Аэрогамма-спектрометры МИФИ

Начиная с 1980 года, в Московском инженерно-физическом институте проводятся разработки аэрогамма-спектрометрической аппаратуры и методов ее применения в радиоэкологических, геофизических и других исследованиях, а также выполняются эксперименты с использованием созданной аппаратуры. Разработанные аэрогамма-спектрометрические технологии успешно применялись специалистами МИФИ для оперативного изучения загрязнения Европейской территории СССР гамма-излучающими продуктами аварии на Чернобыльской АЭС (1986-1987 г.г.), в исследованиях радиоактивного загрязнения территории Семипалатинского испытательного полигона (1989-1990 г.г.) и южной части островов Новая Земля (1995 г.) с целью выяснения радиационной обстановки, сложившейся после прекращения испытаний ядерного оружия.

В настоящее время в нашем распоряжении находятся два базовых аэрогамма-спектрометра:

• • аэрогамма-спектрометр АГСК-99С с блоком детектирования на базе сцинтилляционных детекторов;
  • аэрогамма-спектрометр АГСК-99 с комбинированным блоком детектирования на базе полупроводниковых и сцинтилляционных детекторов.

Базовые варианты АГСК могут быть трансформированы в зависимости от решаемых измерительных задач и используемых при этом летательных аппаратов.

Ниже представлены:

• • технические характеристики АГСК-99С со сцинтилляционным детектирования;
  • технические характеристики АГСК-99 с комбинированным блоком детектирования;
  • пример применения АГСК МИФИ.

Аэрогамма-спектрометр АГСК-99С с блоком детектирования на базе сцинтилляционных детекторов.

АГСК-99С (сцинтилляционный, модификация 1999 года) предназначен для локализации областей радиоактивного загрязнения и проведения аэрогамма-спектрометрической съемки территорий с относительно простым радионуклидным составом. К таким случаям относятся:

• • обнаружение локальных источников (ядерный и радиационный терроризм, потери при транспортировке, несанкционированные перемещения, аварии с ЯЭУ, в том числе ИСЗ, и т.д.);
  • картирование «старых» радиоактивных загрязнений (промышленные подземные ядерные взрывы, глобальные выпадения от испытаний ядерного оружия ) и т.д.
  • поиск месторождений полезных ископаемых;

Прототип АГСК-99С был испытан в 1989 году. Впервые в практике построения аэрогамма-спектрометров были реализованы следующие аппаратурные и программные решения.

• • Применение полных спектрометрических трактов для индивидуального обслуживания каждого детектора в многодетекторном блоке регистрации гамма-излучения с накоплением полных спектров от каждого детектора.
  • Применение программно управляемых спектрометрических усилителей для цифровой стабилизации и масштабирования коэффициентов преобразования спектрометров.
  • Размещение всех узлов спектрометров и вспомогательных электронных блоков в едином с детекторами объеме, то есть создание функционального узла АГСК – спектрометрического модуля.
  • Использование ПК в качестве бортовой ЭВМ для гибкого управления спектрометром, накопления, предварительной обработки и отображения информации в полете.

Указанный вариант АГСК эксплуатировался на летательных аппаратах Ми-8, Ан-24, Ан-26, Ка-26 и их различных модификациях. Суммарное время налета около 500 часов.

Состав АГСК-99С. Назначение основных функциональных узлов и составных частей.

• • Спектрометрический модуль.
    Представляет собой контейнер с размещенными в нем узлами четырех сцинтилляционных спектрометров. Обеспечивает работоспособность спектрометров в эксплуатационных условиях. На внешней поверхности контейнера находятся разъемы для подключения модуля к бортовой сети летательного аппарата и бортовой ЭВМ. В зависимости от решаемой задачи применяются один или несколько спектрометрических модулей.
  • Бортовая ЭВМ.
    ПК в промышленном исполнении. Устанавливается на борту летательного аппарата. Служит для управления спектрометром, накопления спектрометрической и навигационной информации, предварительной обработки и отображения результатов обработки в полете.
  • Навигационно-пилотажное устройство.
    GPS-приемник спутниковой навигационной информации. Специализированное устройство для удобства выполнения полетов по заранее заданной схеме.
  • Устройство гарантированного (бесперебойного) питания.
  • Устройство наземной обработки информации.
    ПК с соответствующими характеристиками и набором периферийных устройств. Используется для обработки результатов калибровочных измерений, обработки, представления и документирования результатов аэрогамма-съемки. В принципе, эти задачи могут быть решены на бортовой ЭВМ.
  • Программно-математическое и методическое обеспечение.
    Комплекс программ и методик, обеспечивающих функционирование аппаратурной и программной частей АГСК, проведение всех видов измерений, накопления данных, их обработки и представления результатов обработки.
  • Научно-техническая документация.
    Комплект документов, всесторонне отражающий технические и эксплуатационные возможности АГСК, методы и правила его применения и эксплуатации.

