Патент на изобретение №2390040

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, более конкретно к способам выявления радиоактивных источников в движущихся объектах. Технический результат – повышение надежности обнаружения радиоактивных источников с низкой энергией гамма-излучения и источников, не обладающих собственным гамма-излучением. Устройство, содержащее, по крайне мере, один детектор излучения, расположенный в защитном металлическом корпусе с окном для пропускания излучения к детектору, перекрытым экраном, служащим для изоляции детектора от окружающей среды, выполнено таким образом, что экран состоит из трех плотно соединенных слоев материалов, первый и третий слои выполнены металлическими, а второй – средний слой – из ударопрочного пластика, при этом первый и третий слои электрически связаны между собой и с защитным металлическим корпусом, первый слой, обращенный к детектору, выполнен из металла с низким атомным номером, а третий – наружный слой – из металла с высоким атомным номером. 2 ил.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, конкретнее к измерению радиоактивности объектов, более конкретно к устройствам для выявления радиоактивных источников в движущихся объектах. Наибольшее применение способ найдет при радиационно-экологическом мониторинге на пограничных контрольно-пропускных пунктах, авто- и железнодорожных станциях, аэропортах, пунктах приема на захоронение радиоактивных отходов, пунктах приема и переработки металлолома, вторичного сырья, промышленных и бытовых отходов.

Известно устройство для выявления радиоактивных источников в движущихся объектах, содержащее детекторы излучения, установленные по ходу движения объекта, регистрирующую аппаратуру, связанную с упомянутыми детекторами [1] (RU 2094821 С1, Бюл. 30 от 2710.97 г.).

Недостатком известного устройства является низкая надежность обнаружения низко интенсивных радиоизотопных источников излучения, что связано с большим влиянием объекта на уровень фона в зоне контроля и тем, что различные грузы по разному воздействуют на поток фонового излучения:

одни грузы, например металл, могут ослаблять поток излучения, а другие, например строительные материалы, могут увеличивать поток излучения в зоне контроля. Это приводит к тому, что источники, поток излучения которых меньше изменений фонового потока, вносимых объектом с грузом, не будут надежно обнаруживаться при контроле.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для радиационного контроля движущихся объектов, содержащее, по крайне мере, один детектор излучения, расположенный в защитном металлическом корпусе с окном для пропускания излучения к детектору, перекрытым экраном, служащим для изоляции детектора от окружающей среды [2].

Недостатком прототипа является низкая надежность выявления радиоактивных источников с малой энергией гамма-излучения (менее 60 кэВ), а также источников, не имеющих собственного гамма-излучения («чистые» бета-излучатели, например никель-63, стронций-90 и др.). Это связано с тем, что экран значительно ослабляет низкоэнергетическое бета- и гамма-излучение вследствие того, что он выполнен металлическим для обеспечения необходимой прочности защитного корпуса и исключения влияния электрических помех, проявляющихся в большей степени при малых амплитудах сигналов детектора, что характерно для низкоэнергетического бета- и гамма-излучения. Использование неметаллических защитных корпусов и экранов в промышленных условиях не обеспечивает необходимой защищенности детектора от механических и электромагнитных воздействий.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении надежности обнаружения радиоактивных источников с низкой энергией гамма-излучения, а также источников, не обладающих собственным гамма-излучением (чистые бета-излучатели). Кроме того, повышается надежность обнаружения источников, находящихся в защитных контейнерах или в глубине заполненного грузом транспортного средства. Указанные источники могут обладать достаточно высокой энергией гамма-излучения (0,5-1 МэВ). Однако за счет рассеяния в стенках контейнера или в материале транспортируемого груза эффективная энергия излучения, достигающего детектора, снижается до величин менее 100 кэВ.

