Система для измерения по гамма-излучению загрязнённости окружающей среды, вызванной радиоактивным выбросом радиационно-опасных предприятий

Изобретение относится к средствам для оценки радиационной обстановки окружающей среды. Сущность: настоящая система размещена на наземном комплексе (7) обработки и управления измерительной информацией и беспилотном летательном аппарате (2). Система включает гамма-спектрометрическую установку (1), устройство (10) автоматического пробоотбора, а также приемно-передающий блок (17) бесконтактного управления устройством (10) автоматического пробоотбора, первый и второй таймеры (14, 15), одновибратор (16), приемно-передающие блоки (21, 22) управления полетом беспилотного летательного аппарата (2), блоки (23, 24) определения координат летательного аппарата, лазерный высотомер (25). Гамма-спектрометрическая установка (1) включает спектрометрический блок (3) детектирования, блок (4) усиления, блок (5) амплитудно-цифрового преобразования, блок (6) бесконтактной передачи измерительной информации, блок (8) приема измерительной информации, анализатор (9) спектра, высоковольтный блок (19) питания, низковольтный источник (20) питания. Устройство (10) автоматического пробоотбора включает воздуходувку (11) с расходомером газо-аэрозольной смеси, лентопротяжный механизм (12) фильтрующей ленты, расположенной над воздуходувкой (11) и над спектрометрическим блоком (3) детектирования гамма-спектрометрической установки (1), электродвигатель (13), вал которого конструктивно связан с подающей бобиной лентопротяжного механизма (12), приемно-передающий блок (18) бесконтактного управления устройством (10) автоматического пробоотбора. На беспилотном летательном аппарате (2) размещены устройство (10) автоматического пробоотбора, приемно-передающий блок (21) управления полетом беспилотного летательного аппарата (2), блок (23) определения координат летательного аппарата, лазерный высотомер (25), а также следующие блоки гамма-спектрометрической установки (1): спектрометрический блок (3) детектирования, блок (4) усиления, блок (5) амплитудно-цифрового преобразования, блок (6) бесконтактной передачи измерительной информации, высоковольтный блок (19) питания, низковольтный источник (20) питания. На наземном комплексе (7) обработки и управления измерительной информацией размещены блок (24) определения координат летательного аппарата, приемно-передающий блок (22) управления полетом беспилотного летательного аппарата (2), первый и второй таймеры (14, 15), одновибратор (16), приемно-передающий блок (17) бесконтактного управления устройством (10) автоматического пробоотбора, а также блок (8) приема измерительной информации и анализатор (9) спектра гамма-спектрометрической установки (1). Технический результат: повышение точности результатов измерений, расширение функциональных возможностей, упрощение структурной схемы системы, обеспечение безопасности обслуживающего персонала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области ядерно-физической техники и может быть использовано для контроля радиационной обстановки на ядерно-опасных объектах, включая атомные электростанции (АЭС), как при нормальной их эксплуатации, так и в аварийных ситуациях.

Техническим результатом заявленного изобретения является возможность повышения точности и чувствительности измерений радиоактивного загрязнения как в воздушном выбросе, так и на подстилающей поверхности, а также обеспечение безопасности обслуживающего персонала при контроле радиационной обстановки.

Из имеющихся в настоящее время технических средств известно устройство для измерения объемной активности газо-аэрозольных выбросов АЭС с помощью установки радиометрической РКС-07 (Установка радиометрическая РКС-07П. ЖШ1.289.404ПС. ОАО Пятигорский завод, г. Пятигорск), работа которой основана на автоматическом отборе проб из вентиляционных труб реакторной установки аэрозольных и газовых компонентов с последующим измерением объемной активности отобранных газовых проб по бета-излучению и аэрозольных проб йода по бета- и гамма-излучению. Недостатком данного устройства является, во-первых, отсутствие возможности контроля общей загрязненности радиоактивными продуктами не только на самой станции, но также на подстилающей поверхности участка земли, попавшего в зону радиоактивного выброса, включая санитарно-защитную зону и зону наблюдения вблизи АЭС. Во-вторых, данное устройство не позволяет контролировать нуклидный состав составляющих выброса, что необходимо знать при оценке дозовой нагрузки на население и персонал станции особенно в аварийных ситуациях. Средства измерений, используемые в настоящее время в стационарных постах контроля систем АСКРО, позволяют контролировать параметры газо-аэрозольного выброса (объемную активность, радионуклидный состав и т.д.) только в том случае, если последние попадут в зону действия радиоактивного выброса. Поэтому для повышения точности измерений и минимизации указанной неопределенности посты контроля систем АСКРО комплектуют приборами для измерения метеопараметров (направление и скорость ветра, влажность, атмосферное давление и др.), а сами посты контроля размещаются в контролируемой зоне с учетом розы ветров.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является система, реализующая способ для осуществления дистанционного измерения загрязнения радионуклидами подстилающей поверхности в следе радиоактивного выброса радиационно-опасных предприятий (патент РФ на изобретение №2388018, опубликован 27.04.2010). В этой системе используются размещенные на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) и частично на средстве наземного передвижения дозиметр поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения, спектрометрическая установка, лазерный высотомер и блоки дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации. При этом средство наземного передвижения и летательный аппарат дополнительно снабжены блоками определения координат и приемо-передающими блоками дистанционного управления полетом летательного аппарата.

