RU2502087C2 - Method of detecting nuclear facilities by radio probing - Google Patents

Method of detecting nuclear facilities by radio probing Download PDF

Info

Publication number
RU2502087C2
RU2502087C2 RU2011146009/28A RU2011146009A RU2502087C2 RU 2502087 C2 RU2502087 C2 RU 2502087C2 RU 2011146009/28 A RU2011146009/28 A RU 2011146009/28A RU 2011146009 A RU2011146009 A RU 2011146009A RU 2502087 C2 RU2502087 C2 RU 2502087C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
radio
frequency
neutron
signal
Prior art date
Application number
RU2011146009/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2011146009A (en
Inventor
Игорь Федорович Данилин
Руслан Петрович Кошкин
Василий Михайлович Тишин
Григорий Тарасович Шевченко
Сергей Петрович Ющенко
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "18 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2011146009/28A priority Critical patent/RU2502087C2/en
Publication of RU2011146009A publication Critical patent/RU2011146009A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2502087C2 publication Critical patent/RU2502087C2/en

Links

Landscapes

  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method of detecting nuclear facilities by radio probing, which involves detecting radiation, measuring the exceeding of the background by the detected radiation and outputting a signal on the presence of a facility, also involves radio-frequency scanning of the vicinity of the investigated facility, using equipment to detect presence of a reflected signal at the scanning frequency, measuring the value of said signal, determining the maximum value from frequency and, if said value exceeds the background, the investigated facility is a nuclear facility.
EFFECT: longer range of detecting nuclear facilities, high stealthiness and independence of using detection means, shorter search time.

Description

Изобретение относится к техническим средствам регистрации ионизирующего излучения объектов ядерных технологий (ОЯТ) и может быть использовано при поиске стационарных и мобильных ОЯТ.The invention relates to technical means for recording ionizing radiation of nuclear technology objects (SNF) and can be used to search for stationary and mobile SNF.

ОЯТ традиционно контролируются приборами и методами радиационной разведки с использованием в качестве основного признака обнаружения - гамма-нейтронное излучение делящихся материалов. Излучение регистрируется на небольших расстояниях от объекта, например, для мобильного объекта обнаружение осуществляется на расстояниях, составляющих несколько десятков метров.SNF is traditionally monitored by instruments and methods of radiation reconnaissance using gamma-neutron radiation of fissile materials as the main sign of detection. Radiation is recorded at small distances from the object, for example, for a mobile object, detection is carried out at distances of several tens of meters.

Известен «Способ дистанционного обнаружения ядерных зарядов» [Патент RU 2068571 С1, МПК 6 G01T 1/29]. Способ позволяет контролировать наличие ядерных зарядов на расстояниях в несколько метров и времени контроля, измеряемом часами. Обнаружение проводится, по сравнению доз гамма - излучения, в диапазонах от 1,5 до 2 Мэв и от 9,9 до 11,8 Мэв. При превышении установленной величины делают вывод, что в зоне обследования находятся ядерные заряды.The well-known "Method for the remote detection of nuclear charges" [Patent RU 2068571 C1, IPC 6 G01T 1/29]. The method allows you to control the presence of nuclear charges at distances of several meters and the monitoring time, measured in hours. Detection is carried out, by comparing the doses of gamma radiation, in the ranges from 1.5 to 2 MeV and from 9.9 to 11.8 MeV. If the set value is exceeded, they conclude that nuclear charges are in the examination area.

Недостатками способа являются малая дальность обнаружения и большое время экспозиции, что приемлемо для очень малого круга задач обнаружения неподвижных объектов, и неприемлемо для мобильных объектов.The disadvantages of the method are the short detection range and the long exposure time, which is acceptable for a very small range of tasks for detecting stationary objects, and is unacceptable for mobile objects.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ обнаружения источников ионизирующего излучения (варианты)» [Патент RU 02230339 С2, G01T 1/167], заключающийся в радиолокации приземного слоя атмосферы. Локацию осуществляют электромагнитными сигналами на частотах генерации излучений образующихся свободных атомов водорода и молекул гидроксила ОН при относительной влажности приземного слоя воздуха не менее 60%. При этом, ширина линии излучения для атомарного водорода составляет не более 150 кГц, для гидроксила ОН - не более 900 кГц. Регистрацию наличия источника ионизирующего излучения осуществляют по величине поглощения сигнала. Атомы водорода и гидроксильные группы ОН поглощают кванты зондирующего электромагнитного излучения. Сигнал, отраженный от ионизованного слоя атмосферы над объектом, например, ядерной энергетики, будет отсутствовать. Тогда на экране индикатора кругового обзора радиолокационной станции (РЛС) в местах расположения источников ионизирующего излучения появляются неподвижные темные пятна.Closest to the technical nature of the claimed invention is the "Method for the detection of ionizing radiation sources (options)" [Patent RU 02230339 C2, G01T 1/167], which consists in radar surface layer of the atmosphere. The location is carried out by electromagnetic signals at the frequencies of radiation generated by free hydrogen atoms and OH hydroxyl molecules at a relative humidity of the surface air layer of at least 60%. At the same time, the emission line width for atomic hydrogen is not more than 150 kHz, for OH hydroxyl it is not more than 900 kHz. Registration of the presence of an ionizing radiation source is carried out by the magnitude of the signal absorption. Hydrogen atoms and OH hydroxyl groups absorb quanta of probe electromagnetic radiation. The signal reflected from the ionized layer of the atmosphere above the object, for example, nuclear energy, will be absent. Then, motionless dark spots appear on the screen of the circular view indicator of the radar station in the locations of the sources of ionizing radiation.