Указанный технический результат достигается предлагаемым устройством для радиационного контроля движущихся объектов, содержащем, по крайне мере, один детектор излучения, расположенный в защитном металлическом корпусе с окном для пропускания излучения к детектору, перекрытым экраном, служащим для изоляции детектора от окружающей среды, причем упомянутый экран состоит из трех плотно соединенных слоев материалов, первый и третий слои выполнены металлическими, а второй – средний слой – из ударопрочного пластика, при этом первый и третий слои электрически связаны между собой и с защитным металлическим корпусом, первый слой, обращенный к детектору, выполнен из металла с низким атомным номером, а третий – наружный слой – из металла с высоким атомным номером.

Отличительными признаками являются то, что упомянутый экран состоит из трех плотно соединенных слоев материалов, первый и третий слои выполнены металлическими, а второй – средний слой – из ударопрочного пластика, при этом первый и третий слои электрически связаны между собой и с защитным металлическим корпусом, первый слой, обращенный к детектору, выполнен из металла с низким атомным номером, а третий – наружный слой – из металла с высоким атомным номером.

Новые существенные признаки предлагаемого устройства обеспечивают повышение надежности обнаружения радиоактивных источников с низкой энергией гамма-излучения, а также источников, не обладающих собственным гамма-излучением (чистые бета-излучатели). К таким источникам относятся нуклид никель-63, который является одним из загрязнителей нержавеющих сталей, применяемых в атомной промышленности; нуклид стронций-90, который может использоваться для осуществления террористических угроз; нуклиды плутоний-239, америций-241, энергия гамма-излучения которых ниже 60 кэВ. Указанные нуклиды практически не выявляются с помощью известных устройств при массовом поточном контроле движущихся объектов. Кроме того, повышается надежность обнаружения источников, находящихся в защитных контейнерах или в глубине заполненного грузом транспортного средства. Указанные источники могут обладать достаточно высокой энергией гамма-излучения (0,5-1 МэВ). Однако за счет рассеяния в стенках контейнера или в материале транспортируемого груза эффективная энергия излучения, достигающего детектора, снижается до величин менее 100 кэВ.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 представлена схема устройства для проведения контроля транспорта,

на фиг.2 изображена схематически конструкция детектора в защитном корпусе.

Устройство содержит детекторы 1, 2, стационарно установленные в зоне контроля, через которую следуют транспортные средства, в которых могут находиться радиоактивные источники. Объектами контроля могут быть также люди (персонал ядерных объектов, пассажиры), багаж и др. Детекторы размещены в защитном металлическом корпусе 3. Каждый из детекторов состоит из фотоэлектронной системы 4, предназначенной для регистрации световых вспышек в сцинтилляторе 5. В защитном корпусе имеется окно для пропускания излучения обнаруживаемых источников, перекрытое экраном, служащим для изоляции детекторов от окружающей среды. Экран состоит из трех плотно соединенных слоев материалов. Слой 6, обращенный к детектору, выполнен из металла с низким атомным номером, например из алюминия. Наружный слой 7 выполнен из металла с более высоким атомным номером, например меди, никеля, вольфрама и др. Толщина наружного слоя выбирается исходя из того, чтобы бета-излучение практически полностью поглощалось этим слоем, а возникающее в слое под действием бета-частиц рентгеновское излучение ослаблялось незначительно (толщина слоя из меди составляет около 0,1 мм). Средний слой 8 выполнен из ударопрочного пластического материала. На чертеже показан также свинцовый экран 9, служащий для снижения уровня фонового излучения в объеме детектора.

В качестве детекторов 1, 2 могут применяться крупногабаритные пластмассовые сцинтилляторы с фотоэлектронными умножителями. Объем сцинтилляторов 2-20 литров. Информация с детекторов поступает в регистратор (компьютер), который фиксирует превышение фона при наличии источника в объекте в процессе его движении через зону контроля. При отсутствии источника возрастания фона не наблюдается.

Устройство функционирует следующим образом. В отсутствие объекта в зоне контроля детекторы 1, 2 фиксируют фоновое излучение. При движении объекта через зону контроля измеряется разность между текущим значением потока излучения объекта и уровнем фонового излучения. Если указанная разница превышает порог, появляется сигнал обнаружения источника.

