Способ динамического радиационного контроля
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, конкретнее к измерению радиоактивности объектов, более конкретно к способам выявления радиоактивных источников на обследуемой территории и в движущихся объектах. Сущность изобретения заключается в том, что способ динамического радиационного контроля, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χi детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χф, отличающийся тем, что в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как ,
где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона, вычисляют разность , значения которой сравнивают с порогом К, являющимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χi, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χф. Технический результат - повышение надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. 1 ил.
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, конкретнее к измерению радиоактивности объектов, более конкретно к способам выявления радиоактивных источников на обследуемой территории и в движущихся объектах. Наибольшее применение способ найдет при радиационном мониторинге различных территорий и объектов с помощью систем детектирования радиации, установленных на транспортных средствах, например на автомобилях, а также с помощью систем, установленных на контрольно-пропускных пунктах, пунктах приема и переработки вторичного сырья, металлолома, промышленных и бытовых отходов.
Известен способ радиационного контроля движущихся объектов, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайне мере, одним детектором, установленным в зоне контроля, через которую перемещаются упомянутые объекты, непрерывное измерение текущих значений потока излучения, регистрируемого детектором, сравнение упомянутых значений с порогом постоянной величины, при превышении которого потоком регистрируемого излучения судят о наличии радиоактивности в контролируемых объектах [1].
Недостатком известного способа является низкая чувствительность обнаружения в связи с тем, что порог необходимо устанавливать заметно превышающим (в 1,5-2 раза) уровень естественного фона в зоне контроля из-за его возможных колебаний в процессе контроля, вызванных, например, осадками, пылью, нестабильностью аппаратуры и др.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ динамического радиационного контроля, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χi детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χф [1].
В прототипе фон χф определяется путем усреднения многих значений χi в отсутствие объекта в зоне контроля. Порог χпор превышает уровень естественного фона χф на величину Δχ=mσ, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора n=3-8. В процессе контроля порог не является постоянной величиной и должен корректироваться в соответствии с изменением уровня фона (необходимо изменять порог за счет смещения среднего значения фона χф и величины стандартного отклонения сигнала детектора σ, зависящей от уровня фона).
Недостатком прототипа является низкая надежность обнаружения слабоинтенсивных радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося радиационного фона. Это связано с непостоянством величины порога и определенной инерцией его корректировки в процессе контроля, неточностью оценки величины стандартного отклонения сигнала детектора. Для обнаружения слабоинтенсивных источников величина Δχ не должна превышать 3-4σ. В случае быстрых изменений фона величины χф и Δχ могут не соответствовать изменяющемуся фону и из-за неточности установки порога слабые источники могут быть не выявлены. С другой стороны, возрастает вероятность ложных срабатываний из-за возможного превышения флуктуациями фона достаточно низкого не точно определенного порога.
Технический результат предлагаемого способа заключается в повышении надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. Такие изменения могут быть связаны с изменением уровня естественного фона при движении транспорта с системой детектирования, появлением осадков, пыли, перемещением различных объектов, в том числе объектов, обладающих радиоактивностью, вблизи зоны контроля.
Указанный технический результат достигается предлагаемым способом динамического радиационного контроля, включающим регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χi детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χф, в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как
где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона,
вычисляют разность 
значения которой сравнивают с порогом К, являющимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χi, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χф.
Отличительными признаками является то, что в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как
где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона,
вычисляют разность значения которой сравнивают с порогом К, отличающимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность при наличии объекта в зоне контроля превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χi,, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χф.
Новые существенные признаки предлагаемого способа обеспечивают повышение надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. Кроме того, обеспечивается независимость порога срабатывания от уровня фона и его постоянство в процессе контроля, что повышает надежность функционирования устройств, реализующих способ.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена схема реализации радиационного контроля движущихся объектов.
Устройство, реализующее способ, содержит детекторы 1, 2, стационарно установленные в зоне контроля, через которую следуют контролируемые объекты 3 (транспортные средства с грузами, в которых могут находиться радиоактивные источники). В качестве детекторов могут применяться крупногабаритные пластмассовые сцинтилляторы с фотоэлектронными умножителями.
