Способ радиационного мониторинга (варианты), радиационный монитор

 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в машиностроении, медицине и других отраслях для контроля за передвижением радиоактивных веществ. Сущность изобретения: регистрируют интегральное число γ-квантов за равные интервалы времени заданной продолжительности, определяют на основании этих измерений пороговый уровень и сравнивают значение интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, с пороговым уровнем. Отличительной особенностью изобретения является то, что определяют два пороговых уровня - нижний и верхний. При превышении интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, над верхним уровнем судят о наличии радионуклида. При недостижении указанного числа γ-квантов нижнего порогового уровня судят об отсутствии радионуклида. При попадании указанного числа γ-квантов в интервал между верхним и нижним пороговыми уровнями производят дополнительную регистрацию интегрального числа γ-квантов в интервал времени, следующий за последним. В дальнейшем, по первому варианту сравнивают число γ-квантов, зарегистрированных при дополнительном измерении, со значением нижнего порогового уровня и в случае превышения полученного результата над нижним пороговым уровнем судят о наличии радионуклида. По второму варианту сравнивают полусумму значений двух последних регистраций со значением нижнего порогового уровня и при превышении указанной величины над нижним пороговым уровнем судят о наличии радионуклида. Радиационный монитор состоит из последовательно соединенных детектора 1, усилителя 2, дискриминатора нижнего уровня 3, блока обработки 4 и индикатора тревоги 16. Отличительной особенностью монитора является то, что в блок обработки введены генератор тактовых импульсов 6, регулятор отсчета 7, вторая схема сравнения 11, две схемы И 12 и 14, схема ИЛИ 15 и D-триггер 13. Положительный эффект заключается в уменьшении вероятности ложной тревоги при практически постоянной вероятности пропуска источника или уменьшении вероятности пропуска источника при практически постоянной вероятности ложной тревоги. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано в машиностроении, медицине и других отраслях для контроля за передвижением радиоактивных веществ.

Известны способы радиационного мониторинга, основанные на регистрации рентгеновского, γ-излучения и в ряде случаев собственного нейтронного излучения радионуклидов.

Наиболее близким по технической сути к заявляемому является способ, заключающийся в регистрации фонового γ-излучения и γ-излучения объекта за равные экспозиционные интервалы времени, взятые с наложением один на другой. По результатам регистрации с использованием критерия Неймана-Пирсона определяется пороговый уровень, который сравнивается с интегральным счетом γ-квантов в каждом шаге скользящего интервала времени. Если счет превышает пороговый уровень, делается вывод о наличии радионуклида (источника излучения).

Там же описана конструкция радиационного монитора. Известное устройство содержит детектор, усилитель, дискриминатор нижнего уровня (для выполнения этой функции используется одноканальный анализатор) и логический модуль, включающий в себя счетчик со скользящим интервалом, измеритель фона, вычислитель порога, сравнивающее устройство, индикатор тревоги. Счетчик со скользящим интервалом интегрирует число импульсов в интервале Δt, причем соседние интервалы частично перекрываются, что сделано для увеличения статистики. Фон измеряется в течение интервала 20 Δt и запоминается в буфере.

Отдельный блок рассчитывает порог - величина фона, приведенная к интервалу Δt, N_f - интенсивность фона. Известным способу и устройству присущ следующий недостаток. Для слабых источников при малой вероятности пропуска источника излучения появляется высокая вероятность ложной тревоги и, наоборот, при малой вероятности ложной тревоги появляется высокая вероятность пропуска источника излучения. Указанный недостаток обусловлен следующим. В критерии Неймана-Пирсона суммарный счет импульсов с детектора x за интервал времени Δt сравнивается с пороговым уровнем L, и если x < L, то принимается решение об отсутствии радионуклида, в противном случае - о наличии. Пороговый уровень L устанавливается равным где i - коэффициент, определяющий погрешность обнаружения.

При этом полагают, что суммарный счет импульсов с детектора в режиме фона имеет нормальное распределение со средним N_fΔt и той же дисперсией. Это справедливо уже при N_fΔt > 20. При i = 3 в выражении (1) получаем известное правило "трех сигм".

