Широкодиапазонный блок детектирования гамма-излучения

Полезная модель относится к области ядерного приборостроения и может быть использована при радиационном мониторинге обстановки на объектах ядерно-промышленного комплекса, для обнаружения локальных источников гамма-излучения, определения их углового положения и измерения мощности дозы гамма-излучения. Широкодиапазонный блок детектирования гамма-излучения состоит из корпуса, включающего в себя блок питания, контроллер, высоковольтный преобразователь, экран, выполненный в форме цилиндра, и блок счетчиков СИ42Г, расположенных по окружности вокруг экрана. За счет наличия экрана осуществляется определение углового положения источника гамма-излучения. При этом достигается экранирование элементов блока счетчиков, расположенных за экраном. Широкий диапазон измерений МД обеспечивается благодаря реализации переключаемой чувствительности СИ42Г, которая может принимать значения 18 имп/мкГр и 17,5 имп/мГр. Достигаемый диапазон измерения МД при этом принимает значения от 10^-7 до 10 Гр/ч. Техническим результатом является снижение массогабаритных параметров блок детектирования гамма-излучения: замена детектирующих элементов на СИ42Г позволяет снизить массу устройства на 30% за счет использования одного типа детектирующих элементов с сохранением диапазона измерений мощности дозы. Уменьшение общего числа счетчиков гамма-излучения позволяет снизить объем устройства, массу и габариты массивного экрана и корпуса и других составных частей, зависящих от объема блок детектирования.

Широкодиапазонный блок детектирования гамма-излучения для обнаружения локальных источников гамма-излучения, определения их углового положения и измерения мощности дозы, содержащий корпус, в котором установлен экран в форме цилиндра и блок счетчиков, расположенных вокруг экрана, контроллер, соединенный с блоком счетчиков, и высоковольтный преобразователь, соединенный с контроллером, при этом экран выполнен из тяжелого сплава и имеет высоту чувствительного объема счетчиков Гейгера-Мюллера, отличающийся тем, что в качестве элементов блока счетчиков установлены счетчики Гейгера-Мюллера СИ42Г, с автоматическим переключением чувствительных секций в зависимости от мощности дозы в точке измерения.

Полезная модель относится к области ядерного приборостроения и может быть использована при радиационном мониторинге обстановки на объектах ядерно-промышленного комплекса, для обнаружения локальных источников гамма-излучения, определения их углового положения и измерения мощности дозы (далее - МД) гамма-излучения. Предложен широкодиапазонный блок детектирования (далее - БД) гамма-излучения, представляющий собой единый блок цилиндрической формы в корпусе из алюминиевого сплава с экраном, выполненным из вольфрамового сплава. В качестве чувствительных элементов широко диапазонный БД гамма-излучения содержит газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера СИ42Г.

При проведении радиационного мониторинга объектов и территорий с целью снижения воздействия радиации на персонал широко применяются мобильные робототехнические комплексы (далее - МРТК), несущие на борту дозиметрическую аппаратуру.

При разработке устройств радиационного мониторинга, применяемых в качестве полезной нагрузки МРТК, предназначенных для работы в условиях чрезвычайных ситуаций и экстремальных условий, необходимо снижать массогабаритные размеры аппаратуры.

Данную задачу можно решить несколькими способами, например, создав новую конструкцию дозиметрического оборудования с более компактными размерами. Для этого необходимо разработать новые технические решения для размещения компонентов устройства с целью сокращения его объема. При этом необходимо обеспечить сохранение измерительных характеристик и точности измерений, сравнимых с уже существующей аппаратурой. Разработка такого оборудования включает в себя длительный процесс оптимизации конструкции для достижения требуемой точности и диапазона измерений. Также требуется значительный объем работы по доработке и усовершенствованию уже существующего оборудования, т.к. массу устройства не удается сократить за счет снижения общего количества детектирующих элементов. Чаще всего для обеспечения требуемого диапазона измерения МД используются более одного типа счетчиков Гейгера-Мюллера с разной чувствительностью. При этом каждый тип обеспечивает измерения части общего диапазона МД.