Недостатком прототипа является наличие ограничения на физическое состояние атмосферы, которое будет выполняться не всегда. Кроме того, радиолокация на указанных фиксированных частотах исключает обнаружение, когда реализуются условия, при которых существующая электронная концентрация в окрестности объекта обеспечивает полное отражение.The disadvantage of the prototype is the presence of restrictions on the physical state of the atmosphere, which will not always be performed. In addition, radar at the indicated fixed frequencies precludes detection when conditions are realized under which the existing electron concentration in the vicinity of the object provides full reflection.

Целью изобретения является повышение дальности обнаружения ОЯТ за счет использования в качестве признака обнаружения радиоизлучение, отраженное от ионизованной окрестности ОЯТ. Одновременно повышается скрытность и независимость применения средств обнаружения, снижается трудоемкость поиска и обнаружения ОЯТ, сокращается время поиска, что особенно важно при возникновении угроз ядерного терроризма.The aim of the invention is to increase the detection range of SNF due to the use as a sign of detection of radio emission reflected from the ionized vicinity of SNF. At the same time, the secrecy and independence of the use of detection tools is increased, the complexity of the search and detection of spent nuclear fuel is reduced, and the search time is reduced, which is especially important in the event of threats of nuclear terrorism.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем регистрацию отраженного излучения фиксированной частоты, измерение превышения регистрируемого излучения над фоном и выдачу сигнала о наличии объекта, согласно изобретению производят радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксируют техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряют его величину, определяют максимальное значение от частоты и, при его превышении над фоном, принимают решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.This goal is achieved by the fact that in the known method, which includes registering the reflected radiation of a fixed frequency, measuring the excess of the detected radiation over the background and issuing a signal about the presence of an object, according to the invention, a radio frequency scan of the vicinity of the observed object is performed, the presence of the reflected signal at the scanning frequency is detected by technical means, measured its value, determine the maximum value of the frequency and, when it is higher than the background, make a decision on ownership n the observed object to the objects of nuclear technology.

Новизна предлагаемого изобретения состоит во введении новых операций, использующих, в качестве основного признака обнаружения, отраженное от ионизованной окрестности ОЯТ радиоизлучение, измеряемое средствами обнаружения, как нового признака обнаружения, значительно увеличивающего дальность обнаружения и возможности обнаружения.The novelty of the present invention consists in the introduction of new operations using, as the main sign of detection, reflected from the ionized vicinity of spent nuclear fuel radio radiation, measured by means of detection, as a new sign of detection, significantly increasing the detection range and detection capabilities.

Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна».Thus, the claimed method meets the criteria of the invention of "novelty."

Анализ известных технических решений в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод о том, что по отдельности составляющие рассматриваемого способа известны. Однако, применение их в предлагаемом способе для решения задачи обнаружения объектов, принадлежащих к ОЯТ, придает этому способу в целом новые свойства. Рассматриваемый способ также обеспечивает повышение скрытности и независимости применения средств обнаружения, снижается трудоемкость поиска и обнаружения ОЯТ, сокращается время поиска, что особенно важно при возникновении угроз ядерного терроризма.The analysis of known technical solutions in the studied area and related areas allows us to conclude that individually the components of the method under consideration are known. However, their use in the proposed method for solving the problem of detecting objects belonging to SNF gives this method new properties as a whole. The considered method also provides increased secrecy and independence of the use of detection tools, reduces the complexity of the search and detection of spent nuclear fuel, reduces the search time, which is especially important in the event of threats of nuclear terrorism.

Таким образом, изобретение имеет «изобретательский уровень», так как оно для специалиста явным образом не следует из уровня развития науки и техники.Thus, an invention has an “inventive step”, since it does not explicitly follow from the level of development of science and technology for a specialist.

Изобретение может быть использовано в области промышленности, связанной с созданием технических средств обнаружения ОЯТ, в охранно-сигнализационных системах для не интрузивного дистанционного контроля наличия радиоактивных материалов, для дистанционного контроля радиоактивных выбросов, загрязнений и слежения за их распространением, а также при перевозке нового и отработанного горючего для ядерных реакторов.The invention can be used in the field of industry related to the creation of technical means for detecting spent nuclear fuel, in security and alarm systems for non-intrusive remote monitoring of the presence of radioactive materials, for remote monitoring of radioactive emissions, contamination and tracking their distribution, as well as in the transportation of new and spent fuel for nuclear reactors.

Таким образом, изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».Thus, the invention meets the criterion of "industrial applicability".

Способ обнаружения ОЯТ радиозондированием включает следующие операции:A method for detecting spent nuclear fuel by radio sounding includes the following operations:

- радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта;- radio frequency scanning of the neighborhood of the observed object;

- фиксацию техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования;- fixing by technical means the presence of a reflected signal at the scanning frequency;

- измерение величины отраженного сигнала;- measurement of the magnitude of the reflected signal;

- определение максимального значения отраженного сигнала от частоты;- determination of the maximum value of the reflected signal from the frequency;

- определение превышения отраженного сигнала над фоном;- determination of the excess of the reflected signal over the background;

- принятие решения о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.- making a decision on the belonging of the observed object to the objects of nuclear technology.