Погрешность обнаружения имеет две составляющие: вероятность ложной тревоги α и вероятность пропуска источника β. Их величину можно регулировать, например, выбором коэффициента i. Так, при i = 3; 4; 5 имеем соответственно вероятность ложной тревоги Имея i = 4 и ставя задачу уменьшения погрешности α, можно достичь цели, установив i = 5. Однако при этом на порядок возрастает вероятность пропуска источника β. Так, при интенсивности фона N_f = 10³ с¹, Δt = 1 с, интенсивности источника S = 200 с¹ имеем β_(i=4)= 0,017, β_(i=5)= 0,113. Вышесказанное можно проиллюстрировать следующим примером. Пусть параметры фонового излучения N_f и источника S составляют N_f = 100 с¹, S = 75 с¹. Если мониторинг производится по методу Неймана-Пирсона с Δt = 1 с, i = 4, то пороговый уровень составляет При i = 4 вероятность ложной тревоги α = 1/2(1-Φ(i)) = 3·10^-5, где а вероятность пропуска источника

Пусть мы решили уменьшить α, приняв i = 5. При этом α уменьшилось до величины, равной 4 · 10⁷, но вероятность пропуска источника возросла до 0,03, т.е. в 6 раз.

Авторы решали задачу по созданию способа радиационного мониторинга и устройства для его осуществления, которые могут обеспечить уменьшение вероятности ложной тревоги при практически постоянной вероятности пропуска источника либо обеспечить уменьшение вероятности пропуска источника при практически постоянной вероятности ложной тревоги.

Для решения поставленной задачи в способе радиационного мониторинга, включающем регистрацию интегрального числа γ-квантов за равные интервалы времени заданной продолжительности Δt, определение на основании этих измерений порогового уровня и сравнение значения интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени с пороговым уровнем, предлагается следующее. Выбрать последовательно следующие друг за другом интервалы времени регистрации интегрального числа γ-квантов и определить два пороговых уровня - нижний L₁ и верхний L₂. Судить о наличии радионуклида при превышении интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, над верхним пороговым уровнем. Судить об отсутствии радионуклида при недостижении интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, нижнего порогового уровня. При попадании числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, в интервал между верхним и нижним пороговыми уровня производить дополнительную регистрацию интегрального числа γ-квантов в интервал времени, следующий за последним.

В дальнейшем, по первому варианту предлагается сравнить число γ-квантов, зарегистрированных при дополнительном измерении, со значением нижнего порогового уровня, а о наличии радионуклида судить по превышению интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в интервал времени, следующий за последним, над значением нижнего порогового уровня.

В дальнейшем, по второму варианту предлагается сравнить полусумму значений интегральных чисел γ-квантов, зарегистрированных в двух последних регистрациях, со значением нижнего порогового уровня, а о наличии радионуклида судить по превышению полусуммы значений интегральных чисел γ-квантов, зарегистрированных в двух последних регистрациях, над значением нижнего порогового уровня. Нижний пороговый уровень L₁ предлагается установить равным

где значение величины a = N_fΔt определяется величиной интенсивности фона N_f и интервалом времени Δt, величину N_f получают усреднением интегрального числа γ-квантов, измеренных за период времени T, предшествующий последней регистрации счета импульсов с детектора. При этом значение величины T выбирают из интервала 10Δt ≅ T ≅ 40Δt, i - коэффициент, определяющий погрешность обнаружения, находится в пределах 3 ≅ i₁ ≅ 6.

Верхний пороговый уровень L₂ предлагается установить равным

где i₂ - коэффициент, выбираемый из условий i₂ > i₁, i₂ ≅ i₁+1.

Для решения поставленной задачи предлагается в радиационный монитор, включающий в себя последовательно соединенные детектор, усилитель, дискриминатор нижнего уровня, блок обработки со счетчиком, счетчиком фона, вычислителем порога, схемой сравнения и индикатор тревоги, дополнительно ввести в блок обработки генератор тактовых импульсов, регистр отсчета, вторую схему сравнения, две схемы И, схему ИЛИ и D-триггер. При этом предлагается между вышеуказанными блоками осуществить следующие связи. Выход дискриминатора нижнего уровня через информационный вход блока обработки соединить с входом счетчика. Выход счетчика соединить с информационными входами счетчика фона и регистра отсчета. Выход генератора тактовых импульсов подключить к управляющим входам счетчика фона, регистра отсчета и к управляющему входу D-триггера. Выход счетчика фона подключить к входу вычислителя порогов. Выход вычислителя порогов, соответствующий нижнему порогу, подключить к второму входу второй схемы сравнения, а выход вычислителя порогов, соответствующий верхнему порогу, подключить к второму входу первой схемы сравнения. Выход регистра отсчета соединить с первыми входами первой и второй схем сравнения. Прямой выход первой схемы сравнения подключить к входу схемы ИЛИ. Инверсный выход первой схемы сравнения подключить к входу первой схемы совпадения И, второй вход которой соединить с прямым выходом второй схемы сравнения. Выход первой схемы И подключить к информационному входу D-триггера. Прямой выход D-триггера подключить к второму входу второй схемы совпадения И, первый вход второй схемы И соединить с прямым выходом второй схемы сравнения. Выход второй схемы И подключить к входу схемы ИЛИ. И, наконец, выход схемы ИЛИ соединить с индикатором тревоги.

