Выбор параметров детекторов высокочувствительных дозиметрических систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 669; 621.039.7

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ДЕТЕКТОРОВ

ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ДОЗИМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ Н.П. Валуев

доктор технических наук, доцент, профессор

кафедры химии и материаловедения

Академия гражданской защиты МЧС России

Адрес: 141435, Московская обл., г. Химки, мкр. Новогорск

E-mail: npvaluev@mail.ru

O.B. Лысова

помощник оперативного дежурного Департамента гражданской обороны и пожарной безопасности г. Москвы E-mail: lvsova_olga@mail.ru

C.B. Дегтярев

кандидат химических наук, доцент заведующий кафедрой химии и материаловедения Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г. Химки, мкр. Новогорск E-mail: dsdx@bk.ru

n.M. Юданов

кандидат технических наук, преподаватель

кафедры химии и материаловедения

Академия гражданской защиты МЧС России

Адрес: 141435, Московская обл., г. Химки, мкр. Новогорск

E-mail: renol28@vandex.ru

Аннотация. В статье излагается научно-методический аппарат для определения основных параметров детекторов систем дозиметрического контроля радиационной обстановки. Аппарат позволяет рассчитать массо-габаритные характеристики детекторов в зависимости от требуемой величины стандартного отклонения, уровня радиационного фона и энергии излучения. Ключевые слова: радиационная авария, дозиметрическая система, контроль радиационной обстановки.

Цитирование: Валуев Н.П., Лысова О.В., Дегтярев C.B., Юданов U.M. Выбор параметров детекторов высокочувствительных дозиметрических систем // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2017. № 4 (35). С. 121-126.

В настоящее время все большую остроту приобретает проблема обеспечения радиоэкологической безопасности окружающей среды, территории крупных городов, проживающего в них населения [1]. В Академии гражданской защиты МЧС России проводятся работы по разработке и применению в МЧС эффективных средств контроля радиационной обстановки. Одним из направлений работ является создание высокочувствительных до-

зиметрических систем, обеспечивающих своевременное обнаружение радиационных аномалий и реагирование на изменение радиационной обстановки. Основным элементом высокочувствительных дозиметрических систем является блок детектирования, обеспечивающий регистрацию излучения в широком диапазоне (0,05-ЗМэВ) энергий 7-квантов при стандартном отклонении показаний около 1 нЗв/ч за время порядка 1 секунды. Такие параметры

контроля достигаются за счет использования крупногабаритных (0,5-1,5 м) ецинтилляцион-ных детекторов на основе полистирола, активированного р-терфинилом и фенилоксазолом [3,41.

Существующий научно-методический аппарат обоснования применения высокочувствительных дозиметрических систем не учитывает связь метрологических характеристик систем (стандартного отклонения, порога обнаружения) с геометрическими параметрами детекторов, энергии регистрируемых 7-квантов и уровнем радиационного фона в зоне контроля, что не дает возможности определить минимальные размеры детекторов, обеспечивающих требуемые характеристики обнаружения радиационных аномалий.

Целью данной работы является определение геометрических параметров детекторов, обеспечивающих проведение эффектив-

ного радиационного контроля при минимальных габаритах детекторов (минимальной стоимости дозиметрических систем) и требуемой точности обнаружения радиационных аномалий.

Для определения размеров (чувствительного объема) детекторов высокочувствительных дозиметрических систем рассмотрена зависимость показаний системы от мощности дозы потока излучения, падающего на чувствительную поверхность детектора. Мощность ДР поглощенного 7-излучения в элементарном объеме воздуха площадью Б и высотой ё (Рисунок 1) определяется как разность между мощностью Р0, падающего на площадку Б потока излучения, и мощностью Рпр, прошедших) через этот объем в направлении ё потока излучения:

ДР = Ро — Рпр. (1)

Рисунок 1 - К определению мощности дозы 7-излучения

Для мононаправленного моноэнергетического пучка 7-квантов, плотность потока которого составляет по (м-2 х с—1), а энергия

Д

лить следующим образом:

ДР = п0вЕ — п0вЕ ехр(—^мэрй) =

= повЕ[1 — ехр>(—^шэр(1)\, (2)

где ^мэ - массовый коэффициент поглощения энергии 7-квантов в воздухе, м2/кг;

р-плотность воздуха, кг/м3. Для малых ^жэрй

ДРв = поБЕ^мэрй.

(3)

Мощность ДРд поглощенной в воздухе дозы 7-излучения с учетом (3) определяется как

ДР

ДРв =- = Щ Еим э(Дж - кг -с ), (4)

т

где т = вйр -масса воздуха в его облучаемом объеме, кг.

Видно, что мощность поглощенной дозы прямо пропорциональна плотности потока 7-

Валуев Н.П., Лыеова О.В., Дегтярев С.В., Юданов П.М.

