницевий спектр є набором ППП, відмічених вище енергій, гаусівського типу з хвостами розподілу, що вирушають під вісь абсцис. 2. Апроксимація МНК отриманих ППП кривими гаусівського типу (1) 2 J = с + d exp(-(E-e) /g) (2) і виділення найбільшого з них, такого, що ідентифікується як ППП 1.46 [МэВ] по параметру d з визначенням його місця розташування по параметру e1.46. 3. Визначення меж положення ППП 1.46 [МэВ], коректування параметра с, розрахунок значень його вкладу в експериментальний спектр, віднімання його з експериментального (1.46) спектра і здобуття спектра І - без калієвої компоненти. 4. Повторення операцій, вказаних в пунктах 1-3, для виділення наступного найбільшого (1.46) ППП. Його ідентифікація здійснюється з врахуванням значення е і припущенням про те, що калібрувальна пряма проходить через початок координат. 5. Також здійснюється послідовна ідентифікація других статистично забезпечених ППП із (i) зазначенных вище і отримання калібрувальних параметрів e =f(E). Шпаруватість калібрування (час усереднювання експериментального спектра) для здобуття статистично забезпечених параметрів калібрувальної прямої безпосередньо не зв'язана з часом експозиції і визначається таким чином. Помилка визначення положення ППП знаходиться залежністю [3]: 2 {n3  k  1  n0 )2   4S0    2 S (n0 )  1  3 , 2k  1  k(k  1}    (3) 2 2 4 де 1 /   2 /   1 / 6 ; 2  2 - дисперсія; n1, n 2 - номери граничних каналів; 3 UA 104074 C2 n 0 - положення центру; n3  n1  1 ; 2k - число каналів, яке займає ППП; S 0 - експериментально отримана площа ППП. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Оцінка необхідної величини шпаруватості  (по порядку величини) калібруванняперекалібровування спектрометричного тракту для забезпечення її статистичної надійності виглядає таким чином: - реально необхідна точність визначення положення піку ППП складає 1 канал спектрометра S(n0)=1.0 каналу; - дисперсія ППП (  ) визначається роздільною здатністю приладу і для детекторів NAI(Tl) середніх розмірів складає  10 %, тому у перших 20-30 каналах спектрометра ППП мало репрезентативні (вони мають ширину 2-3 канали), тобто завдання тривіальне; σ - ширина нормального розподілу для 5 %-ного рівня значущості складає 4 , звідси σ напівширина основи ППП k=2 ; - підставляючи значення параметрів у вираз (3), отримуємо величину S0 = τIППП. Значення її для ППП з n0 від 50 до 500 змінюється від ~0.3 до ~ 0.03; - площа ППП визначається активністю середовища і складає ~ 1 імп/с для ППП 1.46 [МэВ], ~ 0,1 імп/с для фотопіків м'яких енергій, і ~ 0.01 імп/с для жорстких енергій. Отримані підстановкою цих значень у вираз для S0 оцінки  представляються дуже 2 оптимістичними навіть для мінімальних S (n0). В усякому разі, зазвичай використовувані при спектрометрії часи експозиції ~ 1-10 хв, свідомо надійно забезпечують калібрування спектрометричних трактів. Безперервне (плавуче) калібрування спектрометра дозволяє усунути флуктуації власного фону детектора (СФД), пов'язані з нестабільністю коефіцієнта посилення спектрометричного тракту приладу з характерною постійною часу ~ 1 години в межах отриманої помилки визначення положення ППП. При цьому неконтрольованими залишаються короткоперіодні флуктуації коефіцієнта посилення. Принцип багатоканальності дозволяє понизити вклад флуктуацій СФД окремих вимірювальних каналів за умови їх ідентичності і незалежності. Запропонований метод калібрування спектрометра по ППП ізотопів досліджуваного середовища має ряд суттєвих переваг перед відомим стандартним способом калібрування з використанням ЗСГД - це безперервність і повнота статистичної інформації при проведенні спектрометрії природних середовищ в потоці при рішенні задачі виявлення і ідентифікації мінливості гамма-поля. При відомому способі калібрування спектрометричного тракту