Как показывают расчеты (см. ниже), применение двух пороговых уровней позволяет по сравнению с методом Неймана-Пирсона снизить на два порядка вероятность ложной тревоги при сохранении практически постоянной вероятности пропуска источника либо в 10-20 раз уменьшить вероятность пропуска источника при равных значениях вероятности ложной тревоги. При этом, как показывают эксперименты и анализ, среднее время мониторинга увеличивается очень незначительно. Таким образом достигается указанный технический результат.

Вероятность ложной тревоги α для предлагаемого способа в первом варианте равна

где P - вероятность, знак / означает "при условии".

Второй член в этом выражении в практически интересных случаях пренебрежимо мал.

Так, при типовых значениях для радиационных мониторов N_f = 100 с¹, Δt = 1 с, i₁ = 4, i₂ = 5 значение P(x₁ > a + 5 ) имеет порядок 10⁷, тогда как два сомножителя во втором слагаемом выражения (4) имеют порядок 10⁵, так что их произведение пренебрежимо мало. Поэтому имеет

где α_н - вероятность ложной тревоги в критерии Неймана-Пирсона с i = i₂.

Аналогично предыдущему доказывается, что для предлагаемого способа вероятность пропуска источника β приблизительно равна значению β_н в способе Неймана-Пирсона при i = i₁:
β ≈ β_н(i₁), (6)
Если положить, например, i₁ = 4, i₂ = 5, то видим из (5 - 6), что переход от способа Неймана-Пирсона с i = 4 к предлагаемому способу с порогами L₁ = a + 4 , L₂ = a + 5 позволяет, практически сохранив значение вероятности пропуска источника β ≈ β_н(i = 4), уменьшить вероятность ложной тревоги с α_н(i = 4) = 3 · 10⁵ до α = α_н(i = 5) = 4 · 10⁷, т.е. почти на два порядка.

Соотношения (5 - 6) справедливы и для второго варианта. Лишь при очень малых значениях интенсивности источника S, когда в соотношении (4) становится весомым второе слагаемое, алгоритм, положенный в основу второго варианта, несколько превосходит по точности первый вариант, уступая ему в простоте реализации.

Изобретение осуществляют следующим образом. Задаются значениями коэффициентов i₁, i₂ и интервалом времени Δt. Для фонового значения N_fΔt, измеренного за относительно большой промежуток времени T > Δt, по вышеуказанным соотношениям (2 - 3) определяют нижний L₁ и верхний L₂ пороговые уровни. Проводят регистрацию числа γ-квантов x_i за промежуток времени, равный Δt, и сравнивают его значение с нижним и верхним пороговыми уровнями. При недостижении числа γ-квантов нижнего порогового уровня, т.е. при x_i < L₁, судят об отсутствии радионуклида. При превышении числа γ-квантов верхнего порогового уровня, т.е. при х_i > L₂, судят о наличии радионуклида. При попадании числа γ-квантов в интервал между верхним и нижним пороговыми уровнями, т.е. при L₁≅ x_i ≅ L₂, производят дополнительную регистрацию γ-квантов x_i+1 за следующий интервал времени, равный Δt. В дальнейшем по первому варианту сравнивают число γ-квантов, зарегистрированных в интервал времени, следующий за последним, с нижним пороговым уровнем. При превышении указанного числа нижнего порогового уровня, т.е. при x_i+1 > L₁, судят о наличии радионуклида. По второму варианту сравнивают полусумму числа γ-квантов, зарегистрированных в двух последних регистрациях, с нижним пороговым уровнем. При превышении указанного числа нижнего порогового уровня, т.е. при (x_i + x_i+1)/2 > L₁, судят о наличии радионуклида.

В качестве примера конкретного выполнения можно привести следующее. Регистрировали γ-кванты сцинцилляционным детектором на основе монокристалла NaJ. За период времени T = 16 с зарегистрировали интенсивность фона N_f = 100 с¹. Интервал Δt устанавливался равным 1 с. В качестве источника использовали таблетку U-235 с интенсивностью излучения S = 60 с¹. Первая регистрация после появления источника показала x_i = 148. Для i₁ = 4 и i₂ = 5 нижний пороговый уровень L₁ = 140, а верхний пороговый уровень L₂ = 150. Таким образом, поскольку результат регистрации γ-квантов попал в интервал между нижним и верхним пороговыми уровнями, была проведена дополнительная регистрация γ-квантов за следующий период Δt = 1 с, при этом была получена величина x_i+1 = 146, что выше нижнего порогового уровня и в первом варианте предлагаемого способа позволило сделать вывод о наличии радионуклида.

