RU2548132C1 - Detection and identification of radioactive abnormalities in natural media and flows - Google Patents

Detection and identification of radioactive abnormalities in natural media and flows Download PDF

Info

Publication number
RU2548132C1
RU2548132C1 RU2014151943/93A RU2014151943A RU2548132C1 RU 2548132 C1 RU2548132 C1 RU 2548132C1 RU 2014151943/93 A RU2014151943/93 A RU 2014151943/93A RU 2014151943 A RU2014151943 A RU 2014151943A RU 2548132 C1 RU2548132 C1 RU 2548132C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
gamma
detection
identification
radioactive
Prior art date
Application number
RU2014151943/93A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Фёдорович Лукашин
Original Assignee
Морской гидрофизический институт
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 Морской гидрофизический институт filed Critical Морской гидрофизический институт
Priority to RU2014151943/93A priority Critical patent/RU2548132C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2548132C1 publication Critical patent/RU2548132C1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: one or several independent identical spectrometer detectors of gamma-radiation are used. These produce the common and cascade gamma-radiation by registration of time series of intensities including the primary gamma-radiation of radio nuclides for selected time of exposure. Factors of correlation of all elements of spectral composition between them are calculated in selected time interval. Correlation factors are standardised. Matrix of factors of pair correlations is constructed to detect and identify radioactive abnormalities. Matrix type allows identification of fluctuating radio nuclide while matrix change allows the definition of the start of fluctuation activity and its development in space or in time.
EFFECT: higher efficiency of detection of variations of natural medium radioactivity from tens of thousands of seconds to units of seconds, hence, higher accuracy of detection and identification.
1 cl

Description

Изобретение относится к области радиоактивных измерений.The invention relates to the field of radioactive measurements.

Экологический мониторинг прибрежных вод и воздуха приводной атмосферы предполагает, в том числе, и контроль поля радиоактивности природных сред. Цель мониторинга - получение временных рядов данных натурных определений концентраций более или менее полного набора радиоактивных компонентов искусственного и естественного происхождения для анализа пространственно-временного распределения их вариаций (в этом смысле в технике употребляется термин "в потоке"), трендов и пиковых выбросов и, на основе решения фоновой задачи и задачи обнаружения и идентификации, выработки административных, командирских, исследовательских и других решений. Они принимаются в соответствии с разработанными критериями экологической ситуации, критериями опасности по типу "экологического градусника" (лампочки), шкала которого соответствует требуемому решению.Ecological monitoring of coastal waters and air of the driving atmosphere involves, among other things, control of the radioactivity field of natural environments. The purpose of monitoring is to obtain time series of field measurements of the concentrations of a more or less complete set of radioactive components of artificial and natural origin for the analysis of the spatiotemporal distribution of their variations (in this sense, the term “in stream” is used in the technique), trends and peak emissions and, on the basis of solving the background problem and the task of detecting and identifying, developing administrative, commander, research and other solutions. They are accepted in accordance with the developed criteria for the environmental situation, hazard criteria for the type of "environmental thermometer" (light bulb), the scale of which corresponds to the required solution.

Прежде всего, это чисто дозиметрическая задача радиационной безопасности населения, в этом случае получаемая информация представляет собой статистический временной ряд стандартных значений мощности экспозиционной дозы гамма-излучения на высоте 1 м над поверхностью. Это контроль аварийных ситуаций -мониторинг искусственной радиоактивности в воздушной и водной среде по проявлениям в поле концентраций наиболее репрезентативных ее представителей (Cs, I и др.) Это контроль и изучение процессов динамики воздушных и водных масс по проявлениям в поле концентраций естественной радиоактивности (К-40, Rn и др.)First of all, this is a purely dosimetric problem of the radiation safety of the population, in this case the information obtained is a statistical time series of standard values of the exposure dose rate of gamma radiation at a height of 1 m above the surface. This is the control of emergency situations - monitoring of artificial radioactivity in the air and water environment by manifestations in the concentration field of its most representative representatives (Cs, I, etc.) This is the monitoring and study of the dynamics of air and water masses by manifestations of natural radioactivity in the field of concentration (K- 40, Rn, etc.)

Как правило, характерные масштабы вариаций активности, интересующие исследователя, составляют десятки метров или десятки секунд, т.е. вариации таких масштабов должен обнаруживать и идентифицировать метод.As a rule, the characteristic scales of activity variations that interest the researcher are tens of meters or tens of seconds, i.e. variations of such scales should be detected and identified by the method.

Известен стандартный способ регистрации гамма-излучения радионуклидов "in-situ" [1], принятый в качестве прототипа заявленного технического решения.A known standard method for recording gamma radiation of radionuclides "in situ" [1], adopted as a prototype of the claimed technical solution.

Детектор излучения (представляющий собой сцинтиблок на основе монокристалла Nal(Tl) или CsI(Tl), ФЭУ или ФД, а также схемы питания и передачи сигнала, помещенные в герметичную капсулу), размещается в среде, и спектрометрическая - по энергии - информация по линии связи передается в бортовое регистрирующее устройство. Для детектирования, идентификации и определения статистических параметров флуктуаций компонентного состава и активности гамма-излучателей используются характерные для них энергетические параметры излучения, а именно: временные ряды счетности в диапазоне энергий пика полного поглощения (ППП) гамма-излучателя, интересующего исследователя.A radiation detector (which is a scintiblock based on a Nal (Tl) or CsI (Tl) single crystal, PMT, or PD, as well as power and signal transmission circuits placed in an airtight capsule) is placed in a medium, and spectrometric - in energy - line information communication is transmitted to the on-board recording device. To detect, identify and determine the statistical parameters of fluctuations in the component composition and activity of gamma emitters, the characteristic energy parameters of radiation are used, namely: counting time series in the energy range of the total absorption peak (SPP) of the gamma emitter, of interest to the researcher.