квантов и произведеннию их энергии Е на массовый коэффициент поглощения ^мэ. Величина ^мэ при изменении Е от 0,01 до 0,1 МэВ падает от 0,465 до 0,023 м2/кг и далее с ростом Е увеличивается до 0,027 м2/кг [5].

Если мощность поглощенной дозы представлять в нГр/ч, по - в единицах см2 х с-1, Е - в МэВ, а в см2/г, то выражение (4) представляется следующим образом:

Рв = 583п0Е^мэ, нГр/ч. (5)

На Рисунке 2 приведена графическая интерпретация выражения (5) щ = 1см-2с-1 (плотность потока 7-квантов составляет 1

2

глощенной дозы наблюдается при Е 0,06МэВ; при Е>0,2 МэВ мощность дозы практически линейно растет с увеличением энергии 7-квантов. Очевидно, что для уменьшения зависимости показаний дозиметрической системы от энергии квантов необходимо учитывать энергетический спектр регистрируемого излучения. Кроме того, следует принимать во внимание непостоянство пороговой чувствительности (минимального приращения мощности дозы излучения источника над фоном, надежно обнаруживаемого системой) во всем диапазоне энергий 7-квантов.

Рисунок 2 - Мощность поглощенной в воздухе дозы 7-излучения различной энергии, плотность

потока которого составляет 1см-2с-1

Приращение плотности потока квантов,

соответствующее мощности дозы 1нГр/ч

(1нЗв/ч), при регистрации квантов с энергией

1 -2 -1

Е = 1,25МэВ - 0,05см-2с-1. Таким образом, для обеспечения стандартного отклонения показаний системы около 1 нГр/ч для средних и больших энергий излучения необходимо фиксировать очень малые (порядка 0,1см-2с-1) приращения потока регистрируемого излучения.

-1

детектора, регистрирующего поток излучения

плотностью по , определяется как

п = щБе, (6)

где Б площадь чувствительной поверхно-

2

2

£ - эффективность регистрации 7-квантов (вероятность появления импульса на выходе детектора при попадании в него одного 7-кванта).

Учитывая статистический характер потока излучения, стандартное отклонение его мощности дозы, регистрируемой детектором, определяется как

ар = ~зТ, (7)

где ст-стандартное отклонение скорости счета импульсов детектора;

С учетом того, что ст = \Jn/t, (t-время измерения) и того, что

п =

Pd Se

(8)

Ец, мэ

величину стандартного отклонения регистрируемой детектором мощности дозы (абсолютной статистической погрешности измерения) можно представить как

av

/

Рр Eßh Set

(9)

Из выражения (9) следует, что стандартное отклонение показаний дозиметрической системы растет с увеличением мощности дозы регистрируемого излучения (уровня радиационного фона) и энергии 7-квантов. Величина статистической погрешности уменьшается с увеличением площади детектора, эффективности регистрации и времени измерения.

На Рисунке 3 представлены полученные из выражения (9) погрешности ар от энергии 7-квантов для случая использования детектора, площадь Б которого составляет 0,1 м2, время

измерения 1с. Эффективность регистрации е определена из опытных данных и для пластикового (полистирольного) сцинтиллятора толщиной 50 мм составляет: для Е 0,03 МэВ -0,1; для Е 0,06 МэВ -0,3; для Е 0,1 МэВ -0,33 ; для Е 0,2 МэВ -0,5; для Е 0,66 МэВ -0,35; для Е 1,25 МэВ -0,3. В расчетах учитывалось, что 1Гр/с=1 Дж/(кг-с)=3,6-1012нГр/ч; 1 МэВ=1,62-10-13Дж. Значения ^мэ заимствованы из [5] с учетом того, что

1см2

=0,1м2

Анализ полученных данных показывает, что минимальное значение стандартного отклонения наблюдается для энергий 7-квантов в диапазоне 0,06-0,15 МэВ. Для средних энергий 0,6-0,7 МэВ величина погрешности приблизительно в 2, а для энергий 1,25 МэВ в 3 раза больше минимальных значений. Рост мощности дозы при постоянной энергии излучения приводит к увеличению погрешности в степени Поэтому с повышением уровня радиационного фона растет стандартное отклонение (гр и, как следствие, минимальная величина приращения мощности дозы излучения источника над фоном, обнаруживаемая системой контроля, т.е. порог обнаружения.

Рисунок 3 Зависимость стандартного отклонения показаний дозиметрической системы от энергии 7-квантов для разных значений мощности поглощенной дозы регистрируемого

излучения.

Для обеспечения измерения мощности до- пользовать детектор, площадь чувствитель-зы излучения дозиметрической системой со ной поверхности которого втт должна удо-стандартным отклонением ар необходимо ис-

Валуев Н.П., Лысова О.В., Дегтярев С.В., Юданов П.М.