Способ обнаружения ОЯТ радиозондированием работает следующим образом.A method for detecting spent nuclear fuel by radio sounding works as follows.

Радиоактивные излучения делящихся материалов, наряду с традиционными признаками обнаружения, обусловленными регистрацией гамма и нейтронных потоков, создают и другие поля, которые могут обнаруживаться существующими или, при необходимости, специально созданными техническими средствами. Нетрадиционным информативным признаком наличия в зоне контроля источника радиоактивности может быть повышенная степень ионизации воздуха в окрестности объекта.Radioactive radiation of fissile materials, along with the traditional signs of detection due to the registration of gamma and neutron fluxes, create other fields that can be detected by existing or, if necessary, specially created by technical means. An unconventional informative sign of the presence of a source of radioactivity in the control zone may be an increased degree of air ionization in the vicinity of the object.

Регистрация наличия такого повышения или его изменения во времени и будет являться информативным признаком, указывающим на наличие радиоактивного источника внутри контролируемого объекта. Причем, рассматриваемый признак обнаружения может однозначно трактоваться наличием ОЯТ.Registration of the presence of such an increase or its change in time will be an informative sign indicating the presence of a radioactive source inside the controlled object. Moreover, the detection sign under consideration can be unambiguously interpreted as the presence of SNF.

Перевозка или размещение открытых образцов делящихся материалов, за исключением радиоактивных загрязнений, вряд ли возможна. Перевозка радиоактивных источников проводится в контейнерах, причем само изделие находится в конструкции, близкой к герметичной, из металла или других плотных конструкционных материалов. Такая компоновка защищает от выхода материалов из изделия, попадания влаги внутрь конструкции, коррозии и, одновременно, поглощает радиоактивные α и β - излучения. За пределы изделия или контейнера, в котором оно находится, выходит гамма-нейтронное излучение, представляющее интерес для оценки ионизационной картины в окрестности ОЯТ.The transport or placement of open samples of fissile materials, with the exception of radioactive contamination, is hardly possible. Transportation of radioactive sources is carried out in containers, and the product itself is in a structure close to sealed, made of metal or other dense structural materials. This arrangement protects against the exit of materials from the product, moisture penetration into the structure, corrosion and, at the same time, absorbs radioactive α and β radiation. Gamma-neutron radiation, which is of interest for assessing the ionization picture in the vicinity of spent nuclear fuel, extends beyond the product or container in which it is located.

Гамма-нейтронное излучение обладает большой проникающей способностью и распространяется от источника на расстояния, превышающие сотни метров. В силу этой особенности образование ионных пар будет иметь распределение, имеющее максимальное значение на расстоянии Rmax от источника с последующим уменьшением. Величина Rmax и максимальная концентрация ионных пар или ионизации ne будет зависеть как от мощности источника ионизирующих излучений, так и от величины начальной энергии вылетающих γ-квантов и нейтронов.Gamma-neutron radiation has great penetrating power and propagates from a source at distances exceeding hundreds of meters. Due to this feature, the formation of ion pairs will have a distribution having a maximum value at a distance R max from the source with a subsequent decrease. The value of R max and the maximum concentration of ion pairs or ionization n e will depend both on the power of the source of ionizing radiation and on the value of the initial energy of the emitted γ-quanta and neutrons.

Проблемой распространения нейтронов, как в однородной, так и в неоднородной средах, занимаются давно. Она изучена достаточно хорошо и представлена, например, для однородной среды в работе [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973].The problem of neutron propagation, both in homogeneous and inhomogeneous media, has been dealt with for a long time. It has been studied quite well and presented, for example, for a homogeneous medium in the work [V. Klimanov. et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973].

Пространственное распределение плотности потока нейтронов Ф часто аппроксимируют зависимостью вида [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973]The spatial distribution of the neutron flux density Ф is often approximated by a dependence of the form [V. Klimanov et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973]

Figure 00000001
Figure 00000001

где С(Е), λ(E) - константы для данного спектрального распределения источника;where C (E), λ (E) are constants for a given spectral distribution of the source;

Е - начальная энергия нейтрона;E is the initial neutron energy;

R - расстояние от источника.R is the distance from the source.

Коэффициент

Figure 00000002
вместо кажущегося
Figure 00000003
, соответствующего обычному пространственному расхождению, оказывается более приемлемым, особенно для небольших R.Coefficient
Figure 00000002
instead of seeming
Figure 00000003
corresponding to the usual spatial divergence is more acceptable, especially for small R.

На длине свободного пробега нейтроны претерпевают рассеяние и поглощение, причем макроскопическое сечение рассеяния значительно больше, чем поглощения. Поэтому длина пробега определяется, в основном, длиной рассеяния. Поскольку поглощение нейтронов для многих сред, в том числе и для воздуха, описывается законом

Figure 00000004
, где V - скорость нейтрона, то поглощение нейтронов происходит, в основном, при малых «тепловых» скоростях.At the mean free path, neutrons undergo scattering and absorption, and the macroscopic scattering cross section is much larger than the absorption. Therefore, the mean free path is determined mainly by the scattering length. Since the absorption of neutrons for many media, including air, is described by the law
Figure 00000004
, where V is the neutron velocity, then neutron absorption occurs mainly at small "thermal" speeds.

