CC BY
31
№ 2 (38) 2012
Р. Е. Кузин, докт. техн. наук, профессор, начальник лаборатории Ведущего научно-исследовательского института химической технологии государственной корпорации «Росатом», г. Москва
О. В. Кожин, науч. сотрудник Ведущего научно-исследовательского института химической технологии
государственной корпорации «Росатом», г. Москва
И. В. Лебедев, инженер Ведущего научно-исследовательского института химической технологии
государственной корпорации «Росатом», г. Москва
А. М. Могирев, науч. сотрудник Ведущего научно-исследовательского института химической технологии
государственной корпорации «Росатом», г. Москва
С. С. Писаненко, инженер Ведущего научно-исследовательского института химической технологии
государственной корпорации «Росатом», г. Москва
Т. Н. Таиров, канд. техн. наук, директор Санкт-Петербургского филиала центрального института повышения квалификации
Информационная поддержка системы радиационного контроля при большом потоке исследуемых проб
Статья посвящена актуальным вопросам повышения уровня автоматизации работы лаборатории радиационного контроля Ведущего научно-исследовательского института химической технологии. Разработанная авторами информационная система позволяет значительно сократить время обработки результатов и уменьшить фактор человеческой ошибки.
Введение
В процессе создания атомной отрасли на предприятиях Министерства среднего машиностроения СССР (предшественника госкорпорации «Росатом») проводилась переработка природного урана, облученного ядерного топлива и других технологических продуктов, содержащих естественные радионуклиды уранового и ториевого ряда, а также техногенные радионуклиды (продукты деления, трансурановые и др.) [1 - 4]. К настоящему времени, когда происходит производственная переориентация таких предприятий, их территория, и, прежде всего, хвостохранилища1,
1 Специально обустроенный водоем большого объ-
ема (несколько млн м3) для хранения радиоактивных
отходов.
требуют реабилитации с целью сокращения загрязненных территорий. В процессе инженерно-изыскательских работ, предшествующих разработке проектов реабилитации, большую роль играют исследования радионуклидного состава проб образцов окружающей среды реабилитируемых территорий.
Разработка новых технологий по переработке уран- и торийсодержащих руд на предприятиях государственной корпорации по атомной энергии (ГК «Росатом») связана с еще большим объемом работ по исследованию радионуклидного состава технологических проб сырья, полупродуктов, радиоактивных отходов и готовой продукции [5]. Реализация крупномасштабных исследований по радиоэкологическому мониторингу промплощадок, санитарно-защит-ных зон и прилегающих территорий таких
№ 2 (38) 2012
предприятий во исполнение Федеральных законов от 10 января 2002 г. № 7-ФЗ «Об охране окружающей среды», от 21 ноября 1995 г. № 170-ФЗ «Об использовании атомной энергии» и от 30 ноября 2011 г. № 347-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в целях регулирования безопасности в области использования атомной энергии» также требует определения ра-дионуклидного состава проб образцов окружающей среды [6].
Исследованием радионуклидного состава разнообразных проб в нашей стране и за рубежом занимаются специализированные лаборатории радиационного контроля (ЛРК), аккредитованные на компетентность и независимость органами Госстандарта. Лаборатория радиационного контроля Ведущего научно-исследовательского института химической технологии госкорпорации «Росатом» (ЛРК ВНИИХТ) [7] имеет такую аккредитацию с 2001 г.
Область аккредитации ЛРК ВНИИХТ — определение активности элементов атмосферы, гидросферы, литосферы, сточных вод, строительных материалов, минерального сырья, твердых и жидких технологических материалов и отходов производства спектрометрическими и радиохимическими методами. При проведении исследований радионуклидного состава проб используется как инструментальный гамма-спектрометрический метод, так и радиохимический с последующей альфа-спектрометрией или альфа- и бета-радиометрией специально приготовленных счетных образцов. Существенной особенностью выполняемых исследований является большой поток проб образцов исследуемых сред, разнообразных по составу и происхождению.
В процессе исследований выполняются следующие стадии работы:
• регистрация проб;
• пробоподготовка (в том числе с применением методов радиохимии);
• измерение образцов;
• расчет и паспортизация результатов.
Хотя технические средства измерений Ц хорошо компьютеризированы, до недавне- й го времени в ЛРК ВНИИХТ большая часть ^ информации хранилась в рабочих журналах, результаты обрабатывались, в основ- | ном, вручную, из-за чего эффективность | исследований была недостаточно высока (особенно при большом потоке заказов), ^ возникали ошибки при обработке данных измерений и задержки в подготовке резуль- ^ татов анализов. §
Описание информационной системы &
С целью существенного повышения эф- ¿ц фективности ЛРК ВНИИХТ была разрабо- аа тана автоматизированная информационно-аналитическая система радиационного Ц контроля (АИАС) на основе существующих методик и аппаратно-программных средств ^ измерений. Повышение эффективности ра- -с диационного контроля обеспечивается:
• снижением времени на регистрацию ^ и обработку результатов измерения образцов;
• увеличением количества обрабатываемых образцов;
• точной оценкой погрешности результатов измерений;
• снижением фактора человеческой ошибки;
• оперативным контролем над всем процессом выполнения анализов;
• автоматической паспортизацией анализа каждой пробы;
• качественным и долговременным хранением данных на всех этапах контроля.
