Доступ: Анонимный

РУДНИЧЕНКО Валерий Александрович

Особенности построения пешеходных радиационных мониторов

В настоящее время во многих областях практической деятельности человека применяются источники ионизирующих излучений. Любая сфера деятельности, связанная с такими источниками, потенциально опасна, поскольку приводит к риску радиологического заражения людей и окружающей среды в случае поступления радиоактивных продуктов за пределы зоны санитарной охраны или использования их в террористических целях. В связи с этим все более важное значение приобретает проблема надежного радиационного контроля, охватывающая широкий спектр задач, часть из которых решается с помощью специальных технических средств, интегрируемых в состав систем контроля и управления доступом (СКУД) и осуществляющих непрерывный радиационный мониторинг на пешеходных контрольно-пропускных пунктах (КПП). Непрерывный радиационный мониторинг в местах массового прохода людей через КПП существенно повышает эффективность систем физической защиты объектов и играет важную роль в противодействии ядерному и радиационному терроризму.
Для радиационного мониторинга применяются пешеходные радиационные мониторы (РМ), представляющие собой устройства, предназначенные для обнаружения ядерных материалов (ЯМ) и радиоактивных веществ (РВ) по их гамма- и/или нейтронному излучению. Требования к порогу обнаружения и другим техническим характеристикам радиационных мониторов ядерных материалов устанавливаются ГОСТ Р 51635-2000, согласно которому пешеходные РМ подразделяются на категории, приведенные в табл. 1.

Таблица 1. Требования к массе обнаруживаемых ЯМ по ГОСТ Р 51635-2000

Категория пешеходного монитора гамма-излучения	Значение порога обнаружения, г		Категория пешеходного монитора нейтронного излучения	Значение порога обнаружения, г
	СО из плутония	СО из урана		СО из плутония
I Пg	0,03	1	I Пn	30
II Пg	0,10	3	II Пn	50
III Пg	0,30	10	III Пn	100
IV Пg	1,00	64	IV Пn	250

Примечания:
1. СО из плутония – стандартный образец из плутония, содержание массовой доли плутония не менее 98% (содержание 239Pu не менее 93,5%)
2. СО из урана – стандартный образец из урана, содержание массовой доли урана не менее 99,75% (содержание 235U не менее 89%)

Как следует из табл. 1, радиационные мониторы гамма-излучения способны обнаруживать ЯМ в меньших количествах по сравнению с мониторами нейтронного излучения. В связи с этим, основным каналом обнаружения РМ является канал регистрации гамма-излучения. Рассмотрим некоторые эксплуатационные особенности, которые необходимо учитывать при выборе порога обнаружения радиационного монитора гамма-излучения.
В современных радиационных мониторах для регистрации гамма-излучения применяются сцинтилляционные детекторы. Работа детектора осуществляется в счетном режиме, при котором величина отсчета на его выходе в произвольный момент времени зависит от количества регистрируемых детектором гамма-квантов в заданном временном интервале, называемом временем экспозиции. Скорость счета на выходе сцинтилляционного детектора является случайной величиной и имеет пуассоновское распределение [1]. Поток отсчетов, создаваемый радиационным фоном, используется для вычисления текущего порогового уровня скорости счета, обеспечивающего значение частоты ложных тревог РМ не ниже требуемого. Частота ложных тревог зависит не только от величины порога, но также от реализуемого алгоритма обработки. Для простого порогового обнаружителя вероятность ложной тревоги PЛ можно оценить по формуле

P_Л = t_Э/T_Л, (1)

где t_Э – время экспозиции; T_Л – время наработки на ложное срабатывание, при t_Э = 1 с и T_Л = 8 ч (требование ГОСТ Р 51635-2000) получим P_Л » 3,5x10^-5.
На рис. 1 приведен график вероятности скорости счета фона (кривая 1), который показывает, что при известной интенсивности потока отсчетов l полученное выше значение P_Л достигается при значении порогового уровня П_g » l + 4s (s – среднеквадратическое значение скорости счета фона).
Выбрав пороговый уровень П_g , можно определить порог обнаружения РМ. Для этого следует придерживаться следующей методики.

1. Вначале определяется зона минимальной чувствительности монитора: строится двухмерная карта чувствительности путем регистрации скорости счета с детекторов от источника гамма-излучения. При этом источник гамма-излучения последовательно помещают в узловых точках двухмерной координатной сетки в плоскости, расположенной перпендикулярно к направлению движения пешехода и соответствующей по размерам зоне обнаружения РМ. В каждой точке делается замер скорости счета, по наименьшей величине которой определяется зона минимальной чувствительности.
2. В соответствии с табл. 1 выбирается стандартный образец (СО) из ядерного материала и производятся проходы через зону обнаружения РМ таким образом, чтобы он перемещался по траектории минимальной чувствительности монитора. Количество проходов зависит от заданной вероятности обнаружения радиационного монитора PРМ (выбирается из ряда: 0,50; 0,75; 0,80; 0,85; 0,90; 0,95) и количества срабатываний монитора, что регламентируется в ГОСТ Р 51635-2000. Например, для подтверждения вероятности обнаружения PРМ і 0,95 следует выполнить 100 проходов, из которых не менее 99 должны вызвать срабатывание РМ.

