RU2471205C2

RU2471205C2 - Method of searching for and determining coordinates of gamma-radiation sources

Info

Publication number: RU2471205C2
Application number: RU2011100561/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Евгеньевич Лапин; Андрей Николаевич Власенко; Владимир Павлович Демченков; Александр Филиппович Первишко
Priority date: 2011-01-11
Filing date: 2011-01-11
Publication date: 2012-12-27
Also published as: RU2011100561A

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of searching for and detecting gamma-radiation sources in conditions of non-uniform radiation contamination, involving detection of radiation by multiple detectors lying on the platform of a mobile robot, wherein to determine the amount and location of fragments in the detected radiation contamination using a gamma-imaging device, a superimposed image of the video and gamma-images of the investigated region is obtained, said image containing radiation sources, where the position of each radiating fragment on the gamma-image is marked with a coloured spot, the colour of the spot depending on the activity of the source; the most active radiation source is determined on the gamma-image; an operation is performed to remove said source from the environment; the investigated area is monitored to determine remaining sources and the removal operation is repeated until there are no more sources.

EFFECT: shorter search time, high accuracy of determining coordinates of radiation sources.

2 dwg

Description

Изобретение относится к средствам поиска и обнаружения источников гамма-излучения, и предназначается для оснащения дистанционно управляемых мобильных роботов (МР).The invention relates to search and detection of gamma radiation sources, and is intended to equip remotely controlled mobile robots (MR).

Известен «Дистанционно управляемый робот радиационной разведки» [патент на полезную модель РФ №82871]. Робот содержит антропоморфный шарнирный манипулятор с механическим захватом, на котором установлен коллимированный детектор с двумя каналами. На опорной раме установлен многоэлементный детектор, что позволяет комплексу производить поиск первоначального направления на источник излучения (ИИ). Коллимированный детектор, установленный на захвате манипулятора, повышает точность поиска ИИ.The well-known "Remote-controlled robot for radiation reconnaissance" [patent for utility model of the Russian Federation No. 82871]. The robot contains an anthropomorphic articulated manipulator with a mechanical grip, on which a collimated detector with two channels is mounted. A multi-element detector is installed on the support frame, which allows the complex to search for the initial direction to the radiation source (AI). A collimated detector mounted on the grip of the manipulator improves the accuracy of AI search.

Поиск ИИ происходит следующим образом. По информации от многоэлементного детектора в микроЭВМ пульта оператора непрерывно строится вектор, определяющий направление на ИИ с максимальной интенсивностью из всех имеющихся в данном пространстве. Для более точного определения расположения ИИ МР передвигают в направлении полученного вектора. В процессе движения непрерывно снимают информацию с многоэлементного детектора. Как только уровень регистрируемого излучения превысит порог обнаружения, определяемый типом счетчиков коллимированного детектора, МР останавливают. Сканирующими движениями по командам с пульта оператора с помощью манипулятора последовательно перемещают коллимированный детектор вверх-вниз и вправо-влево и получают информацию о регистрируемом уровне излучения с каждого канала коллимированного детектора. Сканирующими движениями добиваются выравнивания регистрируемых уровней излучения от ИИ. В момент выравнивания уровней рабочая ось детектора, а следовательно и захватного устройства, будет направлена на искомый ИИ.The search for AI is as follows. According to information from a multi-element detector, a vector is continuously built in the microcomputer of the operator’s console, which determines the direction of the AI with the maximum intensity from all available in this space. To more accurately determine the location of the AI, the MRs are moved in the direction of the resulting vector. During the movement, information is continuously taken from the multi-element detector. As soon as the level of the detected radiation exceeds the detection threshold determined by the type of counters of the collimated detector, the MR is stopped. The scanning movements of the commands from the operator’s panel using the manipulator sequentially move the collimated detector up and down and left and right and obtain information about the registered radiation level from each channel of the collimated detector. Scanning movements achieve alignment of the recorded radiation levels from the AI. At the time of leveling, the working axis of the detector, and hence the gripping device, will be directed to the desired AI.