Для этого в натурных условиях, периодически, измерения прерываются, в исследуемую среду, если это возможно, вносятся образцовые спектрометрические источники излучения (ОСГИ), и проводится калибровка тракта усиления сигнала (энергия излучения-номер канала спектрометра) по ППП образцовых источников излучения. На основании данных калибровки контролируют работу спектрометрического канала, выделяют диапазон каналов спектрометра, содержащий ППП исследуемого излучателя, и получают параметры для критериев выбраковки статистической информации и, наконец, удаляют ОСГИ и продолжают измерения. Процедура длительная, трудоемкая и, в определенной степени, небезопасная.To do this, in natural conditions, periodically, measurements are interrupted, if possible, reference spectrometric radiation sources (SIRS) are introduced into the test medium, and the signal amplification path (radiation energy-channel number of the spectrometer) is calibrated using the IFR of reference radiation sources. Based on the calibration data, the operation of the spectrometric channel is monitored, the channel range of the spectrometer containing the SPP of the emitter under study is isolated, and parameters for the criteria for rejecting statistical information are obtained and, finally, the OSGI is removed and measurements continue. The procedure is lengthy, time-consuming and, to some extent, unsafe.

Кроме того, если фоновые загрузки (счетности) стандартных детекторов в ППП естественных гамма-излучателей составляют ~ 1 имп/с, а естественные флуктуации их активности обеспечивают добавки загрузок ~ 0,01 имп/с, то, исходя из стандартных критериев значимости,

Figure 00000001
где τ - время экспозиции, α - коэффициент, соответствующий установленному статистическому критерию значимости, время экспозиции, необходимое для детектирования такого изменения активности (ΔΙ), составляет
Figure 00000002
и для 5%-ного уровня значимости равно 80 000 с, что значительно превышает анализируемые временные масштабы явления.In addition, if the background load (counting) of standard detectors in the SPP of natural gamma-ray emitters is ~ 1 pulse / s, and the natural fluctuations in their activity provide load additives ~ 0.01 pulse / s, then, based on standard significance criteria,
Figure 00000001
where τ is the exposure time, α is the coefficient corresponding to the established statistical significance criterion, the exposure time required to detect such a change in activity (ΔΙ) is
Figure 00000002
and for a 5% significance level it is equal to 80,000 s, which significantly exceeds the analyzed time scales of the phenomenon.

Преодоление указанных трудностей по обеспечению статистической надежности измерений на малых временах экспозиции, для стандартного способа измерения, возможно за счет увеличения эффективного излучающего объёма среды, поставляющего излучение в детектор, путем увеличения его чувствительного объёма. Однако, при этом счетность растет пропорционально объему детектора, а его стоимость по технологическим причина - пропорционально кубу объема.Overcoming these difficulties in ensuring the statistical reliability of measurements at short exposure times, for a standard measurement method, is possible by increasing the effective emitting volume of the medium supplying radiation to the detector by increasing its sensitive volume. However, in this case, the counting increases in proportion to the volume of the detector, and its cost due to technological reasons - in proportion to the cube of the volume.

Требуется новый подход к анализу информативности гамма-поля. Необходим такой выбор регистрируемых параметров и их анализа, который бы позволил снизить требуемые пороговые загрузки при измерениях и обеспечил бы статистическую надежность получаемой информации.A new approach to the analysis of the information content of the gamma field is required. Such a choice of recorded parameters and their analysis is necessary, which would make it possible to reduce the required threshold loadings during measurements and ensure the statistical reliability of the information received.

Основой такого подхода для исследований гамма-поля являются особенности спектрального состава гамма-излучения в среде с распределенными источниками. Во-первых, рассеянное излучение в среде появляется в результате комптон-эффекта, образования электрон-позитронных пар и фотоэффекта, на каждый первичный гамма-квант рождается от 4 до 8 квантов более мягких энергий. Во-вторых, этот спектр излучения в среде появляется за 10-5 - 10-7 с, что значительно меньше времени экспозиции, поэтому обладает свойством синхронности появления. И, наконец, распад ряда радионуклидов, связанных с задачами обнаружения, сопровождается каскадным излучением с характерным временем 10-7 - 10-9 с, т.е. обладает этим же свойством синхронности. Можно предположить, что анализ синхронности флуктуаций счетности в отдельных диапазонах спектрального состава гамма-излучения среды, как элементов фазового пространства (ФП) поля гамма-излучения, при их адекватной нормировке, даст существенную прибавку информативности относительно поставленной задачи.The basis of this approach for studying the gamma field are the features of the spectral composition of gamma radiation in a medium with distributed sources. First, the scattered radiation in the medium appears as a result of the Compton effect, the formation of electron-positron pairs and the photoelectric effect, from 4 to 8 quanta of softer energies are generated for each primary gamma quantum. Secondly, this emission spectrum in the medium appears in 10 -5 - 10 -7 s, which is significantly less than the exposure time, therefore, it has the property of appearance synchronization. And, finally, the decay of a number of radionuclides associated with the detection tasks is accompanied by cascade radiation with a characteristic time of 10 -7 - 10 -9 s, i.e. has the same synchronization property. It can be assumed that the analysis of the synchronism of counting fluctuations in separate ranges of the spectral composition of gamma radiation of the medium, as elements of the phase space (FP) of the gamma radiation field, when they are adequately normalized, will give a significant increase in the information content with respect to the problem posed.

