CC BY
28
УДК 614.8: 351.86+51
Н.П. Валуев, д.т.н., проф.; И.А. Пушкин, д.т.н., проф.
Академия гражданской защиты МЧС России
ВЫСОКОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДИНАМИЧЕСКОГО РАДИОЭКОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ
Проведен анализ высокочувствительных систем обнаружения радиации в сравнении с традиционными средствами, применяемыми для решения задач динамического радиоэкологического контроля. Определены области наиболее эффективного использования высокочувствительных систем.
N. Valuev, I. Pushkin
HIGHSENSITIVITY SYSTEMS OF DYNAMICAL RADIO-ECOLOGICAL CONTROL
The Work is devoted to the analyses of high sensitivity systems for detection of radiation in comparison with traditional devices for realization of dynamical radio-ecological control. The work establish field of effective use of high sensitivity systems.
В настоящее время все большую остроту приобретает проблема обеспечения радиоэкологической безопасности окружающей среды, территорий крупных городов, проживающего в них населения. В результате функционирования ядерно-энергетического, оборонного и других промышленных комплексов, происшедших радиационных аварий накоплены огромные объемы (несколько млн. тонн) радиоактивных отходов. В мире эксплуатируется свыше миллиона различных радиоизотопных устройств, более 100 тысяч радионуклидных источников ежегодно выводятся из эксплуатации. По данным EPA-US (Агентства по защите окружающей среды США), как минимум 30 тысяч источников находится вне регулирующего контроля, т.е. являются «бесхозными». Вследствие расширения области использования радиоактивных материалов повышается опасность их несанкционированного распространения и использования в различных, в том числе террористических, целях [1].
Особую обеспокоенность вызывают сырьевые материалы и отходы, поступающие в большом количестве на переработку. Прежде всего, это отходы строительных материалов с повышенным содержанием природных радионуклидов. К ним относятся также металлические отходы и элементы конструкций выведенных из эксплуатации реакторов, металлолом, собираемый на различных, в том числе загрязнённых, территориях и даже в зоне отчуждения ЧАЭС.
При попадании радионуклидов в процессы высокотемпературной переработки, например, в плавильный агрегат, происходит загрязнение продукции, отходов производства, оборудования, территории предприятия, выброс в атмосферу определённого количества радиоактивных веществ, облучение работников и населения. В настоящее время в мире официально зарегистрировано в общей сложности около 40 случаев смерти и не менее 230 случаев серьезных заболеваний, происшедших в результате инцидентов с «бесхозными» радиоактивными источниками. При ликвидации последствий радиационных инцидентов предприятие останавливается на длительный срок. Экономический ущерб от таких ЧС превышает сотни млн. долларов.
Одним из путей предупреждения возникновения радиационных аварий и обеспечения радиоэкологической безопасности населения является проведение эффективного радиационного контроля окружающей среды, различных территорий, радиационно опасных объектов, транспортных потоков сырья и отходов. Для этого применяются как переносные (ручные) средства контроля сравнительно невысокой чувствительности, так и высокочувствительные системы в стационарной и мобильной модификациях.
60 _
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты
Такие диагностические системы функционируют в режиме динамического контроля, в процессе которого непрерывно регистрируется изменение радиационного сигнала с характерными временами от 0,1 с [2, 3]. С помощью мобильной модификации системы, установленной на автомобильном шасси, возможно обследование различных территорий и объектов. Стационарная и квазистационарная модификации системы обеспечивают высокопроизводительный контроль транспорта с грузами и наблюдение за радиационной обстановкой в месте размещения системы. В последнем случае транспорт перемещается между стационарно установленными детекторами, фиксирующими приращение мощности дозы излучения транспорта с грузом над фоном. Скорость перемещения транспорта может изменяться от нескольких единиц до нескольких десятков км/ч. При контроле транспорта с помощью переносных приборов-дозиметров оператор обследует поверхность транспорта со скоростью 2-3 км/ч. Для проведения контроля различных территорий и объектов детекторы устанавливаются на транспортном средстве, в процессе движения которого непрерывно фиксируется изменение мощности дозы излучения окружающей среды.
В данной статье приводится анализ основных параметров контроля высокочувствительными системами в сравнении с традиционно используемыми переносными приборами и определяются области наиболее эффективного применения высокочувствительных систем.
