CC BY
16
УДК 5.50.504.5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКОГО РАДИАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ГРУЗОВ В ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВАХ
И.Ю. Сергеев
кандидат технических наук
полковник внутренней службы
начальник ФКУ «ЦУКС СРЦ МЧС России»
Адресе: 660111 Красноярск, ул. Пограничников,
участок 5«Г»
E-mail: siu 1977Qmail.ru
Аннотация. В статье приводятся расчетные соотношения для определения таких важных параметров систем радиационного контроля, как стандартное отклонение показаний, отношение сигнал-шум, вероятность обнаружения радиоактивных источников в транспорте, скорость контроля. Соотношения основаны на закономерностях ослабления излучения веществом и вероятностных моделях обнаружения источников. В полученных соотношениях учитываются реальные условия контроля: мощность радиоактивного источника и глубина его расположения внутри транспорта, геометрические параметры зоны контроля и транспортных средств, степень поглощения излучения грузом, уровень радиационного фона. Это позволяет выработать требования к системам контроля и определить их основные характеристики с учетом реальных условий контроля.
Ключевые слова: вероятность обнаружения, радиоактивный источник, зона контроля, движущееся транспортное средство, скорость контроля.
Цитирование: Сергеев И.Ю. Определение параметров динамического радиационного контроля грузов в транспортных средствах // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2019. № 2 (41). С. 94-98.
В последнее время всё большую остроту приобретает проблема обеспечения радиоэкологической безопасности населения и территорий. Ежегодно фиксируется свыше 200 радиационных инцидентов, связанных с несанкционированным распространением радиоактивных материалов, что связано, в том числе, с отсутствием должного радиационного контроля грузоперевозок. [1, 2]. Одним из способов повышения эффективности радиационного контроля грузоперевозок является применение высокочувствительных стационарных дозиметрических систем.
В работе [3] получены соотношения, определяющие основные характеристики систем контроля транспортов с грузами. Однако данные соотношения не позволяют определить такие важные параметры, как стандартное отклонение показаний системы контроля, отношение «сигнал-шум», вероятность обнаружения источников, скорость движения транспорта в реальных условиях контроля. В полученных соотношениях не учитывается комплекс характеристик, включающий геометрические
параметры зоны контроля и транспортных средств, скорость их движения, характеристики излучения источников, материала груза и др. Таким образом, имеется противоречие между существующим научно-методическим аппаратом применения систем контроля и необходимостью учета реальных условий контроля при определении основных важных параметров систем. Это затрудняет выбор, в частности, необходимых характеристик детекторов, рациональных режимов проведения контроля (максимальной скорости транспорта), а также проведение оценки минимальной мощности источника, надежно обнаруживаемого системой контроля.
В настоящей работе рассматривается задача по обоснованию рациональных параметров систем контроля грузов в движущихся транспортных средствах, в которых учитываются реальные условия контроля такие, как геометрические характеристики зоны контроля и транспортных средств, скорость их движения, параметры излучения источников, поглощающая способность материала груза. Такой
подход обеспечивает выбор рациональных режимов осуществления контроля, в особенности, максимальной скорости проведения контроля, а также определение требований к системам контроля, учитывая реальные условия контроля.
Нахождение основных параметров контроля осуществляется в следующей последовательности:
определяется величина приращения сигнала детектора от радиоактивного источника, находящегося в глубине транспорта с грузом;
оценивается вероятность обнаружения источника с учетом величины приращения сигнала, стандартного отклонения показаний системы контроля, геометрических характеристик зоны контроля и транспорта, массового коэффициента поглощения энергии излучения источника материалом груза и плотности материала;
находится зависимость отношения «сигнал-шум» от соотношения длительностей сигнала от источника и интервала усреднения сигнала с определением экстремума этой зависимости;
вычисляется максимальная скорость движения транспорта, при которой обеспечивается максимальная вероятность обнаружения источника;
определяется величина стандартного отклонения показаний системы в зависимости от уровня радиационного фона в зоне контроля, чувствительности детектора к фону и излучению источника, длительности интервала усреднения сигнала детектора.
