RU2710606C1 - Method for remote detection of radioactive substances in field conditions - Google Patents

Method for remote detection of radioactive substances in field conditions Download PDF

Info

Publication number
RU2710606C1
RU2710606C1 RU2019109548A RU2019109548A RU2710606C1 RU 2710606 C1 RU2710606 C1 RU 2710606C1 RU 2019109548 A RU2019109548 A RU 2019109548A RU 2019109548 A RU2019109548 A RU 2019109548A RU 2710606 C1 RU2710606 C1 RU 2710606C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
breakdown
air
radioactive substances
radiation
Prior art date
Application number
RU2019109548A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Газинур Зиятдинович Гареев
Сергей Сергеевич Анистратенко
Original Assignee
Федеральное государственное казенное учреждение "12 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 казенное учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации filed Critical Федеральное государственное казенное учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации
Priority to RU2019109548A priority Critical patent/RU2710606C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2710606C1 publication Critical patent/RU2710606C1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/636Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited using an arrangement of pump beam and probe beam; using the measurement of optical non-linear properties
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01TMEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T1/00Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
    • G01T1/02Dosimeters

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Other Investigation Or Analysis Of Materials By Electrical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology.SUBSTANCE: invention relates to measurement of ionizing radiation and a method for remote detection of radioactive substances in field conditions based on double-beam laser-induced breakdown of air. Method involves exposure of the investigated area with two lasers, detection of a signal reflected from the ionized region. Photon-ionizing laser is a compact fiber erbium laser. As probing, powerful focusing laser for avalanche breakdown of air pulsed CO-laser is used. To detect a laser beam reflected from an ionized region formed near radioactive substances, a compact non-inertial infrared photodetector is used based on the photon drag effect with a time constant of less than 1 ns. Reflected laser beam is used to measure the delay time of air breakdown, which depends on the level of radiation.EFFECT: reduction of power consumption and weight and dimension parameters of equipment, improvement of safety, reliability and speed of remote probing.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к технике измерения ионизирующих излучений и может быть использовано для дистанционного зондирования и обнаружения радиоактивных веществ в полевых условиях.The invention relates to techniques for measuring ionizing radiation and can be used for remote sensing and detection of radioactive substances in the field.

В случае техногенных аварий, связанных с загрязнением окружающей среды радиоактивными материалами, необходимо минимизировать время обнаружения и локализации мест радиоактивного заражения. Существуют способы и приборы для прямых и непрямых измерений ионизирующих излучений (альфа-частиц, бета-электронов, нейтронов и гамма-квантов). Прямые измерения являются более точными и надежными. Но они опасны для здоровья личного состава и могут привести к загрязнению приборов. Кроме того, проведение прямых измерений с использованием приборов радиационной разведки требует больших временных затрат. Пробег высокоэнергетических частиц с энергиями порядка нескольких МэВ в атмосфере примерно равен нескольким сантиметрам для альфа-частиц, нескольким метрам для бета-электронов, нескольким десяткам и сотням метров для нейтронов и гамма-квантов. Таким образом, дистанционно прямыми способами можно обнаружить только высокоэнергетические нейтроны и гамма-кванты. Непрямые способы можно разделить на пассивные и активные. Пассивные способы основаны на эффекте радиолюминесценции воздушной среды вблизи радиоактивных веществ. Фотодетекторы регистрируют избыточное характерное ультрафиолетовое (УФ) излучение молекул азота. В активных способах используются либо лазерно-индуцированная флуоресценция, либо лазерно-индуцированный пробой воздушной среды вблизи радиоактивных источников. При этом лазеры (мазеры) могут работать в различных спектральных диапазонах: от УФ до инфракрасного (ИК) и субтерагерцового. Способы дистанционного обнаружения радиоактивных веществ позволяют многократно сократить время обнаружения наиболее опасных источников радиоактивного заражения на значительных территориях.In the case of industrial accidents associated with environmental pollution by radioactive materials, it is necessary to minimize the time of detection and localization of places of radioactive contamination. There are methods and devices for direct and indirect measurements of ionizing radiation (alpha particles, beta electrons, neutrons and gamma rays). Direct measurements are more accurate and reliable. But they are dangerous to the health of personnel and can lead to contamination of devices. In addition, direct measurements using radiation reconnaissance devices are time consuming. The range of high-energy particles with energies of the order of several MeV in the atmosphere is approximately equal to several centimeters for alpha particles, several meters for beta electrons, several tens and hundreds of meters for neutrons and gamma rays. Thus, remotely direct methods can detect only high-energy neutrons and gamma rays. Indirect methods can be divided into passive and active. Passive methods are based on the effect of radioluminescence of the air near radioactive substances. Photodetectors detect the excess characteristic ultraviolet (UV) radiation of nitrogen molecules. Active methods use either laser-induced fluorescence or laser-induced breakdown of the air near radioactive sources. At the same time, lasers (masers) can operate in various spectral ranges: from UV to infrared (IR) and sub-hertz. Methods of remote detection of radioactive substances can significantly reduce the time of detection of the most dangerous sources of radioactive contamination in large areas.