Недостатком данного способа является необходимость сканирования пространства манипулятором с установленным на нем коллимированным детектором, что приводит к увеличению времени поиска ИИ. При этом угловая разрешающая способность коллимированного детектора составляет 15 градусов [1]. Если объект излучения содержит несколько фрагментов, такая величина разрешающей способности может привести к ошибкам в определении количества близкорасположенных ИИ, определяя их как одно целое. Кроме этого, оператор должен ориентироваться на показания коллимированного детектора и самостоятельно сопоставлять полученные данные о направлении на ИИ с видеоизображением, полученным с телекамеры, расположенной на манипуляторе. Это может привести к ошибке в определении истинного положения ИИ, если на исследуемой местности находятся другие объекты.The disadvantage of this method is the need to scan the space of the manipulator with a collimated detector installed on it, which leads to an increase in the time of searching for AI. The angular resolution of the collimated detector is 15 degrees [1]. If the radiation object contains several fragments, such a resolution value can lead to errors in determining the number of closely spaced AIs, defining them as a whole. In addition, the operator should focus on the readings of the collimated detector and independently compare the received data on the direction to the AI with the video image obtained from the camera located on the manipulator. This can lead to an error in determining the true position of the AI, if other objects are located on the investigated area.

Известен «Способ поиска и обнаружения источников гамма-излучения в условиях неравномерного радиоактивного загрязнения» [патент РФ №2195005], который был выбран за прототип. Способ заключается в регистрации излучения двумя блоками детектирования, размещенными на платформе мобильного робота. Один из блоков является поисковым и состоит из двух детекторов, разделенных экраном. Поисковый блок детектирования располагается на платформе МР таким образом, чтобы ось разделительного экрана совпадала с продольной осью МР. При поиске источника излучения МР двигается в направлении, определенном равноинтенсивными сигналами с обоих детекторов. Второй блок детектирования обнаружительный. Он представляет собой детектор, размещенный на манипуляторе МР. С его помощью регистрируется изменение мощности дозы и определяется точное местоположение источника гамма-излучения. Если оператору не удается установить визуальный контакт с ИИ при помощи видеокамеры, то его местоположение определяется по звуковым сигналам различной тональности в зависимости от изменения мощности дозы. Опуская манипулятор с детектором к исследуемой поверхности, оператор находит, в какой точке происходит изменение тональности звука, определяя местоположение ИИ.The well-known "Method of searching and detecting sources of gamma radiation in conditions of uneven radioactive contamination" [RF patent No. 2195005], which was chosen as the prototype. The method consists in registering radiation with two detection units placed on the platform of a mobile robot. One of the blocks is a search one and consists of two detectors separated by a screen. The detection search unit is located on the MP platform so that the axis of the dividing screen coincides with the longitudinal axis of the MP. When searching for a radiation source, the MR moves in the direction determined by the equally intense signals from both detectors. The second detection unit is detectable. It is a detector located on the manipulator MP. With its help, a change in the dose rate is recorded and the exact location of the gamma radiation source is determined. If the operator is unable to establish visual contact with the AI using a video camera, then its location is determined by sound signals of different tonality depending on the change in dose rate. By lowering the manipulator with the detector to the surface under investigation, the operator finds at what point the sound tonality changes, determining the location of the AI.