определяется связь стандартного отклонения с параметрами детектора и величиной радиационного фона, что позволяет определить необходимые размеры детектора для обеспечения требуемой величины вероятности обнаружения радиоактивших) источника.
Схема обнаружения источника в транспортном средстве, перемещающемся в направлении, перпендикулярном плоскости рисунка, представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 Схема обнаружения источника при контроле транспортных средств
д _ детектор; И - источник; 1\ = ИД - расстояние от источника до детектора; 1[- длина пути излучения источника но объему транспорта
Величину мощности дозы АР (нЗв/ч) излучения источника на поверхности детектора но аналогии с работой [3] можно определить из следующих) выражения
Р Я2
АР = В(1'1)ехР(-тэР1'1), (1)
где Ро _ мощность дозы излучения источника на стандартном расстоянии Ко (0,1 м или 1 м), нЗв/ч;
массовый коэффициент поглощения энергии излучения материалом груза, м2/кг;
р _ плотность материала груза, кг/м3;
1[- длина траектории излучения источника но объему материала груза, м;
В(¿1) - фактор накопления (В > 1, безразмерная величина, являющаяся коэффициентом увеличения дозы излучения за счет рассеянного излучения; зависит от длины пробега излучения в объеме материала; чем больше 1[, тем больше В).
Для ¿1= 10 см, В и 1,5; ¿1= 50 см, В и 3; ¿1= 100 см, В и 6.
Вероятность обнаружения источника с учетом выражения (1) определяется из выражения
™ = 111 + ег/(-1- Г РоК0В(Ч) Ш (2)
В формуле (2) управляемой переменной является величина а (стандартное отклонение
2019,2(41)
сигнала). Остальные величины определяются реальными условиями контроля и практически не регулируются.Чем больше а, тем меньше вероятность обнаружения. Вероятность обнаружения источника снижается с уменьшением мощности источника (Ро), ростом расстояния от источника до детектора и длины пробега квантов в материале (¿1 и ¿',) увеличением плотности материала груза р, увеличением порога срабатывания системы П = па (п > 3). Под порогом срабатывания системы понимается уровень, превышение которого сигналом детектора приводит к появлению сигнала тревоги, свидетельствующей об обнаружении радиоактивного источника. Для получения значений вероятности обнаружения (больше 0,95) необходимо, чтобы сигнал источника превышал порог более, чем на удвоенное значение стандартного отклонения.
Приведенные соотношения позволяют вычислить вероятность обнаружения источника, расположенного на различной глубине груза транспорта с учетом его габаритов. Кроме того, полученные соотношения дают возможность определить требования к системе контроля по величине стандартного отклонения а, обеспечивающей падежное выявление источника определенной мощности и энергии излучения в любой точке транспортного средства. Минимальная вероятность обнаружения соответствует случаю, когда источник расположен в середине транспорта, при наличии двух детекторов с противоположных сторон транспортного средства.
Задачей контроля является обнаружение источника с предельно допустимой мощностью дозы Рд в любой точке груза, находящегося в транспорте. Важно при этом обеспечить минимальное время контроля путем выбора такой скорости движения транспорта, при которой обеспечивается падежное {Ш > 0,95) обнаружение источника с мощностью дозы Рл.
Для решения данной задачи удобно использовать такой параметр, как отношение «сигнал-шум» (М). Указанное отношение определяется допустимой мощностью дозы излучения источника Рл, мощностью дозы фона Рф, длительностью интервала усреднения £ скорости счета импульсов детектора и длительностью сигнала источника ДЪ,
определяемой как 21\/У, где V - скорость движения транспорта. В случае если длительность £ < Дí отношение «сигнал-шум» представляется следующим образом
М =
дркиг
РдДр кив (1[
(3)
где Ки, Кф коэффициенты чувствительности детектора к излучению источника и, соответственно, к фоновому излучению. Определяются отношением частоты импульсов детектора к дозе регистрируемого излучения источника
, / имп/с \
и, соответственно, фона I н3в/ч )•
В формуле (3) управляемыми переменными являются коэффициенты чувствительности детекторов Ки, Кф. Варьирование этими коэффициентами обеспечивается за счет изменения размеров детекторов [5]. Величина М имеет максимум при £ = ДЬ. В случае, если Ь > ДЬ, то
М =
рАк1кив (1[ )дг
(4)
На рисунке 2 представлена зависимость отношения «сигнал-шум» от длительности интервала усреднения ¿в единицах длительности сигнала источника ДЬ.