Поглощаясь ядрами среды, нейтроны обеспечивают выход ионизирующего гамма-излучения. Аналитическое описание нейтронных сечений и длин пробега в воздухе приводится, например, в работе [Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М., Наука, 1977].Absorbed by the nuclei of the medium, neutrons provide the output of ionizing gamma radiation. An analytical description of neutron cross sections and mean free paths in air is given, for example, in [Yavorsky B.M. and Detlaf A.A. Handbook of Physics. M., Science, 1977].

Пространственное распределение нейтронов точечного источника вблизи раздела двух сред существенно отличается от распределения в бесконечной среде. Это, в основном, связано с различием в плотности сред (~1000). Следовательно, длина пробега нейтронов будет сильно отличаться на близких расстояниях, так как за счет отражения наблюдается увеличение плотности нейтронов. Однако с ростом расстояния и падением скорости нейтронов происходит их поглощение и плотность потока падает. Аналогично при повышении положения детектора над землей ее влияние уменьшается и распределение приближается к распределению в бесконечной воздушной среде. Таким образом, на расстояниях, превышающих длину рассеяния, плотность распределения нейтронов будет близкой, а, следовательно, радиационные картины поглощения и ионизации будут близкими.The spatial distribution of neutrons of a point source near the separation of two media differs significantly from the distribution in an infinite medium. This is mainly due to the difference in the density of the media (~ 1000). Consequently, the mean free path of neutrons will be very different at close distances, since an increase in neutron density is observed due to reflection. However, with increasing distance and falling velocity of neutrons, they are absorbed and the flux density decreases. Similarly, when the detector is positioned above the ground, its influence decreases and the distribution approaches the distribution in an infinite air environment. Thus, at distances exceeding the scattering length, the neutron distribution density will be close, and, therefore, the radiation absorption and ionization patterns will be close.

Длина пробега нейтрона L в воздушной среде может быть описана выражением [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.]The mean free path L of the neutron in air can be described by the expression [V. Klimanov. et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973.]

Figure 00000005
Figure 00000005

где Е - начальная энергия нейтрона в электрон-вольтах;where E is the initial neutron energy in electron volts;

L - длина пробега нейтрона в метрах.L is the neutron mean free path in meters.

В работе [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.] показано, что вклады захватов промежуточных и тепловых нейтронов сравнимы до расстояний ~400 м. На больших расстояниях основным процессом является захват тепловых нейтронов.In the work [Klimanov V.A. et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973.] it is shown that the contributions of captures of intermediate and thermal neutrons are comparable up to distances of ~ 400 m. At large distances, the main process is the capture of thermal neutrons.

Происходящие захваты нейтронов сопровождаются образованием гамма-излучения, которое, в свою очередь, вызывает различные вторичные эффекты (ионизацию, свечение воздуха, ток комптоновских электронов, генерирующих электромагнитные поля, и др.).The occurring neutron capture is accompanied by the formation of gamma radiation, which, in turn, causes various secondary effects (ionization, air luminescence, current of Compton electrons generating electromagnetic fields, etc.).

Число гамма-квантов

Figure 00000006
, образующихся в единицу времени в окрестности точки
Figure 00000007
, где
Figure 00000008
- радиус вектор с началом в источнике нейтронного излучения, в результате радиационного захвата для воздушной среды будет определяться выражением [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.]The number of gamma rays
Figure 00000006
generated per unit time in a neighborhood of a point
Figure 00000007
where
Figure 00000008
- the radius of the vector with the beginning in the source of neutron radiation, as a result of radiation capture for the air medium will be determined by the expression [V. Klimanov et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973.]

Figure 00000009
Figure 00000009

где nγ - средний выход гамма - квантов на один радиационный захват;where n γ is the average output of gamma quanta per radiation capture;

Figure 00000010
- сечение радиационного захвата при скорости нейтрона V0;
Figure 00000010
- cross section of radiation capture at a neutron speed of V 0 ;

Figure 00000011
- полное макросечение взаимодействия нейтрона при скорости v0;
Figure 00000011
- full macro section of the neutron interaction at a speed v 0 ;

τ - возраст нейтрона.τ is the neutron age.

Средняя энергия гамма-излучения, образующегося при захвате нейтронов с энергией Е<4 Мэв, равна

Figure 00000012
МэВ [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973].The average energy of gamma radiation generated during the capture of neutrons with an energy E <4 MeV is equal to
Figure 00000012
MeV [Klimanov V.A. et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973].

Таким образом, на расстоянии

Figure 00000007
каждый нейтрон, вышедший из источника, за счет гамма-излучения образует более 104 электронов.So in the distance
Figure 00000007
each neutron emerging from the source, due to gamma radiation forms more than 10 4 electrons.

Вторым фактором, оказывающим влияние на ионизацию воздуха, является мгновенное и запаздывающее гамма-излучение, сопровождающее распад делящихся материалов. Основным процессом взаимодействия гамма-излучения с веществом является рассеяние, при котором выбиваются электроны из атомов и происходит ионизация.The second factor affecting the ionization of air is the instantaneous and delayed gamma radiation accompanying the decay of fissile materials. The main process of interaction of gamma radiation with matter is scattering, in which electrons are knocked out of atoms and ionization occurs.