Низкоэнергетическое гамма-излучение источников (30-70 кэВ) незначительно ослабляется трехслойным экраном, так как толщина металлических слоев 6, 7 не высока (порядка 0,1 мм), а слой 8 пластика (3-5 мм) хорошо пропускает гамма-излучение. Реально трехслойный экран пропускает 75-90% низкоэнергетического гамма-излучения.

Бета-излучение практически полностью поглощается в наружном металлическом слое 7 экрана. Вследствие того, что указанный слой выполнен из металла с высоким атомным номером, поглощение бета-частиц приводит к появлению интенсивного рентгеновского излучения (характеристического и тормозного). Эффективная энергия этого излучения составляет 30-250 кэВ. Рентгеновское излучение с такой энергией хорошо проходит через слой 8 пластика и внутренний металлический слой 6 экрана, выполненный из металла с низким атомным номером, например алюминия (толщина указанного слоя составляет около 0,1 мм).

Таким образом, описанная конструкция трехслойного экрана незначительно ослабляет низкоэнергетическое гамма-излучение и обеспечивает регистрацию бета-излучения источников в объекте за счет регистрации рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии бета-частиц с наружным металлическим слоем.

Вследствие того, что металлические слои 6, 7 экрана электрически связаны с металлическим защитным корпусом 3, внешние электромагнитные помехи не проходят к фотоэлектронной системе 4 и не вызывают появления ложных сигналов, которые могут быть приняты как сигнал от излучения источника. Это особенно важно при регистрации низкоэнергетического гамма- и бета-излучения, так как амплитуда сигналов детектора в этом случае невысока. Трехслойное выполнение экрана обеспечивает его высокую механическую прочность, так как экран в данном случае представляет собой армированную конструкцию, надежно изолирующую детектор от механических воздействий и влияния окружающей среды. Таким образом, описанная конструкция позволяет с высокой эффективностью регистрировать низкоэнергетическое бета- и гамма-излучение радиоактивных источников при обеспечении надежной защиты детектора от различных воздействий окружающей среды и электромагнитных помех.

В прототипе экран, изолирующий детектор от влияния внешней среды, выполнен из металла достаточной толщины (1-2 мм) для обеспечения необходимой механической прочности. Такой экран ослабляет низкоэнергетическое гамма-излучение (30-50 кэВ) в 5-10 раз. Такое же ослабление наблюдается и для рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии бета-частиц с экраном. Поэтому предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность регистрации низкоэнергетического бета- и гамма-излучения в 5-10 раз по сравнению с прототипом.

Пример 1. Устройство содержит детектор, состоящий из пластмассового сцинтиллятора 5 размером 250 мм × 500 мм × 50 мм. Фотоэлектронная система состоит из двух фотоэлектронных умножителей и схемы регистрации сигналов детектора. Защитный кожух 3 выполнен из листовой стали толщиной 1,7 мм. В кожухе выполнено окно для пропускания излучения размером 230 мм × 480 мм. Окно перекрыто трехслойным экраном, слой 7 которого выполнен из меди толщиной 0,1 мм, средний слой 8 – из ударопрочного пластика толщиной 4 мм, а слой 6 – из алюминия толщиной 0,1 мм. Слои 6, 7 электрически связаны между собой и с металлическим защитным корпусом 3. Трехслойный экран приклеен к внутренней поверхности защитного корпуса 3.

Контролируется объект, в котором имеется источник америций-241 (энергия гамма-излучения 60 кэВ). Расстояние от источника до детектора 2 м. Активность источника 10 мкКи. Поток излучения источника на поверхности детектора составляет около 300 квантов в секунду. Через трехслойный экран проходит 80% квантов. Детектор фиксирует от источника около 200 импульсов в секунду. Среднее квадратическое значение флуктуации сигнала детектора, соответствующего фону, составляет 30 импульсов в секунду. Порог срабатывания устройства в четыре раза превышает упомянутое среднее квадратическое значение флуктуации. Поэтому сигнал от источника превышает порог срабатывания устройства и источник надежно обнаруживается в объекте.

