Способ выявления источников ионизирующего излучения движущегося объекта

 

Использование: в радиационном мониторинге на пограничных контрольно-пропускных пунктах, авто- и железнодорожных станциях, аэропортах, таможенных службах и т.п. для обнаружения источников радиоактивного излучения. Сущность изобретения: измерения мощности дозы осуществляют работающей одновременно группой детекторов ионизирующего излучения в последовательные промежутки времени. По результатам измерений, полученных от каждого детектора ионизирующего излучения в каждый промежуток времени, строят матрицу измерений. Определяют методом вычисления меры близости на основе заданной метрики разность (δ) данных матрицы измерений и эталонной матрицы, построенной на основе известного уровня естественного фона и информации о скорости движения объекта измерения, и сравнением значения разности (δ) с ее пороговым значением (δ_пор). Пороговое значение разности матриц измерений и эталонной матрицы определяют в процессе работы системы измерений без наличия объектов измерения из выражений: , при этом показания детекторов строятся следующим образом: , где λ - средняя интенсивность естественно фона. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерению радиоактивности объектов, а более конкретно к способам выявления радиоактивных продуктов, и может быть использовано в радиационном мониторинге на контрольно-пропускных пунктах, авто- и железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.п. для обнаружения источников радиоактивного излучения.

Известен способ контроля радиационной обстановки и обнаружения радиоактивных продуктов газоаэрозольных выбросов, описанный в статье Еремеева и др. Атомная Энергия, 1988, т. 65, вып. 6. с. 437 439, заключающийся в оценке мощности аварийного выброса, которая оценивается с использованием трех контрольно-измерительных "барьеров" на пути распространения радионуклидов: аппаратуры контроля содержания радионуклидов в воздухе; приборы для регистрации мощности экспозиционной дозы γ излучения внутри и снаружи здания АЭС (атомной электростанции); системы постов контроля мощности экспозиционной дозы g излучения и концентрации иода на местности.

Информация всех трех контрольно-измерительных "барьеров" и метеорологические данные обрабатываются техническими средствами центра контроля радиоактивного загрязнения среды, располагающегося в защищенном помещении вне территории АЭС и являющегося одновременно терминалом региональной системы контроля радиационной обстановки.

Этот способ эффективен при значительных концентрациях радиоактивных веществ, однако малоэффективен для обнаружения малых концентраций радиоактивных веществ, радиоактивных материалов, находящихся в защитных оболочках, и радиоактивных материалов, степень излучения которых сравнима или меньше уровня естественного фона.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа настоящего изобретения, является способ контроля радиационной обстановки и обнаружения радиоактивных веществ (SU, авт. св. N 1716457 A1), при которых станция контроля радиоактивного излучения, состоящая из набора детекторов различных излучений и дезактиваторов, всегда находится с подветренной стороны от объекта, т.е. в наиболее загрязненной радиоактивностью (воздуха, грунта) местности, что достигается с помощь подвижного каната, с которым неподвижно соединена локальная станция контроля, выдающая информацию с помощью радиоизлучения и которая не требует присутствия персонала. Установление локальной станции строго с подветренной стороны достигают с помощью системы управления движения канатом, связанной с ЭВМ, которая проводит сравнение разбалансировки данных гирокомпаса локальной станции и данных флюгера и сводит их разность к нулю путем выдачи сигнала приводу каната. Именно в этом момент начинается измерение блоками детектирования и забор воздуха трубками для поглощения радиоактивных аэрозолей фильтрами с последующим измерением.

Однако и этому способу присущи технические недостатки, выраженные ограниченными эксплуатационными возможностями, обусловленными низкой эффективностью обнаружения движущихся источников с малой интенсивностью, малой устойчивостью к вариациям уровня естественного фона, включая космическую составляющую, слабой чувствительностью к наличию таких источников, низкой помехоустойчивостью при попытках замаскировать их (например, злоумышленниками).

Таким образом, заявляемое изобретение направлено на решение задачи по созданию способа выявления источников ионизирующего излучения с высокими эксплуатационными возможностями. Технический же результат при решении этой задачи выразится в упрощении реализации способа, исключении из конструкции большого количества детекторов и в возможности использования технологий нейронных сетей для обработки измерений, что приведет к повышению скорости обработки сигнала и к возможности использования способа выявления источников ионизирующего излучения при высоких рабочих параметрах.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе выявления движущихся источников ионизирующего излучения, заключающемся в измерении мощности дозы детекторами ионизирующего излучения, обработке результатов и фиксировании наличия радиоактивных продуктов, согласно изобретению измерение мощности дозы осуществляют работающей одновременно группой из M детекторов ионизирующего излучения в N последовательные промежутки времени t по результатам измерений, полученных от каждого детектора в каждый промежуток времени, строят матрицу измерений, определяют методом вычисления меры близости на основе заданной метрики разность (δ) данных матрицы измерений и эталонной матрицы, построенной на основе известного уровня естественного фона, информации о скорости движения объекта измерения и сравнивают значения разности (δ) с ее пороговым значением (δ_пор) которые определяют в процессе работы приборов без наличия объектов измерения из выражений: где M количество детекторов;
N количество последовательных измерений;
L расстояние между соседними детекторами;
v скорость движения измеряемого объекта;
τ время между последовательными измерениями, ;
показания i-го детектора на 1-ом временном слое тестируемого и базового сигналов, соответственно.

