<<
>>

2.3.2. Система контроля радиационной обстановки.

Система контроля радиационной обстановки должна обеспечивать контроль уровня удельной радиоактивности водной среды в непрерывном режиме in situ, отобранных проб воды, донных отложений (или других объектов контроля - образцов мхов, растений и т.п.), определение радионуклидного состава проб, а также измерение мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в приповерхностном слое воздуха [187-195].

Система занимает особое место в составе СПК, т.к. контроль радиационной обстановки имеет определяющее значение в системе обеспечения экологической безопасности в местах базирования кораблей наиболее мощных флотов России - Северного и Тихоокеанского. В связи с этим рассмотрим вопросы, касающиеся этой системы, более подробно.

Решению задачи создания и разработке методики применения высокочувствительных средств обнаружения естественных радиоактивных аномалий и малых активностей техногенного происхождения была посвящена кандидатская диссертация автора (1982 г.), а также ряд более поздних работ [112-114], касающихся как разработки, выбора материалов и конструкционных особенностей новых типов измерителей, так и создания комплексов аппаратуры для измерения малых уровней активностей и алгоритмов обнаружения аномалий полей радиоактивности и решения задач с использованием созданных средств, в том числе, в экстремальных условиях, связанных с обеспечением экологической безопасности деятельности ВС РФ. Среди этих работ следует особо отметить проведенную в 1991 году под руководством и непосредственном участии автора работу по обеспечению оперативного экологического и радиационного контроля при подъеме затонувшего судна "Кит" с жидкими радиоактивными отходами в акватории Ладожского озера в районе спецполигона, действовавшего в 50-е годы [115]. Работа выполнялась с использованием первого отечественного

судового природоохранного комплекса ''Акватория-90", главным конструктором которого являлся автор, установленного на опытовом судне "Заря-2".

Проведенная работа является фактически одной из первых работ, выполненных в целях обеспечения экологической безопасности деятельности Вооруженных Сил с использованием судового природоохранного комплекса, в связи с чем результаты этой работы подробно рассмотрены в главе 4.

Система контроля радиационной обстановки содержит преобразователи, предназначенные для контроля уровня удельной a радиоактивности водной среды in situ на разных горизонтах по ходу

движения судна, датчик (блок детектирования) мощности экпозиционной дозы гамма-излучения в воздушной среде, а также гамма-бета спектрометрический комплекс для измерения активности гамма-излучающих и бета-излучающих радионуклидов в отобранных пробах воды или других объектов контроля (рис. 2.4). Две последних составных части системы контроля радиационной обстановки (рис. 2.4в, 2.4г) являются стандартными

сертифицированными средствами измерения.

Создание погружного измерителя, предназначенного для контроля 4 удельной радиоактивности водной среды в процессе движения на разных

глубинах, потребовало специальных исследований, проработок и

макетирования.

Решение задачи регистрации и измерения малых концентраций радиоактивных изотопов в водной среде в целях осуществления оперативного экологического контроля водных объектов предъявляет ряд требований к эксплуатационным характеристикам блоков детектирования: высокую чувствительность и эффективность, экспрессность, температурную и механическую устойчивость к внешним воздействия, надежность и т.д.

Известен ряд методов и устройств для регистрации малых концентраций радиоактивных изотопов в водной среде.

Рис. 2.4. Аппаратура контроля радиационной обстановки

Можно выделить два основных направления в развитии методов регистрации естественных и техногенных источников радиоактивности в водной среде. Одно из них предусматривает обогащение проб и включает в себя их отбор с различных глубин, концентрирование этих проб, химическое выделение отдельных элементов и последующий анализ с использованием мало фоновых радиометрических установок.

В некоторых случаях концентрирование радионуклидов осуществляется при непрерывной прокачке воды с помощью избирательных сорбентов, помещаемых на борту носителя [196].

(β Преимуществом метода с предварительным обогащением является его

избирательность, которая обеспечивается химическим выделением элементов, а к недостаткам следует отнести недостаточную экспрессность и значительные трудности автоматизации процесса измерения, что в итоге приводит к трудности получения результата измерения в реальном или близком к реальному масштабе времени, а следовательно исключает возможность использования этого метода в автоматизированном СПК.