Для второго варианта при тех же условиях полусумма двух последних регистраций составляет 147, что выше нижнего порогового уровня и, как и в первом варианте, позволяет сделать вывод о наличии радионуклида. Заметим, что метод Неймана-Пирсона при i = 5 с порогом L = 150 не обнаружил источника.

На чертеже представлена функциональная схема радиационного монитора, где 1 - детектор, 2 - усилитель, 3 - дискриминатор нижнего уровня, 4 - блок обработки, 5 - счетчик, 6 - генератор тактовых импульсов, 7 - регистр отсчета, 8 - счетчик фона, 9 - вычислитель порога, 10 - первая схема сравнения, 11 - вторая схема сравнения, 12 - первая схема совпадения И, 13 - D-триггер, 14 - вторая схема совпадения И, 15 - схема ИЛИ, 16 - индикатор тревоги.

Поясним назначение и построение отдельных узлов предлагаемого радиационного монитора.

В качестве детектора 1 используются сцинциляционные детекторы γ-излучений на основе монокристаллов NaJ и пластмасс. Дискриминатор нижнего уровня ограничивает энергетический диапазон снизу. Блок обработки 4, включающий в себя счетчик 5, генератор тактовых импульсов 6, регистр отсчета 7, счетчик фона 8, вычислитель порогов 9, две схемы И, D-триггер и схему ИЛИ, может быть выполнен на микропроцессоре, например, 1816ВЕ31.

Поясним работу его отдельных узлов. Счетчик 5 подсчитывает число импульсов на интервалах длительностью Δt. Генератор тактовых импульсов 6 задает частоту опроса f = 1/Δt. Счетчик фона 8 вычисляет сумму импульсов на интервале T > Δt, например T = 16Δt, рассчитывает величину a = N_fΔt и выдает значение a за каждый интервал опроса. Вычислитель порогов 9 рассчитывает нижний порог (первый выход) и верхний порог (второй выход). Первая схема сравнения 10 реализует неравенство x_i > L₂. На ее первый вход подается отсчет x_i из регистра отсчета 7, а на второй вход - верхний порог L₂. Первая схема сравнения выдает сигнал 1 по прямому выходу, если x_i > L₂, и 0 по инверсному выходу и наоборот при x_i ≅ L₂. Вторая схема сравнения 11 реализует неравенство x_i > L₁ и выдает 1 по прямому выходу, если это условие выполнено. Блоки И 12 и 14, D-триггер 13 предназначены для хранения условия L₁ < x_i ≅ L₂ в последнем такте. На выходе схемы И 12 появляется сигнал при L₁ < x_i ≅ L₂. В этом случае при появлении очередного (i + 1)-го импульса от генератора тактовых импульсов 6 сигнал с выхода схемы И 12 переводит D-триггер в состояние 1 и открывает схему И 14 по второму входу. Теперь, если x_i+1 > L₁, сигнал со схемы сравнения 11 через схему И 14 и схему ИЛИ 15 пройдет на индикатор тревоги 16.

Монитор работает следующим образом. В начальный момент D-триггер, хранящий условие L₁ < x_i ≅ L₂, устанавливается в 0. Импульсы от детектора 1, усиленные и прошедшие через дискриминатор нижнего уровня 3, поступают на счетчик 5, где сосчитываются на интервале длительностью Δt. Счетчик фона 8 сосчитывает импульсы на интервале длительностью T = 16Δt и приводит их к длительности интервала Δt, т.е. рассчитывает величину a = N_fΔt. В моменты опороса, определяемые генератором тактовых импульсов 6, на первые входы схем сравнения 10 и 11 поступают отсчеты x_i из регистра 7. На второй вход схемы сравнения 10 подается верхний порог L₂ и при x_i > L₂ через схему ИЛИ 15 поступает сигнал на индикатор тревоги. Схема сравнения 11 сравнивает x_i с нижним порогом и при x_i ≅ L₁ не возникает сигнала тревоги. При L₁ < x_i ≅ L₂ открывается схема И 12 и сигнал поступает на D-триггер 13 по информационному входу. При выполнении этого условия следующий (i + 1)-й импульс от генератора тактовых импульсов 6 установит выход D-триггера 13 в состояние 1 и откроет схему И 14 по второму входу. При x_i+1 > L₁ через схемы И 14, ИЛИ 15 сигнал пройдет на индикатор тревоги. При x_i ≅ L₁ источник не обнаруживается.