Критерием высокой чувствительности систем является величина стандартного отклонения радиационного сигнала не более 1 нЗв/ч (около 1% от уровня природного фона) при времени измерения 1 с. Такие параметры систем можно обеспечить путем использования сцинтилляционных детекторов, чувствительный объем которых превышает 5 л, достигая для некоторых систем 50 л [3]. Применение таких систем в задачах радиоэкологического контроля по сравнению с системами средней и низкой чувствительности позволяет повысить чувствительность и вероятность обнаружения источников, скорость проведения контроля, его производительность и информативность. Соотношение минимальных значений активности обнаруживаемых разными системами источников обратно пропорционально величинам стандартного отклонения их сигнала. Поэтому более чувствительная система способна обнаружить источник существенно меньшей активности и на большем расстоянии до детектора, чем малочувствительная система. При одинаковой чувствительности обнаружения скорость проведения контроля более чувствительными системами возрастает квадратично от соотношения величин стандартных отклонений сигнала систем. Соответственно возрастает и производительность контроля.
К числу основных характеристик средств радиационного контроля относятся: обна-ружительная способность, определяемая как минимальная мощность (активность) источников радиации, надежно обнаруживаемых в контролируемом объекте; вероятность обнаружения источника определенной мощности; вероятность пропуска источника определенной мощности; вероятность ложных обнаружений (ложных тревог); скорость контроля; производительность контроля; себестоимость и трудоемкость контроля.
Основная характеристика - обнаружительная способность - зависит от целого ряда параметров приборов, к числу которых можно отнести следующее.
Чувствительность детектора г/ = ДЫ/А P, где АУ - приращение скорости счета импульсов детектора при изменении мощности дозы излучения на величину др (типичные значения / для переносных приборов 0,1-1 имп/с на 1 нЗв/ч; для высокочувствительных стационарных и мобильных систем 20-60 имп/с на 1 нЗв/ч).
Стандартное отклонение & ф скорости счета импульсов детектора Уф при регистрации фона &ф = -у]Nф/1, где ^ - время измерения скорости счета импульсов. Стандартное от-
'Ф
клонение & р в единицах мощности дозы
&р = &
ф// = л/^ //.
Величина ор тем ниже, чем меньше скорость счета импульсов детекторов при регистрации фона (Nф ), больше чувствительность детектора (г) и время измерения (^). Оптимальное значение времени измерения 1опт составляет двукратное отношение расстояния от
источника до детектора к скорости перемещения объекта, т.е. 2(L+d)/V, где V — скорость объекта, L - расстояние от детектора до стенки транспорта, d - расстояние от стенки до источника (глубина залегания источника). Величина 2(L+d) для стационарной системы составляет 1-3 м, а для переносного прибора - 0,2-1,3 м. В связи с этим при одной и той же скорости контроля время измерения скорости счета импульсов переносного прибора должно быть в несколько раз (3-5) меньше времени измерения стационарной системы. При одном и том же времени измерения скорость контроля переносным прибором должна быть в соответствующее число раз ниже скорости контроля стационарной системой.
Предел обнаружения ер, определяемый как минимальное приращение мощности дозы, надежно обнаруживаемое приборами контроля
8р = (п + 2)°р,
где п — пороговая уставка, определяющая вероятность Wл ложных тревог (обнаружений), при п = 2 Wл& 0,05; при п = 4 Wл < 10—4 .
Для переносного прибора СРП-88, широко применяемого при обнаружении источников, Nф = 25имп / с; г = 0,3имп / с на 1 нЗв/ч. При скорости контроля (V) 1 м / с ,
tопт ~ 0,4с Wл ~104 предел обнаружения составляет 0,16 мкЗв/ч. При V = 0,2 т / с,
IОпт ~ 2с, Wл ~ 10 2 предел обнаружения переносного прибора близок к 50 нЗв/ч. Для высокочувствительной стационарной системы динамического контроля Nф = 400 имп / с;
Г = 20 имп/ с на 1 нЗв/ч. При V = 1 м /с, tопт = 2 с, Wл ~ 10 4 предел обнаружения около 4 нЗв/ч.
Прибор обнаруживает источник радиации, создающий на поверхности детектора мощность дозы р, величина которой не менее предела обнаружения 8р . В реальных условиях источник расположен на определенной глубине d материала, а детектор - на определенном расстоянии L до поверхности материала (стенки транспортного средства с ломом). С учетом этого минимальная величина мощности обнаруживаемого источника (обнаружитель-ная способность) определяется как
Р „ =
8р (Ь + d) 2 ехр(/)
К ' 0)
где Р0 — мощность дозы, создаваемая излучением источника в отсутствие контролируемого материала на стандартном расстоянии И0 (к0 = 0,1м или И0 = 1,0м), / — линейный
коэффициент ослабления интенсивности излучения источника контролируемым материалом. При контроле с помощью мобильной модификации системы из выражения (1) исключается экспоненциальный множитель и величина d.