Наиболее приемлемым для использования в составе автоматизированных СПК является направление, предусматривающее

⅛ прямые измерения излучения радиоактивных изотопов in situ с помощью

погружных гамма-спектрометров. Такие измерители свободны от перечисленных выше недостатков, однако в этом случае осуществляется регистрация всех гамма-излучателей в выбранных энергетических диапазонах. Наибольшее распространение в качестве средства регистрации гамма-излучения при использовании этого метода получили сцинтилляционные детекторы с твердыми сцинтилляторами, в частности, на основе монокристаллов NaJ(Tl).

Основной характеристикой преобразователей на основе указанных детекторов является пороговая чувствительность, т.е. предельная измеримая удельная активность (Бк/л или Ки/л) при заданной достоверности и времени

измерения, оптимальный выбор которой с учетом пространственных размеров и уровня флюктуаций поля естественной радиоактивности определяет эффективность выделения радиоактивных аномалий техногенного происхождения.

Рассмотрим основные факторы, влияющие на пороговую

чувствительность q преобразователя поля радиоактивности.

В первом приближении можно считать:

(2.1), где

S-/T

(∙

Пф — фоновая скорость счета (имп/с);

S — чувствительность преобразователя (имп/с / Ки/л);

Т — экспозиция (время измерения) (с).

Отсюда следует, что пороговая чувствительность может быть улучшена за счет увеличения времени измерения, повышения чувствительности, а также за счет снижения фоновой скорости счета.

Оптимальный выбор экспозиции определяется пространственными размерами регистрируемых радиоактивных аномалий и скоростью буксировки носителя аппаратуры в составе СПК, и поэтому экспозиция не может увеличиваться произвольно.

Таким образом, улучшение пороговой чувствительности преобразователя поля радиоактивности возможно за счет увеличения чувствительности преобразователя (с учетом оговорок, сделанных выше), а также за счет снижения фоновой скорости счета.

Чувствительность преобразователя при заданных энергетическом диапазоне и типе излучателя определяется массой используемого сцинтиллятора. При увеличении этой массы, например в К раз, пропорционально возрастает и величина nφ, что в итоге приводит к улучшению пороговой чувствительности преобразователя лишь в /к раз. При этом необходимо и одновременное повышение требований к

стабильности аппаратуры, т.к. в противном случае одинаковые * относительные уходы средней скорости счета на соответствующих

интервалах осреднения, не связанные с изменением удельной активности окружающей среды, а определяемые только аппаратурными параметрами, будут эквивалентны одной и той же неопределенности в единицах удельной активности, которая и будет фактически определять границу пороговой

чувствительности.

Остается еще один путь улучшения пороговой чувствительности преобразователя поля радиоактивности - снижение собственного фона. і* Такой подход наиболее приемлем при усовершенствовании существующих

конструкций преобразователей, т.к. связан не со схемным и конструктивным исполнением преобразователя, а лишь с использованием низкофоновых сцинтилляторов, фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) и конструкционных материалов. В то же время, этот путь оказывается достаточно эффективным, т.к. снижение фоновой скорости счета вдвое оказывается, с точки зрения улучшения пороговой чувствительности преобразователя, эквивалентным увеличению массы сцинтиллятора на 40%. Отсюда следует, что необходимо провести исследование компонентов блока детектирования ФЭУ и

r сцинтилляторов различных размеров, а также конструкционных материалов

на их загрязненность радиоактивными изотопами естественного и искусственного происхождения с целью выбора для использования в конструкции измерителей уровня удельной радиоактивности воды в составе СПК наиболее чистых материалов.

В работе [97] приведены результаты измерения собственного фона кристаллов NaJ(TI) различных размеров, выполненные в Ладожском озере на глубине 50 м. Эти результаты сведены в таблицу.

Таблица 13

» Размер

цилиндри­

ческого

кристалла, 0 мм X мм

Расчетный собствен- ный фон, имп/с (E>0,l МэВ) Экспериментально измеренный собственный фон, имп/с
E>0,l МэВ E=l, 6÷3,0M?B E>l,6 МэВ
63x63 0,66 0,67±0,03 - 0,05±0,01
0,69±0,03 - 0,07±0,01
0,66±0,03 (l,7±0,5) Ю'2 0,08±0,01
63x160 1,47 0,98±0,04 (2,8±0,7) 10’2 0,11±0,01
2,14±0,06 (3,7±0,8) 10’2 0,21±0,02
3,98±0,08 (2,7±0,7) 10'2 0,14±0,02
l,34±0,05 (3,3±0,7) 10'2 0,15±0,02
63x250 2,2 2,70±0,07 (14,5±0,09) 10'2 0,20±0,02
l,93±0,06 (4,1 ±0,08) 10^2 0,15±0,02

Здесь же приведены результаты расчетов собственного фона с учетом конфигурации кристаллов для энергетического диапазона E>0,l МэВ и глубины 50 м для трех типоразмеров сцинтилляторов. Рассчитанные данные достаточно хорошо согласуются с экспериментальными результатами, которые, в свою очередь свидетельствуют о примерно одинаковых фоновых

(*

характеристиках отечественных сцинтилляторов в пересчете на единицу объема и, с этой точки зрения, о правомерности использования любого из использованных сцинтилляторов в составе аппаратуры СПК.