Основные технические и эксплуатационные характеристики.

• • Измерительный спектрометрический модуль.
    Тип и размер детекторов: сцинтиллятор NaI(Tl), Ж200х100мм, объем 3.1 литра или 200х200х100 мм, объем 4.0 литра.
    Относительное энергетическое разрешение для энергии 661.6 кэВ: 9% – 11%.
    Количество и суммарный объем детекторов в модуле: 4 штуки; суммарный объем 12.5 или 16 литров.
    Управление спектрометрами от бортовой ЭВМ.
    Количество спектрометров в модуле: 4 штуки.
    Количество каналов в анализаторе спектрометра: 256-1024.
    Запись полных спектров с каждого детектора.
    Время преобразования АЦП: не более 6 мкс, фиксированное.
    Автоматическая (аппаратная и программная) стабилизация спектра.
    Габариты модуля: 550х550х450 мм.
    Масса модуля: не более 85 кг.
  • Программно-математическое и методическое обеспечение.
    Методы обработки информации, получаемой со сцинтилляционного спектрометра, положенные в основу программного и методического обеспечения АГСК-99С, разработаны в МИФИ и принципиально отличаются от общепринятых подходов. Реализованные в АГСК-99С методы обработки данных позволяют обнаруживать, локализовывать и определять характеристики локальных и протяженных источников с достаточно сложным радионуклидным составом без привлечения априорной информации о параметрах источников. Для всех определяемых величин проводится оценка их погрешностей.
    Навигационно-пилотажное устройство.
  • Программа управления работой гамма-спектрометра.
  • Методики выполнения АГС-съемки.
  • Методики и программы обнаружения локальных и протяженных источников гамма-излучения.
  • Методики и программы определения радионуклидного состава и активностей техногенных радионуклидов, а также локализации обнаруженных источников.
  • Методики и программы определения запаса естественных радионуклидов (радий, торий, калий) с поправкой на свободный атмосферный радон.
  • Методы и программы картографического представления результатов измерений с применением ГИС-технологий. Используется семейство программ ArcGIS производства компании ESRI.
  • Программы работы с приемниками GPS-информации и высотомером. Использование оригинальных корректирующих алгоритмов для согласования координатной и спектрометрической информации при локализации обнаруженных источников.
  • Методика выполнения калибровочных измерений. Программа обработки результатов калибровочных измерений.
  • Специализированное устройство для удобства выполнения полетов по заранее заданной схеме. Информация, выводимая в полете на устройство отображения указывает пилоту на отклонение летательного аппарата в данный момент времени от запланированного маршрута полета и помогает проводить полет по запланированному маршруту. В принципе, для АГСК-99С это опционный модуль, так как разработанное программно-методическое обеспечение позволяет обрабатывать результаты полетного эксперимента при любой схеме галсирования.

Научно-техническое сопровождение. Обеспечение работ.

• • Обучение персонала Заказчика в рамках контракта. Теоретические и практические занятия по темам:Ввод АГСК в эксплуатацию на базе Заказчика.
  • «Основы гамма-спектрометрии природных сред»
  • «Теоретические и практические основы аэрогамма-спектрометрии»
  • «Методы обработки результатов спектрометрических измерений»
  • «Устройство и принципы работы АГСК-99С»
  • «Практические занятия на АГСК-99С».
  • Научно-техническое сопровождение эксплуатации АГСК. Консультации. Совместные опытная эксплуатация АГСК. Первоочередное обновление программных продуктов.

Комплектность, стоимость и условия поставки.