Рисунок 2 Отношение «сигнал-шум» в зависимости от длительности интервала усреднения
Анализ рисунка показывает, что длительность интервала усреднения целесообразно
устанавливать близкой к длительности сигнала источника Ь = А£(1 ± 0,2), при этом необходимо настраиваться на обнаружение источников с предельно допустимой мощностью дозы Рд. Наихудшие условия выявления таких источников соответствуют их расположению в середине транспорта (в зоне с максимальным поглощением излучения источника). Поэтому величина А£ должна соответствовать источникам, расположенным в середине транспорта, т.е.
А* = 21г/У,
(5)
где 21\ - ширина зоны контроля, равная расстоянию между детекторами, V- скорость движения транспорта (скорость контроля).
Максимальная скорость контроля (минимальное время контроля) должна удовлетворять условию обнаружения источника с предельно допустимой дозой излучения Рд и с вероятностью Ш > 0,95, т.е. должно быть выполнено условие
АРД > (п + 2)а,
(6)
где а - стандартное отклонение сигнала детектора, П = па - порог срабатывания системы, А
точника с мощностью дозы Рд.
Более высокие значения вероятности обнаружения достигаются в случае, если в соотношении (6) уменьшаются величины п, а (снижается порог обнаружения), либо увеличивается сомножитель в скобках.
Например, для (п + 2) эта вероятность составляет 0,977, для (п + 3) соответственно 0,998, для (п + 4) соответственно 0,9999. Величина п определяет вероятность ложных тревог и не может быть ниже 3-х. При п = 2 вероятность ложных тревог составляет около 3 ■ 10-2, при п = 3 соответственно 10-3, при п = 4 соответственно 10-4. Величина а, являющаяся управляемой переменной, определяется из выражения
а
1
К~и
/
А* '
(7)
Необходимые значения а устанавливаются путем выбора размеров детектора [5]. Для уменьшения величины а в 2 раза, требуется увеличить площадь чувствительной поверхности детектора системы контроля
в 4 раза. С учетом (5) - (7) максимальную скорость контроля можно вычислить из соотношения
„ =21 = 2НАР2К1 = А* (п + 2)2РфКф
2Р2к2те)]2д4
(п + 2)2РфКфежр[2^мэР^1 К3'
(8)
Подсчет по формуле (8) максимальной скорости движения транспорта через зону контроля дает результат 18 км/ч для следующего типичного случая: расстояние между детекторами 5 м, ширина транспорта 2,5 м, мощность дозы источника на расстоянии 1 м - 1 мкЗв/ч, энергия излучения источника -1,2 МэВ, мощность дозы фона 0,1 мкЗв/ч, стандартное отклонение а = 1 нЗв/ч (площадь детектора 0,1 2
личение скорости свыше значения, определяемого выражением (8), приведет к снижению вероятности обнаружения источников.
Выводы
1. Получены соотношения для определения следующих параметров поточного контроля движущихся транспортных средств: стандартное отклонение показаний, отношение сигнал-шум, вероятность обнаружения радиоактивных источников в транспорте, скорость движения транспорта. В соотношениях учитываются реальные условия проведения контроля: геометрические характеристики зоны контроля, размеры транспортных средств, скорость их движения, параметры поглощения излучения материалом груза.
2. Полученные соотношения позволяют вычислить вероятность обнаружения источников, расположенных на различной глубине груза транспорта с учетом его габаритов. Кроме того, соотношения дают возможность определить требования к системе контроля по величине стандартного отклонения а, обеспечивающей надежное выявление источника определенной мощности и энергии излучения в любой точке транспортного средства.