Выбор конкретного сцинтиллятора на основе монокристаллов NaJ(Tl) зависит от энергетического диапазона регистрируемого излучения. В таблице 14 приведены величины чувствительности S (определенные по радионуклиду 24Na) и отношения чувствительности к объему сцинтиллятора, S/V (что характеризует степень использования массы детектора), для энергетических диапазонов 0,1-3,0 МэВ и 1,8-3,0 МэВ в относительных единицах. Указанные диапазоны наиболее характерны для радиоактивных

аномалий естественного и искусственного происхождения, выявление которых входит в задачу СПК.

f∙

Таблица 14

Размер

сцинтиллятора, 0 ММ X мм

Энергетический диапазон
0,1-3,ОМ [эВ 1,8-3,0МэВ
c, имп /Ки

\ ------ / —

с / л

S/V л имп /Ки

/

с ! л

S/V
63x63 ПО11 1 0,6710ю 0,74
80x90 1,610й 0,8 l,6T01° 0,88
100x100 2,5T011 0,63 3,5'101° 1,00
150x150 5,6∙10n 0,42 910ю 0,77
63x160 2,5T0n 1 1,810ю 0,80
63x250 4,0'1011 1 2,8’10ю 0,80
63x400 6,2510“ 1 4,2101 0,80

Анализ данных, приведенных в таблице, показывает, что в области низких энергий при использовании кристаллов йодистого натрия с диаметром более 80 мм практически 50% массы сцинтиллятора не используется, хотя максимальной чувствительностью обладают сцинтилляторы размером 150x150 мм. В жестком энергетическом диапазоне этот сцинтиллятор также имеет максимальную чувствительность, однако коэффициент использования его массы также невелик, и предпочтение здесь следует отдать кристаллам с размером 100x100 мм. Сцинтилляторы удлиненной формы имеют хорошую чувствительность и высокий коэффициент использования массы в интегральном энергетическом диапазоне, однако в жестком диапазоне их чувствительность уступает чувствительности кристаллов с размером 100x100 мм и особенно 150x150 мм при сравнимых коэффициентах использования массы.

*..

Таким образом, при выборе оптимального блока детектирования следует отдать предпочтение сцинтилляторам, которые сочетают в себе положительные качества кристаллов с размером 63x63 мм с одной стороны и размерами 100x100 мм и 150x150 мм с другой стороны, с учетом

необходимости достижения высокой чувствительности при минимальном уровне фона в диапазонах энергий от 0,1 до 3,0 МэВ. Этим требованиям в максимальной степени удовлетворяет сцинтиблок на основе удлиненного кристалла размером 63x250 мм, скомпонованного на фотоумножителе. Экспериментальные исследования показали, что чувствительность такого блока детектирования по 24Na составляет 3,5'10й имп/с / Ки/л в энергетическом диапазоне 0,1-3,0 МэВ, что позволяет решать задачи выявления фоновых и техногенных радиоактивных аномалий. Погружные преобразователи для контроля уровня удельной радиоактивности воды используются в СПК в составе буксируемой системы и носового погружаемого устройства.

К настоящему времени при непосредственном участии автора созданы образцы аппаратуры контроля радиационной обстановки в составе СПК с применением удлиненных сцинтилляторов NaJ(Tl) различных размеров (рис. 2.4а, б, д, е) и разработана методика использования системы контроля радиационной обстановки с использованием судовых природоохранных комплексов. Методика предусматривает непрерывный режим работы погружного преобразователя и датчика мощности экспозиционной дозы гамма-излучения в воздушной среде при движении судна, при этом контролируется средний уровень фона. При превышении априорно заданных пороговых значений среднего уровня фона на каком-либо участке траектории движения судна-носителя СПК, производится детальный контроль радиационной обстановки на этом участке. Контроль осуществляется путем отбора пробы воды из системы непрерывного пробоотбора (СНП) комплекса, а также, в случае необходимости, отбора проб донных отложений или других объектов контроля в режиме позиционирования и последующего исследования этих проб с

использованием гамма-бета спектрометрической установки.