Недостатком такого способа является необходимость сканирования манипулятором МР исследуемой поверхности для определения координат ИИ, что приводит к увеличению времени поиска ИИ. При этом можно отметить невысокую точность и трудоемкость определения координат ИИ, так как оператор в процессе поиска должен сопоставлять звуковую информацию с положением манипулятора. Также может возникнуть ситуация, когда в исследуемом объекте излучения присутствуют нескольких отдельных фрагментов. В этом случае один детектор не позволит различить отдельные источники и будет показывать суммарную мощность дозы от всех ИИ. Это приводит к значительному усложнению процедуры поиска и изъятия ИИ, так как определить координаты отдельных фрагментов в этом случае невозможно.The disadvantage of this method is the need for the MR scanner to scan the surface to determine the coordinates of the AI, which leads to an increase in the search time for the AI. At the same time, it is possible to note the low accuracy and laboriousness of determining the coordinates of the AI, since the operator must match the sound information with the position of the manipulator in the search process. A situation may also arise when several separate fragments are present in the studied radiation object. In this case, one detector will not allow to distinguish individual sources and will show the total dose rate from all AI. This leads to a significant complication of the search and retrieval of the AI, since it is impossible to determine the coordinates of individual fragments in this case.

В настоящее время существует актуальная задача - поиск и обнаружение источников излучения, образующихся в результате радиационных аварий и представляющих собой локальное загрязнение, состоящее из нескольких фрагментов. Существующие технические средства не могут выполнить данную задачу с достаточной эффективностью, так как имеют ряд приведенных выше недостатков. Кроме этого, существующие способы не дают визуального представления информации о положении источников излучения на местности, что усложняет процедуру поиска и изъятия их из окружающей среды.Currently, there is an urgent task - the search and detection of radiation sources resulting from radiation accidents and representing local pollution, consisting of several fragments. Existing technical means cannot perform this task with sufficient efficiency, since they have a number of the above disadvantages. In addition, existing methods do not provide a visual representation of information about the position of radiation sources on the ground, which complicates the procedure for finding and removing them from the environment.

Технический результат - ведение поиска, обнаружения и определения количества и точного местоположения источников гамма-излучения в обнаруженном локальном загрязнении, содержащем несколько радиоактивных фрагментов, уменьшение времени поиска и повышение точности определения координат отдельных ИИ, удобное визуальное представление информации о положении ИИ на местности для оператора.EFFECT: search, detection and determination of the quantity and exact location of gamma radiation sources in detected local contamination containing several radioactive fragments, reducing search time and improving the accuracy of determining the coordinates of individual AIs, convenient visual representation of information about the position of AIs on the ground for the operator.

Указанный технический результат достигается введением в состав детектирующей аппаратуры дополнительного блока детектирования - гамма-визора - устройства для визуального отображения и определения координат локальных источников гамма-излучения, находящихся в поле зрения прибора. По информации, получаемой с поискового и обнаружительных блоков детектирования, МР перемещают к радиоактивному загрязнению способом, указанным в прототипе. Причем МР выводят непосредственно к загрязнению таким образом, чтобы в поле зрения гамма-визора попадала вся исследуемая область, содержащая источники излучения. На основании информации, поступающей от гамма-визора и представляющей собой совмещенную картину видео- и гамма-изображений исследуемой области, где положение каждого излучающего фрагмента отмечено цветовым пятном, причем цвет пятна зависит от активности источника, проводят операцию изъятия источников из окружающей среды. По гамма-изображению определяют наиболее активный фрагмент и при помощи схвата манипулятора его помещают в контейнер. После изъятия наиболее активного фрагмента при помощи гамма-визора контролируют исследуемую местность на предмет оставшихся ИИ. При наличии ИИ операцию изъятия повторяют до полного отсутствия источников излучения на гамма-изображении.The specified technical result is achieved by introducing into the composition of the detecting equipment an additional detection unit - a gamma-visor - a device for visual display and determination of the coordinates of local sources of gamma radiation in the field of view of the device. According to the information obtained from the search and detection detection units, MR is moved to radioactive contamination by the method specified in the prototype. Moreover, MRs are brought directly to pollution in such a way that the entire studied area containing radiation sources enters the field of view of the gamma-ray visor. Based on the information received from the gamma-visor and representing a combined picture of the video and gamma images of the studied area, where the position of each emitting fragment is marked with a color spot, and the color of the spot depends on the activity of the source, an operation is taken to remove sources from the environment. The gamma image determines the most active fragment and, using the gripper of the manipulator, it is placed in a container. After removal of the most active fragment using a gamma-ray monitor the investigated area for the remaining AI. In the presence of AI, the withdrawal operation is repeated until the radiation sources in the gamma image are completely absent.