• Создание системы включало следующие этапы:
• системный анализ ЛРК ВНИИХТ;
• разработка структуры АИАС;
• проектирование локальной вычислительной сети (ЛВС);
• модернизация программных средств;
• разработка структуры базы данных (БД);
• разработка специального программного обеспечения (СПО);
№ 2 (38) 2012
мз
0 &
а
и
1
£ о
€
0 Э
Л &
1 &
§
12 и
0 §
!
8. §
К
г!
1
I
с
¡5
I
0 §
1 I
Оператор
Программы
Рис. 1. IDEF0-схема потоков данных в ЛРК
• монтаж ЛВС;
• подключение оборудования к ЛВС;
• настройка программных средств;
• тестирование системы на контрольных задачах;
• обучение персонала пользованию АИАС.
В процессе создания АИАС был выполнен системный анализ потоков данных между этапами процесса пробоподготовки, процессов измерений и обработки их результатов, и построена функциональная модель работы ЛРК ВНИИХТ (рис. 1). По результатам системного анализа [8, 9] было определено «узкое место» потока информации — отсутствие базы данных ЛРК — и разработана структура БД для АИАС (рис. 2).
Рассмотрим работу АИАС в контексте автоматизируемого технологического процесса.
Получение и регистрации пробы
На данном этапе осуществляется формирование сопроводительной информации о пробе, ее сверка с документацией, регистрация пробы в журнале. На этом эта-
пе АИАС предлагает ведение документации в электронном виде. Запись и регистрация проб в базе данных производится с помощью специального программного модуля.
Пробоподготовка и анализ
Этап включает стадии предварительной подготовки, разделения, предварительного анализа с помощью гамма-спектрометрии, приготовление образцов и стадию радиохимического анализа. Применение АИАС даст возможность выбирать необходимые данные из БД при подготовке образцов. После выделения радионуклидов данные по приготовленному счетному образцу заносятся в БД, в дальнейшем они будут использоваться для расчета активности проб. Хранение и обработка данных программной частью информационно-аналитической системы позволяет снизить фактор человеческой ошибки.
Измерение
На этом этапе полученная информация от приборов заносится в БД для расчета на последующем этапе, что обеспечивает точность расчета.
28
№ 2 (38) 2012
Рис. 2. Структура БД АИАС
В ЛРК ВНИИХТ имеется комплекс приборов, предназначенных для разнообразных измерений — это альфа- и гамма-спектрометры, счетное радиометрическое оборудование.
Альфа-спектрометры — это комплекс приборов, состоящих из альфа-камер (модель «СЭА-13П», Canberra 7401) с кремниевым полупроводниковым детектором альфа-частиц, вакуумных систем, аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и компьютера.
Гамма-спектрометры состоят из полупроводникового детектора (Ge, GeLi, Si и пр.), криостата с жидким азотом для поддержания низкой температуры детектора, свинцовой защиты для понижения естественного фона, блока высокого напряжения, предуси-лителей, усилителей, АЦП и компьютера.
Альфа- и бета-радиометры представляют собой более простые устройства измерения радиоактивного излучения. Так, УМФ-2000 — альфа-бета-радиометр, представляет собой небольшое устройство, снабженное двумя кремниевыми детекторами излучения (один для альфа, другой для бета), защищенными
свинцовой броней. УМФ-2000 имеет двухка-нальное пересчетное устройство для счета числа импульсов от зарегистрированных альфа- и бета-частиц с таймером.
LB-770 — низкофоновый, десятиканаль-ный альфа-, бета-радиометр, состоит из камерного отсека, закрытой свинцовой защитой, блока сравнения сигналов, АЦП, блока высокого напряжения и компьютера.
На этапе измерений вся информация обрабатывается аппаратными средствами самих приборов и передается в СПО. Информационно-аналитическая система ведет контроль над измерением образцов, что уменьшает время простоя.
Методическое обеспечение
Лаборатория имеет ряд аттестованных методик выполнения измерений активности различных радионуклидов, как радиохимическими методами ^-234, ^235, ^238, ^-230, Pu-238, Pu-239, Pu-240, Sr-90, Po-210, Pb-210), так и неразрушающим гамма-спектрометрическим методом (Cs-134, Cs-137, ^-60, Am-241, Ru-103, Pa-233, Ra-226, ^-228, Zr-95+Nb-95, Sb-125, Ce-144,
со
о &
.та
I £
I
CJ CJ ео
I
о
со <и
л
со 5S
л
ва сэ
1
ос
29
№ 2 (38) 2012
мз
0 &
а
1 I
Si £
о
§
0 Э
Л &
1 &
Si 12 и
0 §
! §
is
IS
1 I
с
¡5
I
0 §
1 t
f НАЧАЛО \
V J
Ввод параметров/ образца
I
Калибровка:
■ по энергии ■по ПШПВ
■ по пику-образу
■ по эффективности
п=
Параметры обработки спектра:
• границы спектра
• границы пиков
• чувствительность потока
X
Параметры подгонки спектра:
■ минимизация
■ зона применимости
■ автовычитание фона
х
Идентификация пиков по библиотеке энергий радионуклидов
X
Расчет активности идентифицированных пиков радионуклидов и их погрешностей
X
Вывод результатов анализа активности радионуклидов
I
КОНЕЦ
Рис. 3. Блок-схема алгоритма обработки
гамма-спектров
2
2 ПШПВ — полуширина-полувысота.
