Многомодульные детектирующие устройства для ускоренного поиска непротяженных источников гамма излучения и их локализации

Актуальность проблемы Попадание источников ионизирующего излучения в сферу жизнедеятельности человека представляет серьезную угрозу его здоровью. Неучтенные и неконтролируемые источники ионизирующего излучения представляют большую опасность провокаций и террористических актов. В настоящее время в России и других странах имеются территории со значительным радиоактивным загрязнением. Существует острая необходимость в обнаружении, локализации и мо-ниторировании подобных территорий с очагами радиоактивного загрязнения окружающей среды. Эти очаги имеют, как правило, техногенное происхождение, поэто му не исключена вероятность их возникновения и сегодня. Ликвидация возникших очагов загрязнения может проводиться только после точной локализации места нахождения источников излучения. Поэтому проблема ускоренного обследования местности, загрязненной у-излучающими радионуклидами и поиска локальных источников у-излучения, а также разработка методов определения направления на источник у-излучения имеет особую актуальность. Кроме того очень актуальна проблема обнаружения источников ионизирующего излучения техногенного происхождения и определения места их локализации. Чрезвычайно важна задача обнаружения несанкционированного провоза радиоактивных материалов при проведении проверки гру.

1 зов на контрольно-пропускных пунктах. Наиболее распространенными случаями обнаружения радиоактивных веществ являются точечные и непротяженные у-источники искусственного происхождения и ядерные материалы, обладающие унейтронным излучением. Для точечных и непротяженных уисточников характерны линейные размеры, которые значительно меньше измеряемых расстояний, значимых для решения задачи обнаружения источников. Для решения указанной, и других подобных проблем необходимы приборы, способные проводить обнаружение и локализацию различных у-источников, определять как энергию, так и интенсивность дискретных у-линий. В качестве такого прибора можно использовать многомодульные детектирующие устройства (ММДУ) — панорамные датчики, укомплектованные сцинтилляционными детекторами [1].

Существующие системы радиационного мониторинга можно разделить на два класса: стационарные и мобильные. Стационарные системы радиационного мониторинга построены на основе использования автоматических пороговых детекторов, осуществляющих сигнализацию о превышении заданного порога уровня радиоактивного загрязнения в определенном числе контрольных точек. Данные поступают в центральную лабораторию, где результаты отображаются на соответствующем стен де или проходят обработку и анализ на вычислительном центре. Этот класс систем радиационного мониторинга используется на заранее подготовленных небольших участках местности. Процесс мониторинга здесь разбивается на два этапа: сбор информациипоследующая обработка информации на вычислительном центре. Эти этапы разнесены во времени, поэтому может возникнуть необходимость повторного обследования территории после обработки информации и уточнения результатов [2].

К другому классу относятся системы радиационного мониторинга, обладающие вышеперечисленными свойствами и включающие в себя также мобильные группы или системы. Существующие мобильные группы могут использоваться на заранее х неподготовленных и неизвестных участках местности. К этому классу относятся группы ручного дозиметрического контроля, сложные автомобильные или самолет-но-вертолетные комплексы для сбора информации и последующей ее обработки в стационарных условиях. Это приводит к низким темпам обследования местности и к снижению информативности данных применительно к региону в целом. При этом могут существовать комбинированные системы (например, автомобильный и вертолетный комплексы с отдельным мобильным вычислительным центром), обладающие большей мобильностью и охватывающие для обследования большую территорию [3,.

4].

Значительный научный вклад в развитие систем экологического мониторинга в ' России был внесен такими организациями как ГНЦ ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург), МИФИ (Москва), МосНПО «Радон» (Москва), СНИИП (Москва). Учеными Самосадным В. Т. и Кадилиным В. В. [5, 6] заложены основы и принципы построения нового класса детекторов излучения: многомодульных детектирующих устройств, обладающих анизотропной чувствительностью (панорамный датчик). Абчук В. А. и Суздаль В. Г. [4] разработали принципы организации поиска объектов. Ковако.

Toshiso [7], Lindquist Robert, Runyon Tim [8] развиты системы управления экологическим мониторингом и системы их информационной поддержки.