Известен пассивный способ дистанционного обнаружения радиоактивных источников по индуцированной УФ радиолюминесценции (US 7317191 B1, "Standoff radiation imaging detector", МПК G01J 1/42, опубл. 08.01.2008) [1]. В этом способе используется телескопическая система Максутова с зеркально-линзовыми оптическими элементами, набор из 6-ти УФ-камер на приборах с зарядовой связью, персональный компьютер. Эксперименты подтвердили возможности дистанционного детектирования радиоактивных источников в условиях слабого ночного фона в зимнее время (лунные блики и рассеянный свет от уличного освещения на заснеженной поверхности). К недостаткам данного способа следует отнести громоздкость оптической системы (122 кг, включая треногу, карданный блок, компьютер, блоки питания), чувствительность к вибрациям, а также сложность оценки массы (активности) источника излучения.Known passive method for the remote detection of radioactive sources by induced UV radioluminescence (US 7317191 B1, "Standoff radiation imaging detector", IPC G01J 1/42, publ. 08.01.2008) [1]. This method uses the Maksutov telescopic system with mirror-lens optical elements, a set of 6 UV cameras on charge-coupled devices, and a personal computer. The experiments confirmed the possibility of remote detection of radioactive sources in the presence of a weak night background in winter (moonlight and diffused light from street lighting on a snowy surface). The disadvantages of this method include the bulkiness of the optical system (122 kg, including a tripod, cardan unit, computer, power supplies), sensitivity to vibrations, and the difficulty of estimating the mass (activity) of a radiation source.

Известен активный способ дистанционного обнаружения радиоактивных источников, основанный на лазерно-индуцированной флуоресценции (US 8890077 B2, "Remote detection of radiation", МПК G01T 1/205, опубл. 18.11.2014) [2]. В этом способе используется лидарная технология. В состав лидара входят импульсный лазер, телескопический приемник, компьютерный блок. Лазерный луч наводится на ионизованную область (плазму) вблизи источника радиации и индуцирует УФ флуоресценцию ионов азота. Отраженный от плазмы луч позволяет оценить концентрацию ионов, которая связана с активностью источника. Данный способ позволяет обнаружить радиоактивные источники на значительных расстояниях (до нескольких км в зависимости от погодных условий). К недостаткам следует отнести сложность юстировки оптической системы, высокое энергопотребление, низкую точность определения активности источников.There is an active method of remote detection of radioactive sources, based on laser-induced fluorescence (US 8890077 B2, "Remote detection of radiation", IPC G01T 1/205, publ. 11/18/2014) [2]. This method uses lidar technology. The lidar includes a pulsed laser, a telescopic receiver, a computer unit. A laser beam is directed to an ionized region (plasma) near a radiation source and induces UV fluorescence of nitrogen ions. The beam reflected from the plasma makes it possible to estimate the ion concentration, which is associated with the activity of the source. This method allows you to detect radioactive sources at significant distances (up to several km depending on weather conditions). The disadvantages include the difficulty of alignment of the optical system, high power consumption, low accuracy of determining the activity of sources.

Наиболее близким к заявляемому является активный способ дистанционного обнаружения радиоактивных источников, основанный на лазерно-индуцированном пробое воздуха (US 20160377761 A1, "Active remote detection of radioactivity based of electromagnetic signatures", G01V 8/00, опубл. 29.12.2016) [3]. В состав системы входят мощный импульсный фото-ионизирующий лазер (на основе Nd:YAG, длина волны 1,06 мкм, пиковая интенсивность 160 ГВт/см2, длительность импульсов 1 нс), источник зондирующего субтерагерцового излучения (частота 90-110 ГГц), спектрометр для измерения частотной модуляции отраженного субтерагерцового луча. Мощный лазер вызывает лавинный пробой воздуха вблизи радиоактивного источника, субтерагерцовый луч также наводится на область вблизи источника. Спектрометр измеряет частоту отраженного луча, которая модулируется из-за ионизации вблизи источника. Данный способ позволяет обнаружить и оценить массу радиоактивного источника на расстояниях до нескольких сотен метров, если известен его состав (удельная активность). К недостаткам следует отнести зависимость от погодных условий, сложность спектрометрических измерений, высокое энергопотребление, опасная для глаз длина волны лазера (1,06 мкм).Closest to the claimed is an active method for the remote detection of radioactive sources, based on laser-induced breakdown of air (US 20160377761 A1, "Active remote detection of radioactivity based of electromagnetic signatures", G01V 8/00, publ. 12.29.2016) [3] . The system includes a powerful pulsed photo-ionizing laser (based on Nd: YAG, a wavelength of 1.06 μm, a peak intensity of 160 GW / cm 2 , a pulse duration of 1 ns), a source of probing sub-terahertz radiation (frequency 90-110 GHz), spectrometer for measuring the frequency modulation of the reflected sub terahertz beam. A high-power laser causes an avalanche breakdown of air near a radioactive source, a sub-terahertz beam is also directed to an area near the source. The spectrometer measures the frequency of the reflected beam, which is modulated due to ionization near the source. This method allows you to detect and evaluate the mass of a radioactive source at distances up to several hundred meters, if its composition is known (specific activity). The disadvantages include the dependence on weather conditions, the complexity of spectrometric measurements, high energy consumption, and a laser wavelength (1.06 μm) that is hazardous to the eyes.