среднее значение разности матрицы измерений и эталонной в отсутствии объектов измерений;
дисперсия этой величины.

При этом показания детектора строят следующим образом:

где λ средняя интенсивность естественного фона.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается новой совокупностью признаков. Это дает возможность считать его соответствующим критерию новизны.

Причинно-следственная связь между техническим результатом и средствами его достижения обусловлена тем, что в предложенном способе удалось достичь, снятия "матрицы измерений" при движении контролируемого объекта и сравнения ее с эталонной матрицой, построенной на основе известной интенсивности естественного фона и скорости движения контролируемого объекта (метод бегущей амплитуды МБА).

На фиг. 1 и 2 представлены схема установки, содержащая: контролируемый объект 1, группу из М детекторов 2, блок обработки 3; и зависимость вероятности обнаружения наличия радиоактивных материалов P от относительной интенсивности источника d = λ_сигнал/λ_фон, где λ_сигнал средняя интенсивность источника, λ_фон средняя интенсивность естественного фона.

В основе системы измерений положен анализ временных корреляций показаний детекторов в процессе прохождения источника вдоль ряда детекторов. При этом снимается "пространственно- временная развертка" движущегося измеряемого объекта и сравнивается с базовой априорной разверткой, построенной на основе известной интенсивности фона и скорости движения контролируемого объекта. Если источник обладает излишним (кроме фонового) излучением, то при прохождении его вдоль ряда детекторов в них попеременно должен фиксироваться более интенсивный сигнал, чем в соседних детекторах (метод бегущей амплитуды МБА).

До вхождения контролируемого объекта в зону контроля все детекторы работают в калибровочном режиме (режим измерения параметров фона). С начала вхождения объекта в зону контроля через определенные промежутки времени снимаются показания каждого из детекторов, на основе которых строится строка измерений для каждого промежутка времени до выхода объекта из зоны контроля. На основе данных о скорости движения объекта строится эталонная матрица, при этом для детекторов, возле которых на данный момент находится предлагаемый источник, в матрицу заносится максимальное значение снимаемого сигнала (максимальное, принятое для фона), для всех остальных детекторов в матрицу заносится среднее фоновое значение. Затем сравнивается снятая развертка с эталонной методом вычисления меры близости на основе заданной метрики и сравнения с ее пороговым значением. Если полученное значение меры близости меньше порогового, то фиксируется факт наличия активных материалов.

Пороговое значение вычисляется в процессе работы прибора в режиме калибровки. Для этого вычисляются средние метрические значения и их коэффициенты вариации фоновой развертки с эталонной. В качестве пороговой разности эталонной матрицы с матрицей измерений δ_пор берется:

где μ действительный коэффициент m = 3 соответствует правилу трех сигм;
среднее значение разности матрицы измерений и эталонной в отсутствии объектов измерений;
дисперсия этой величины.

В случае представления сигнала в бинарном виде выражение для метрики может быть представлено в более простом виде и более подходящем для нейросетевой реализации. Для этого вводят градацию сигнала по заданному пороговому значению
где λ средняя интенсивность естественного фона, a подгоночный параметр.

Разность сигналов базового и тестируемого образов можно представить логической операцией:

где показания i-го детектора на 1-ом временном слое (1-ое измерение) тестируемого и базового сигналов, соответственно.

В этом случае для определения близости разверток используется метрика вида:

где М количество детекторов;
N количество временных слоев;

ω_il вес, соответствующий сигналу i-го детектора на 1-ом временном слое.

Вес выбирается таким образом, чтобы усилить вклад в метрику значимых элементов замера и ослабить остальные. Значимыми элементами, очевидно, являются различия между базовыми и тестовыми значениями вблизи максимального значения базового сигнала. На каждом временном слое номер активного детектора свой, поэтому вес зависит от временного слоя. Чтобы удовлетворить выше описанным условиям, зависимость веса от номера детектора (точнее от величины m=i-i_act(1)) на 1-ом временном слое должна иметь вид:

где β(M) некоторая функция, зависящая от числа детекторов М;
номер детектора на 1-ом временном слое;
L- расстояние между детекторами;
v(1) скорость объекта на 1-ом временном слое

τ время нахождения объекта в зоне чувствительности детектора.