3. Соотношение для определения максимальной скорости перемещения транспорта в зоне контроля позволяет осуществлять контроль с максимальной производительностью при обеспечении заданной вероятности обнаружения радиоактивных источников.
2019'2(41)
Литература
1. Валуев Н.П., Мойш Ю.В., Никоненков Н.В. Способ радиационного контроля сырья и материалов в транспортных средствах и устройство для его осуществления. Патент на изобретение RUS 2142145, 21.04.1999 г.
2. Валуев Н.П., Мойш Ю.В., Качалов В.М., Никоненков Н.В. Автоматизированные системы радиационного контроля сырья и металлолома. // Проблемы черной металлургии и материаловедения. -2009. -№ - С.107 - 110.
3. Валуев П.П., Никоненков Н.В., Сергеев И.Ю., Стасишин Л.А. Радиационный контроль транспортных средств с помощью переносных приборов и стационарных систем. // Грузовик: транспортный комплекс, спецтехника. 201") .V" 9 С. 35-39.
4. Валуев П.П., Лысова О.В., Сергеев II.К). Оценка рисков радиационных инцидентов при динамическом контроле движущихся объектов. // «Научные и образовательные проблемы гражданской защиты», Научный журнал. - 2015, №3, С.47 - 50.
5. Валуев Н.П., Лысова О.В., Дегтярев C.B., Юданов I I.M. Выбор параметров детекторов высокочувствительных дозиметрических систем. «Научные и образовательные проблемы гражданской защиты», Научный журнал. - 2017, №4, С. 121-126.
METHODS OF DETERMINATION OFPROBABILITY OF DETECTING RADIOACTIVE SOURCES IN MOVING VEHICLES
Ivan SERGEEV
Candidate of Technical Sciences colonel of internal service
Head of FKTJ "TsUKS SRC EMERCOM of Russia" Address: 660111 Krasnoyarsk, Border guards st., section 5 "G" E-mail: [email protected]
Abstract. The article presents the calculated ratios for determining such important parameters of radiation monitoring systems as the standard deviation of the readings, the signal-to-noise ratio, the probability of detecting radioactive sources in transport, the speed of control. The ratios are based on the laws of the attenuation of radiation by matter and probabilistic models for detecting sources. The obtained ratios take into account the actual control conditions: the power of the radioactive source and the depth of its location inside the transport, the geometric parameters of the control zone and vehicles, the degree of radiation absorption by the load, the level of background radiation. This allows you to develop requirements for control systems and determine their main characteristics taking into account the actual conditions of control.
Keywords: probability of detection, radioactive source, control zone, moving vehicle, speed of control.
Citation: Sergeev I.Yu. Methods of determination ofprobability of detecting radioactive sources in moving vehicles // Scientific and educational problems of civil protection. 2019. No. 2 (41). pp. 94-98.
References
1. Valuev N.P., Moish Y.V., Nikonenkov N.V. The method of radiation control of raw materials and materials in vehicles and device for its implementation. Patent for invention RUS 2142145, 21.04.1999.
2. Valuev N.P., Moish Y.V., Katchalov V.M., Nikonenkov N.V. Automated radiation monitoring systems for raw materials and scrap. // Problems of ferrous metallurgy and materials science. - 2009. - №3 - C.107-110.
3. Valuev N.P., Nikonenkov N.V., Sergeev I.Yu., Stasishin L.A. Radiation monitoring of vehicles using portable devices and stationary systems. // Truck: transport complex, special equipment. - 2015 - №9 -P. 35-39.
4. Valuev N.P., Lysova O.V., Sergeev I.Yu. Risk assessment of radiation incidents in the dynamic control of moving objects. // "Scientific and educational problems of civil protection Scientific journal. - 2015, No. 3, P.47 - 50.
5. Valuev N.P., Lysova O.V., Degtyarev S.V., Yudanov P.M. Selection of detector parameters for highly sensitive dosimetry systems. "Scientific and educational problems of civil protection", Scientific Journal. -2017, №4, C.121-126.