Рис. 1. Вероятность скорости счета:
1 – в зависимости от фона;
2 – в зависимости от радионуклидного источника и фона;
l – интенсивность потока отсчетов в зависимости от фона (s=Цl)

Для СО, соответствующего порогу обнаружения РМ при PРМ і 0,95, график вероятности скорости счета при проносе его по траектории минимальной чувствительности показан на рис. 1 (кривая 2). Как следует из рис. 1, при выбранном пороговом уровне П_g радиационный монитор должен удовлетворять одновременно двум требованиям: обеспечивать заданную частоту ложных тревог от фона и иметь требуемую вероятность обнаружения PРМ источника гамма-излучения.
Применяя описанную методику, определяют вероятность обнаружения выбранного источника гамма-излучения, проносимого без защитного контейнера. При использовании защитного контейнера поток гамма-излучения, проходя через его стенки, ослабляется и соответственно вероятность обнаружения PРМ источника уменьшается. Для транспортировки гамма-источников используются металлические контейнеры, которые, как правило, бывают стальными или свинцовыми в силу эффективности защитных свойств данных металлов и их доступности.
Кратность ослабления зависит от энергии гамма-излучения, материала и толщины защитного экрана. На рис. 2 приведены графики зависимости кратности ослабления гамма-излучения образцов ЯМ от толщины защитного экрана [2].

Рис. 2. Кратность ослабления гамма-излучения:
1 – ослабление гамма-излучения 235U свинцовым экраном;
2 – ослабление гамма-излучения 239Pu свинцовым экраном;
3 – ослабление гамма-излучения 235U стальным экраном;
4 – ослабление гамма-излучения 239Pu стальным экраном

Учитывая, что скорость счета от источника распределена по закону Пуассона, можно построить графики зависимости вероятности обнаружения источника гамма-излучения от кратности ослабления. На рис. 3 представлены такие зависимости для различных вариантов, отличающихся значением требуемой PРМ, при условии отсутствия защитного экрана; видно, что применение защитного экрана существенно уменьшает вероятность обнаружения источника гамма-излучения. При уменьшении ее до уровня PРМ ? 0,5 резко снижается эффективность применения РМ.
В целях недопущения потери тактических свойств в СКУД применяется комбинированный способ обнаружения, при котором досмотр осуществляется последовательно радиационным монитором и металлообнаружителем (МО). В этом случае фиксируется факт наличия запрещенных материалов при срабатывании хотя бы одного из приборов. При таком способе досмотра критичным является выбор порогов обнаружения РМ и МО, обеспечивающих требуемое значение полной вероятности обнаружения.

Рис. 3. Зависимость вероятности обнаружения источника гамма-излучения
от кратности ослабления (при отсутствии защитного экрана).
Кривые 1 – 6: вероятности обнаружения источника гамма-излучения
соответственно 0,95; 0,90; 0,85; 0,80; 0,75; 0,50

Рассмотрим порядок выбора порогов обнаружения указанных средств на примере типового защитного контейнера, форма которого показана на рис. 4. В табл. 2 приведена масса такого контейнера (при различной толщине стенки), обеспечивающего различную степень ослабления гамма-излучения для СО из урана и плутония.

Таблица 2. Масса типового контейнера

Кратность ослабления	Масса типового контейнера для СО из урана, г		Масса типового контейнера для СО из плутония, г
	Стальной контейнер	Свинцовый контейнер	Стальной контейнер	Свинцовый контейнер
1,1	30	4	55	9
1,2	75	9	140	19
1,3	135	14	265	29
1,4	200	19	425	40
1,5	260	24	630	52
1,6	320	29	770	65
1,7	360	34	940	78
1,8	395	40	1130	94
1,9	450	46	1350	110
2,0	475	52	1570	125

Рис. 4. Вариант типового защитного
контейнера (L – толщина стенки)

При совместном использовании РМ и МО полная вероятность обнаружения будет равна [3]

P₀ = P_PM + P_MO – P_PM·P_MO, (2)

где P_PM – вероятность обнаружения с помощью РМ; P_MO – вероятность обнаружения с помощью МО.
Вероятность обнаружения радиационным монитором можно оценить, используя данные рис. 3 и табл. 2. На рис. 5 в качестве примера приведены зависимости вероятности P_PM (кривые 1 – 6) от массы стального контейнера для СО из урана.
Для оценки вероятности обнаружения МО целесообразно придерживаться методики, аналогичной описанной выше. Пусть P_MO – вероятность обнаружения металлообнаружителем защитного контейнера при проносе его по траектории наименьшей чувствительности. Эксперимент показывает, что случайная величина сигнала от контейнера, проносимого по траектории наименьшей чувствительности, распределена по усеченному нормальному закону, а размах величин сигналов таков, что максимальное значение приблизительно в два раза превышает минимальное.
Учитывая, что величина сигнала прямо пропорциональна площади поверхности контейнера, на рис. 5 (кривая 7) приведена зависимость вероятности обнаружения стального контейнера от его массы при условии, что порог обнаружения МО соответствует массе стального предмета 300 г при P_MO   і 0,95.