Способ реализуется следующим образом. В отсутствие объекта 3 в зоне контроля детекторы 1, 2 регистрируют фоновое излучение. Производится непрерывное измерение количества импульсов детекторов за единичный временной интервал, например за одну секунду. Результаты каждого измерения χi направляются в вычислительное устройство (компьютер). Учитывая возможные изменения фона в зоне контроля, установленные опытным путем, вычисляют число m измерений величин χi, для определения уровня фона χф по формуле
где σ - стандартное отклонение сигнала детектора (количества импульсов за единичный временной интервал) для минимального значения фона;
S- максимальное значение крутизны возможного изменения фона, равное приращению количества импульсов детектора при изменении фона за единичный временной интервал (одно измерение).
Вычислительное устройство суммирует m значений χi и определяет величину фона χф следующим образом
где i - текущий номер единичного временного интервала, в течение которого осуществляются подсчет количества импульсов детектора.
Первое значение χф при запуске способа контроля определяется после m-ого измерения величины χi. В дальнейшем значение χф обновляется каждый раз после появления очередного результата измерения χi, проведения вычислений значений 
и 
и сравнения разности 
с порогом К. В случае, если указанная разность не превышает порог, текущие значения χi учитываются при определении очередного значения фона χф по выражению (2), при этом величина χi - m исключается из вычислений фона χф. Таким образом, величина χф постоянно обновляется, что обеспечивает отслеживание возможных изменений фона в зоне контроля.
В связи с тем, что число m измерений величины χi для определения фона исчисляется из выражения (1), величина χф может отличаться от истинного значения изменяющегося фона на величину не более половины значения стандартного отклонения сигнала детектора σ. Поэтому при отсутствии радиоактивности в объекте разность обусловленная изменяющимся фоном, не превышает 0,25, что значительно ниже устанавливаемого порога К и не оказывает существенного влияния на обнаружения радиоактивности в объекте.
Если текущее значение разности 
превышает порог К, то это свидетельствует об обнаружении радиоактивности в объекте. В этом случае величина χi не включается в сумму (2) и не влияет на определение значения фона χф, остающегося неизменным до появления нового измерения величины χi, при которой разность 
не превышает порог. Это значение χi включается в сумму (2) и величина χф продолжает обновляться, осуществляя слежение за фоном. Таким образом, наличие радиоактивности в объекте не искажает результаты измерения фона.
При обнаружении радиоактивности с порогом сравниваются не абсолютные значения χ, как в прототипе, а функция 
Производная этой функции y' равна
В прототипе составляющая порога Δχ определяется приращением сигнала, вызывающим срабатывание системы обнаружения 
Приращение dy, вызывающее срабатывание системы в предлагаемом способе, для эквивалентного прототипу порога с учетом (3) определяется как
Таким образом, порог срабатывания в предлагаемом способе не зависит от величины сигнала детектора и от уровня фона в зоне контроля, что уменьшает влияние изменений фона на процесс обнаружения радиоактивности в объекте. Существенным в данном случае является то, что стандартное отклонение сигналов yi и yф является постоянной величиной во всем диапазоне изменения сигнала xi, и поэтому не требуется корректировки порога срабатывания при изменении уровня сигнала детектора.
В прототипе величина фона определяется путем усреднения некоторого количества значений xi, не связанных со стандартным отклонением сигнала σ и крутизной изменения фона, при этом порог срабатывания зависит от величины фона и постоянно корректируется в процессе контроля. Это приводит к тому, что при относительно быстрых изменениях фона могут наблюдаться ложные срабатывания из-за несоответствия величины порога текущему значения фона. С другой стороны, может падать чувствительность обнаружения, если порог излишне завышен.
Пример 1.