Состав поставляемого спектрометра АГСК-99С (количество спектрометрических модулей, типы и параметры детекторов, состав и ориентация программного и методического обеспечения и т.д.), его стоимость и условия поставки определяется при заключении контракта на поставку.

Аэрогамма-спектрометр АГСК-99 с комбинированным блоком детектирования на базе полупроводниковых и сцинтилляционных детекторов.

В целом ряде случаев требуется не только обнаружить источник гамма-излучения, но и одновременно исследовать его характеристики. Если спектр гамма-излучения обнаруженного источника достаточно сложен (много близко расположенных линий гамма-излучения), то относительно низкое энергетическое разрешение сцинтилляционных детекторов принципиально ограничивает возможность корректного определения радионуклидного состава таких источников гамма-излучения и, соответственно, активности нуклидов, образующих этот источник.
В связи с этим в МИФИ в 1983 году был разработан АГСК с комбинированным блоком детектирования на базе HPGe полупроводникового детектора и сцинтилляционных NaI(Tl) детекторов. При совместной обработке информации, получаемой на таком спектрометре, спектры полупроводникового детектора используются для определения радионуклидного состава источника и его активности, а спектры сцинтилляционного детектора позволяют установить пространственное распределение радионуклидов. Такой метод исследований получил название аэрогамма-спектрометрия с высоким энергетическим разрешением.

Позднее были проведены многочисленные модернизации первоначального варианта АГСК с полупроводниковым детектором. Рассматриваемый тип АГСК успешно эксплуатировался на летательных аппаратах Ми-8, Ан-24, Ан-26, Ка-26 и их модификациях. Суммарное время налета составило около 500 часов.
Следует отметить, что измерения, для проведения которых предназначен АГСК-99С, могут быть проведены с применением АГСК-99 на более высоком качественном уровне.

Состав АГСК-99.

• • АГСК-99С с одним или несколькими спектрометрическими модулями.
  • Аэрогамма-спектрометр с блоком детектирования на базе детектора из сверхчистого германия (HPGe) в следующем составе.
  • Блок детектирования с пространственной анизотропией чувствительности в пике полного поглощения на базе HPGe детектора.
  • Портативный многоканальный анализатор амплитуд импульсов.
  • Бортовая ЭВМ.
  • Программно-математическое и методическое обеспечение.

Назначение основных функциональных узлов. Основные технические и эксплуатационные характеристики.

• • Блок детектирования с пространственной анизотропией чувствительности в пике полного поглощения на базе HPGe детектора.
    Функциональный узел гамма-спектрометра с высоким энергетическим разрешением. Изготовлен на базе HPGe коаксиального детектора. Анизотропия чувствительности в пике полного поглощения реализуется посредством пассивной коллимации детектора.
    Эффективность детектора в пике полного поглощения (ANSI/IEEE 325-1986): 60%-150% для энергии1332.5 кэВ.
    Абсолютное энергетическое разрешение (IEEE): 1.80-2.20 кэВ для энергии 1332.5 кэВ.
  • Портативный многоканальный анализатор амплитуд импульсов.
    Функциональный узел гамма-спектрометра с высоким энергетическим разрешением. Может быть использован как привычный портативный анализатор с аналоговым трактом, так и портативный анализатор нового поколения, реализующий так называемой «полностью цифровой спектрометр». Отличительная особенностью этого спектрометра является реализация всех функций спектрометрического тракта, а именно усиление амплитуды импульсов, формирование импульсов, режекция наложений и т.д. в цифровой форме. Характеризуется очень высокой временной стабильностью параметров и загрузочной способностью до 5х105 импульс/сек при ухудшении энергетического разрешения не более, чем на 10% от базовой величины.
  • Бортовая ЭВМ.
    ПК в промышленном исполнении. Устанавливается на борту летательного аппарата. Служит для управления спектрометром, накопления спектрометрической и навигационной информации, предварительной обработки и отображения результатов обработки в полете.
  • Программно-математическое и методическое обеспечение.
    Методическое обеспечение устанавливает порядок действий при проведении исследований методом аэрогамма-спектрометрии с высоким энергетическим разрешением. Программно-математическое обеспечение предназначено для обеспечения функционирования гамма-спектрометров, обработки и представления результатов исследований.