Таким образом актуальна задача оптимизации конструкции существующих БД гамма-излучения с целью снижения массогабаритных показателей устройства для использования в качестве полезной нагрузки МРТК при сохранении заданного диапазона измерения МД с требуемой точностью.

С целью решения данной задачи предложен широкодиапазонный БД, детектирующими элементами которого являются газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера СИ42Г. Массогабаритные размеры устройства удается снизить за счет уменьшения размеров массивного экрана, достигаемого путем снижения суммарного количества детектирующих элементов (счетчиков одного типа), расположенных вокруг экрана. Снижение суммарного количества счетчиков Гейгера-Мюллера обусловлено тем, что в полезной модели используются счетчики одного типа. При этом БД позволяет измерять МД в широком диапазоне - от 10^-7 Гр/ч до 10 Гр/ч.

Известен широкодиапазонный интеллектуальный БД гамма-излучения БДКГ-01, входящий в комплект дозиметра-радиометра МКС-АТ1117М («АТОМТЕХ») и предназначенный для измерения дозы непрерывного гамма-излучения от 10^-7 Гр/ч до 10 Гр/ч в диапазоне энергий от 60 кэВ до 3 МэВ. БДКГ-01 выполнен в форме цилиндра, с габаритными показателями - ∅54×255 мм и массой - 0,5 кг. В качестве чувствительных элементов применяются газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера. [Государственный реестр средств измерений, №29551-20 от 30.12.2020, https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry/4/items/1384611].

Известен блок детектирования гамма-излучения БДГ2-РМ1403 [Полимастер, Белоруссия. В реестре СИ № ГБ 0317487112 https:/https://searchplatform.rospatent.gov.ru/patsearch/v0.2/media.belgim.by/grsi/5962.pdf], предназначенный для измерения мощности амбиентного эквивалента дозы рентгеновского и гамма-излучений (МЭД), измерения амбиентного эквивалента дозы фотонного излучения, поиска (обнаружения и локализации) радиоактивных материалов путем регистрации фотонного излучения. БДГ2-РМ1403 содержит газоразрядные счетчики Гейгера-Мюллера и измеряет дозу в диапазоне от 10^-7 Гр/ч до 10 Гр/ч. БДГ2-РМ1403 выполнен в форме цилиндра, масса - 0,110 кг.

Несмотря на небольшую массу описанных выше аналогов, их общим недостатком является то, что данные устройства не позволяют определить угловое положение источника гамма-излучения ввиду отсутствия экрана (коллиматора).

Известно устройство для поиска фотонных источников (Патент на изобретение №2217776), предназначенное для поиска гамма-источников на местности с МД от уровня естественного фона до 10000 Р/ч. Устройство для поиска фотонных источников содержит детектирующий блок, включающий защитный экран в форме цилиндра, многоэлементный детектор, расположенный на боковой поверхности экрана, выполненного в виде цилиндра с полостью, в которой размещены преобразователь и блок электроники. Дополнительно устройство для поиска фотонных источников содержит второй многоэлементный детектор с динамическим диапазоном, дополнительным к диапазону первого детектора. Выходы элементов второго детектора последовательно соединены с другими входами преобразователя и блока электроники. В конкретном исполнении устройства для поиска фотонных источников в качестве чувствительных элементов первого детектора используются счетчики Гейгера СИ29БГ или СБМ-21, для второго детектора - сцинтиллятор-фотодиод СЭЛДИ-102. Таким образом, первый детектор работает в диапазоне МД гамма излучения от 0,0004 Гр/ч до 0,0014 Гр/ч, второй детектор - от 0, 001 Гр/ч до 100 Гр/ч.

Недостатком данного аналога является небольшой диапазон измерения МД гамма-излучения.