Специфичность поля радиоактивности природных сред состоит в системности. Она заключается в том, что любые воздействия на природную среду вызывают адекватные изменения многих компонент поля радиоактивности, они связаны -изменения системны. Это обстоятельство позволяет осуществлять экологическую интерпретацию воздействия не по значениям отдельных измеряемых параметров, но и по их взаимодействию (системный эффект). Экологические факторы, - параметры воздействия, выявляются не самими измеряемыми параметрами (концентрациями радионуклидов), а их системным эффектом, даже простейшего типа: в попарном соотношении. Это касается прямого воздействия, например, инжекция группы искусственных радионуклидов в природную среду в результате аварии атомного реактора через атмосферные выпадения вызывает системный радиоэкологический эффект на радиационную безопасность человека через целый ряд пищевых, ингаляционных и др. цепочек. Аналогично системное воздействие непрямых факторов, например, смена воздушной массы с другим составом естественных радионуклидов (морской или континентальной) в результате общей циркуляции атмосферы. Причем точный учет всех процессов от самой аварии или процессов в верхней атмосфере до самочувствия человека практически не возможен, а системный анализ "воздействие-эффект" вполне осуществим с получением реальных прогностических данных статистического типа.The specificity of the field of radioactivity of natural environments is systematic. It lies in the fact that any impact on the natural environment causes adequate changes in many components of the radioactivity field, they are connected, systemic changes. This circumstance allows an environmental interpretation of the impact not according to the values of individual measured parameters, but also according to their interaction (systemic effect). Environmental factors - exposure parameters, are detected not by the measured parameters themselves (radionuclide concentrations), but by their systemic effect, even of the simplest type: in pairs. This concerns the direct impact, for example, the injection of a group of artificial radionuclides into the environment as a result of an atomic reactor accident through atmospheric deposition causes a systemic radioecological effect on human radiation safety through a number of food, inhalation and other chains. Similarly, the systemic effects of indirect factors, for example, a change in air mass with a different composition of natural radionuclides (marine or continental) as a result of general atmospheric circulation. Moreover, accurate accounting of all processes from the accident itself or processes in the upper atmosphere to the well-being of a person is practically impossible, and a system analysis of the “effect-effect” is quite feasible with obtaining real prognostic data of a statistical type.

Известна результативность такого подхода к решению задач, связанных с полями радиоактивности природных сред. Например, все методы радиоактивного датирования основаны не на анализе концентраций отдельных радионуклидов, а на системном анализе соотношений их концентраций, а именно, на простейшем варианте - анализе попарных соотношений концентраций, С-14/С-12 или Pa-231/Th-230. Именно соотношение концентраций несет системную информацию о геологическом возрасте. Впечатляющим примером системного анализа радиоактивности в океанологии являются исследования соотношений концентраций 0-18/0-16 для оценки параметров регионального обмена океан-атмосфера [2]. Целенаправленный поиск отклонений от стандарта соотношения концентраций изотопов U-235/U-238 позволили доказать существование ЕЯР (естественного ядерного реактора) на территории урановых рудников в Габоне. В то время как отдельные значения концентраций этих изотопов, хотя и несут информацию о природных ядерных катаклизмах, она завуалирована последующими геологическими процессами. В этой связи, большие надежды для подтверждения адекватности ЕЯР-концепции возлагаются на системные исследования соотношений других пар радионуклидов, трансформация которых может нести системный эффект при ЕЯР-процессах, а также других параметров геологических структур, изменения которых связаны с этими процессами [3]. Эффективность такого подхода продемонстрирована Георгиевским [4] для получения радиоэкологических параметров при оценке радиационной ситуации после чернобыльской аварии путем анализа именно соотношений концентраций Cs-137/Sr-90, Ru-106/Ce-144, Zr-95/Sr-90, Sr-89/Sr-90 и др.The effectiveness of such an approach to solving problems associated with the fields of radioactivity of natural environments is known. For example, all methods of radioactive dating are based not on the analysis of the concentrations of individual radionuclides, but on a systematic analysis of the ratios of their concentrations, namely, on the simplest option - the analysis of pairwise concentration ratios, C-14 / C-12 or Pa-231 / Th-230. It is the concentration ratio that carries system information about the geological age. An impressive example of a systematic analysis of radioactivity in oceanology is the study of concentration ratios 0-18 / 0-16 to assess the parameters of regional ocean-atmosphere exchange [2]. A purposeful search for deviations from the standard for the ratio of the concentration of isotopes U-235 / U-238 made it possible to prove the existence of a nuclear reactor (natural nuclear reactor) in the territory of uranium mines in Gabon. While the individual concentrations of these isotopes, although they carry information about natural nuclear disasters, it is veiled by subsequent geological processes. In this regard, great hopes for confirming the adequacy of the NNR concept are assigned to systematic studies of the ratios of other pairs of radionuclides, the transformation of which can have a systemic effect during NNR processes, as well as other parameters of geological structures whose changes are associated with these processes [3]. The effectiveness of this approach was demonstrated by Georgievsky [4] for obtaining radioecological parameters in assessing the radiation situation after the Chernobyl accident by analyzing precisely the concentration ratios Cs-137 / Sr-90, Ru-106 / Ce-144, Zr-95 / Sr-90, Sr- 89 / Sr-90 et al.

Во всех этих случаях системный анализ сводился к простейшей операции - анализу попарных отношений концентраций. Естественно, возникает вопрос о более общем подходе - анализе многомерного образа явления.In all these cases, system analysis was reduced to the simplest operation — the analysis of pairwise concentration ratios. Naturally, the question arises of a more general approach - the analysis of a multidimensional image of the phenomenon.

Процедура системного анализа состоит в конформном отображении фонового многомерного образа поля в экспериментально полученный образ под действием вектора событий, в общем случае. В зависимости от способа формализации многомерного образа поля выбирается инструмент системного анализа.The system analysis procedure consists in conformally mapping a background multidimensional image of a field into an experimentally obtained image under the action of an event vector, in the general case. Depending on the method of formalizing a multidimensional image of the field, a system analysis tool is selected.

Отмеченная ситуация присуща и системе гамма-излучающих изотопов природных сред, т.е. она проявляется и в поле гамма-излучения. Системный эффект при этом состоит как в том, что "воздействия-задачи" вызывают определенные, с трого связанные изменения в комплекте радионуклидов, инжектируемых в окружающую среду, так и в том, что среди них всегда имеются гамма-излучающая составляющая, создающая, детерминированный по интенсивности и спектральному составу, компонент гамма-поля.This situation is also inherent in the system of gamma-emitting isotopes of natural media, i.e. it also appears in the field of gamma radiation. The systemic effect in this case consists both in the fact that the “impact-tasks” cause certain, three related changes in the set of radionuclides injected into the environment, and in the fact that among them there is always a gamma-emitting component, which is determined by intensity and spectral composition, component of the gamma field.