При реализации способа используется детектор, частота следования импульсов которого при уровне фона 0,1 мкЗв/ч равна 900 имп/с. Время единичного измерения составляет 1 с. Фон в процессе контроля изменяется от 0,1 мкЗв/ч до 0,15 мкЗв/ч. Частота импульсов детектора при максимальном значении фона равна 1350 имп/с. Скорость изменения S фона составляет 10 имп за 1 секунду. Порог К устанавливается равным 2, что соответствует вероятности ложных тревог не более 10-4. Стандартное отклонение σ сигнала xi детектора за время 1 секунда при минимальном уровне фона равно 30.
Значение величины m, определяемое условием (1), равно 3. Величина фона, определяемая соотношением (2), при изменении фона со скоростью 10 имп/с, будет отличаться от его значения в точке i не более чем на 15 импульсов. Разность 
составляет 0,25, что существенно ниже порога К=2. В связи с этим при увеличении фона ложные тревоги отсутствуют. В процессе изменения фона порог остается постоянным и вероятность ложных тревог также не изменяется, т.к. стандартное отклонение сигналов 
и 
при любых значениях xi является постоянной величиной.
При тех же значениях фона, частоты следования импульсов детектора, количества усреднений значений xi, равного 30, пороге срабатывания 4σ=120 для прототипа отклонение вычисленного значения фона xф при изменении фона составит 150 импульсов, что приведет к ложной тревоге. В связи с несоответствием порога срабатывания изменяющемуся значению фона и величине σ будет возрастать вероятность ложных тревог при росте величин xi и xф.
Пример 2
При тех же условиях реализации способа, что и в примере 1, только фон уменьшается от 0,15 мкЗв/ч до 0,1 мкЗв/ч. В прототипе отклонение величины 
в сторону уменьшения составит 0,25. С учетом выбранного порога К=2 чувствительность обнаружения уменьшится не более чем на 15%.
Для прототипа для тех же условий чувствительность обнаружения уменьшится более чем в 2 раза.
Пример 3
При тех же условиях реализации способа, что в примере 1, но скорость изменения фона составляет 5 импульсов за 1 секунду. Величина фона, определяемая соотношением (2), при изменении фона со скоростью 5 имп/с, будет отличаться от его значения в точке i не более чем на 7 импульсов. Разность 
составляет 0,12, что существенно ниже порога К=2.
Вероятность ложной тревоги при этом не превысит 10-4.
В прототипе отклонение вычисленного значения фона xф при изменении фона составит 75 импульсов (половина от величины порога). Это приведет к возрастанию вероятности ложной тревоги до 10-2, что существенно выше, чем для прототипа.
Пример 4
В случае, если скорость изменения фона составляет 1 имп/с, вероятность ложной тревоги практически не изменяется для предлагаемого способа. Для прототипа вероятность ложной тревоги возрастает приблизительно в 2 раза.
Таким образом, предлагаемый способ обеспечивает повышение надежности обнаружения радиоактивных источников в условиях быстроменяющегося фона. Кроме того, обеспечивается независимость порога срабатывания от уровня фона и его постоянство в процессе контроля, что повышает надежность функционирования устройств, реализующих способ.
ЛИТЕРАТУРА
1. RU 2094821 С 1, Бюллетень №30 от 2710.97 г.
2. Н.П.Валуев, Ю.В.Мойш, Н.В.Никоненков «Проблемы радиационного контроля металлолома». Бюллетень «Черная металлургия», 1997, №9, с.7-9.
Способ динамического радиационного контроля, включающий регистрацию ионизирующего излучения, по крайней мере, одним детектором, непрерывное измерение за единичный временной интервал количества импульсов χi детектора, пропорционального потоку регистрируемого излучения, определение величины фона χф, отличающийся тем, что в процессе контроля непрерывно определяют величину фона как 
где m - положительное число, удовлетворяющее условию m≤σ/S, где σ - стандартное отклонение сигнала детектора для минимально возможного значения фона, S - максимально возможное значение крутизны изменения фона, вычисляют разность 
, значения которой сравнивают с порогом К, являющимся безразмерной постоянной в процессе контроля величиной в пределах от 1 до 4, и в случае, если указанная разность превышает порог К, судят о наличии радиоактивности в объекте контроля, а значения χi, при которых упомянутая разность превышает порог, исключают из процесса определения величины χф.