Существует два основных типа устройств, пригодных для решения задачи ускоренного обследования участков местности, загрязненных у-излучающими радионуклидами, и поиска локальных источников, — системы детекторов с анизотропной чувствительностью ММДУ и детекторы телескопического типа [9, 10, 11]. Достоинствами систем детекторов с анизотропной чувствительностью является высокая эффективность регистрации у-излучения, всенаправленность детектора, возможность определения углового распределения потока излучения по результатам одного измерения, сравнительно небольшие размеры и масса. С помощью устройства этого типа невозможно определить направление прилета отдельных частиц, а для вычисления, градиента плотности потока излучения необходимо набрать достаточную статистику. Круглов Е. М. [10] показал, что такой метод определения направления на источник излучения оказывается эффективным и в тех случаях, когда скорость счета от источника сравнима со скоростью счета фона, т. е. в случае близко-фонового излучения.

К достоинствам аппаратуры телескопического типа следует отнести высокую точность определения направления при малом числе зарегистрированных частиц, возможность построения углового распределения потоков у-излучения от многих источников, к недостаткам — низкую эффективность регистрации, ограниченную апертуру угла обзора, значительный вес и размеры аппаратуры, необходимость проведения большого числа замеров при исследовании углового распределения потоков излучения, необходимость вращения детектора для определения углового распределения.

В зависимости от вида решаемой задачи ММДУ могут иметь различную конфигурацию и комплектоваться различными регистрирующими устройствами. В данной работе рассмотрены варианты ММДУ с различными формами и материалами защитного экрана, различным количеством модулей, рассмотрены различны! типы сцинтилляционных детекторов. С помощью ММДУ можно проводить целенаправленный поиск и локализацию непротяженных источников ионизирующего излучения, что значительно ускоряет процесс обследования заданного участка местности из-за отсутствия необходимости сканирования всей территории, находить дозовые характеристики поля гамма-излучения в месте расположения устройства. Оптимальная компоновка регистрирующих модулей ММДУ достигается расчетом функции отклика ММДУ, включая конструкцию ослабляющего излучение экрана, и самих детектирующих модулей устройства методами математического моделирования взаимодействия излучения с веществом в объеме детектирующего устройства.

Многомодульное детектирующее устройство предназначено для решения следующих задач:

• определение факта наличия источников у-излучения;

• определение плотности потока у-квантов и типа источника;

• обнаружение и локализация очагов радиоактивного загрязнения окружающей среды и промышленных объектов;

• определение количества точечных источников излучения и направлений на них;

• ускоренный поиск локальных источников у-излучения и их идентификация по спектру у-излучения;

• оценка дозовых характеристик поля излучения в точке измерения;

• оценка расстояния от точки измерения до месторасположения локального источ ника;

• дистанционная оценка активности точечного источника у-излучения;

Объект и предмет исследования.

Многомодульные детектирующие устройства, их конструктивные особенности, для решения задач ускоренного поиска источника (ов), его идентификацию. Отклики модулей устройства с различной конфигурацией исследовались расчетным путем с применением пакета МСКР и также в эксперименте. Рассмотрены методы определения направления на источник с применением аналитического приближения, угловой функции отклика ММДУ и с помощью нейронной сети.

Целью работы является разработка и создание расчетных моделей ММДУ, позволяющих определять направление на непротяженный источник уизлучения и проводить ускоренный поиск источников, их локализацию и идентификацию.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

1. выбор материала защитного экрана, типа сцинтилляционного детектора у-излучения, и количества модулей устройства;

2. моделирование ММДУ с разными материалами защитного экрана и сцинтиллято-ра;

3. проведение анализа различных компоновок устройства;

4. проведение экспериментального исследования угловой зависимости откликов модели ММДУ и сравнение результатов эксперимента с результатами расчета;

5. разработка методов определения направления на источник у-излучения и их локализации;

6. разработка методики ускоренного поиска источников у-излучения.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Предложена методика расчета функции отклика ММДУ различной конфигурации, для решения задач ускоренного поиска источников у-излучения.

2. Разработаны макеты систем детекторов на базе сцинтилляционных блоков для определения направления на источник у-излучения на плоскости по результатам единичного измерения;

3. Предложена методика определения направления на источники у-излучения с применением аналитического приближения угловой функции отклика ММДУ.

4. Предложен разработанный автором алгоритм и программа на основе нейронных сетей по расчету параметров (координат, активности, типа) неизвестного источника.

5. На основании анализа функциональных возможностей разработанных моделей ММДУ предложены методы их применения для ускоренного направленного поиска локальных источников гамма-излучения, их локализации и идентификации при обследовании участков местности.

Практическая значимость работы заключается в том, что.