Среди других видов излучения гамма-поле обладает, в этом плане, рядом достоинств: оно содержит полную информацию о покомпонентном составе радиоактивности, имеет линейчатый спектр, исключительно высокую скорость передачи информации, а также оптимальные транспортные параметры излучения (средняя длина свободного пробега в среде превышает характерные конструктивные размеры детекторов, но меньше пространственных масштабов исследуемых процессов). Достаточно простой способ регистрации излучения, высокая эффективность регистрации современными детектирующими системами по сравнению с другими типами радиоактивных излучений и широкий набор ядернофизических параметров излучателей, обусловливающий высокую информативность поля для их идентификации, дополняет этот ряд. Поэтому системный анализ статистических параметров поля гамма-излучения природной среды позволяет решать обозначенные задачи мониторинга, являясь, в то же время, наиболее перспективным способом автоматизации процесса измерения. И подразумевают под ним организацию специальной конфигурации измерительного комплекса, а также методику измерения и обработки полученных данных, позволяющую представлять их интерпретацию не только по отдельным измеряемым параметрам, но по их совокупности, а в общем случае по всему многомерному образу поля.Among other types of radiation, the gamma-field has, in this regard, several advantages: it contains complete information about the component composition of radioactivity, has a linear spectrum, an exceptionally high information transfer rate, and also optimal radiation transport parameters (the average mean free path in the medium exceeds typical design dimensions of the detectors, but less than the spatial scales of the processes under study). A rather simple way of detecting radiation, the high efficiency of registration with modern detecting systems compared to other types of radioactive radiation, and a wide range of nuclear-physical parameters of the emitters, which determines the high information content of the field for their identification, complements this series. Therefore, a systematic analysis of the statistical parameters of the gamma radiation field of the natural environment allows us to solve the indicated monitoring tasks, being, at the same time, the most promising way to automate the measurement process. And they mean by it the organization of a special configuration of the measuring complex, as well as the methodology for measuring and processing the obtained data, allowing them to be interpreted not only by the individual measured parameters, but by their combination, and in the general case throughout the multidimensional image of the field.

В основу изобретения поставлена задача создания способа обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий в природных средах в потоке, совокупностью существенных признаков которого достигается новое техническое свойство - возможность адекватного выбора элементов ФП гамма-поля и системного анализа счетностей в них. Указанное новое свойство обеспечивает технический результат изобретения - повышение оперативности статистически обеспеченного детектирования вариаций радиоактивности природной среды с десятков тысяч секунд до единиц секунд, что повышает точность обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий.The basis of the invention is the task of creating a method for detecting and identifying radioactive anomalies in natural environments in a stream, the combination of the essential features of which achieves a new technical property - the ability to adequately select the elements of the gamma-field phase transition and system analysis of the counts in them. The specified new property provides the technical result of the invention - increasing the efficiency of statistically secured detection of variations in the radioactivity of the environment from tens of thousands of seconds to units of seconds, which increases the accuracy of detection and identification of radioactive anomalies.

Поставленная задача изобретения решается тем, что в способе измерения и анализа статистических параметров поля гамма-излучения природных сред, при котором используют один или несколько идентичных независимых друг от друга спектрометрических детекторов гамма-излучения и регистрируют временной ряд интенсивности первичного гамма-излучения радионуклида за выбранный интервал времени, новым является то, что регистрируют временной ряд спектров общего и каскадного гамма-излучения радионуклидов природной среды с установленным временем экспозиции, осуществляют расчет коэффициентов корреляций всех элементов спектрального состава между собой на выбранном интервале времени, производят нормировку коэффициентов корреляций и составляют матрицу коэффициентов парных корреляций, по которой обнаруживают и идентифицируют радиоактивные аномалии.The object of the invention is solved in that in the method of measuring and analyzing the statistical parameters of the gamma radiation field of natural media, in which one or more identical spectrometric gamma radiation detectors are used and the time series of the intensity of the primary gamma radiation of the radionuclide is recorded for the selected interval of time, new is that they record the time series of spectra of the general and cascade gamma radiation of radionuclides of the natural environment with a set time of position calculation is performed of the correlation coefficients of all elements of the spectral composition of each other at a selected time interval, producing a normalization correlation coefficients constitute a matrix of pairwise correlation coefficients for which detect and identify the radioactive anomalies.

Сущность изобретения поясняется следующим. Используют детекторы, позволяющие регистрировать спектры гамма-фона за короткое, относительно масштабов анализируемого явления, время экспозиции, представляющие собой мгновенный (в смысле синхронности) образ гамма-поля по элементам фазового пространства. В их состав входят:The invention is illustrated as follows. They use detectors that make it possible to record gamma-ray spectra in a short exposure time relative to the scale of the analyzed phenomenon, which is an instant (in the sense of synchronism) image of the gamma-field by phase space elements. They include:

- собственно детектирующая система - сцинтилляционный детектор с ФЭУ или ФД, предварительный усилитель сигнала и система питания;- the detecting system itself - a scintillation detector with a PM or PD, a preliminary signal amplifier and a power system;

- анализатор импульсов (АИ), состоящий из усилителя, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и специальной вычислительной техники для построения энергетических спектров излучения, их калибровки и трансформации к удобному виду;- A pulse analyzer (AI), consisting of an amplifier, an amplitude-to-digital converter (ADC), and special computing equipment for constructing energy spectra of radiation, calibrating them, and transforming them to a convenient form;

- интерфейс связи АИ с более или менее мощной ЭВМ;- an AI communication interface with a more or less powerful computer;

- и, собственно, ЭВМ, позволяющая получать статистические выводы и связи для временных рядов спектров излучения.- and, in fact, a computer, which allows one to obtain statistical conclusions and relationships for the time series of radiation spectra.