Формула изобретения

1. Способ радиационного мониторинга, заключающийся в регистрации интегрального числа γ -квантов за равные интервалы времени заданной продолжительности Δt, определении на основании этих измерений порогового уровня и сравнении значения интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, с пороговым уровнем, отличающийся тем, что выбирают следующие друг за другом интервалы времени регистрации интегрального числа γ-квантов, определяют два пороговых уровня: нижний L₁ и верхний L₂, при превышении интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, над верхним пороговым уровнем судят о наличии радионуклида, при недостижении интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, нижнего порогового уровня судят об отсутствии радионуклида, при попадании интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, в интервал между верхним и нижним пороговыми уровнями производят дополнительную регистрацию интегрального числа γ-квантов в интервал времени, следующий за последним, сравнивают это число γ-квантов со значением нижнего порогового уровня, а о наличии радионуклида судят по превышению интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в интервал времени, следующий за последним, над значением нижнего порогового уровня.

2. Способ радиационного мониторинга, заключающийся в регистрации интегрального числа γ-квантов за равные интервалы времени заданной продолжительности Δt, определении на основании этих измерений порогового уровня и сравнения значения интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, с пороговым уровнем, отличающийся тем, что выбирают следующие друг за другом интервалы времени регистрации интегрального числа γ-квантов, определяют два пороговых уровня: нижний L₁ и верхний L₂, при превышении интегрального числа γ-квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, над верхним пороговым уровнем судят о наличии радионуклида, при недостижении интегрального числа γ- квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, нижнего порогового уровня судят об отсутствии радионуклида, при попадании интегрального числа γ- квантов, зарегистрированных в последний интервал времени, в интервал между верхним и нижним пороговыми уровнями производят дополнительную регистрацию интегрального числа γ-квантов в интервал времени, следующий за последним, сравнивают полусумму числа γ-квантов, зарегистрированных в двух последних регистрациях, со значением нижнего порогового уровня, а о наличии радионуклида судят по превышению полусуммы числа γ-квантов, зарегистрированных в двух последних регистрациях, над значением нижнего порогового уровня.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что нижний пороговый уровень определяют из выражения

где 3 ≅ i₁ ≅ 6 коэффициент;
a = NfΔt,
где Nf интенсивность фона.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что верхний пороговый уровень определяют из выражения

где коэффициент i₂ определяют из условия i₂ > i₁, i₂ ≅ i₁ + 1.

5. Способ по пп.3 и 4, отличающийся тем, что интенсивность фона определяют усреднением интегральных чисел γ-квантов, измеренных за период времени Т, предшествующий последней регистрации.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что период времени Т выбирают из условия
10Δt ≅ T ≅ 40Δt.
7. Радиационный монитор, содержащий последовательно соединенные детектор, усилитель, дискриминатор нижнего уровня, блок обработки с включенными в него счетчиком, счетчиком фона, вычислителем порога, схемой сравнения и индикатор тревоги, отличающийся тем, что блок обработки дополнительно содержит генератор тактовых импульсов, регистр отсчета, вторую схему сравнения, две схемы И, схему ИЛИ, D-триггер, причем выход дискриминатора нижнего уровня через информационный вход блока обработки соединен с входом счетчика, выход счетчика соединен с информационными входами счетчика фона и регистра отсчета, выход генератора тактовых импульсов подключен к управляющим входам счетчика фона, регистра отсчета и к управляющему входу D-триггера, выход счетчика фона подключен к входу вычислителя порогов, выход вычислителя порогов, соответствующий нижнему порогу, подключен к второму входу второй схемы сравнения, выход вычислителя порогов, соответствующий верхнему порогу, подключен к второму входу первой схемы сравнения, выход регистра отсчета соединен с первыми входами первой и второй схем сравнения, прямой выход первой схемы сравнения подключен к входу схемы ИЛИ, инверсный выход первой схемы сравнения подключен к входу первой схемы совпадения И, второй вход которой соединен с прямым выходом второй схемы сравнения, выход первой схемы И подключен к информационному входу D-триггера, прямой выход D-триггера подключен к второму входу второй схемы совпадения И, первый выход которой соединен с прямым выходом второй схемы сравнения, выход второй схемы И подключен к входу схемы ИЛИ, выход схемы ИЛИ соединен с индикатором тревоги.

РИСУНКИ

Рисунок 1