В процессе сканирования подстилающей поверхности по показаниям дозиметра в выбранной точке воздушного пространства на определенной высоте от сканирующей поверхности с помощью спектрометрической установки осуществляется регистрация дифференциального спектра. В процессе измерений полученная информация через блоки дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации поступает на регистрацию и обработку в средство наземного передвижения, содержащего анализатор гамма-спектра, в котором осуществляется расшифровка и обработка измеренного спектра с целью определения содержания отдельных радионуклидов с учетом их весовых коэффициентов. На основании полученных данных рассчитывают искомые парциальные концентрации радионуклидов в области загрязнения на подстилающей поверхности в следе радиоактивного выброса. Знание координат БПЛА и средства наземного передвижения позволяют с помощью специального программного обеспечения осуществить контроль радиоактивного загрязнения подстилающей поверхности.

К недостаткам данного устройства можно отнести, во-первых, отсутствие возможности контроля радиоактивной загрязненности в радиоактивном облаке, что не позволяет прогнозировать и, как следствие, контролировать в режиме реального времени радиационную обстановку на местности значительно удаленной от ядерно-опасного объекта. Во-вторых, низкая точность и чувствительность при измерении парциальных концентраций отдельных радионуклидов, входящих в состав измеряемой смеси, из-за «плохой» геометрии измерений, связанной с пространственным распределением радионуклидов в газо-аэрозольной смеси. В-третьих, применение в данном устройстве автономного дозиметра поглощенной дозы не является необходимым, так как наличие дифференциального спектра смеси радионуклидов, снятого за фиксированное время и обработанного на многоканальном анализаторе, позволяет с достаточной степенью точности определить мощность дозы, поглощенной в используемом детекторе гамма-излучения и, как следствие, в загрязненном воздухе (Лукашевич Р.В. и др. «Спектрометрический метод измерения мощности дозы гамма-излучения с использованием неорганических сцинтилляционных детекторов» ППСР-2009 XI Международное совещание, п. Агой, Краснодарский край, 20.09.2009). К недостаткам данного устройства можно также отнести наличие средства наземного передвижения, которое используется на загрязненной территории, что, в свою очередь, приводит к облучению как обслуживающего персонала, так и самого транспортного средства.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности измерения парциальных концентраций при контроле загрязненности радионуклидами газо-аэрозольного выброса в районе размещения ядерно-опасного объекта не только подстилающей поверхности, но и возможность контроля загрязненности в радиоактивном облаке. Кроме этого, изобретение направлено на упрощение структурной схемы системы, а также на обеспечение безопасности обслуживающего персонала.

Данная задача решается за счет того, что в систему для измерения загрязненности окружающей среды по гамма-излучению, вызванной радиоактивным выбросом радиационно-опасных предприятий, содержащую гамма-спектрометрическую установку, частично размещенную на БПЛА и включающую в свой состав последовательно соединенные спектрометрический блок детектирования, блок усиления и блок амплитудно-цифрового преобразования, выход которого через блоки дистанционной бесконтактной приемо-передачи измерительной информации связан с анализатором спектра, размещенном на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией, а также приемо-передающие блоки дистанционного управления полетом летательного аппарата, лазерный высотомер и блоки определения координат БПЛА и наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией, включено устройство автоматического пробоотбора, включающее в свой состав размещенные на БПЛА воздуходувку с расходомером газо-аэрозольной смеси, лентопротяжный механизм фильтрующей ленты с электродвигателем, фильтрующая лента которого расположена над воздуходувкой и над спектрометрическим блоком детектирования, блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора, а также размещенные на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией два таймера и одновибратор.