Комплектность, стоимость и условия поставки.

Состав поставляемого спектрометра АГСК-99 (количество спектрометрических модулей, типы и параметры детекторов, состав и ориентация программного и методического обеспечения и т.д.), его стоимость и условия поставки определяется при заключении контракта на поставку.

Научно-техническое сопровождение. Обеспечение работ.

Аналогично с условиями, сформулированными для АГСК-99С.

Типичный пример использования аэрогамма-спектрометров МИФИ.

Летом 2003 года специалисты МИФИ и МосНПО “Радон” совместно выполнили аэрогамма-спектрометрическую съемку территории некоторых районов Московской области, в том числе в районе г. Подольск. Для проведения исследований на вертолете Ка-26 МосНПО “Радон” был установлен сцинтилляционный аэрогамма-спектрометр АГСК-99С МИФИ. Полеты выполнялись методом параллельного галсирования, расстояние между галсами от 200 до 400 метров, средняя высота полета 100 метров, средняя скорость – 30 м/сек. Координатная привязка результатов измерений проводилась на основании информации, получаемой приемником спутниковой системы позиционирования GPS-35HVS. Для корректной локализации обнаруженных источников и определения их активности координатные данные уточнялись с помощью разработанными для этих целей в МИФИ программных средств.

Схема галсирования.

Влияние эффекта «запаздывания» GPS-навигации на точность координатной привязки спектров при параллельном галсировании (здесь Dt – интервал выдачи навигационных данных GPS-приемником, V – средняя скорость авианосителя).

Зависимости поправок к долготе (DB), широте (DL) и высоте (DH) при переходе из системы координат WGS-84 к системе Пулково-42 от местоположения.

Обработка результатов измерений проводилась с применением разработанных в МИФИ методических и программных специализированных средств. Для обследованных территорий были определены пространственные распределения критерия обнаружения техногенных источников гамма-излучения и содержания радионуклидов 137Cs, 40K, 226Ra и 232Th.

Распределение критерия обнаружения техногенных источников вдоль траектории измерений.

Распределение критерия обнаружения техногенных источников на обследуемой территории.

Для определения активности техногенных радионуклидов нами был разработан метод пиков, состоящий в отделении спектрального пика от непрерывной подложки, включающей в себя и комптоновский континуум от излучения с большей энергией и спектр рассеянного в атмосфере гамма-излучения, и определении положения и площади пика. При этом оценка погрешностей активностей радионуклидов производится обычными статистическими методами. Основными препятствиями к применению метода пиков являются низкое энергетическое разрешение сцинтилляционных спектрометров, его сильная зависимость от энергии и слабая статистика накопленных в индивидуальных измерениях спектров. Для устранения этих препятствий нами разработана совокупность математических методов и реализующих их программных средств, позволяющая выполнять преобразования спектров, в результате которых ПШПВ спектральных пиков существенно (в 2 – 3) раза уменьшается.

Демонстрация разработанных методик анализа проводится на примере спектров, полученных в измерениях над территориями с различным радионуклидным составом источников гамма-излучения. Для каждого из обработанных спектров приводятся исходный экспериментальный спектр и спектр после улучшения разрешения. Для того, чтобы увидеть результату анализа необходимо разместить указатель мыши над выбранным рисунком.

А – полет над территорией со значительным загрязнением поверхности цезием-137;

Б – полет над территорией с обычным радионуклидным составом грунта и небольшим количеством цезия-137;

В – полет над работающим ядерным реактором, создающим высокую концентрацию радионуклида 16N, при распаде которого излучаются гамма-кванты высокой энергии, что приводит к появлению интенсивного аннигиляционного пика в регистрируемом спектре.

На обследованной территории в районе г. Подольск было обнаружено достаточно мощное локальное загрязнение территории радионуклидом 137Cs. Разработанный метод позволил определить пространственную структуру загрязнения, провести локализацией максимумов и вычислить их активности. Хорошо видна пространственная структура обнаруженного источника, состоящая из двух пятен, совпадающих с положениями двух заводов вблизи населенного пункта Большое Толбино.

Спектр обнаруженного техногенного источника.

Распределение скорости счета Cs-137.

Локализация Cs-137 (два источника).