Из (1) следует, что мощность обнаруживаемого источника квадратично растет с увеличением расстояния от детектора до источника, более резко с ростом глубины залегания источника в объеме материала. Источники, обладающие более проникающим излучением (40К, 60Со, 226Ra), выявляются лучше, чем источники со средней и малой энергией излучения (241Лш, 1921г, 137Cs).
62
При контроле транспортных средств с помощью стационарных систем расстояние от детектора до поверхности транспорта (Ьс)составляет, как правило, 0,7 - 1 м, а при использовании переносных приборов - 0,1 - 0,2 м (Ьп). Отношение минимальных величин мощностей обнаруживаемых источников обеими системами (Роп и Рос) (с учетом (1) определится следующим образом
РОП _ 5П (Р П + ^) РОС 5с (+ ^)
2 (2)
Из (2) следует, что мощность обнаруживаемых источников переносными приборами меньше при d < 0,2м . При больших значениях глубины залегания источника лучше обнаруживает высокочувствительная стационарная система. При d « 1м стационарная система способна обнаружить источник в 4 раза меньший по активности, чем переносной прибор. Таким образом, обнаружительная способность стационарных систем при контроле транспорта 4-5 раз лучше, чем переносных приборов. Указанное обстоятельство имеет существенное значение, т.к. с ростом глубины залегания мощность обнаруживаемых источников и как следствие их радиационная опасность увеличивается (1). Поэтому важно обнаружить источник, расположенный как можно на большей глубине поступающей партии сырья. В наружных слоях лома обнаруживаются слабые источники, не представляющие значительной радиационной опасности.
Обнаружительная способность обеих систем одинакова при такой глубине расположения источника в материале (dр ), при которой соотношение (2) равно единице. Величину do можно найти из выражения
1 Рс р п л/5 П /5С
d о _---(3)
л/5 п I5С - 1
Ширина транспортных средств составляет, как правило, 2,0 - 2,8 м. При контроле транспорт обследуется с его обеих противоположных сторон. В этом случае соотношение глубины контролируемого материала, для которой более эффективна стационарная система, к глубине, где более эффективен переносной прибор, составляет приблизительно 6 : 1.
Вероятность обнаружения Wo источника в транспортном средстве определяется отношением объема транспорта, в котором источник выявляется, к объему всего транспортного средства. В случае, если обеспечивается постоянство обнаруживающей способности по длине и высоте транспорта, величина Wo находится из соотношения:
Ж 0 _ 2dп/М , (4)
где dП - глубина расположения источника, мощность дозы излучения которого на поверхности детектора равна порогу срабатывания прибора (пар); М - ширина кузова транспортного средства.
Величину dп можно определить из выражения (1), в котором вместо Ро используется значение мощности дозы источника, для которого вычисляется вероятность обнаружения. Вероятность пропуска ЖП источника мощностью Ро находится из выражения
ЖП _ 1 - Жо . (5)
Из (4, 5) следует, что вероятность обнаружения источников с помощью переносных приборов ниже вероятности обнаружения стационарными системами практически во всем диапазоне мощностей источников.
Вероятность ложных тревог WЛ определяется величиной пороговой уставки п, временем измерения скорости счета детектора г и временем контроля транспортного средства
Wл= т, т / г
(6)
где К — количество детекторов в системе;
Wt — вероятность появления ложной тревоги за время г, определяемая величиной пороговой уставки п ;
т время контроля транспорта.
Для стационарных систем, как правило, К = 2; Wt ~105; Т / г = 10 и Wл ~10—4. Для переносных приборов К = 1; Wt ~10—2; Т/г ~ 500 и Wл ~10, т.е. вероятность появления ложных тревог при контроле переносными приборами на несколько порядков выше, чем при контроле стационарными системами. Это связано с существенно большим временем контроля переносными приборами одной партии лома, достигающим 20-25 минут, в то время как при контроле стационарными системами это время не превышает 10-15 секунд. Кроме того, величина пороговой уставки п в переносных приборах, как правило, близка к двум, для обеспечения порога обнаружения порядка 50 нЗв/ч в стационарных системах п > 4, а порог обнаружения близок к 5 нЗв/ч.
Скорость контроля при использовании высокочувствительных стационарных систем составляет 2 - 20 м/с. При контроле переносными приборами скорость перемещения прибора относительно транспорта не должна превышать 0,2 - 0,3 м/с для того, чтобы иметь возможность определять скорость счета импульсов детектора при времени измерения порядка 1 секунды и более.