В случае когда b(N_D)=2, подставляя выражения 4, 3, 1 в 2, получим выражение:

Пример конкретного выполнения. Для поверки возможности проведения подобных измерений и оценки степени их надежности было проведено математическое моделирование работы системы. Модельная постановка задачи состоит в следующем. Пусть имеется набор детекторов, расположенных аналогично схеме (фиг. 1), и известен средний уровень естественного фона (предполагается, что количество ионизаций в воздухе под действием фона и источника подчиняется распределению Пуассона). Пусть λ среднее число ионизаций, вызванное естественным фоном за время t. Введем градацию сигнала:

где α подгоночный параметр.

На основе бинарной градации формируется матрица измерений снимаемого сигнала. Затем строится эталонная матрица на основе этой же градации и знании скорости движения объекта измерений. Идентификация производится методом вычисления значения разности между полученными матрицами и сравнением полученного значения разности с пороговым. Если она меньше порогового, фиксируется наличие источника.

Расчеты проводились для двух видов весовых функций:


Скорость движения объекта считалась постоянной v L/τ. Исследовались вероятности успешного распознавания наличия источника.

В данной работе была проведена предварительная оценка подгоночного параметра α в расчетах с 10 детекторами для веса (5). Наилучшим значением параметра из рассматриваемых значений оказалось a2.0.

В результате работы прибора в режиме калибровки найдены пороговые метрики для веса (5) 0.08318, для веса (6) 0.082. При этом вероятность ошибки, при которой фиксируется источник в его отсутствии, составила 1% и 1.6% соответственно. Исследовалась также устойчивость к повышению фона во время снятия сигнала. Для веса, выбранного в форме (5), практически любое повышение фона дает нулевую вероятность ошибки. Для веса в форме (6) вероятность ошибки не более 1%
На фиг. 2. показана зависимость качества работы приборов (вероятность выделения сигнала в зависимости от уровня сигнала по отношению к шуму) для 30 детекторов.

На основании результатов математического моделирования можно заключить следующее.

Использование предложенного способа измерений приводит к повышению устойчивости результатов замеров к флуктуациям естественного фона при уровнях сигнала порядка или даже меньше уровня фона.

При увеличении количества детекторов надежность обнаружения источника растет, однако при M≥20 эта зависимость достаточно слабая. Для отношения интенсивности сигнала к интенсивности естественного фона l_сигнал/λ_фон = 0,4 вероятность обнаружения источника составляет при М 10, 20, 25, 30, соответственно 0.605, 0.843, 0.887, 0.937, для λ_сигнал/λ_фон = 0,5, соответственно 0.815, 0.967, 0.985, 0.993. Выбор количества детекторов обусловлен двумя факторами надежностью прибора и его экономичностью.

В результате выбора двоичной градации снимаемых сигналов можно легко использовать различные нейросетевые реализации. Это позволит настроить работу системы на различные скорости движения источника. На основе выбранных нейронны[ сетей можно разрабатывать целевые нейросистемы, которые будут направлены на решение только данной задачи с гораздо большим быстродействием, чем обычный компьютер, за счет массированного параллелизма (сигналы от каждого детектора обрабатываются одновременно). Подобные нейросистемы могут иметь как оптические, так и электронные реализации.

Как показали предварительные исследования, данный способ обладает повышенной устойчивостью к вариациям уровня естественного фона, особенно, если они обусловлены космической составляющей, высокой помехоустойчивостью и, в тоже время, высокой чувствительностью.

Формула изобретения

1. Способ выявления источников ионизирующего излучения движущегося объекта, заключающийся в измерении мощности дозы детекторами ионизирующего излучения, обработке результатов измерений и фиксировании наличия радиоактивных продуктов, отличающийся тем, что измерения мощности дозы осуществляют работающей одновременно группой детекторов ионизирующего излучения в последовательные промежутки времени, по результатам измерений, полученных от каждого детектора ионизирующего излучения в каждый промежуток времени, строят матрицу измерений, определяют методом вычисления меры близости на основе заданной метрики разность δ данных матрицы измерений и эталонной матрицы, построенной на основе известного уровня естественного фона и информации о скорости движения объекта измерения, и сравнивают значения разности d с ее пороговым значением d_пор которые определяют в процессе работы системы измерений из выражений


где М количество детекторов;
N количество последовательных измерений;
L расстояние между соседними детекторами;
v скорость движения измеряемого объекта;
τ - время между последовательными измерениями;

показания i-го детектора на 1-ом временном слое тестируемого и базового сигналов, соответственно;
среднее значение разности матрицы измерений и эталонной в отсутствии объектов измерений;
дисперсия этой величины.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в нем показание детектора строится следующим образом:

где λ - средняя интенсивность естественного фона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2