Задачей заявляемого изобретения является разработка безопасного способа дистанционного обнаружения радиоактивных веществ в полевых условиях на основе двухлучевого лазерно-индуцированного пробоя воздуха, позволяющего обеспечить технический результат, заключающийся в снижении энергопотребления и массогабаритных параметров, повышении безопасности, надежности и быстродействия.The objective of the invention is the development of a safe method for the remote detection of radioactive substances in the field based on a two-beam laser-induced breakdown of air, which allows to provide a technical result, which consists in reducing energy consumption and weight and size parameters, increasing safety, reliability and speed.

Сущность изобретения состоит в разработке безопасного способа дистанционного обнаружения радиоактивных веществ в полевых условиях на основе двухлучевого лазерно-индуцированного пробоя воздуха. Во-первых, в качестве фото-ионизирующего лазера предлагается использовать компактный волоконный эрбиевый лазер на длине волны 1,55 мкм. По сравнению с лазером Nd:YAG на 1,06 мкм его преимуществами являются: компактность и меньшее энергопотребление; безопасная для глаз длина волны; меньшая вероятность мультифотонной ионизации, что повышает надежность измерений из-за снижения вероятности ложного сигнала; возможность использования гибких волоконных волноводов, что приводит к снижению массогабаритных параметров и энергопотребления. Во-вторых, для лавинного пробоя воздуха, а также в качестве зондирующего предлагается использовать мощный импульсный СО2-лазер на длине волны 10,6 мкм. В-третьих, для детектирования лазерного луча (10,6 мкм), отраженного от ионизованной области, предлагается использовать компактный безынерционный ИК фотоприемник на основе эффекта фотонного увлечения с постоянной времени менее 1 нс, не требующий охлаждения, что увеличивает быстродействие способа и также приводит к снижению энергопотребления и массогабаритных параметров. Оба лазера (1,55 мкм, 10,6 мкм), также как и фотоприемник являются коммерческими приборами и доступны в цене. Если сравнивать мощные фокусирующие лазеры, создающие лавинный пробой: Nd:YAG (1,06 мкм) и СО2 (10,6 мкм), то первый имеет преимущество с точки зрения направленности излучения (дифракционной расходимости), в то время как пороговая мощность второго, которая пропорциональна квадрату частоты, на два порядка ниже, благодаря чему значительно снижается энергопотребление.The essence of the invention consists in the development of a safe method for the remote detection of radioactive substances in the field based on double-beam laser-induced breakdown of air. First, it is proposed to use a compact erbium fiber laser at a wavelength of 1.55 μm as a photo-ionizing laser. Compared with a 1.06 micron Nd: YAG laser, its advantages are: compactness and lower power consumption; eye-safe wavelength; less likely multiphoton ionization, which increases the reliability of measurements due to a decrease in the probability of a false signal; the possibility of using flexible fiber waveguides, which leads to a decrease in weight and size parameters and energy consumption. Secondly, it is proposed to use a powerful pulsed CO 2 laser at a wavelength of 10.6 μm for avalanche breakdown of air, as well as for probing. Thirdly, to detect a laser beam (10.6 μm) reflected from the ionized region, it is proposed to use a compact inertialess IR photodetector based on the photon drag effect with a time constant of less than 1 ns, which does not require cooling, which increases the speed of the method and also leads to reduce energy consumption and weight and size parameters. Both lasers (1.55 μm, 10.6 μm), as well as the photodetector, are commercial devices and are affordable. If we compare the powerful focusing lasers generating an avalanche breakdown: Nd: YAG (1.06 μm) and CO 2 (10.6 μm), then the first has an advantage in terms of radiation directivity (diffraction divergence), while the threshold power of the second , which is proportional to the square of the frequency, two orders of magnitude lower, which greatly reduces energy consumption.

Способ поясняют следующие графические материалы:The method is illustrated by the following graphic materials:

Фиг. 1. Схема двухлучевого лазерного детектирования радионуклидов.FIG. 1. Scheme of double-beam laser detection of radionuclides.

Фиг. 2. Временные зависимости концентрации электронов при разных значениях фактора усиления ионизации αrad (1 - 0 и 2 - 104).FIG. 2. Time dependences of the electron concentration at different values of the ionization enhancement factor α rad (1 - 0 and 2 - 10 4 ).

Фиг. 3. Зависимости времени задержки пробоя от фактора усиления ионизации при разных значениях интенсивности фото-ионизирующего лазера (1 - 106, 2 - 105, 3 - 104 Вт/см2).FIG. 3. Dependences of the breakdown delay time on the ionization enhancement factor for different intensities of the photo-ionizing laser (1 - 10 6 , 2 - 10 5 , 3 - 10 4 W / cm 2 ).