В результате многократного рассеяния происходит накопление гамма-квантов в низкоэнергетической области. Для гамма-квантов с энергией порядка 200 КэВ перенос излучения приближается к диффузному [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973].As a result of multiple scattering, gamma rays are accumulated in the low-energy region. For gamma rays with an energy of the order of 200 keV, the radiation transfer approaches the diffuse [V. Klimanov et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973].

Обычно при проведении расчетов область распространения гамма-излучения разбивается на три составные части.Typically, when conducting calculations, the gamma-ray propagation region is divided into three components.

1) µR=0,5÷1, слабое накопление рассеянных квантов; пространственное распределение ~1/R;1) µR = 0.5 ÷ 1, weak accumulation of scattered quanta; spatial distribution ~ 1 / R;

2) µR=1÷8, пространственное распределение имеет сложную зависимость от R и начальной энергии источника;2) µR = 1 ÷ 8, the spatial distribution has a complex dependence on R and the initial energy of the source;

3) µR>8, характеризуется большим накоплением рассеянных квантов,3) µR> 8, characterized by a large accumulation of scattered quanta,

где µ - линейный коэффициент ослабления излучения.where µ is the linear attenuation coefficient of radiation.

Поскольку для воздуха µ<2,0·10-4 см-1 [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.], то первая часть находится в диапазоне от 25 до 50 м, а третья - более 400 м. Оценки сделаны для малоэнергетичного диапазона энергий порядка 100 кэВ. С ростом энергии величина µ уменьшается, приводя к увеличению верхней границы указанных составных частей.Since for air µ <2.0 · 10 -4 cm -1 [Klimanov V.A. et al. Propagation of ionizing radiation in air. Moscow, 1973.], the first part is in the range from 25 to 50 m, and the third is more than 400 m. Estimates are made for the low-energy range of energies of the order of 100 keV. With an increase in energy, µ decreases, leading to an increase in the upper boundary of these components.

Ослабление интенсивностей гамма-лучей в веществе при условии, что пучок по энергиям очень узок, может оцениваться из выражения [Климанов В.А. и др. Распространение ионизирующих излучений в воздухе. М., 1973.]:The attenuation of the intensities of gamma rays in a substance, provided that the beam is very narrow in energy, can be estimated from the expression [V. Klimanov. et al. Propagation of ionizing radiation in air. M., 1973.]:

Figure 00000013
Figure 00000013

где I0 - начальное значение интенсивности гамма - излучения на границе составных частей 1, 2, 3.where I 0 is the initial value of the intensity of gamma radiation at the boundary of the constituent parts 1, 2, 3.

Величина µ является суммой коэффициентов ослабленияΜ is the sum of the attenuation coefficients

Figure 00000014
Figure 00000014

где µf, µc, µp - соответственно коэффициенты ослабления обусловлены фотоэффектом (энергии 10-2÷10-1 МэВ),where µ f , µ c , µ p are the attenuation coefficients, respectively, due to the photoelectric effect (energies 10 -2 ÷ 10 -1 MeV),

µc - комптон-эффект (энергия 1÷10 МэВ) и µp - образованием электронно-позитронных пар (энергия более 10 МэВ).μ c is the Compton effect (energy 1 ÷ 10 MeV) and μ p is the formation of electron-positron pairs (energy more than 10 MeV).

На каждом из этих диапазонов интенсивность гамма-лучей рассчитывается с учетом соответствующего коэффициента ослабления, которые имеются в соответствующих справочниках, например, в [Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М., Наука, 1977.].On each of these ranges, the intensity of gamma rays is calculated taking into account the corresponding attenuation coefficient, which are available in the corresponding reference books, for example, in [Yavorsky B.M. and Detlaf A.A. Handbook of Physics. M., Science, 1977.].

Расчет ослабления интенсивности гамма-лучей в соответствующем диапазоне позволяет определить количество образовавшихся электронов за счет ионизирующего гамма-излучения, поскольку на образование одной пары ионов расходуется энергии около 33 эВ [Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике. М., Наука, 1977.].The calculation of the attenuation of the intensity of gamma rays in the corresponding range makes it possible to determine the number of electrons formed due to ionizing gamma radiation, since the energy required is about 33 eV to form one pair of ions [BM Yavorsky and Detlaf A.A. Handbook of Physics. M., Science, 1977.].

Приведенные зависимости могут быть использованы для проведения оценочных результатов по определению степени ионизации воздушной среды при совместном воздействии гамма-нейтронного излучения.The above dependences can be used to carry out evaluative results to determine the degree of ionization of the air under the combined influence of gamma-neutron radiation.

Более точные методики и соответствующие программы расчетов существуют в большом количестве для получения более тонких результатов, объясняющих воздействие на электронную аппаратуру и систему управления.More accurate methods and corresponding calculation programs exist in large numbers to obtain more subtle results that explain the impact on electronic equipment and the control system.

Получение средней величины электронной концентрации среды может быть осуществлено путем оценки границ распространения гамма-нейтронного излучения и общего количества энергии, выделяемой источником, идущей на ионизацию.Obtaining the average value of the electron concentration of the medium can be carried out by assessing the boundaries of the distribution of gamma-neutron radiation and the total amount of energy released by the source going to ionization.