Рис. 5. Зависимость вероятности обнаружения СО из урана от массы стального защитного контейнера
(для РМ) и зависимость вероятности обнаружения контейнера от массы (для МО).
Кривые 1 – 6: вероятности обнаружения РМ стандартного образца из урана
без защитного контейнера соответственно 0,95; 0,90; 0,85; 0,80; 0,75; 0,50;
кривая 7 – вероятность обнаружения стального защитного контейнера
при пороге обнаружения 300 г с вероятностью 0,95 (для МО)

Приведенные на рис. 5 графики зависимости P_PM и P_MO от массы защитного контейнера позволяют рассчитать полную вероятность обнаружения P₀. Зависимости величины P₀ от массы стального контейнера для СО из урана показаны на рис. 6, где видно, что при увеличении массы контейнера величина P₀ изменяется в пределах от P_PM (контейнер отсутствует) до »1 (масса контейнера   і пороговой массы обнаружения МО). В этом интервале величина P₀ имеет явно выраженный минимум P_0min,  положение которого на графике зависит от первоначальной P_PM (при отсутствии защитного контейнера) и порога обнаружения МО.
На рис. 7 – 10 приведены зависимости вероятности обнаружения P_0min от массы типового контейнера для СО из урана и плутония, позволяющие выбрать необходимый порог обнаружения МО. Например, при требовании для полной вероятности обнаружения P₀  і 0,5 при проносе СО из урана в стальном контейнере по траектории минимальной чувствительности порог обнаружения МО не должен превышать 450 г (рис. 7).
При окончательном выборе порога обнаружения МО следует учесть значение вероятности обнаружения радиационным монитором СО при отсутствии защитного контейнера. Так, если указанная вероятность составляет 0,9, то порог обнаружения МО должен соответствовать 350 г (рис. 7, кривая 2).

Рис. 6. Зависимость вероятности обнаружения P₀ от массы стального защитного контейнера
при проносе СО из урана (для системы РМ + МО при пороге обнаружения МО 300 г с P_MO і 0,95).
Кривые 1 – 6: вероятности обнаружения СО из урана без защитного контейнера соответственно 0,95; 0,90; 0,85; 0,80; 0,75; 0,50

Таким образом, при использовании пешеходных радиационных мониторов гамма-излучения необходимо учитывать возможность проноса радиоактивных веществ, помещенных в защитный металлический контейнер. Полная вероятность обнаружения при одновременном использовании радиационного монитора и металлообнаружителя зависит от порогов обнаружения отдельных средств (РМ и МО) и может оказаться меньше требуемого значения.
Для правильной совместной эксплуатации РМ и МО необходим согласованный выбор порогов обнаружения отдельных средств. Приведенная выше методика описывает процедуру такого выбора и позволяет произвести оценку ожидаемого значения полной вероятности обнаружения.

Рис. 7. Зависимость вероятности P0min от порога обнаружения МО
при проносе СО из урана в стальном контейнере
(для системы РМ + МО при обнаружении металлообнаружителем пороговой массы с вероятностью 0,95).
Кривые 1 – 6: вероятности обнаружения СО из урана без защитного контейнера соответственно 0,95; 0,90; 0,85; 0,80; 0,75; 0,50

Рис. 8. Зависимость вероятности P_0min от порога обнаружения МО при проносе СО
из урана в свинцовом контейнере (для системы РМ + МО при обнаружении металлообнаружителем пороговой массы с вероятностью 0,95).
Кривые 1 – 6: вероятности обнаружения СО из урана без защитного контейнера соответственно 0,95; 0,90; 0,85; 0,80; 0,75; 0,50

Рис. 9. Зависимость вероятности P_0min от порога обнаружения МО при проносе СО
из плутония в стальном контейнере (для системы РМ + МО при обнаружении металлообнаружителем пороговой массы с вероятностью 0,95).
Кривые 1 – 6: вероятности обнаружения СО из плутония без защитного контейнера соответственно 0,95; 0,90; 0,85; 0,80; 0,75; 0,50

Рис. 10. Зависимость вероятности P_0min от порога обнаружения МО при проносе СО
из плутония в свинцовом контейнере (для системы РМ + МО при обнаружении металлообнаружителем пороговой массы с вероятностью 0,95).
Кривые 1 – 6: вероятности обнаружения СО из плутония без защитного контейнера соответственно 0,95; 0,90; 9,85; 0,80; 0,75; 0,50

Литература

1. Тарасов Г.П. Статистические методы обработки информации в системах измерения ионизирующего излучения. – М.: Атомиздат, 1980, c. 208.
2. Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений: Справочник. 2-е изд  – М.: Атомиздат, 1972, c. 312.
3. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей. – М.: Наука, 1973, c. 368.

Статья опубликована на сайте: 27.07.2007