Таким образом, за один акт измерения, без проведения дополнительного сканирования манипулятором МР, оператор получает всю необходимую информацию о количестве радиоактивных фрагментов в загрязнении и их координатах, что приводит к существенному сокращению времени поиска ИИ. Повышение точности определения координат ИИ реализуется за счет метода отображения локальных фрагментов радиоактивного загрязнения на гамма-изображении, который позволяет определять координаты каждого источника по центру цветового пятна с точностью не более 1 градуса.Thus, in one act of measurement, without additional scanning by the MR manipulator, the operator receives all the necessary information about the number of radioactive fragments in the contamination and their coordinates, which leads to a significant reduction in the time of searching for AI. Improving the accuracy of determining the coordinates of AI is realized through the method of displaying local fragments of radioactive contamination on a gamma image, which allows you to determine the coordinates of each source in the center of the color spot with an accuracy of not more than 1 degree.

Вариант размещения блоков детектирования на платформе МР представлен на фиг.1, где:A variant of the placement of the detection units on the MP platform is presented in figure 1, where:

1 - поисковый блок детектирования;1 - search block detection;

2 - манипулятор;2 - manipulator;

3 - обнаружительный блок детектирования;3 - detection detection unit;

4 - гамма-визор с видеокамерой;4 - gamma visor with a video camera;

5 - радиоактивное загрязнение, содержащее несколько фрагментов.5 - radioactive contamination containing several fragments.

Визуализированная информация о положении отдельных ИИ в радиоактивном загрязнении, поступающая от гамма-визора, отображается на дисплее удаленного пульта оператора.The visualized information on the position of individual AIs in radioactive contamination coming from the gamma-ray visor is displayed on the display of the remote operator panel.