При использовании прототипа через экран толщиной 1 мм проходит 20% излучения источника, поэтому детектор фиксирует около 50 импульсов в секунду от данного источника. Указанный источник не выявляется с помощью прототипа, так как сигнал от источника в 2,5 раза ниже порога срабатывания.

Пример 2. При таком же выполнении устройства, что в примере 1, контролируется объект, в котором имеется радиоактивный источник стронций-90 (эффективная энергия бета-частиц 0,22 МэВ) активностью 0,5 мКи. Поток бета-частиц, падающих на поверхность трехслойного экрана, составляет около 4×10⁴ частиц в секунду. В наружном слое 7 экрана образуется около 700 рентгеновских квантов в секунду. Поверхность сцинтиллятора 5 облучают около 250 квантов в секунду. Детектор фиксирует около 160 импульсов в секунду, что превышает порог срабатывания устройства и поэтому такой источник надежно выявляется.

При использовании прототипа такой источник не может быть обнаружен, так как 70% рентгеновских квантов будет поглощаться в металлическом экране и детектор фиксирует лишь около 60 импульсов в секунду от данного источника, что существенно ниже порога срабатывания устройства.

Пример 3. При таком же выполнении устройства, как в примере 1, только размер сцинтиллятора равен 250 мм × 1000 мм × 60 мм; размер окна для пропускания излучения составляет 230 мм × 950 мм. Контролируется объект с источником

цезий-13 7 (энергия гамма-квантов 0,66 МэВ) активностью 6 мкКи. Поверхность детектора облучается потоком излучения источника, равным 700 квантов в секунду. Детектор фиксирует около 300 импульсов в секунду от данного источника. Такой источник надежно выявляется как прототипом, так и предлагаемым изобретением, т.е. обнаруживающая способность известного и предлагаемого устройств при контроле радиоактивных источников, имеющих среднюю и высокую энергию излучения, приблизительно одинакова.

Пример 4. При таком же выполнении известного и предлагаемого устройств, как в примере 1, только экран известного устройства выполнен из пластика толщиной 4 мм. При контроле объекта с источником америций-241 активностью 10 мкКи, источник будет выявлен как прототипом, так и известным устройством. Однако использование экрана в виде пластика в прототипе не защищает надежно детектор от воздействия электромагнитных помех и в устройстве-прототипе будут наблюдаться частые ложные срабатывания от электромагнитных помех.

При контроле объекта с источником стронций-90 активностью 0,1 мКи предлагаемым устройством этот источник будет выявлен, а устройство-прототип не обнаружит источник, так как в экране из пластика интенсивность рентгеновских квантов, возникающих при взаимодействии бета-частиц с экраном, будет приблизительно в 8-10 раз ниже, чем в предлагаемом устройстве (интенсивность рентгеновского излучения в металлическом слое приблизительно на порядок выше, чем в пластике).

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает повышение надежности обнаружения радиоактивных источников, обладающих низкой энергией гамма- и бета-излучения, по сравнению с известными техническими решениями.

ЛИТЕРАТУРА

1. RU 2094821 C1, 27.10.97.

2. R.Keck, В.Kruger, R.Kretschmer “Uberwachung von Schrott und Fertigprodukten auf radioactive Bestandteile”, Stahl und Eisen, 1994, 5, p.72-75.

Формула изобретения

Устройство для радиационного контроля движущихся объектов, содержащее, по крайне мере, один детектор излучения, расположенный в защитном металлическом корпусе с окном для пропускания излучения к детектору, перекрытым экраном, служащим для изоляции детектора от окружающей среды, отличающееся тем, что упомянутый экран состоит из трех плотно соединенных слоев материалов, первый и третий слои выполнены металлическими, а второй – средний слой – из ударопрочного пластика, при этом первый и третий слои электрически связаны между собой и с защитным металлическим корпусом, первый слой, обращенный к детектору, выполнен из металла с низким атомным номером, а третий – наружный слой – из металла с высоким атомным номером.

РИСУНКИ