Сущность изобретения иллюстрируется фиг.1, на которой гамма-спектрометрическая установка 1, частично размещенная на БПЛА 2 и содержащая последовательно соединенные спектрометрический блок детектирования 3, блок усиления 4, блок амплитудно-цифрового преобразования 5, а также блок бесконтактной передачи измерительной информации 6, выход которого подключен к размещенному на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7 блоку бесконтактного приема измерительной информации 8, выход которого подключен к анализатору спектра 9. Кроме того, система дополнительно содержит устройство автоматического пробоотбора 10, включающее в свой состав размещенные на БПЛА 2 воздуходувку 11 с расходомером, лентопротяжный механизм 12, кинематически связанный с электродвигателем 13, фильтрующая лента которого расположена над воздуходувкой 11 и над спектрометрическим блоком детектирования 3, а также размещенную на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7 схему управления устройством автоматического пробоотбора, включающую первый таймер 14, второй таймер 15 и одновибратор 16, причем выход первого таймера 14 подключен ко входу одновибратора 16, выход которого связан со входом второго таймера 15, при этом выходы первого 14 и второго 15 таймеров, а также одновибратора 16 подключены через приемно-передающие блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора 17 и 18 к управляющим входам воздуходувки 11 с расходомером, блока амплитудно-цифрового преобразователя 5 и электродвигателя 13. При этом питание спектрометрического блока детектирования 3 осуществляется от высоковольтного блока питания 19, а питание электронной части схемы, размещенной на БПЛА 2 - от низковольтного источника питания 20. Кроме этого, управление БПЛА 2 осуществляется с наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией 7 с помощью приемо-передающих блоков управления полетом БПЛА 21 и 22, а определение координат БПЛА 2 и наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией 7, а также высота БПЛА 2 осуществляется соответственно с помощью блоков определения координат летательного аппарата 23 и 24 и лазерного высотомера 25.

На фиг. 2 показана временная диаграмма работы системы, где t₁ - время прокачки воздушной массы через фильтр, t₂ - время перемещения фильтра под детектор гамма-излучения, t₃ - время набора гамма-спектра многоканальным амплитудным анализатором, t₄ - время обработки спектра.

Система работает следующим образом.

Перед началом измерений радиоактивной загрязненности воздушного выброса или подстилающей поверхности в районе размещения ядерно-опасного объекта, командой оператора на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7, размещенном вне зоны радиоактивного загрязнения, на первом 14 и втором 15 таймерах устанавливаются выбранные времена экспозиции t₁ и t₃ соответственно (см. фиг. 2). Кроме этого, командой оператора с наземного комплекса обработки и управления измерительной информацией 7 с помощью приемно-передающих блоков 17 и 18 бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора осуществляется сброс и установка в ждущий режим блока амплитудно-цифрового преобразования 5, а также установка скорости прокачки воздуходувки 11 с расходомером.

В соответствии с диаграммой работы системы, представленной на фиг. 2, когда БПЛА находится в зависшем состоянии в загрязненном облаке или над загрязненной подстилающей поверхностью, процесс измерений начинается внешней командой «Пуск» на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией 7. При этом в момент времени t₀ включается первый таймер 14 на время t₁, в течение которого через приемно-передающие блоки 17 и 18 бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора на БПЛА 2 запускается воздуходувка 11 с расходомером, осуществляющая прокачку воздушной массы через установленную секцию ленточного аналитического фильтра лентопротяжного механизма 12. В качестве фильтра могут быть использованы ленточные или рулонные фильтры, имеющие способность сорбировать из радиоактивной воздушной массы аэрозоли, пары и частички пыли. Кроме этого, фильтры должны содержать вещества, способные связывать летучие газообразные радиоактивные соединения (И.И. Жерин, Г.Н. Амелина «Основы радиохимии, методы выделения и разделения радиоактивных элементов» Томский политехнический университет, 2009 г. ).