необхідно витягувати прилад з потоку або доставити ЗСГД до детекторів, що знаходиться в потоці, і провести калібрувальні виміри. Ця процедура принципово перериває процес пошуку і ідентифікації аномалій радіоактивності, втрачається цінна статистична інформація про середовище, втрачається темп досліджень або пошуку, виникають пропуски в об'єктивній картині поля радіоактивності середовища, і, що саме головне, можливий пропуск важливого флуктуаційного явища. Крім того ця процедура, як правило, досить складна технічно, поява сторонніх, по відношенню до середовища, джерел випромінювання в зоні детектора випромінювання часто міняє параметри його роботи, а інколи і параметри досліджуваного середовища, і вимагає далі певних заходів до їх відновлення і стабілізації, до того ж ця процедура, певною мірою, небезпечна. Всякий дослідник, що здійснює моніторинг тих або інших параметрів або процесів, стикався з цією проблемою - проблемою неповноти експериментальних даних, проблемою їх відсутності в найважливіший момент. Цього недоліку позбавлений пропонований метод досліджень. Крім того, він має принципову здатність - можливістю ретроспективного аналізу записаного безперервного образу поля радіоактивності середовища. Зазвичай, безперервний моніторинг здійснюється у вибраному певному форматі обробки статистичної інформації і для випадку рваних рядів (а саме таку інформацію дає стандартний спосіб-прототип) неможливі додаткові дослідження параметрів активності середовища, наприклад, по інших критеріях значущості. На відміну від цього, в процесі градуювання запропонованим способом записана статистична інформація може бути піддана додатковій статистичній обробці із зміною формату і навіть формалізму і ідеології виявлення і ідентифікації, включаючи будь-які способи міжканального контролю її якості і коректувального калібрування і перекалібровування. 2 4 UA 104074 C2 5 10 Закладений в заявленому способі новий процес градуювання досить простий і включає набір статоперацій над експериментальними даними. При цьому шпаруватість градуювання не є обмежуючим фактором при спектрометрії морських середовищ. Джерела інформації: 1. Гринев Б.В., Рыжиков В.Д., Семиноженко В.П. Сцинтилляционные детекторы и системы контроля радиации на их основе. К.: "Наукова думка", 2007. - С. 451 - прототип. 2. Лукашин И.Ф., Еремеев В. Н. Геофизические аспекты формирования полей гаммаизлучения морской воды. "Геофизический журнал", К.: "Наукова думка", 1983. - Т. 5, № 2,- С. 8287… 3. Виноградов А.С., Виноградова К.Г. Особенности обработки экспериментальных гаммаспектров при исследовании радиоактивности океана. "Морские гидрофизические исследования", Севастополь. 1969 - № 1(43). - С. 212-218. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 Спосіб виявлення та ідентифікації радіоактивних аномалій в природному середовищі в потоці "in-situ", який полягає в тому, що використовують один або декілька ідентичних незалежних спектрометричних каналів гамма-випромінювання, реєструють тимчасовий ряд інтенсивності спектрального складу гамма-випромінювання досліджуваного середовища за вибраний інтервал часу і здійснюють градуювання гамма-спектрометричних каналів шляхом визначення градуювальної кривої по положенню центрів піків повного поглинання гамма-випромінювання, який відрізняється тим, що в процесі градуювання гамма-спектрометричних каналів як випромінювачі використовують задані природні випромінювачі, що містяться в досліджуваному середовищі, реєструють за вибраний інтервал часу енергетичний спектр гамма-випромінювання цих випромінювачів і виділяють з отриманого спектра піки повного поглинання гаммавипромінювання цих випромінювачів, а за отриманими даними виявляють та ідентифікують радіоактивні аномалії. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5