Следует отметить, что нейтронная составляющая ионизации может иметь максимум, а для составляющей от гамма-излучения, согласно (6) таких неярко выраженных максимумов будет три - по числу слагаемых выражения (5).It should be noted that the neutron component of ionization can have a maximum, and for the component from gamma radiation, according to (6), there will be three such mild maxima, according to the number of terms in expression (5).

Однако эти максимумы будут строго определенными для монохроматического излучения, а в случае широких пучков гамма-квантов, характерных для делящихся материалов, происходит размытие максимумов по координате.However, these maxima will be strictly determined for monochromatic radiation, and in the case of wide beams of gamma rays characteristic of fissile materials, the maxima will blur along the coordinate.

Зондирование радиоволнами окрестности размещения источников ионизирующих излучений позволяет обнаружить изменение электронной концентрации и определить ее значение по отраженным сигналам от возникающих неоднородностей. При этом длина волны зондирующего излучения должна быть близкой к критической, для которой реализуется полное отражение, аналогичное отражению от ионосферных слоев. Электронная концентрация может быть рассчитана при наличии исходных данных, соответствующих излучениям реальных источников, или получена экспериментально путем проведения измерений на реальных объектах.Sounding by radio waves of the vicinity of the location of sources of ionizing radiation makes it possible to detect a change in the electron concentration and determine its value from the reflected signals from the arising inhomogeneities. In this case, the wavelength of the probe radiation should be close to critical, for which full reflection is realized, similar to reflection from ionospheric layers. The electron concentration can be calculated in the presence of initial data corresponding to the radiation of real sources, or obtained experimentally by conducting measurements on real objects.

При зондировании окрестности источника радиоактивных излучений, отраженный сигнал возвращается назад через время ∆tгр, причем место возвращения - величина R при этом не определяется. Однако точкой возврата является условия равенства нулю диэлектрической проницаемости ε, то естьWhen probing the vicinity of a source of radioactive radiation, the reflected signal returns back after a time ∆t g , and the place of return is the value of R is not determined. However, the return point is the condition that the dielectric constant ε vanishes, i.e.

Figure 00000015
Figure 00000015

Значение действующей величины дальности возврата излучения Rg определяется выражением [Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Физматгиз, М., 1960.]The value of the effective value of the radiation return range R g is determined by the expression [Ginzburg V.L. Propagation of electromagnetic waves in a plasma. Fizmatgiz, M., 1960.]

Figure 00000016
;
Figure 00000016
;

Figure 00000017
Figure 00000017

где N(r) - концентрация электронов в точке r;where N (r) is the electron concentration at the point r;

ω - циклическая частота сигнала;ω is the cyclic frequency of the signal;

r - радиус-вектор;r is the radius vector;

m1, e - масса и заряд электрона;m 1 , e is the mass and charge of the electron;

Ru(ω) - истинное расстояние до точки возврата.R u (ω) is the true distance to the return point.

Уравнение (7) может быть решено относительно Ru(ω). Знание истинного значения Ru(ω) позволяет найти электронную концентрацию из второй формулы выражения (7), так как ε(Ru)=0 согласно (6).Equation (7) can be solved with respect to R u (ω). Knowing the true value of R u (ω) allows us to find the electron concentration from the second formula of expression (7), since ε (R u ) = 0 according to (6).

При наклонном падении радиоволны на ионизованную область отражение происходит при частотах, более высоких, чем при нормальном падении.When the radio wave obliquely falls on the ionized region, reflection occurs at frequencies higher than normal incidence.

Критическая частота отражения при наклонном падении fк,н определяется выражениемThe critical reflection frequency with an inclined incidence f to, n is determined by the expression

Figure 00000018
Figure 00000018

где fн - критическая частота отражения при нормальном падении;where f n is the critical reflection frequency during normal incidence;

θ0 - угол между нормалью к зондируемому слою и направлениемθ 0 is the angle between the normal to the probed layer and the direction

распространения сигнала.signal propagation.

Из (8) видно, что fк,н может достаточно сильно отличаться, то есть при небольших концентрациях электронов в окрестности объекта контроля можно использовать высокочастотную аппаратуру для зондирования. При этом fк,н, согласно (8) и (7) может быть выше на порядок и больше, так как критическая концентрация электронов в районе объекта пропорциональна квадрату частоты.It can be seen from (8) that f k, n can be quite different, that is, at low electron concentrations in the vicinity of the control object, high-frequency sounding equipment can be used. In this case, f k, n , according to (8) and (7), can be higher by an order of magnitude or more, since the critical electron concentration in the region of the object is proportional to the square of the frequency.

Полное отражение сигнала от слоя, как было показано выше, зависит от концентрации электронов, формы и толщины слоя и угла падения излучения на слой. Этими же параметрами определяется и коэффициент частичного отражения Rотр.The total reflection of the signal from the layer, as shown above, depends on the electron concentration, the shape and thickness of the layer, and the angle of incidence of radiation on the layer. The same parameters determine the partial reflection coefficient R neg .