На фиг. 1 показана схема двухлучевого лазерного детектирования. Радионуклиды 4 излучают альфа-частицы, бета-электроны, нейтроны или гамма-кванты, которые ионизируют окружающий воздух 5, создавая высокоэнергетические электроны, которые в свою очередь через каскадный процесс релаксируют, создавая низкоэнергетические (тепловые) электроны. Последние быстро присоединяются к молекулам кислорода, формируя отрицательные ионы. При среднем земном уровне радиации концентрация свободных электронов значительно меньше концентрации ионов кислорода. Вблизи источников радиации концентрация свободных электронов растет. Потенциал ионизации ионов кислорода (электронное сродство) равен 0,46 эВ, что ниже энергии квантов фото-ионизирующего лазера. Скорость фотоионизации ионов кислорода пропорциональна интенсивности лазерного луча на длине волны 1,55 мкм (то есть при энергии фотонов 0,8 эВ) νphoto [c-1]≈1,4Iphoto [Вт/см2] [4]. Когда включают фото-ионизирующий лазер 2, концентрация электронов растет, пока не достигает нового равновесного значения. Результирующая равновесная электронная плотность зависит от уровня радиации и интенсивности лазера. Для лавинного пробоя используют мощный CO2-лазер 1, который генерирует импульсы интенсивностью до 1010 Вт/см2 и длительностью 10-100 нс. Лавинный пробой происходит, когда интенсивность лазерного луча превышает пороговую интенсивность IBD. В этом случае свободные электроны ускоряются и ионизуют молекулы со скоростью, превышающей скорость присоединения (образования ионов). Пороговую интенсивность лазера оценивают, приравнивая эффективное лазерное электрическое поле (точнее напряженность этого поля) пробивному постоянному полю EBD=35 кВ/см. Интенсивность лазера равна I0=сЕ0 2/8π, в практических единицах Io [Вт/см2]=1,33×103 Eo 2 [В/см] [5]. Эффективное лазерное поле равно Eeff=(1+ω2e)-1/2Е0, где νeenei - частота электронных столкновений. Приравнивая EBD=Eeff, получают пороговую интенсивность IBD≈(с/2π)(ω2e 2)EBD 2 при условии ω>>νe. Полагая, что частота столкновений определяется в основном столкновениями электронов с нейтральными молекулами νen-1]=10-7NnTe 1/2 [эВ], где Nn=2,7×1019 см-3 - число Лошмидта, Те - электронная температура, получают формулу для оценки пороговой интенсивности IBD [Вт/см2]≈1,63×106ω2e 2 [5]. В частности, для CO2-лазера (ω=1,8×1014 с-1) IBD [Вт/см2]≈7×109е [эВ]. Для инициирования пробоя часть электронов должна иметь энергию, превышающую потенциал ионизации молекул воздуха (15 эВ для азота, 12 эВ для кислорода). Поскольку это высокоэнергетические электроны хвоста функции распределения, электронная температура примерно равна Те=5 эВ. Тогда пороговая интенсивность CO2-лазера равна 1,4×109 Вт/см2, что согласуется с экспериментальными данными [5]. Чтобы инициировать лавинный пробой хотя бы один свободный электрон должен быть в лазерном объеме с длиной, достаточной для ударной ионизации нейтральной молекулы и создания еще одного электрона, который продолжит процесс. Пробой происходит, когда скорость ударной ионизации начинает превосходить скорость присоединения электронов к молекулам. Эти скорости совпадают при интенсивности IBD=4×109 Вт/см2, что соответствует эффективному электрическому полю Eeff=32 кВ/см. Время, требуемое для пробоя τb, является суммой статистического времени задержки τs и времени задержки формирования τf, то есть τbsf. Статистическое время задержки - это время появления электрона в оптическом объеме, в котором лазерная интенсивность превышает пороговую. Время задержки формирования - это время, за которое электронная плотность достигает критической величины. Его оценивают, предполагая, что электронная плотность растет экспоненциально со скоростью νion≈νcoll-η, то есть Ne(t)≈Ne(0)exp(νiont), где Ne(0) - начальная плотность электронов. Время задержки формирования определяют из равенства Nef)=Ncrit, то есть τf≈(1/νion)ln(Ncrit/Ne(0). Для лазерно-индуцированного пробоя критическая плотность - это плотность электронов, для которой электронная плазменная частота равна лазерной частоте. Когда электронная плотность достигает критической величины, лазерный луч отражается от плазмы. Отраженный луч может наблюдаться вблизи лазера и позволяет измерить общее время задержки пробоя τb. В предлагаемом способе детектирования время задержки формирования является сигнатурой присутствия радионуклидов. Время пробоя определяется параметрами лазерного импульса: пиковой интенсивностью и формой. На фиг. 2 показаны временные зависимости электронной плотности для разных значений фактора усиления ионизации αrad (0 и 104), полученные численными методами. В обоих случаях сначала происходит фотоионизация лазером на длине волны 1,55 мкм, интенсивностью 105 Вт/см2, длительностью импульсов 10 нс. Затем включают мощный СО2-лазер с квадратным профилем и интенсивностью 4×109 Вт/см2. Разница во времени пробоя составляет примерно 2 нс и является измеряемой сигнатурой радиоактивности. Для ее измерения используют компактный безынерционный ИК фотоприемник 3 на основе эффекта фотонного увлечения, работу которого синхронизируют с работой CO2-лазера. Этот эффект обусловлен передачей импульса фотонов свободным электронам или дыркам в легированном полупроводнике. Передача импульса приводит к переносу носителей в направлении распространения света. В результате между контактами на стороне образца, через которую производится засветка, и на противоположной стороне возникает разность потенциалов - э.д.с. фотонного увлечения. Ее величина зависит от подвижности носителей, времени релаксации импульса, интенсивности лазера, коэффициентов поглощения и отражения, частоты света. Например, при интенсивности 105 Вт/см2, подвижности 103 см2/(В×с), коэффициенте поглощения 1 см-1, коэффициенте отражения 0,3 э.д.