• создана методика расчета функции отклика ММДУ с различными типами и конфигурацией детекторов и поглощающих экранов;

• на основе расчетов создана новая модель ММДУ, позволяющая по результатам одного измерения провести локализацию источника у излучения;

• создан специализированный алгоритм, использующий нейронные сети по определению параметров источников уизлучения и их локализацию;

• исследованы характеристики разработанных моделей многомодульных детектирующих устройств с анизотропной чувствительностью к излучению;

• проведено экспериментальное исследование разработанной методики и аппаратуры для решения задач обнаружения точечных источников ионизирующего излучения, получено хорошее согласие расчетных данных с экспериментальными.

Автор выносит на защиту.

• Результаты расчетных исследований функций откликов ММДУ с различными конфигурациями защитного экрана и регистрирующих модулей.

• Конфигурацию ММДУ использующую выбранное количество и конфигурацию регистрирующих модулей и защитного экрана.

• Результаты экспериментального исследования характеристик модели ММДУ и сравнения их с результатами расчетного моделирования.

• Модель ММДУ, позволяющую по результатам одного измерения провести локализацию источника у излучения.

• Алгоритм определения направления на источники излучения и параметров источников при помощи нейронных сетей.

• Алгоритм локализации источника излучения. Содержание работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований, содержит 124 страницу, в том числе 71 рисунок и 17 таблиц.

4.5. Выводы.

В главе рассматривается три возможных метода определения направления на источник гаммаизлучения, основанных на анализе соотношений откликов модулей ММДУ. Метод векторного сложения был разработан для модели ММДУ кубической формы, метод применим для четырехмодульного устройства с косинусоидальной угловой зависимостью чувствительности модулей. Метод определения направления на источник излучения на основе решения системы трансцендентных уравнений, полу ченных на основе аппроксимирующей функции чувствительности модулей от углового положения источника, а также нелинейный метод наименьших квадратов, позволяют находить направление на несколько источников излучения.

Рассмотрен метод определения направления на источник гаммаизлучения и его локализации при помощи нейронных сетей предложенный в настоящей работе. Рассмотрены структуры созданных нейронных сетей и полученные результаты восстановления исследуемых параметров. Приведены результаты проверки работы сетей для моделей ММДУ с использованием данных эксперимента и моделирования.

Рассмотрены варианты поиска и локализации источника излучения с использованием откликов ММДУ.

Предложенные методы значительно ускоряют процесс обследования территории из-за отсутствия необходимости сканирования всей территории.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенных исследований разработаны варианты ММДУ, с помощью которых можно проводить целенаправленный поиск и локализацию непротяженных источников ионизирующего излучения, что значительно ускоряет процесс обследования местности из-за отсутствия необходимости сканирования всей территории. В работе методом математического моделирования и экспериментально исследованы отклики ММДУ с различными формами и материалами защитных экранов, разным количеством модулей, укомплектованных различными сцинтилляцион-ными детекторами. Разработаны методы определения направления на несколько локальных источников ионизирующего излучения по результатам единичного измерения, осуществления направленного поиска, идентификации, дистанционной оценки активности, расстояния до непротяженных источников гамма-излучения.

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в ходе выпол-^ нения данной работы:

1. Создана методика расчета функции отклика ММДУ с различными типами и конфигурацией детекторов и поглощающих экранов. Показано, что.

V из рассмотренных трех материалов защитного экрана наиболее подходящими свойствами для создания ММДУ обладает железо;

V наиболее предпочтительным сцинтилляционными материалами для создания ММДУ является Св1, для улучшения энергетического разрешения можно использовать ЬаВг3. применение сплошного экрана нецелесообразно. Экран должен иметь отверстие.

Для экрана из железа радиус экрана =7,7 см, радиус отверстия =4,5 см-. У мощность дозы излучения можно определять по суммарному отклику ММДУ, наилучшая энергетическая зависимость дозы получена для ММДУ железным экраном.

2. Разработаны методики определения направления на непротяженные источники гамма-излучения, основанные на анализе откликов ММДУ с применением аналитического приближения угловой функции отклика и при помощи нейронных сетей.

3. Для локализации точечного источника ионизирующего излучения необходимо х провести два измерения в разных точках или одновременное измерение откликов двух пространственно разнесенных ММДУ.

4. Создана новая модель ММДУ, позволяющая по результатам одного измерения провести локализацию источника гамма-излучения. Модель состоит из двух частей, которые определяют направление на источник излучения независимо друг от друга.

5. Создан специализированный алгоритм, использующий нейронные сети по определению направлений, активности и расстояния до источников уизлучения, позволяющий проводить их локализацию;

6. Проведено экспериментальное исследование разработанной методики и аппаратуры для решения задач обнаружения точечных источников ионизирующего излу чения, получено хорошее согласие расчетных данных с экспериментальными.