Отражение от толстого слоя, условие которого определяется выражениемReflection from a thick layer, the condition of which is determined by the expression

Figure 00000019
Figure 00000019

где Zm - толщина слоя;where Z m is the thickness of the layer;

λk - критическая длина волны. Коэффициенты пропускания Dпр и отражения связаны соотношением [Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Физматгиз, М., 1960].λ k is the critical wavelength. The transmittance D pr and reflection are related by the relation [Ginzburg V.L. Propagation of electromagnetic waves in a plasma. Fizmatgiz, M., 1960].

Figure 00000020
Figure 00000020

где ∆f=fк-f и f - частота падающего излучения;where ∆f = f to -f and f is the frequency of the incident radiation;

с - скорость света.c is the speed of light.

Для выполнения (10) должно быть ∆f/fк<<1.To fulfill (10), there must be ∆f / f to << 1.

Для зон контроля с радиусом порядка нескольких сотен метров условие (9) выполняется и коэффициенты отражения, и поглощения могут рассчитываться по формуле (10).For control zones with a radius of the order of several hundred meters, condition (9) is satisfied, and the reflection coefficients and absorption can be calculated by formula (10).

Для других условий, когда ∆f/fк>1 или близко к единице расчетные формулы приведены в работе [Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. Физматгиз, М., 1960]. При этом параметр, учитывающий электронную концентрацию, является определяющим, а формулы пригодны для инженерных расчетов.For other conditions, when Δf / f to > 1 or close to unity, the calculation formulas are given in [Ginsburg V.L. Propagation of electromagnetic waves in a plasma. Fizmatgiz, M., 1960]. In this case, the parameter taking into account the electron concentration is decisive, and the formulas are suitable for engineering calculations.

Величина электронной концентрации, при которой происходит полное отражение зондируемого радиосигнала, может достигаться для сравнительно мощных источников радиоактивных излучений.The magnitude of the electron concentration at which the complete reflection of the probed radio signal occurs can be achieved for relatively powerful sources of radioactive radiation.

В частности, для нижней границы УКВ-диапазона (30 МГц) электронная концентрация согласно выражениям (7) должна быть порядка 107 эл/см.In particular, for the lower boundary of the VHF range (30 MHz), the electron concentration according to expressions (7) should be of the order of 10 7 el / cm.

Для сигнала с длиной волны в 100 м (3 МГц) соответствующая электронная концентрация должна быть порядка 105 эл/см3, а для 1000 м (30 кГц) - 103 эл/см3. Эти величины могут реализоваться для обычных ОЯТ. Причем контейнеры, а также стенки вагонов не в состоянии существенно задержать проникающих излучений и повлиять на электронную концентрацию окрестности ОЯТ. При наклонном зондировании, как было показано выше, критическая частота отражения будет выше, что позволяет сделать предположение о возможности обнаружения даже средствами СИЧ диапазона.For a signal with a wavelength of 100 m (3 MHz), the corresponding electron concentration should be of the order of 10 5 el / cm 3 , and for 1000 m (30 kHz) - 10 3 el / cm 3 . These values can be realized for conventional SNF. Moreover, the containers, as well as the walls of the wagons, are not able to significantly delay the penetrating radiation and affect the electronic concentration of the vicinity of spent nuclear fuel. With oblique sounding, as was shown above, the critical reflection frequency will be higher, which allows us to make an assumption about the possibility of detection even by means of the WMS range.

При реализации предлагаемого изобретения оператор выбирает объект контроля, включает приемо-передающее устройство, измеряет фоновое значение радиосигналов в рабочем диапазоне частот, производит радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксирует техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряет его величину, определяет максимальное значение от частоты и при его превышении над фоном принимает решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий.When implementing the invention, the operator selects the control object, turns on the transceiver, measures the background value of the radio signals in the operating frequency range, performs a radio frequency scan of the vicinity of the observed object, fixes by technical means the presence of the reflected signal at the scanning frequency, measures its value, determines the maximum value of the frequency and when it exceeds the background, it makes a decision on whether the observed object belongs to nuclear technology objects.

Положительный эффект от использования изобретения состоит в:The positive effect of using the invention is:

- увеличении дальности обнаружения ОЯТ за счет использования в качестве основного признака обнаружение радиоизлучение, отраженное от ионизированного облака окрестности ОЯТ;- increasing the range of SNF detection due to the use of radio emission reflected from the ionized cloud of the vicinity of SNF as the main feature;

- повышении скрытности применения технических средств;- increasing the secrecy of the use of technical means;

- обеспечении оперативности поиска и обнаружения ОЯТ;- ensuring the prompt search and detection of spent nuclear fuel;

- снижении уровня угрозы ядерного терроризма.- reducing the threat of nuclear terrorism.

Предлагаемый способ обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием можно реализовать при помощи существующих или специально разработанных отечественных переносных радиолокационных средств типа РЛС СБР 1Л111, РЛС 1Л120. Следует отметить, что определение максимума отраженного сигнала от частоты позволяет рассчитать уровень электронной концентрации, что обеспечивает потенциальную возможность оценки количества делящихся материалов в районе наблюдения.The proposed method for detecting nuclear technology objects by radio sounding can be implemented using existing or specially developed domestic portable radar systems such as radar SBR 1L111, radar 1L120. It should be noted that determining the maximum of the reflected signal from the frequency allows us to calculate the level of electron concentration, which provides a potential opportunity to estimate the amount of fissile materials in the observation area.