с. составляет порядка 1 мВ для CO2-лазера [6]. Постоянная времени менее 1 нс (определяется временем релаксации импульса - 1 пс).In FIG. 1 shows a two-beam laser detection circuit. Radionuclides 4 emit alpha particles, beta electrons, neutrons or gamma rays, which ionize the surrounding air 5, creating high-energy electrons, which in turn relax through a cascade process, creating low-energy (thermal) electrons. The latter quickly attach to oxygen molecules, forming negative ions. At an average terrestrial level of radiation, the concentration of free electrons is much lower than the concentration of oxygen ions. Near radiation sources, the concentration of free electrons increases. The ionization potential of oxygen ions (electron affinity) is 0.46 eV, which is lower than the quantum energy of a photo-ionizing laser. The rate of photoionization of oxygen ions is proportional to the intensity of the laser beam at a wavelength of 1.55 μm (that is, at a photon energy of 0.8 eV) ν photo [s -1 ] ≈1.4I photo [W / cm 2 ] [4]. When the photo-ionizing laser 2 is turned on, the electron concentration increases until it reaches a new equilibrium value. The resulting equilibrium electron density depends on the level of radiation and laser intensity. For avalanche breakdown, a powerful CO 2 laser 1 is used, which generates pulses with an intensity of up to 10 10 W / cm 2 and a duration of 10-100 ns. Avalanche breakdown occurs when the intensity of the laser beam exceeds the threshold intensity I BD . In this case, free electrons are accelerated and ionize the molecules at a speed exceeding the rate of attachment (formation of ions). The threshold laser intensity is estimated by equating the effective laser electric field (more precisely, the intensity of this field) to the breakdown constant field E BD = 35 kV / cm. The laser intensity is I 0 = cE 0 2 / 8π, in practical units I o [W / cm 2 ] = 1.33 × 10 3 E o 2 [V / cm] [5]. The effective laser field is E eff = (1 + ω 2 / ν e ) -1/2 E 0 , where ν e = ν en + ν ei is the frequency of electron collisions. Equating E BD = E eff , the threshold intensity I BD ≈ (s / 2π) (ω 2 / ν e 2 ) E BD 2 is obtained under the condition ω >> ν e . Assuming that the collision frequency is mainly determined by collisions of electrons with neutral molecules ν en-1 ] = 10 -7 N n T e 1/2 [eV], where N n = 2.7 × 10 19 cm -3 is the number Loshmidt, T e - electron temperature, get the formula for estimating the threshold intensity I BD [W / cm 2 ] ≈1.63 × 10 6 ω 2 / ν e 2 [5]. In particular, for a CO 2 laser (ω = 1.8 × 10 14 s -1 ) I BD [W / cm 2 ] ≈7 × 10 9 / T e [eV]. To initiate breakdown, some electrons must have an energy exceeding the ionization potential of air molecules (15 eV for nitrogen, 12 eV for oxygen). Since these are high-energy tail electrons of the distribution function, the electron temperature is approximately equal to T e = 5 eV. Then, the threshold intensity of the CO 2 laser is 1.4 × 10 9 W / cm 2 , which is consistent with experimental data [5]. To initiate an avalanche breakdown, at least one free electron must be in the laser volume with a length sufficient for impact ionization of the neutral molecule and the creation of another electron that will continue the process. Breakdown occurs when the rate of impact ionization begins to exceed the rate of attachment of electrons to molecules. These speeds coincide at an intensity I BD = 4 × 10 9 W / cm 2 , which corresponds to an effective electric field E eff = 32 kV / cm. The time required for breakdown τ b is the sum of the statistical delay time τ s and the formation delay time τ f , i.e., τ b = τ s + τ f . The statistical delay time is the time of the appearance of an electron in the optical volume, in which the laser intensity exceeds the threshold. Formation delay time is the time during which the electron density reaches a critical value. It is estimated under the assumption that the electron density increases exponentially with the velocity ν ion ≈ν coll -η, i.e., N e (t) ≈N e (0) exp (ν ion t), where N e (0) is the initial electron density . The formation delay time is determined from the equality N ef ) = N crit , that is, τ f ≈ (1 / ν ion ) ln (N crit / N e (0). For laser-induced breakdown, the critical density is the electron density, for which the electron plasma frequency is equal to the laser frequency. When the electron density reaches a critical value, the laser beam reflected from the plasma. The reflected beam may be observed near a laser and provides a measure of the total time delay breakdown τ b. The proposed delay time detection method of forming a signature presence . I radionuclides breakdown time determined by the parameters of the laser pulse:. peak intensity and shape of Figure 2 shows the time dependence of the electron density for different values of the gain factor ionization α rad (0 and 10 4) obtained by numerical methods In both cases first a photoionization by the laser.. at a wavelength of 1.55 μm, an intensity of 10 5 W / cm 2 , a pulse duration of 10 ns, Then turn on a powerful CO 2 laser with a square profile and an intensity of 4 × 10 9 W / cm 2 . The difference in breakdown time is approximately 2 ns and is a measurable radioactivity signature. For its measurement, a compact inertialess IR photodetector 3 is used based on the photon drag effect, the operation of which is synchronized with the operation of a CO 2 laser. This effect is due to the transfer of a photon momentum to free electrons or holes in a doped semiconductor. The transfer of momentum leads to the transfer of carriers in the direction of light propagation. As a result, between the contacts on the side of the sample through which exposure is produced, and on the opposite side there is a potential difference - emf photon hobby. Its value depends on carrier mobility, pulse relaxation time, laser intensity, absorption and reflection coefficients, and light frequency. For example, with an intensity of 10 5 W / cm 2 , a mobility of 10 3 cm 2 / (V × s), an absorption coefficient of 1 cm -1 , a reflection coefficient of 0.3 emf is about 1 mV for a CO 2 laser [6]. The time constant is less than 1 ns (determined by the pulse relaxation time - 1 ps).