Известен БД гамма-поиска ГО.2.96.01 (БДГП-У) из состава измерителя мощности дозы и дифференциальных потоков гамма-излучения ИМД-24 ГО.2.96.00 (ЦНИИ РТК, Россия, в реестре СИ №46311-10 https://fgis.gost.m/fundmetrology/registry/4/items/1397276 который также описан в патенте на изобретение №2299450, предназначенный для обнаружения радиоактивно загрязненных участков местности, объектов и локальных источников гамма-излучения, а также для измерений МД гамма-излучения. БДГП-У содержит защитный экран из тяжелого сплава, выполненный в форме цилиндра, и многоэлементные детекторы, расположенные вокруг защитного экрана. Диапазон измерения МД гамма-излучения составляет от 10^-5 Гр/ч до 10 Гр/ч. В качестве детекторов используются счетчики Гейгера-Мюллера типа СБМ21 в количестве 24 шт., СБМ20 в количестве 24 шт. и СИ38Г в количестве 2 шт.

В сравнении с предложенной полезной моделью основными недостатками аналога являются массогабаритные показатели БДГП-У: масса - 18,5 кг, габаритные размеры - ∅304×330 мм.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является БД гамма-поиска БДГП-Б ГО.1.30.10.01 (ЦНИИ РТК, Россия, в реестре СИ №82294-21), предназначенный для измерения МД гамма-излучения. Конструктивно БДГП-Б представляет собой герметичную конструкцию цилиндрической формы в корпусе из алюминиевого сплава. Для определения направления на источник гамма-излучения в БДГП-Б используется защитный экран. БДГП-Б включает в себя два яруса счетчиков, оси которых расположены вертикально и равномерно по образующей цилиндра. В БДГП-Б используются счетчики Гейгера-Мюллера СБМ21 в количестве 12 шт. и СИ38Г в количестве 12 шт. Диапазон измерения МД гамма-излучения составляет от 10^-7 Гр/ч до 10 Гр/ч.

Принцип работы БДГП-Б заключается в следующем. В процессе поиска гамма-источника сигналы с выходов элементов детектора, сформированные по амплитуде и длительности в преобразователе, поступают на входы электронного блока, который содержит логическую схему и управляющий микроконтроллер и осуществляет поканальное накопление и преобразование данных в машинный код. Код по последовательному каналу поступает на ПЭВМ. При достижении МЭД значения Р₂, близкого к верхней границе 1-го диапазона, первый многоэлементный детектор отключается. После чего включается второй детектор, и на вход электронного блока поступают сигналы с выходов элементов второго детектора, сформированные по амплитуде и длительности в преобразователе. При удалении устройства от источника и достижении МЭД в точке измерения значения Р1 ≈ К⋅Р₂ (где коэффициент гистерезиса К < 1) отключается второй детектор, включается первый детектор и на вход электронного блока поступают сигналы с выходов элементов первого детектора, сформированные по амплитуде и длительности в преобразователе.

В сравнении с предложенной полезной моделью основными недостатками прототипа являются массогабаритные показатели БДГП-Б: масса - не более 11 кг, габаритные размеры - не более ∅250×240 мм. Кроме того, диапазон измерения МД гамма-излучения в прототипе обеспечивается с помощью двух различных типов счетчиков Гейгера-Мюллера, что увеличивает массогабаритные характеристики устройства.

Существенными общими признаками прототипа и заявляемой полезной модели являются назначение, использование счетчиков Гейгера-Мюллера в качестве детектирующих элементов, одинаковый диапазон измерения МД гамма-излучения.

Цель полезной модели - снижение массы и габаритов БД гамма-излучения при сохранении заданного диапазона измерения МД с требуемой точностью.

Для достижения поставленной цели необходимо решить задачу улучшения основных характеристик прототипа, а именно разработать БД гамма-излучения со сниженными массогабаритными параметрами и широким диапазоном измерения МД гамма-излучения.