Все позиции, начиная со второй, в приведенном списке молено заменить стандартным компьютером с установленным на нем пакетом программ Matlab с моделирующей программой Simulink. В этом случае импульсный сигнал с преду-силителя вводится на микрофонный вход звуковой карты, внутренний АЦП которой преобразует его в цифровой код, а в Simulink строятся соответствующие дискриминаторы, усилитель и дифференциальные счетчики на 1024 канала для стандартной спектрометрии, фиксируется номер канала 1024-канального спектрометра, в котором появился импульс и текущее время его появления для поимпульсной записи сигнала. Важно подобрать звуковую карту, мертвое время АЦП которой составляло бы менее 0,5 мке, с соответствующим масштабом оцифровки временной метки.All positions starting from the second one in the above list can be replaced by a standard computer with the Matlab software package installed on it with the Simulink simulation program. In this case, the pulse signal from the preamplifier is input to the microphone input of the sound card, the internal ADC of which converts it to a digital code, and the corresponding discriminators, amplifier, and differential counters for 1024 channels are constructed in Simulink for standard spectrometry, the channel number of the 1024-channel spectrometer is recorded in which the pulse appeared and the current time of its appearance for pulse-by-wave recording of the signal. It is important to choose a sound card whose ADC dead time would be less than 0.5 mke, with an appropriate scale for digitizing the time stamp.

Программная часть комплекса состоит из двух пакетов программ, отличающихся принципиально назначением и, соответственно, быстродействием.The software part of the complex consists of two software packages that differ in principle in purpose and, accordingly, in speed.

Первый содержит пакет программ для приема с АЦП - кода амплитуды сигнала, а с таймера - кода временной метки поступления характерной особенности амплитуды аналогового сигнала на АЦП (например, по достижении 0,7 амплитуды) или появления кода с АЦП и сквозной записи кода сигнала в оперативную память. Важное свойство устройства регистрации сигнала - быстродействие, на уровне 0,5 мкс. в данном случае несет головная часть этого пакета. Средняя скорость поступления аналоговых сигналов с детекторов составляет для реальных морских условий до 10 имп/с, поэтому условия стандартной спектрометрии нетрудно обеспечить существующими аппаратными средствами. Для обеспечения работы каналов каскадного излучения (время разрешения не хуже 1 мкс) необходимо введение дополнительных АЦП, по одной на канал для регистрации кода сигналов разных каналов путем создания виртуальных микропроцессоров, работающих параллельно. Отсутствие пропуска сигналов в этом случае обеспечивает программный дискриминатор импульсов, отбраковывающий импульсы с амплитудами менее ~ 50 кэВ.The first one contains a software package for receiving from the ADC - the signal amplitude code, and from the timer - the time stamp code of the arrival of a characteristic feature of the amplitude of the analog signal to the ADC (for example, upon reaching 0.7 amplitude) or the appearance of the code from the ADC and the write-through of the signal code to the operational memory. An important property of the signal recording device is speed, at the level of 0.5 μs. in this case, carries the head of this package. The average speed of analog signals from detectors is up to 10 pulses / s for real marine conditions, so the conditions of standard spectrometry can be easily provided with existing hardware. To ensure the operation of cascade radiation channels (the resolution time is not worse than 1 μs), it is necessary to introduce additional ADCs, one per channel, to register the code of signals from different channels by creating virtual microprocessors operating in parallel. The absence of a signal skipping in this case is ensured by a software pulse discriminator that rejects pulses with amplitudes of less than ~ 50 keV.

Второй пакет программ служит:The second software package serves:

- для организации массивов многомерных временных рядов счетностей спектрального состава излучения природной среды;- to organize arrays of multidimensional time series of counts of the spectral composition of radiation of the natural environment;

- определения параметров спектрального распределения излучения среды и контроля качества статистической информации;- determination of the parameters of the spectral distribution of radiation of the medium and quality control of statistical information;

- обнаружения моментов значимых изменений интенсивности излучения, выделения репрезентативного участка изменения, определения его величины и идентификации причины вариации гамма-поля;- detecting moments of significant changes in radiation intensity, highlighting a representative portion of the change, determining its magnitude and identifying the reasons for the variation of the gamma field;

- расчета статистических параметров процедуры детектирования и идентификации причины радиоактивной аномалии в формализме вероятностей обнаружения, пропуска сигнала и ложных тревог.- calculation of statistical parameters of the detection procedure and identification of the cause of the radioactive anomaly in the formalism of the probabilities of detection, signal skipping and false alarms.

Инструментом формализации многомерного образа гамма-поля выбран аппарат корреляционной спектрометрии. Полную информацию о структуре синхронных флуктуаций активности компоненты несет корреляционная матрица - матрица коэффициентов парных корреляций (МКПК), составленная по всем элементам ФП - таблица Μ χ Μ коэффициентов корреляции.The instrument for formalizing a multidimensional image of the gamma field is the correlation spectrometry apparatus. The complete information about the structure of synchronous fluctuations in the component activity is provided by the correlation matrix — the matrix of pair correlation coefficients (MCPC) compiled for all elements of the phase transition — a table Μ χ Μ of correlation coefficients.

Временной ряд (индекс к) счетностей в выделенных элементах ФП с номерами i и j составляет N i k

Figure 00000003
и N j k
Figure 00000004
и коэффициент корреляцииThe time series (index k) of countings in the selected elements of the FP with numbers i and j is N i k
Figure 00000003
and N j k
Figure 00000004
and correlation coefficient

Figure 00000005
Figure 00000005

где К - длина реализации.where K is the length of the implementation.