На основе измерения разницы времен образования пробоя оценивают фактор усиления ионизации вблизи зондируемого источника и его массу. На фиг. 3 показаны зависимости времени задержки пробоя от фактора усиления ионизации при разных значениях интенсивности фото-ионизирующего лазера (1 - 106, 2 - 105, 3 - 104 Вт/см2). Фактор ионизации пропорционален массе радиоактивного материала М и отношению средней энергии первичных электронов, создаваемых гамма-квантами, <Е> к энергии, требуемой для создания одной пары из вторичного электрона и иона, ΔЕ. Последняя примерно равна 35 эВ, тогда как <Е>=0,44 МэВ. Зависимость плотности гамма-квантов от расстояния R от источника радиации определяется формулой nγ=AMexp(-R/Lγ)/2πR2c [4]. Здесь А - удельная радиоактивность (для Со-60 она равна 1,1×103 Ки/г, 1 Ки=3,7×1010 распадов/с), М - масса, Lγ - пробег гамма-квантов в воздухе. Таким образом, фактор ионизации равен αRMQ≈AM<Ee>exp(-R/Lγ)/2πLγ,aΔER2. Q - скорость ионизации, обусловленной фоновым излучением на уровне моря, примерно равна 20 пар/см3с. Например, на расстоянии 4 м от источника, содержащего 10 мг Со-60, фактор усиления ионизации равен αRM=2,2×104. Тогда минимальную детектируемую массу оцениваем по формуле М(г)≥4πLγ,aR2ΔEνiexp(R/Lγ)/AVτ<E>νi,eff. V - объем плазмы, τ - длительность импульса. Следует отметить различие между пробегом гамма-квантов в воздухе, определяемым общим сечением взаимодействия σТ вследствие рассеяния Комптона, Lγ=1/naσТ, от пробега, определяемого средним сечением поглощения σа, ответственного за генерацию свободных электронов, Lγ,a=1/naσа. Для гамма-квантов с энергией 1 МэВ, эти расстояния равны 130 и 280 м, соответственно.Based on the measurement of the difference in breakdown times, the ionization enhancement factor near the probed source and its mass are estimated. In FIG. Figure 3 shows the dependences of the breakdown delay time on the ionization enhancement factor for different intensities of the photo-ionizing laser (1 - 10 6 , 2 - 10 5 , 3 - 10 4 W / cm 2 ). The ionization factor is proportional to the mass of the radioactive material M and the ratio of the average energy of the primary electrons created by gamma rays <E> to the energy required to create one pair of secondary electron and ion, ΔЕ. The latter is approximately equal to 35 eV, while <E> = 0.44 MeV. The dependence of the density of gamma rays on the distance R from the radiation source is determined by the formula n γ = AMexp (-R / L γ ) / 2πR 2 s [4]. Here A is the specific radioactivity (for Co-60 it is 1.1 × 10 3 Ci / g, 1 Ci = 3.7 × 10 10 decays / s), M is the mass, Lγ is the range of gamma rays in air. Thus, the ionization factor is α RM Q≈AM <E e > exp (-R / L γ ) / 2πL γ, a ΔER 2 . Q is the ionization rate due to background radiation at sea level, approximately equal to 20 pairs / cm 3 s. For example, at a distance of 4 m from a source containing 10 mg of Co-60, the ionization enhancement factor is α RM = 2.2 × 10 4 . Then the minimum detectable mass is estimated by the formula M (g) ≥4πL γ, and R 2 ΔEν i exp (R / L γ ) / AVτ <E> ν i, eff . V is the plasma volume, τ is the pulse duration. It should be noted the difference between the range of gamma rays in air, determined by the total interaction cross section σ T due to Compton scattering, Lγ = 1 / n a σ T , from the path determined by the average absorption cross section σ a responsible for the generation of free electrons, L γ, a = 1 / n a σ a . For gamma rays with an energy of 1 MeV, these distances are 130 and 280 m, respectively.