Задача решается за счет использования в качестве детектирующих элементов БД гамма-излучения счетчиков Гейгера-Мюллера типа СИ42Г. Широкий диапазон измерений МД обеспечивается благодаря реализации переключаемой чувствительности СИ42Г, которая может принимать значения 18 имп/мкГр и 17,5 имп/мГр. Достигаемый диапазон измерения МД при этом принимает значения от 10^-7 до 10 Гр/ч. Таким образом, широкий диапазон изменения чувствительности СИ42Г позволяет применять счетчики Гейгера-Мюллера одного типа, сохраняя диапазон измерений МД и уменьшая массогабаритные характеристики за счет снижения массогабаритных размеров экрана и корпуса.

Техническим результатом является снижение массогабаритных параметров широко диапазонного БД гамма-излучения: замена детектирующих элементов на СИ42Г позволяет снизить массу устройства на 30% за счет использования одного типа детектирующих элементов с сохранением диапазона измерений МД. Уменьшение общего числа счетчиков гамма-излучения позволяет снизить объем устройства, массу и габариты массивного экрана и корпуса и других составных частей, зависящих от объема БД.

Предложена полезная модель широкодиапазонного БД гамма-излучения, включающая экран из тяжелого сплава в форме цилиндра, позволяющий определять угловое положение источника гамма-излучения, и детектирующие элементы - счетчики Гейгера-Мюллера СИ42Г, установленные по окружности вокруг экрана. Высота экрана равна высоте чувствительного объема счетчика Гейгера-Мюллера.

Предложенный широкодиапазонный блок детектирования гамма-излучения предназначен для использования в качестве полезной нагрузки МРТК и обеспечивает снижение массы и габаритов устройства при сохранении диапазона измерения МД гамма-излучения.

На фиг. 1 представлена блок-схема широкодиапазонного БД гамма-излучения.

Широко диапазонный БД гамма-излучения состоит из корпуса 1, включающего в себя систему питания 2, контроллер 3, сигналы которого поступают на высоковольтный преобразователь 4, а затем на блок счетчиков 5. Система передачи информации и ее индикация аналогичны прототипу.

На фиг. 2 представлена схема расположения счетчиков Гейгера-Мюллера и экрана внутри блока счетчиков 5.

Устройство содержит экран, выполненный в форме цилиндра 6, блок счетчиков СИ42Г 7, расположенных по окружности вокруг экрана. В конкретном исполнении широкодиапазонного БД гамма-излучения в качестве элементов блока счетчиков 5 установлены счетчики Гейгера-Мюллера типа СИ42Г в количестве 12 штук. Экран выполнен из вольфрамового сплава. Система питания, контроллер и высоковольтный преобразователь расположены над экраном и блоком счетчиков.

Широкодиапазонный БД гамма-излучения работает следующим образом. Система питания подключается к контроллеру и высоковольтному преобразователю. Контроллер осуществляет управление блоком счетчиков. При этом в контроллере осуществляется накопление сигнала и преобразование данных в машинный код. Код по последовательному каналу поступает на ПЭВМ.

Изначально измерения МД проводятся путем использования блока счетчиков в низкочувствительном режиме. При этом напряжение подается на вход низкочувствительной секции СИ42Г (чувствительность 18 имп/мкГр). При достижении нижнего порога МД низкочувствительного режима показания БД не позволяет получить достаточную статистику скорости счета и достоверно определить малые значения МД. В результате происходит переключение блока счетчиков в высокочувствительный режим. При этом напряжение подается на вход высокочувствительной секции СИ42Г (чувствительность 17,5 имп/мГр). При достижении верхнего порога МД высокочувствительного режима происходит обратное переключение блока счетчиков в низкочувствительный режим. Управление переключением режимов осуществляется контроллером.

За счет наличия экрана осуществляется определение углового положения источника гамма-излучения. При этом достигается экранирование элементов блока счетчиков, расположенных за экраном. При поиске источника гамма-излучения контроллер определяет разницу скоростей счета счетчиков, расположенных диаметрально противоположно друг другу. Выбирается пара счетчиков, разница показаний которых будет минимальна. Искомый источник гамма-излучения находится на оси, перпендикулярной линии, соединяющей данную пару счетчиков. При этом источник располагается в той полуплоскости относительно линии, соединяющей пару счетчиков, где суммарная скорость счета максимальна.