Для построения доверительного интервала коэффициента корреляции его нормализуют с помощью преобразования Фишера [5]. СтатистикаTo build the confidence interval of the correlation coefficient, it is normalized using the Fisher transform [5]. Statistics

Figure 00000006
Figure 00000006

хорошо аппроксимируется [6] нормальным распределением с параметрамиwell approximated [6] by a normal distribution with parameters

Figure 00000007
Figure 00000007

В этом случае доверительный интервал для q имеет вид thZ,<Z<thZ2,In this case, the confidence interval for q has the form thZ, <Z <thZ2,

Figure 00000008
Figure 00000008

где Ν, - нормированная функция Лапласа для l-% доверительного интервала. Значения величин Z1 и Z2 можно найти в таблицах, например, [6].where Ν, is the normalized Laplace function for the l-% confidence interval. The values of Z 1 and Z 2 can be found in the tables, for example, [6].

Применимость такого условия обеспечена нормальностью Ni и Nj. В каждом конкретном случае она должна исследоваться специальным образом, во всяком случае, такой метод дает надежные оценки для счета N>30.The applicability of such a condition is ensured by the normality of N i and N j . In each case, it should be studied in a special way, in any case, this method gives reliable estimates for the score N> 30.

Более того, выполнимость этого критерия оказывается не необходимой. Фишером аналитически исследован характер распределения Ζ от величины q. Иллюстрация результатов этих исследований представлена в [6]. Отличий распределений для q=0 и q=0,8 от нормального нет. За рамками исследований осталась зависимость Ζ от характера распределения значений Ν, в элементах ФП.Moreover, the feasibility of this criterion is not necessary. Fisher analytically investigated the character of the distribution Ζ of q. An illustration of the results of these studies is presented in [6]. There are no differences in the distributions for q = 0 and q = 0.8 from the normal one. Beyond the scope of the research, зависимость remained dependent on the nature of the distribution of значений values, in the elements of the phase transition.

Численное моделирование плотности вероятности распределения Ζ для различных Ν, имеющих пуассоновское распределение, осуществлялось методом Монте-Карло прямым моделированием двух пуассоновских рядов, состоящих из участков с '

Figure 00000009
и
Figure 00000010
Для моделирования значений рядов применялся метод Неймана, что позволяет ожидать некоррелированность результатов выборки для 106 событий. Результаты моделирования подтвердили предположение о независимости распределения Ζ от величины загрузок Ν, вплоть до единиц импульсов в элементах ФП. Для модельных рядов
Figure 00000011
при длине реализаций 103 отклонения от нормальности не зависят от Νi и Νj и для выборок ~10 000 не превышают 0,5%.The numerical simulation of the probability density of the distribution Ζ for various Ν having a Poisson distribution was carried out by the Monte Carlo method by direct modeling of two Poisson series consisting of sections with
Figure 00000009
and
Figure 00000010
To simulate the values of the series, the Neumann method was used, which allows us to expect uncorrelated sampling results for 106 events. The simulation results confirmed the assumption that the distribution Ζ is independent of the load Ν, up to units of momenta in the elements of the phase transition. For lineups
Figure 00000011
for a realization length of 103, deviations from normality are independent of Ν i and Ν j and for samples of ~ 10,000 do not exceed 0.5%.

Таким образом, минимальные пространственно-временные масштабы изменчивости структуры гаммы-поля природной среды, которые могут быть статистически надежно идентифицированы предложенным способом, определяются пороговыми загрузками в элементах ФП гамма-поля, не превышающими единиц импульсов за время экспозиции.Thus, the minimum spatio-temporal scales of the variability of the structure of the gamma field of the natural environment, which can be statistically reliably identified by the proposed method, are determined by threshold loads in the elements of the gamma field phase transition that do not exceed units of pulses during the exposure time.

Для принятия решений, соответствующих экологической ситуации, требуется обобщенный многомерный экологический образ природной среды преобразовать в простой одномерный обобщенный параметр или простую плоскую картинку, элементы которой отражают то или иное состояние среды (экологический статус) и временную его траекторию. Одномерный образ фактически представляет собой некую шкалу состояния среды, выбранную в зависимости от предъявляемых требований, или "экологический градусник". Его цена деления задается некоторыми реперными состояниями среды, полученными расчетным или опытным путем, в том числе и фоновым состоянием. Математический инструмент такого отображения представляет собой аппарат анализа многомерных временных рядов со всеми его составляющими: метод главных компонент, кластерный анализ, факторный анализ, нелинейное шкалирование, иммитационные статистические эксперименты на основе различных способов рандомизации (например, будстрэп-операции).To make decisions appropriate to the ecological situation, it is necessary to convert the generalized multidimensional ecological image of the environment into a simple one-dimensional generalized parameter or a simple flat picture, the elements of which reflect a particular state of the environment (ecological status) and its temporal trajectory. The one-dimensional image actually represents a certain scale of the state of the environment, selected depending on the requirements, or "environmental thermometer." Its division price is set by some reference states of the environment obtained by calculation or experimentally, including the background state. The mathematical tool for such a mapping is an apparatus for analyzing multidimensional time series with all its components: the principal component analysis, cluster analysis, factor analysis, nonlinear scaling, simulation statistical experiments based on various randomization methods (for example, budstrap operations).

Важно отметить, что именно многомерный образ (в нашем случае МКПК) содержит максимальную информацию об экологическом состоянии среды, и любое его отображение в одномерные или плоские картинки выхолащивает эту информативность. Критерием достаточности информативности и, соответственно, эффективности процедуры отображения (выбора шкалы экологического градусника) является оценка ее чувствительности и возможности решения обратной задачи.It is important to note that it is a multidimensional image (in our case, MKPK) that contains the maximum information about the ecological state of the environment, and any display of it in one-dimensional or flat images emasculates this information content. A criterion for the adequacy of information content and, accordingly, the effectiveness of the display procedure (selection of the ecological thermometer scale) is the assessment of its sensitivity and the possibility of solving the inverse problem.

Способ осуществляют, например, следующим образом.The method is carried out, for example, as follows.