Оценим детектируемую массу радиоактивного источника Со60 при характерных параметрах: объем плазмы 2 см3, длительность импульса 100 нс, отношение частот ионизации 0,82, энергия гамма-кванта 1 МэВ. Получаем, что на расстоянии 20 м можно обнаружить 2 г радиоактивного вещества. Если же источник находится в свинцовом контейнере с пропусканием 1%, минимальная детектируемая масса равна 200 г.Let us evaluate the detected mass of the Co 60 radioactive source with characteristic parameters: plasma volume 2 cm 3 , pulse duration 100 ns, ratio of ionization frequencies 0.82, gamma-ray energy 1 MeV. We get that at a distance of 20 m you can find 2 g of a radioactive substance. If the source is in a lead container with a transmittance of 1%, the minimum detectable mass is 200 g.

Техническим результатом изобретения является снижение энергопотребления и массогабаритных параметров, повышение безопасности, надежности и быстродействия благодаря использованию компактного волоконного эрбиевого лазера, работающего на безопасной для глаз длине волны, а также компактного безынерционного ИК фотоприемника на основе эффекта фотонного увлечения.The technical result of the invention is to reduce energy consumption and weight and size parameters, increasing safety, reliability and speed due to the use of a compact fiber erbium laser operating at an eye-safe wavelength, as well as a compact inertialess infrared photodetector based on the effect of photon drag.

Решаемая техническая проблема - оперативное и безопасное дистанционное обнаружение радиоактивных веществ в полевых условиях. Техническая реализация возможна благодаря использованию коммерческих лазеров и ИК фотоприемника.The technical problem to be solved is the prompt and safe remote detection of radioactive substances in the field. Technical implementation is possible through the use of commercial lasers and an infrared photodetector.

Технический результат достигается при обеспечении совокупности всех существенных признаков изобретения.The technical result is achieved by providing a combination of all the essential features of the invention.

Список литературыList of references

1) US 7317191 B1, "Standoff radiation imaging detector", МПК G01J 1/42, опубл. 08.01.2008.1) US 7317191 B1, "Standoff radiation imaging detector", IPC G01J 1/42, publ. 01/08/2008.

2) US 8890077 B2, "Remote detection of radiation", МПК G01T 1/205, опубл. 18.11.2014.2) US 8890077 B2, "Remote detection of radiation", IPC G01T 1/205, publ. 11/18/2014.

3) US 20160377761 A1, "Active remote detection of radioactivity based of electromagnetic signatures", G01V 8/00, опубл. 29.12.2016.3) US 20160377761 A1, "Active remote detection of radioactivity based of electromagnetic signatures", G01V 8/00, publ. 12/29/2016.

4) P. Sprangle, et al, Active Remote Detection of Radioactivity Based on Electromagnetic Signatures, Physics of Plasmas, 21, 013103, 2014.4) P. Sprangle, et al, Active Remote Detection of Radioactivity Based on Electromagnetic Signatures, Physics of Plasmas, 21, 013103, 2014.

5) J. Isaacs, C. Miao, P. Sprangle, Remote monostatic detection of radioactive material by laser-induced breakdown, Physics of Plasmas 23, 033507, 2016.5) J. Isaacs, C. Miao, P. Sprangle, Remote monostatic detection of radioactive material by laser-induced breakdown, Physics of Plasmas 23, 033507, 2016.

6) A.H. Пихтин, «Физические основы квантовой электроники и оптоэлектроники», М., «Высшая школа», 1983.6) A.H. Pikhtin, “Physical Foundations of Quantum Electronics and Optoelectronics”, M., Higher School, 1983.