влетворять условию:

Sn

щЕ2^м э2 Pd Eß мэ

a2et

a2te

(10)

Из (10) следует, что растет квадра-

тично с уменьшением абсолютного значения стандартного отклонения. Минимальная площадь детектора пропорциональна мощности дозы и энергии регистрируемого излучения и обратно пропорциональна времени измерения и эффективности регистрации. Таким образом, чем ниже значение требуемой погрешности ар, выше мощность дозы и энергия излучения (выше уровень радиационного фона), тем требуется большая площадь и эффективность детектора, используемого для регистрации излучения.

Для того, чтобы обеспечить величину стандартного отклонения около 1нГр/ч при времени измерения 1с для средних энергий 7-квантов (0,5-0,7 МэВ) при уровне радиационного фона 100 нГр/ч, требуется детектор, площадь чувствительности поверхности которо-2

гистрации 0,3-0,5, что обеспечивается использованием детекторов в форме параллепипеда толщиной 50 - 70 мм и приблизительными га-х

ров). Использование детекторов больших раз-

меров приводит к возрастанию стоимости системы (приблизительно пропорционально увеличению размеров), ухудшению условий све-тосбора в объеме сцинтиллятора и снижению, тем самым, эффективности регистрации низкоэнергетического излучения, т.е. к уменьшению вероятности обнаружения таких радионуклидов, как Ри - 239, Ат - 241.

Выводы

Получены аналитические соотношения для выбора основных параметров детекторов высокочувствительных систем дозиметрического контроля. Показано, что стандартное отклонение показаний систем, определяющее их пороговую чувствительность, зависит от энергии, мощности дозы регистрируемого излучения, габаритов детекторов. Минимальное значения стандартного отклонения наблюдается для энергий 7-квантов диапазоне 0,06-0,15 МэВ. Для энергии квантов 1,25 МэВ стандартные отклонения в 3 раза выше минимального значения. Обеспечение контроля с величиной стандартного отклонения около 1 нГр/ч за время 1с для средних энергий 7-квантов (0,5-0,7 МэВ) возможно при использовании пластиковых сцинтилляционных детекторов, площадь чувствительной поверхности

2

х

Литература

1. Валуев Н.П., Пушкин И.А., Лысова О.В. Аппаратура для высокопроизводительного контроля радиационной обстановки // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2010. №2. С. 21-24

2. Валуев Н.П., Лысова О.В, Никоненков Н.В., Пушкин И.А. Радиационный контроль движущихся транспортных средств с помощью высокочувствительных дозиметрических систем / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2011. №4. С. 36-40

3. Валуев Н.П., Никоненков П.В., Сергеев ILIO.. Стасишин Л.А. Радиационный контроль транспортных средств с помощью переносных приборов и стационарных систем. Грузовик: транспортный комплекс, спецтехника. 2015. С.35-39.

4. Валуев П.П., Лысова О.В., Сергеев ILIO. Оценка рисков радиационных инцидентов при динамическом контроле движущихся объектов / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2015. №3. С. 47-50.

5. Машкович В.П., Кудрявцев A.B. Защита от ионизирующих излучений: Справочник - 4 изд., - М.: Энергоатомиздат. 1995. 496 с.

2017'4(35)

DETECTOR PARAMETERS SELECTION OF HIGH-SENSITIVITY DOSIMETRY CONTROLSYSTEMS

Nikolay VALUEV

Doctor of Technical Sciences, Associate Professor,

Professor of the Department of Chemistry and Materials Science

Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia

Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk

E-mail: npvaluev@mail.ru

Olga LYSOVA

Assistant to the operational duty officer of the Department of Civil Defense and Fire Safety of Moscow E-mail: lvsova_olga@mail.ru

Sergey DEGTYAREV

Candidate of Chemical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Chemistry and Material Science, Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk E-mail: dsdx@bk.ru

Petr YUDANOV

Candidate of Technical Sciences, lecturer of the Department of Chemistry and Materials Science Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk E-mail: renol28@vandex.ru

Abstract. The paper presents the results of a study of the issues of applicability of data warehouse technologies in the activities of various facilities of the Ministry of Emergency Situations of Russia, including civil defence facilities. The generalized requirements for the data warehouses of the EMERCOM facilities are formulated, the relational, multi-dimensional and hybrid models of their construction are analysed.

Keywords: storage of data, model of data, measurements, facts.

Citation: Valuev N.P., Lysova O.V., Degtyarev S.V., Yudanov P.M. (2017) Vybor parametrov detektorov vysokochuvstvitel'nyh dozimetricheskih sistem. [Detector parameters selection of high-sensitivity dosimetry controlsystems]. Scientific and educational problems of civil protection, no. 4(35), pp.121-126 (in Russian).