Такой режим работы, совмещающий экспрессные измерения с помощью погружного датчика и детальный спектрометрический анализ, положительно зарекомендовал себя при решении конкретных задач по обеспечению экологической безопасности с использованием находящихся в эксплуатации СПК типа "Акватория" и "Гвоздь-К".

При проектировании образцов СПК следующих поколений нами рассмотрены перспективы создания высокочувствительных малогабаритных блоков детектирования у-излучения в диапазоне энергий 0,1-3,0 МэВ с пороговой чувствительностью порядка 0,1 Бк/л. Как уже было отмечено л выше, в настоящее время для решения этой задачи применяются комплексы

аппаратуры, в качестве чувствительных элементов которой используются сцинтилляционные кристаллы на основе йодистого натрия, активированного

таллием NaJ(Tl)).

Эффективность регистрации у-квантов блоками детектирования, а следовательно и чувствительность аппаратуры регистрации, зависят от атомного номера материала сцинтиллятора и от энергии регистрируемых у- квантов. Атомный номер сцинтиллятора определяет и значение отношения площади пика полного поглощения к комптоновской части спектра, что в

fa свою очередь определяет форму зарегистрированного спектра у-излучения.

Эффективность регистрации у-квантов сцинтиллятором NaJ(Tl) существенно падает при энергии у-квантов свыше 1,5-2,0 МэВ, поэтому для достижения требуемых значений чувствительности аппаратуры приходится увеличивать размеры сцинтилляторов и их количество.

Эти факторы и возрастающие требования к чувствительности аппаратуры привели к необходимости поиска качественно новых типов сцинтилляционных кристаллов.

В настоящее время разработаны образцы перспективных сцинтилляционных кристаллов из класса ортосоединений висмута. Наиболее предпочтительным из них по сцинтилляционным характеристикам является

тригерманат висмута Bi4Ge3O∣2 (BGO) [116, 117]. Этот сцинтиллятор обладает большим эффективным атомным номером и удельной плотностью, что обусловливает большую эффективность регистрации у-излучения, причем у кристалла тригерманата висмута по сравнению с кристаллом NaJ (Т1) с увеличением энергии регистрируемых у-квантов эффективность регистрации спадает медленней. Кристалл тригерманата висмута является собственно сцинтиллятором и не требует добавок активатора типа Т1, что уменьшает его собственный фон и устраняет возможность появления центров, образующих дефекты в кристалле. Отметим, что в отличие от сцинтилляционных кристаллов NaJ (Т1), кристаллы тригерманата висмута не являются гигроскопичными и поддаются механической обработке. К недостаткам кристаллов тригерманата висмута следует отнести их меньшую эффективность сцинтилляционной конверсии, что определяет меньший световыход кристаллов и необходимость применения более мощных предусилителей, а также несколько худшее энергетическое разрешение, которое может быть улучшено за счет улучшения чистоты исходных компонентов сырья.

Нами были проведены сравнительные исследования спектро­метрических характеристик детекторов со сцинтилляционными кристаллами NaJ (Т1) и отечественными образцами тригерманата висмута с целью определения эффективности регистрации у-квантов в энергетических диапазонах 1,6-3,0 МэВ, 1,8-3,0 МэВ, энергетического разрешения по пикам 137Cs и 2+Na и световыхода кристаллов. Для проведения лабораторных испытаний использовались блоки детектирования у-излучения с кристаллом NaJ (ТІ) 0 15x20 мм и кристаллом тригерманата висмута в форме параллелепипеда размером 29x14x7 мм с фотоэлектронным умножителем ФЭУ-93 и стандартным делителем. Определение сравнительной эффективности и энергетического разрешения проводилось путем снятия спектров у-излучения и последующей их обработки. Результаты

сравнительного испытания и основные физические параметры кристаллов NaJ (ТІ) и тригерманата висмута приведены в таблице 15.