На фиг.2 приведена схема гамма-визора для определения положения источников излучения 1, который содержит защитный корпус 2, кодирующую маску 3, матрицу счетчиков 4, блок контроллеров 5, видеокамеру 6, преобразователь высоковольтный 7, блок аккумуляторов 8, модуль согласования 9, микроЭВМ 10 и модуль Wi-Fi 11. Кодирующая маска 3 имеет прямоугольную форму, состоит из прозрачных и не прозрачных для гамма-излучения элементов, расположенных в определенном порядке, и установлена в передней стенке корпуса 2. Корпус 2 выполнен из материала с большой атомной массой и высокой плотностью (свинец, вольфрам и т.д.) и предназначен для защиты от излучения источников, не попадающих в поле зрения прибора. Матрица счетчиков 4 расположена внутри корпуса 2 напротив кодирующей маски 3, причем центральная ось матрицы 4 совпадает с центральной осью маски 3. Матрица счетчиков 4 имеет прямоугольную форму и представляет собой набор идентичных линеек, на которых в качестве элементов, чувствительных к гамма-излучению, установлены счетчики Гейгера-Мюллера по равному количеству счетчиков в каждой линейке. Матрица счетчиков 4 связана с блоком контроллеров 5, который содержит набор идентичных контроллеров, количество которых равно количеству линеек матрицы, и каждый контроллер связан с соответствующей линейкой матрицы. Вход блока контроллеров 5 подключен к выходу преобразователя высоковольтного 7. Выход блока контроллеров 5 подключен на внутрисистемную CAN-магистраль, к которой также подключены видеокамера 6, преобразователь высоковольтный 7, модуль согласования 9 и микроЭВМ 10. Входы преобразователя высоковольтного 7 связаны с выходом блока аккумуляторов 8. Модуль согласования 9 служит для организации электрических связей между видеокамерой 6, микроЭВМ 10 и преобразователем высоковольтным 7. Вход модуля Wi-Fi 11 связан с выходом микроЭВМ 10. Питание модулей устройства осуществляется через блок аккумуляторов 8 либо от бортовой сети МР (напряжением от 9 до 36 В), либо от внутренней батареи блока аккумуляторов 8: через модуль согласования 9 для питания видеокамеры 7, микроЭВМ 10, и через преобразователь высоковольтный 7 для питания счетчиков матрицы 4.Figure 2 shows a diagram of a gamma visor for determining the position of radiation sources 1, which contains a protective housing 2, an encoding mask 3, a matrix of counters 4, a block of controllers 5, a video camera 6, a high-voltage converter 7, a battery block 8, a matching module 9, a microcomputer 10 and a Wi-Fi module 11. The coding mask 3 has a rectangular shape, consists of elements that are transparent and not transparent for gamma radiation, arranged in a specific order, and is installed in the front wall of the housing 2. Housing 2 is made of a material with a large atomic ssoy and high density (lead, tungsten, etc.) and for protection from radiation sources do not fall in the field of view. The matrix of counters 4 is located inside the housing 2 opposite the coding mask 3, and the central axis of the matrix 4 coincides with the central axis of the mask 3. The matrix of counters 4 has a rectangular shape and is a set of identical rulers, on which, as elements sensitive to gamma radiation, are installed Geiger-Muller counters for an equal number of counters in each line. The matrix of counters 4 is connected to the block of controllers 5, which contains a set of identical controllers, the number of which is equal to the number of rulers of the matrix, and each controller is associated with the corresponding ruler of the matrix. The input of the controller block 5 is connected to the output of the high-voltage converter 7. The output of the controller block 5 is connected to an in-system CAN bus, which also has a video camera 6, a high-voltage converter 7, a matching module 9, and a microcomputer 10. The inputs of the high-voltage converter 7 are connected to the output of the battery block 8 The coordination module 9 is used to organize electrical connections between the camcorder 6, the microcomputer 10 and the high-voltage converter 7. The input of the Wi-Fi module 11 is connected to the output of the microcomputer 10. Power supply of the device modules The properties are carried out through the battery pack 8 either from the on-board network of the MP (voltage from 9 to 36 V), or from the internal battery of the battery pack 8: through the matching module 9 to power the video camera 7, microcomputer 10, and through the high-voltage converter 7 to power the matrix 4 counters .

Потоки гамма-квантов от источников излучения 1 проходят через кодирующую маску 3 и образовывают, в зависимости от направления прихода гамма-излучения, суперпозицию уникальных пространственных распределений тени маски в плоскости позиционно-чувствительного детектора, в роли которого выступает матрица счетчиков 4. Такая суперпозиция теней кодирующей маски регистрируется на счетчиках матрицы 4 в виде распределения электрических сигналов, которое затем поступает на микроЭВМ 10 для декодирования и построения гамма-изображения. Полученная картина гамма-поля, содержащая изображения источников излучения, совмещается в микроЭВМ 10 с видео-изображением исследуемого участка местности, поступающим с видеокамеры 6, и передается через модуль WiFi 11 на пульт оператора 12 для отображения на дисплее. Такая совмещенная картина позволяет сделать однозначный вывод о количестве радиоактивных фрагментов в загрязнении и определить координаты каждого фрагмента за один акт измерения.Gamma-ray fluxes from radiation sources 1 pass through the coding mask 3 and form, depending on the direction of gamma-ray arrival, a superposition of the unique spatial distributions of the mask shadow in the plane of the position-sensitive detector, which is played by the counter matrix 4. Such a superposition of the coding shadows masks are recorded on the counters of the matrix 4 in the form of a distribution of electrical signals, which is then fed to the microcomputer 10 for decoding and constructing a gamma image. The resulting gamma-field picture containing images of radiation sources is combined in the microcomputer 10 with the video image of the studied area received from the video camera 6 and transmitted via WiFi module 11 to the operator console 12 for display on the display. Such a combined picture allows us to make an unambiguous conclusion about the number of radioactive fragments in contamination and to determine the coordinates of each fragment in one measurement event.