Claims (1)

Способ дистанционного обнаружения радиоактивных веществ в полевых условиях на основе двухлучевого лазерно-индуцированного пробоя воздуха, включающий облучение обследуемой местности двумя лазерами, детектирование отраженного от ионизованной области сигнала, отличающийся тем, что в качестве первого фото-ионизирующего лазера используют компактный волоконный эрбиевый лазер, в качестве второго зондирующего, мощного фокусирующего лазера для лавинного пробоя воздуха используют импульсный СО2-лазер, для детектирования лазерного луча, отраженного от ионизованной области, образующейся вблизи радиоактивных веществ, используют компактный безынерционный инфракрасный фотоприемник на основе эффекта фотонного увлечения с постоянной времени менее 1 нс, при этом с помощью отраженного лазерного луча измеряют время задержки пробоя воздуха, которое зависит от уровня радиации.A method for remote detection of radioactive substances in the field based on a two-beam laser-induced breakdown of air, including irradiating the area under study with two lasers, detecting a signal reflected from the ionized region, characterized in that a compact erbium laser is used as the first photo-ionizing laser, as a second probe, focusing a powerful laser to avalanche breakdown of air using pulsed CO 2 laser, for detecting the laser beam on reflection from the ionized region formed near the radioactive substances used freewheeling compact infrared light detector based on photon entrainment effect with a time constant of less than 1 ns, while using the reflected laser beam is measured delay breakdown of air, which depends on the level of radiation.
RU2019109548A 2019-04-01 2019-04-01 Method for remote detection of radioactive substances in field conditions RU2710606C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109548A RU2710606C1 (en) 2019-04-01 2019-04-01 Method for remote detection of radioactive substances in field conditions

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109548A RU2710606C1 (en) 2019-04-01 2019-04-01 Method for remote detection of radioactive substances in field conditions

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710606C1 true RU2710606C1 (en) 2019-12-30

Family

ID=69140796

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019109548A RU2710606C1 (en) 2019-04-01 2019-04-01 Method for remote detection of radioactive substances in field conditions

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2710606C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5751416A (en) * 1996-08-29 1998-05-12 Mississippi State University Analytical method using laser-induced breakdown spectroscopy
US8890077B2 (en) * 2009-08-04 2014-11-18 Georgia Tech Research Corporation Remote detection of radiation
US20160377761A1 (en) * 2014-02-05 2016-12-29 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Active Remote Detection of Radioactivity Based on Electromagnetic Signatures

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5751416A (en) * 1996-08-29 1998-05-12 Mississippi State University Analytical method using laser-induced breakdown spectroscopy
US8890077B2 (en) * 2009-08-04 2014-11-18 Georgia Tech Research Corporation Remote detection of radiation
US20160377761A1 (en) * 2014-02-05 2016-12-29 The Government Of The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Active Remote Detection of Radioactivity Based on Electromagnetic Signatures

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. Isaacs, C. Miao, P. Sprangle "Remote monostatic detection of radioactive material by laser-induced breakdown", PHYSICS OF PLASMAS, No 23, 2016 г., стр. 033507-1 - 033507-7. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7897925B2 (en) System and method for high Z material detection
Sommers et al. Ultra-high-energy gamma-ray astronomy using atmospheric Cerenkov detectors at large zenith angles
Ringuette et al. TETRA observation of gamma‐rays at ground level associated with nearby thunderstorms
Kishon et al. Laser based neutron spectroscopy
Woodbury et al. Measurement of ultralow radiation-induced charge densities using picosecond mid-IR laser-induced breakdown
RU2377597C2 (en) Lidar method for remote monitoring radioactive contamination of area
RU2710606C1 (en) Method for remote detection of radioactive substances in field conditions
US20080048129A1 (en) Remote Laser Assisted Biological Aerosol Standoff Detection in Atmosphere
Raine et al. Laser induced ionisation in proportional counters
Richards et al. X-ray induced radiation damage in CLYC (Ce)
US10996353B1 (en) N-type gallium nitride scintillation for fast-neutron detection
US9835761B2 (en) Active remote detection of radioactivity based on electromagnetic signatures
Nguyen Experimental study on hard radiation from long laboratory spark discharges in air
Shayeganrad et al. DIAL–phoswich hybrid system for remote sensing of radioactive plumes in order to evaluate external dose rate
RU2586890C1 (en) Method of determining range and height of short-pulse altitude x-ray source using ground-based photodetector
Khryachkov et al. Photometry of ionizing radiations
Benoit et al. Performance studies of an optical fiber OSL/RL dosimetry system in pulsed high-intensity radiation beams
US8294102B2 (en) Tactical chemical biological threat detection
Zifeng et al. Design and performance study of a gas-Cherenkov detector with an off-axis parabolic reflector for inertial confinement fusion experiments
RU2219566C2 (en) Method of remote detection of radioactive objects
Janata Instrumentation of kinetic spectroscopy-20: Cherenkov emission in a ‘foil’of optical fibers to measure the excitation in pulse radiolysis
Zingale et al. Remote detection of radioactive material using a short pulse CO2 laser
Bystritsky et al. Associated Particle Imaging Applied to Inspection System for Bulky Cargo and Large Vehicles
Khrenov et al. Detection of scattered Cherenkov radiation in cosmic ray observations from space
Kotov et al. Two-Millimeter Radiation from Stratospheric Nuclear Explosions