Аппаратно в среде размещаются три идентичных независимых друг от друга гамма-спектрометрических детектора излучения. Получают спектры общего и каскадного гамма-излучения, в том числе регистрированием временного ряда интенсивности первичного гамма-излучения радионуклидов за выбранный интервал времени. Осуществляют, например, с помощью соотношений (1), (2) расчет коэффициентов корреляций всех элементов спектрального состава между собой на выбранном интервале времени. Производят, например, с использованием соотношения (3) нормировку коэффициентов корреляций. Составляют матрицу коэффициентов парных корреляций, по которой обнаруживают и идентифицируют радиоактивные аномалии - по виду матрицы идентифицируют флуктуирующий радионуклид на выбранном интервале времени, а по изменению матрицы во времени определяют начало активности флуктуации и ее развитие в пространстве или во времени.Three identical gamma-ray spectrometric radiation detectors, which are independent of each other, are placed in the medium in hardware. Spectra of total and cascade gamma radiation are obtained, including by recording the time series of the intensity of the primary gamma radiation of radionuclides for a selected time interval. Carry out, for example, using relations (1), (2) calculate the correlation coefficients of all elements of the spectral composition with each other on a selected time interval. For example, correlation coefficients are normalized using relation (3). A matrix of pair correlation coefficients is compiled, according to which radioactive anomalies are detected and identified - the type of the matrix identifies the fluctuating radionuclide in the selected time interval, and the beginning of the fluctuation activity and its development in space or time is determined by the change in the matrix in time.

Для оптимального использования статистики вводится нелинейная капиб-ровка спектрометрических трактов. Регистрируемый энергетический спектр имеет экспоненциальный вид, поэтому каналы мягких энергий имеют избыток счета, по сравнению с приведенным критерием статистической обеспеченности, в то же время в каналах жестких энергий (больше 2 МэВ) счет составляет не более 0,1-0,01 имп/с. Для выравнивания поканальной статистической обеспеченности программно вводится нелинейная энергетическая калибровка спектрометрических трактов, обеспечивающая равномерную поканальную загрузку тракта. Это позволяет, с одной стороны, оптимально использовать имеющиеся загрузки, а с другой - увеличивает число каналов спектрометра в мягкой части спектра, где идентификационные возможности метода по ППП существенно снижены.For the optimal use of statistics, nonlinear capping of spectrometric paths is introduced. The recorded energy spectrum has an exponential form, therefore, soft energy channels have an excess of counting, compared with the above criterion of statistical security, at the same time, in hard energy channels (more than 2 MeV), the count is no more than 0.1-0.01 imp / s . To align channel-by-channel statistical security, a nonlinear energy calibration of spectrometric paths is introduced in software, which ensures uniform channel-by-channel path loading. This allows, on the one hand, to optimally use the available downloads, and on the other hand, it increases the number of spectrometer channels in the soft part of the spectrum, where the identification capabilities of the method by SPP are significantly reduced.

Для осуществления калибровки спектрометрических трактов в процессе измерения в среде может проводиться непрерывная калибровка по ППП естественных излучателей (К-40, Bi-214, Pb-214). Это позволяет избавиться от дорогостоящей процедуры калибровки по ОСГИ без прерывания процесса измерения.To carry out the calibration of spectrometric paths during measurement in the medium, continuous calibration can be carried out using the SPP of natural emitters (K-40, Bi-214, Pb-214). This eliminates the cost of an OSGI calibration procedure without interrupting the measurement process.

Для коррекции плавания коэффициента усиления спектрометрического тракта может быть программно введена непрерывная плавающая калибровка спектрометрического тракта и, соответственно, коррекция границ каналов спектрометра.To correct the swimming of the gain of the spectrometric path, a continuous floating calibration of the spectrometric path and, accordingly, the correction of the channel boundaries of the spectrometer can be programmed.

Программно между идентичными и независимыми каналами может быть осуществлен перекрёстный контроль флуктуаций счетности. По синхронности срабатывания трактов временные ряды для каналов корректируются или выбраковываются на основании выбранных критериев значимости.Programmatically between identical and independent channels, cross-counting of counting fluctuations can be carried out. By the synchronization of the path response, the time series for the channels are adjusted or rejected based on the selected significance criteria.

В состав измерительного комплекса могут быть дополнительно введены аналоговые измерительные каналы (температура, давление, скорость звука, электропроводимость, метеопараметры и пр.), позволяющие, в отличие от квантовых - радиоактивных, в одних случаях повысить достоверность процессов детектирования, идентификации и определения статистических параметров, в других - служат критерием достоверности идентификации флуктуаций по радиоактивным параметрам.The measuring complex can additionally include analogue measuring channels (temperature, pressure, sound velocity, electrical conductivity, meteorological parameters, etc.), which, unlike quantum radioactive ones, can in some cases increase the reliability of the detection, identification, and determination of statistical parameters, in others, they serve as a criterion for the reliability of identification of fluctuations by radioactive parameters.

Для управления выборкой с целью обработки статистической информации но откорректированным временным рядам в связи с изменением калибровочных параметров трактов может быть введена поимпульсная запись спектрометрической информации. Это позволяет вводить более тонкие способы обработки статистической информации на этапе анализа многомерного образа поля излучения.To control the sample in order to process statistical information but adjusted time series in connection with a change in the calibration parameters of the paths, a pulse-by-pulse recording of spectrometric information can be introduced. This allows us to introduce more subtle methods of processing statistical information at the stage of analysis of a multidimensional image of the radiation field.

Источники информации:Information sources:

1. Б.В. Гринев, В.Д. Рыжиков, В.П. Семиноженко. Сцинтилляционные детекторы и системы контроля радиации на их основе. Киев, Наукова думка, 2007 г., С. 451.1. B.V. Grinev, V.D. Ryzhikov, V.P. Seminozhenko. Scintillation detectors and radiation monitoring systems based on them. Kiev, Naukova Dumka, 2007, S. 451.