30 I
Ac-228, Ru-106, К-40). Методики определяют условия выполнения измерений, метод и алгоритм измерения радионуклидов, а также диапазоны измерений и погрешности. Некоторые алгоритмы и данные, используемые в упомянутых методиках (а именно, алгоритмы расчета активности и погрешностей, статические данные), реализует СПО, что позволяет автоматически применять получаемые результаты в дальнейшем для расчета проб, при наличии достаточного количества информации, имеющейся в БД для данной пробы.
Программное обеспечение
Программное обеспечение используется в АИАС для интерпретации, анализа, обработки, хранения данных и для обратной связи с компонентами измерительного оборудования. Для анализа спектров гамма- и альфа-спектрометров используются такие программные комплексы, как LSRM ADA, SpectraLine [10, 11], результаты работы которых анализируются с помощью ПО информационно-аналитической системы и записываются в БД, что позволяет быстро осуществлять поиск информации (рис. 3). Программный комплекс гамма-спектрометрии относится к числу наиболее сложных в программной среде АИАС, поскольку требуется учитывать наложения пиков отдельных нуклидов в суммарном спектре (рис. 4).
Генерация протокола
В информационной системе реализована обработка несколькими математическими методами получаемых в измерительном оборудовании спектров. Результаты расчетов по конкретной пробе или серии проб оформляются протоколом. Так как на данном этапе расчет результатов ведется автоматически, это позволяет значительно сократить время обработки результатов и уменьшить фактор человеческой ошибки.
Заключение
На основе информационных технологий проведено объединение всех технических,
№ 2 (38) 2012
Рис. 4. Экранная форма программы
методических и программных средств лабо- 6. ратории радиационного контроля в единую информационную систему, что обеспечивает существенное повышение конкурентоспособности, метрологических показателей 7. и производительности до 15%.
Список литературы
1. Рылов М. И., Тихонов М. Н. Радиационная география России как объект системного исследования. СПб.: ООО «Пресс-сервис», 2010. — 8. 230 с.
2. Лебедев В. А, Муратов О. Э, Пискунов В. М, Таиров Т. Н, Тихонов М. Н. Радиоэкологические проблемы обращения с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом в условиях инновационного развития ядерной энерге- 9. тики // Экология промышленного производства.
№ 3. М., 2011. С. 84 - 96.
3. Кузин Р. Е., Никонов В. И., Соловьёв В. Г. Фоновые экологические исследования Эльконского 10. урановорудного района // Безопасность окружающей среды — радиоэкологический журнал.
М.: ООО «Атомные связи», 2008, С. 25 - 28.
4. Краснов А. Е., Красников С. А. и др. Основы 11. спектральной компьютерной квалиметрии жидких сред. М.: Юриспруденция, 2006.
5. Крышев И. И., Рязанцев Е. П. Экологическая безопасность ядерно-энергетического комплекса России. М.: ИздАТ, 2010. — 496 с.
обработки гамма-спектров
Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009). Санитарные правила и нормативы Сан-ПиН 2.6.1.2523-09 М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2009. Кожин О. В., Кузин Р. Е., Могирев А. М, Прокоп-чик В. И. Автоматизированная информационно-аналитическая система радиационного контроля для решения задач реабилитации территорий, загрязненных радионуклидами. ВНИИХТ — 60 лет: Юбилейный сборник трудов. М.: ООО «Леонардо-дизайн», 2011. С. 421- 425. Колыбанов К. Ю., Корнюшко В. Ф., Кузин Р. Е. Системный подход к разработке хранилища данных химико-технологических характеристик процессов переработки и кондиционирования радиоактивных отходов // Химия и химическая технология. Т. 51. № 7. 2008. С. 217 - 220. Таиров Т. Н. Создание автоматизированной системы радиационного экологического мониторинга (АСРЭМ) в ВМФ / Полярное сияние 99, МИФИ. М., 1999. — 10 с.
Даниленко В. Н, Ковальский Е. А. ЛРСМ — Алгоритмические основы. URL: http://www.lsrm. ru/files/download/documentation/other/Container_ User%27s_Manual_RUS.pdf. С. 6 - 8. Даниленко В. Н, Скубо Ю. В. Пакет программного обеспечения Контейнер. Расчет коэффициентов ослабления. Руководство пользователя. URL: http://www.lsrm.ru/files/download/documentation/ other/Lsrm_Algorithmic_framework_User%27s_ Manual_RUS.pdf. С. 4 - 6.
со
о &
.та
I £
I
CJ CJ
ei
I
о
со <и
л
ва SS
Л
ва сэ
1
ос
31