Пример определения координат ИИ в радиоактивном загрязнении. После вывода МР непосредственно к обнаруженному радиоактивному загрязнению, содержащему несколько ИИ, оператор ориентирует МР таким образом, чтобы в поле зрения гамма-визора располагался исследуемый участок местности, содержащий источники гамма-излучения. На пульт оператора от гамма-визора поступает совмещенное видео- и гамма-изображение участка. По гамма-изображению оператор определяет наиболее активный ИИ из присутствующих, а по видео-изображению - положение данного источника на местности. После этого производится захват выбранного ИИ охватом манипулятора МР и погрузка ИИ в контейнер. Затем оператор при помощи гамма-визора контролирует исследуемую местность на предмет присутствия ИИ. При наличии ИИ на гамма-изображении процедура определения и изъятия наиболее активного фрагмента в загрязнении повторяется до полного отсутствия ИИ на гамма-изображении.An example of determining the coordinates of AI in radioactive contamination. After the MR is output directly to the detected radioactive contamination containing several AI, the operator orientes the MR in such a way that the studied area containing sources of gamma radiation is located in the field of view of the gamma-visor. The operator’s console receives a combined video and gamma image of the site from the gamma visor. Using the gamma image, the operator determines the most active AI from those present, and the video image determines the position of this source on the ground. After that, the selected AI is captured by the scope of the MR manipulator and the AI is loaded into the container. Then the operator using a gamma-ray monitor monitors the area for the presence of AI. If there is an AI on the gamma image, the procedure for determining and removing the most active fragment in the contamination is repeated until the AI is completely absent on the gamma image.

Поле зрения гамма-визора предложенной конструкции составляет 30х20 градусов, при этом угловое разрешение двух близкорасположенных ИИ составляет не более 5 градусов. Таким образом, гамма-визор может визуализировать не менее 15 локальных ИИ равной активности, равномерно расположенных в поле зрения прибора.The field of view of the gamma visor of the proposed design is 30x20 degrees, while the angular resolution of two closely spaced AIs is no more than 5 degrees. Thus, the gamma-visor can visualize at least 15 local AIs of equal activity, uniformly located in the field of view of the device.

Дополнительным преимуществом является применение в качестве детектирующих элементов счетчиков Гейгера-Мюллера, что позволяет работать в сильных полях ионизирующего излучения и проводить измерения при значениях мощности дозы до 1 Зв/ч (при использовании импульсной схемы питания счетчиков).An additional advantage is the use of Geiger-Muller counters as detecting elements, which makes it possible to work in strong fields of ionizing radiation and carry out measurements at dose rates of up to 1 Sv / h (using a pulse power supply circuit of the counters).

Источник информацииThe source of information

1. Власенко А.Н., Демченков В.П., Герман С.Л. и др. Малогабаритная измерительная аппаратура мобильного робота-разведчика для поиска и изъятия гамма-источников из окружающей среды. / Тезисы докладов научно-технической конференции «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций». - Санкт-Петербург, 24-25 ноября 1999. - с.73.1. Vlasenko A.N., Demchenkov V.P., German S.L. and others. Small-sized measuring equipment of a mobile reconnaissance robot for search and removal of gamma sources from the environment. / Abstracts of the scientific and technical conference "Monitoring and forecasting of emergency situations." - St. Petersburg, November 24-25, 1999 .-- p.73.

Claims

A method for searching and detecting gamma radiation sources under conditions of non-uniform radioactive contamination, comprising registering radiation with several detectors located on the platform of a mobile robot, characterized in that for determining the number and location of fragments in the detected radioactive contamination using a gamma visor, a combined video picture is obtained - and gamma images of the studied area containing radiation sources, where the position of each radiating fragment in the gamma image and marked with a color spot, the color of the spot depending on the activity of the source, the most active radiation source is determined from the gamma image, an operation is taken to remove this source from the environment, the area under investigation is monitored for remaining sources, and the operation is removed until there are no radiation sources.