2. В.Η. Еремеев, Б.Н. Нелепо. Кислород-18 как индикатор процессов регионального обмена в системе океан - атмосфера. Физические аспекты загряз нения атмосферы - Вильнюс- 1976. Т. 2. - С. 225-227.2. V.Η. Eremeev, B.N. It's ridiculous. Oxygen-18 as an indicator of regional exchange processes in the ocean-atmosphere system. Physical Aspects of Atmospheric Pollution - Vilnius - 1976. T. 2. - P. 225-227.

3. И.Ф. Лукашин. Концепция ЕЯР. В кн. Системы контроля окружающей среды. Севастополь, 2007. - С. 311-313.3. I.F. Lukashin. The concept of nuclear power. In the book. Environmental control systems. Sevastopol, 2007 .-- S. 311-313.

4. В.Б. Георгиевский. Экологические и дозовые модели при радиационных авариях. Киев. Наукова думка. 1994. - 235 с.4. V. B. St. George's. Environmental and dose models for radiation accidents. Kiev. Naukova Dumka. 1994 .-- 235 p.

5. Fisher R.A., Biometrika, 10, (1915), 507.5. Fisher R.A., Biometrika, 10, (1915), 507.

6. Худсон Д. Статистика для физиков. М., Изд. Мир, 1970, с. 296.6. Hudson D. Statistics for physicists. M., ed. World, 1970, p. 296.

Claims (1)

Способ обнаружения и идентификации радиоактивных аномалий в природных средах в потоке, заключающийся в том, что используют один или несколько идентичных независимых друг от друга спектрометрических детекторов гамма-излучения и регистрируют временной ряд интенсивности первичного гамма-излучения радионуклида за выбранный интервал времени, отличающийся тем, что регистрируют временной ряд спектров общего и каскадного гамма-излучения радионуклидов природной среды с установленным временем экспозиции, осуществляют расчет коэффициентов корреляций всех элементов спектрального состава между собой на выбранном интервале времени, производят нормировку коэффициентов корреляций и составляют матрицу коэффициентов парных корреляций, по которой обнаруживают и идентифицируют радиоактивные аномалии.  A method for detecting and identifying radioactive anomalies in natural media in a stream, which consists in using one or more identical spectrometric gamma radiation detectors that are independent of each other and registering a time series of the intensity of the primary gamma radiation of the radionuclide for a selected time interval, characterized in that register the time series of spectra of the total and cascade gamma radiation of radionuclides of the natural environment with a specified exposure time, calculate the coefficients correlations of all elements of the spectral composition with each other at a selected time interval, normalize the correlation coefficients and compose a matrix of pair correlation coefficients, which detect and identify radioactive anomalies.
RU2014151943/93A 2014-12-18 2014-12-18 Detection and identification of radioactive abnormalities in natural media and flows RU2548132C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014151943/93A RU2548132C1 (en) 2014-12-18 2014-12-18 Detection and identification of radioactive abnormalities in natural media and flows

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014151943/93A RU2548132C1 (en) 2014-12-18 2014-12-18 Detection and identification of radioactive abnormalities in natural media and flows

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2548132C1 true RU2548132C1 (en) 2015-04-10

Family

ID=53296647

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014151943/93A RU2548132C1 (en) 2014-12-18 2014-12-18 Detection and identification of radioactive abnormalities in natural media and flows

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2548132C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU190531U1 (en) * 2018-05-31 2019-07-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) The device indicating the change in risk of strong earthquakes on the results of multichannel observation with interruptions

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU190531U1 (en) * 2018-05-31 2019-07-03 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" (ВлГУ) The device indicating the change in risk of strong earthquakes on the results of multichannel observation with interruptions

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Joyce et al. The design, build and test of a digital analyzer for mixed radiation fields
US9632188B2 (en) Noble gas detector for fissile content determination
Möllenberg et al. Detecting the diffuse supernova neutrino background with LENA
Goodwin et al. Radionuclide measurements of the international monitoring system
RU2548132C1 (en) Detection and identification of radioactive abnormalities in natural media and flows
McIntyre et al. Calculation of minimum-detectable-concentration levels of radioxenon isotopes using the PNNL ARSA system
US9857480B1 (en) Method and apparatus for detecting dilute concentrations of radioactive xenon in samples of xenon extracted from the atmosphere
US9435751B2 (en) Remote detection and identification of nuclear materials using multiple ion-chambers
Arahmane et al. Neutron flux monitoring based on blind source separation algorithms in Moroccan TRIGA MARK II reactor
Kalinowski et al. The complexity of CTBT verification. Taking noble gas monitoring as an example
Giovanetti P-type point contact germanium detectors and their application in rare-event searches
Smith et al. An unattended verification station for UF6 cylinders: Field trial findings
Park et al. Identification of radioactive isotopes in decommissioning of nuclear facilities using ensemble learning
Rossi et al. Optimisation of radioxenon measurement for comprehensive nuclear test-ban treaty
Ivarsson Biebel et al. Calibration of Coincidence Gamma Spectrometry Detector GeCo
Egozi et al. A PRELIMINARY INVESTIGATION FOR THE USE OF DIGITAL GAMMA-GAMMA COINCIDENCE SPECTROMETRY TO DETECT 239Pu
EP3329302B1 (en) Method and apparatus for detecting intrinsic radioactivity of radioactive samples
Gamage et al. Sector-shaped fast organic liquid scintillation detectors based neutron coincidence counter
Verbeke et al. Distinguishing Pu metal from Pu oxide using fast neutron counting
Lukashin et al. Method of identification of a fluctuating emitter under the conditions of inadequate statistical coverage of measurements
Jha et al. Lessons learnt from participation in international inter-comparison exercise for environmental radioactivity measurement
Asghari et al. A Plutonium Mass Uncertainty Assessment Using a Cherenkov-Based Neutron Multiplicity Water Detector
Krishnan et al. Theme 5. Nuclear instrumentation and system development
Joo et al. Development of a Multifunctional Radiation Measurement System for the Rapid Radiological Characterization of a Decommissioned Nuclear Facility Site
Karam et al. Difficulties of Radiological and Nuclear Interdiction

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190728