Таблица 15

Параметр NaJ (ТІ) Bi4Ge3O12
Физические параметры:
плотность (г/см3) 3,67 7,13
эффективный атомный номер 50 74
радиационная устойчивость плохая хорошая
гигроскопичность да нет
максимум интенсивности спектра 415 480
излучения, нм
Результаты сравнительных испытаний:
эффективность регистрации
энергетический диапазон 1,6-3,0 МэВ 1 4,5
энергетический диапазон 1,8-3,0 МэВ 1 4,6
I37Cs; Еу = 0,66 МэВ 1 3,3
24Na; Еу - 2,76 МэВ 1 5,6
энергетическое разрешение
137Cs; Еу =z 0,66 МэВ 9% 25%
24Na; Еу = 2,76 МэВ 6,5% 14%
световыход 100% 13%

Полученные экспериментальные результаты показывают, что эффективность регистрации у-квантов в энергетических диапазонах, представляющих интерес с точки зрения экологического контроля радиационной обстановки, существенно выше для тригерманата висмута. Учитывая, что чувствительность S(E) детекторов связана с эффективностью регистрации ε(E) простым соотношением

S(E) = ε(E) ∙ d ,

где d - чувствительная поверхность детектора, можно сделать вывод, что использование тригерманата висмута позволяет существенно уменьшить

габариты блоков детектирования при сохранении их технических характеристик.

Меньший световыход тригерманата висмута устраняется (компенсируется) схемными решениями усилительных устройств, а несколько худшее энергетическое разрешение при работе в счетном режиме не играет существенного значения.

<< | >>
Источник: Гуральник Дмитрии Леонтьевич. Создание и Внедрение В практику экологического контроля и мониторинга судовых природоохранных комплексов [Электронный ресурс]: Дис. ... д-ра техн. наук : 03.00.16, 05.11.13 .-М.: РГБ, 2005. 2005

Скачать оригинал источника

Еще по теме 2.3.2. Система контроля радиационной обстановки.:

  1. 2.6 КОНТРОЛЬНО-ОБУЧАЮЩИЕ ВОПРОСЫ И ПРАВИЛЬНЫЕ ОТВЕТЫ К НИМ ДЛЯ КОНТРОЛИРУЕМОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ ПО СОВРЕМЕННЫМ МЕТОДОЛОГИЧЕСКИМ АСПЕКТАМ ГИГИЕНЫ И ГИГИЕНЕ ПИТАНИЯ
  2. ОТДЕЛЕНИЯ (ЛАБОРАТОРИИ) РАДИОНУКЛИДНОЙ ДИАГНОСТИКИ
  3. 3.6.5. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТ ПО ВОССТАНОВЛЕНИЮ ЭКОНОМИКИ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
  4. 10.2.1. Классификация и краткая характеристика радиационных аварий
  5. Медико-тактическая характеристика радиационных аварий
  6. Лекция № 7. Медико-санитарное обеспечение при ликвидации последствий аварий на радиационно-опасных объектах.
  7. Оценка радиационной обстановки
  8. Облучение при радиационных авариях
  9. 5.1.Назначение, задачи и порядок проведения химической и радиационной разведки
  10. 6.3. Задачи и организационная структура санитарно-эпидемиологического отряда и его подразделений.
  11. 1.5. Система контроля качества лекарственных средств.
  12. Ефективна система контролю виконання і оцінки програми, оцінка впливу.
  13. Система контролю за лікуванням хворих на туберкульоз
  14. ЦЕРЕБРАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ БОЛИ
- Акушерство и гинекология - Анатомия - Андрология - Биология - Болезни уха, горла и носа - Валеология - Ветеринария - Внутренние болезни - Военно-полевая медицина - Восстановительная медицина - Гастроэнтерология и гепатология - Гематология - Геронтология, гериатрия - Гигиена и санэпидконтроль - Дерматология - Диетология - Здравоохранение - Иммунология и аллергология - Интенсивная терапия, анестезиология и реанимация - Инфекционные заболевания - Информационные технологии в медицине - История медицины - Кардиология - Клинические методы диагностики - Кожные и венерические болезни - Комплементарная медицина - Лучевая диагностика, лучевая терапия - Маммология - Медицина катастроф - Медицинская паразитология - Медицинская этика - Медицинские приборы - Медицинское право - Наследственные болезни - Неврология и нейрохирургия - Нефрология - Онкология - Организация системы здравоохранения - Оториноларингология - Офтальмология - Патофизиология - Педиатрия - Приборы медицинского назначения - Психиатрия - Психология - Пульмонология - Стоматология - Судебная медицина - Токсикология - Травматология - Фармакология и фармацевтика - Физиология - Фтизиатрия - Хирургия - Эмбриология и гистология - Эпидемиология -