Для указанных целей могут быть использованы фильтрующие аналитические ленты типа НЭЛ, ЛФС и др. Известная по расходомеру воздуходувки 11 скорость прокачиваемой через фильтр воздушной массы за время t₁ позволяет определить объем газо-аэрозольного выброса, прокачанного через фильтр. Импульсом окончания времени t₁ первого таймера 14 происходит запуск одновибратора 16, в течение времени выдержки t₂ которого с помощью электродвигателя 13 происходит перемещение секции ленточного фильтра из-под воздуходувки 11 с расходомером к чувствительной поверхности спектрометрического блока детектирования 3 и автоматическое перемещение чистого участка ленточного фильтра под воздуходувку 11. В момент окончания времени выдержки t₂ одновибратора 16 с помощью приемно-передающих блоков 17 и 18 бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора осуществляется разблокировка по управляющему входу блока амплитудно-цифрового преобразователя 5, а также осуществляется запуск второго таймера 15 на ранее установленное время экспозиции t₃, в течение которого импульсы с выхода спектрометрического блока детектирования 3 после усиления в блоке усиления 4 поступают на регистрацию в блок амплитудно-цифрового преобразования 5. Информация с выхода блока амплитудно-цифрового преобразования 5 через блоки бесконтактной передачи измерительной информации 6 и бесконтактного приема измерительной информации 8 поступает на регистрацию в анализатор спектра 9. После окончания набора спектра импульсом окончания времени набора t₃ происходит запуск команды на время t₄, необходимое на расшифровку и обработку по заданной программе зарегистрированного спектра, в результате которой осуществляется его идентификация по энергиям и нуклидному составу, а также определение содержания каждого радионуклида, входящего в измеряемую смесь, и, как следствие, периоды полураспада каждого зарегистрированного радионуклида. Таким образом, по гамма-спектру от измеряемого фильтра, полученному на анализаторе спектра 9 и обработанного в данном анализаторе спектра 9 по известной программе обработки спектров, определяются требуемые параметры загрязненности в конкретной точке измерения. Если шкала анализатора спектра 9 предварительно градуирована в единицах энергии и при градуировке спектрометрического тракта определен «ход с жесткостью» в рабочем диапазоне энергий, то суммарное число импульсов в каждом канале анализатора спектра 9 будет пропорционально суммарной энергии, поглощенной в этом канале за время измерений t₃, а суммарное число импульсов под измеренным за это время спектром будет пропорционально дозе, поглощенной в спектрометрическом блоке детектирования 3 с учетом зависимости чувствительности детектора излучения, используемого в спектрометрическом блоке детектирования 3, от энергии регистрируемого гамма-излучения. От поглощенной дозы в указанном детекторе при необходимости можно перейти к дозе, поглощенной в воздухе, с помощью которой осуществляется измерение парциальных концентраций радионуклидов над загрязненной подстилающей поверхностью. При этом концентрирование на фильтре измеряемого радиоактивного источника вследствие прокачки газо-аэрозольного выброса, во-первых, улучшают геометрию измерений по сравнению с пространственным распределением источника радионуклидов, что приводит к улучшению аппаратурной линии и, как следствие, к улучшению параметров полученного спектра, а, во-вторых, наличие постоянной геометрии измерений обеспечивает необходимую воспроизводимость результатов не только при регистрации гамма-спектра, но и при измерении поглощенной дозы.

По полученным результатам, зная по расходомеру скорость прокачки воздуха через воздуходувку 11 и время прокачки, можно определить объем воздуха, прокачанного через фильтр, что позволяет определить объемную или удельную активность газо-аэрозольного выброса в данной точке. При этом управление полетом БПЛА осуществляется с помощью приемо-передающих блоков 21 и 22 управления полетом БПЛА, а координаты конкретной точки измерения определяются по координатам и высоте зависания летательного аппарата с помощью блоков 23 и 24 определения его координат и лазерного высотомера 25.

Результаты, полученные от вышеуказанных измерений, проведенные в различных точках окружающей среды на разных секциях ленточного фильтра, позволяют аппроксимировать радиационную обстановку региона, включая дозовую нагрузку на население, а также прогнозировать ее изменение во времени.

1. Система для измерения по гамма-излучению загрязненности окружающей среды, вызванной радиоактивным выбросом радиационно-опасных предприятий, содержащая гамма-спектрометрическую установку, частично размещенную на беспилотном летательном аппарате и включающую в свой состав последовательно соединенные спектрометрический блок детектирования, блок усиления и блок амплитудно-цифрового преобразования, выход которого через блок бесконтактной передачи измерительной информации связан с анализатором спектра, размещенном на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией и снабженном блоком бесконтактного приема измерительной информации, а также лазерный высотомер, обеспечивающий измерение высоты сканирования подстилающей поверхности, причем беспилотный летательный аппарат и наземный комплекс обработки и управления измерительной информацией снабжены блоками определения координат летательного аппарата и приемо-передающими блоками управления полетом летательного аппарата, отличающаяся тем, что система содержит устройство автоматического пробоотбора, включающее в свой состав размещенные на беспилотном летательном аппарате воздуходувку с расходомером газо-аэрозольной смеси, лентопротяжный механизм фильтрующей ленты, расположенной над воздуходувкой и над спектрометрическим блоком детектирования, приемно-передающие блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора, а также размещенные на наземном комплексе обработки и управления измерительной информации первый таймер, второй таймер и одновибратор, причем выход первого таймера подключен ко входу одновибратора, выход которого связан со входом второго таймера, при этом выходы первого таймера, второго таймера и одновибратора подключены через приемно-передающие блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора к управляющим входам воздуходувки, блока аналого-цифрового преобразователя и электродвигателя, а вал электродвигателя конструктивно связан с подающей бобиной лентопротяжного механизма.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что наземный комплекс обработки и управления измерительной информацией выполнен стационарным и размещен в радиационно-безопасной зоне.