Claims (1)

Способ обнаружения объектов ядерных технологий радиозондированием, включающий регистрацию излучения, измерение превышения регистрируемого излучения над фоном и выдачу сигнала о наличии объекта, отличающийся тем, что производят радиочастотное сканирование окрестности наблюдаемого объекта, фиксируют техническими средствами наличие отраженного сигнала на частоте сканирования, измеряют его величину, определяют максимальное значение от частоты и, при его превышении над фоном, принимают решение о принадлежности наблюдаемого объекта к объектам ядерных технологий. A method for detecting objects of nuclear technology by radio sounding, including registration of radiation, measuring the excess of the detected radiation over the background and issuing a signal about the presence of an object, characterized in that a radio frequency scan of the vicinity of the observed object is performed, the presence of a reflected signal at the scanning frequency is recorded by technical means, its magnitude is measured, its value is determined, determined the maximum value of the frequency and, when it exceeds the background, decide on whether the observed object belongs to The object of nuclear technology.
RU2011146009/28A 2011-11-11 2011-11-11 Method of detecting nuclear facilities by radio probing RU2502087C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011146009/28A RU2502087C2 (en) 2011-11-11 2011-11-11 Method of detecting nuclear facilities by radio probing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011146009/28A RU2502087C2 (en) 2011-11-11 2011-11-11 Method of detecting nuclear facilities by radio probing

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2011146009A RU2011146009A (en) 2013-05-20
RU2502087C2 true RU2502087C2 (en) 2013-12-20

Family

ID=48788892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011146009/28A RU2502087C2 (en) 2011-11-11 2011-11-11 Method of detecting nuclear facilities by radio probing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2502087C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3618162A1 (en) * 1986-05-30 1987-12-03 Dornier System Gmbh Monitoring of nuclear power stations
RU94001444A (en) * 1994-01-13 1995-10-20 Акционерное общество "Инстар" DETECTION SYSTEM OF RADIOACTIVE EMISSIONS IN THE ATMOSPHERE AND THEIR DEPOSITION
RU2147137C1 (en) * 1999-04-21 2000-03-27 Елохин Александр Прокопьевич Method for remote radiation monitoring of environment polluted with radioactive and other harmful emissions
RU2230339C2 (en) * 2002-03-11 2004-06-10 Томский политехнический унитверситет Process of detection of ionizing radiation sources (variants)

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3618162A1 (en) * 1986-05-30 1987-12-03 Dornier System Gmbh Monitoring of nuclear power stations
RU94001444A (en) * 1994-01-13 1995-10-20 Акционерное общество "Инстар" DETECTION SYSTEM OF RADIOACTIVE EMISSIONS IN THE ATMOSPHERE AND THEIR DEPOSITION
RU2147137C1 (en) * 1999-04-21 2000-03-27 Елохин Александр Прокопьевич Method for remote radiation monitoring of environment polluted with radioactive and other harmful emissions
RU2230339C2 (en) * 2002-03-11 2004-06-10 Томский политехнический унитверситет Process of detection of ionizing radiation sources (variants)

Also Published As

Publication number Publication date
RU2011146009A (en) 2013-05-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5054518B2 (en) Method and system for determining the average atomic number and mass of a substance
KR102055963B1 (en) Methods and systems for time-of-flight neutron interrogation for material descrimination
US20100046690A1 (en) Apparatus and Method for Detection of Fissile Material Using Active Interrogation
Priyada et al. Intercomparison of gamma scattering, gammatography, and radiography techniques for mild steel nonuniform corrosion detection
US7630474B2 (en) Radiation scanning with photon tagging
WO2004005905A1 (en) X-ray inspection by coherent-scattering from variably disposed scatterers identified as suspect objects
AU2015264759A1 (en) Discrimination of low-atomic weight materials using scattering and stopping of cosmic-ray electrons and muons
Siiskonen et al. Advanced simulation code for alpha spectrometry
US20130208843A1 (en) Neutron activation analysis using a standardized sample container for determining the neutron flux
JP7311161B2 (en) Nondestructive inspection method and apparatus
JP5403767B2 (en) Nondestructive inspection system using nuclear resonance fluorescence scattering
Bendahan Vehicle and cargo scanning for contraband
Brooks et al. Determination of HCNO concentrations by fast neutron scattering analysis
EP2889610B1 (en) Dual isotope nuclear resonance fluorescence for isotope identification, assay and imaging with mono-energetic gamma-ray sources
Udod et al. State-of-the art and development prospects of digital radiography systems for nondestructive testing, evaluation, and inspection of objects: a review
Gong et al. BP neural network analysis for identification of explosive in package by tagged neutron method
Geddes et al. Impact of monoenergetic photon sources on nonproliferation applications final report
EP2920582B1 (en) Identification of materials
RU2502087C2 (en) Method of detecting nuclear facilities by radio probing
US20140205062A1 (en) System and Method For Imaging Defects
Knyazev et al. Tl concentration and its variation in a CsI (Tl) crystal for the CALIFA detector
Wang et al. Experimental studies on nuclide identification radiography with a CMOS camera at Back-n white neutron source
Cui et al. Material identification using dual particle interrogation
Al-Bahi et al. Concept design of a PGNAA system for optimizing the performance of gravity separators
Xue et al. MCNPX simulation and experimental tests of the tagged neutron system for explosive detection in walls

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171112