Производительность контроля стационарными системами составляет 2-3 тонны в секунду (партия сырья 20-30 тонн контролируется за 10-15 секунд). Вследствие того, что при обследовании транспорта переносным прибором необходимо обходить транспорт со всех сторон по нескольким параллельным траекториям, для обеспечения равномерной чувствительности обнаружения по высоте транспорта, время контроля партии лома составляет около 20-30 минут. Поэтому производительность контроля переносными приборами не превышает
1 тонны в минуту.
Затраты на проведение контроля транспорта в течение года З складываются из стоимостей амортизации и обслуживания Со:
3 = Сп /Т Э + С0 , (7)
где Сп — стоимость прибора;
Тэ — срок его эксплуатации, лет.
Для стационарных систем Сп « 20000 долл.; ТЭ — 8 лет; С0 « 0 и 3 = 2500 долл. Для типичных переносных приборов Сп « 1600 долл.; Тп « 8 лет; С0 = 6000-8000 долл. в год
(зарплата плюс отчисления и накладные расходы, приходящиеся на специалиста-дозиметриста) и З = 5200-6200 долл.
Таким образом, затраты на проведение контроля переносными приборами более чем в
2 раза превышают затраты на проведение контроля стационарными системами.
64
Трудоемкость контроля с помощью переносных приборов значительно превышает трудоемкость контроля стационарными системами вследствие того, что стационарные системы являются автоматическими устройствами, осуществляющими контроль без участия человека. Контроль лома переносными приборами проводится достаточно квалифицированным оператором-дозиметристом, работающим в напряженном ритме при приеме транспорта в уличных условиях. Основные характеристики систем контроля сведены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики существующих систем контроля радиоактивности
Характеристика Высокочувствительная система Переносной прибор
Чувствительность детектора, имп/с на 1 нЗв/ч 15-60 0,2-2,0
Предел обнаружения, нЗв/ч 4-8 20-100
Количество ложных тревог при контроле од- 10"3-10"4 1-10
ного транспорта
Относительные величины мощности надежно 1 4
обнаруживаемых системами источников, рас-
положенных на глубине 1 м в массиве груза
Скорость контроля, м/с 1-2 0,2-0,5
Производительность контроля 2-3 т/с 0,01-0,02 т/с
Ежегодные затраты на проведение контроля 2500 долл. 5200-6200 долл.
Обслуживающий персонал не требуется требуются специально подготовленные работники
Документирование результатов контроля автоматическое без документирование осуще-
участия оператора ствляется оператором
Анализ полученных данных свидетельствует о том, что при проведении динамического радиационного контроля наиболее эффективны высокочувствительные системы, обеспечивающие поточный контроль транспорта с различными грузами и обследование значительных территорий и радиационноопасных объектов. Применение подобных систем позволяет повысить оперативность обнаружения и нелокальные характеристики радиационных аномалий, скорость проведения обследования территории, временное разрешение, обеспечить возможность выявления источников как в попутном, так и во встречном транспорте, и непрерывность записи уровня и динамику радиационной активности окружающей среды. Возможно использование систем при проведении мониторинга по водным маршрутам для контроля располагаемых по берегам портовых, складских хозяйств и промышленных объектов, а также разных плавательных средств. Возможен контроль радиоактивности воды при обследовании водных маршрутов. Не исключено использование системы при воздушной съемке местности. Перспективно применение систем для проведения массового высокопроизводительного контроля перемещаемых грузов, в том числе сырья, материалов, промышленных и бытовых отходов. Возможно использование систем в качестве быстродействующих чувствительных датчиков радиационной обстановки, порог срабатывания которых не превышает 10% от уровня фона при времени измерения 1-2 с.
Литература
1. Агапов А.М., Вуколов В.К., Пашинин В.А., Пушкин И.А., Семин А.А. Технология экспресс-обнаружения урансодержащих альфа-загрязнителей // Технологии гражданской безопасности. М.: ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). №4 - 2007. - С. 46-47.
2. Валуев Н.П., Мойш Ю.В., Никоненков Н.В. Способ радиационного контроля материалов и изделий в транспортных средствах и устройство для его осуществления. Патент РФ №2142145 // Бюллетень «Изобретения, товарные знаки и промышленные образцы». №33. - 1999.
3. Валуев Н.П., Суханов В.Е. Современные высокочувствительные приборы радиационного мониторинга транспортных потоков // Производство. Технология. Экология. Сборник научных трудов №10. Том 1. М., 2007. - С. 14-17.
__65
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты
