Дозиметрия радиоактивного фона строительных материалов

Для поиска делящихся и радиоактивных материалов применение технических средств является необходимым условием. Известно, что ионизирующее излучение не может быть зафиксировано (и количественно описано) никаким другим способом, кроме как с помощью специальной техники. Человек не может при помощи своих чувствительных органов выявить наличие ионизирующих излучений, испускаемых делящимися и радиоактивными материалами.

В настоящее время при таможенном контроле задача поиска и обнаружения, делящихся и радиоактивных материалов является одной из важнейших. С одной стороны, такие материалы могут при несанкционированном перемещении оказать влияние на радиационную обстановку даже крупных территорий (вплоть до возникновения ситуации, характеризующейся как радиационная авария). С другой стороны, делящиеся и радиоактивные материалы, как товар, имеют высокую стоимость (иногда выше, чем драгоценные металлы) и потенциально могут быть "выгодными" предметами контрабанды и незаконных торговых сделок. Наконец, эти материалы могут быть использованы для создания и производства ядерного оружия.

Дозиметр поисковый микропроцессорный ДРС-РМ1401 предназначен для поиска, обнаружения и локализации радиоактивных материалов путем регистрации испускаемого ими γ-излучения. Как правило, переносные поисковые приборы не используют нейтронного канала, так как детекторные блоки для регистрации нейтронов имеют специальный, замедляющий нейтроны слой, существенно повышающий габариты и массу прибора.

Подчеркнем, что прибор ДРС-РМ1401 относится к средствам поиска делящихся и радиоактивных материалов. Поэтому измеренные значения мощности эквивалентной дозы на его индикаторе следует считать ориентировочными, и для цели точного измерения этого значения следует применять специальные дозиметры, например ДБГ-01Н или РМ-1203 "Полимастер", которыми снабжаются таможенные органы. Они работают медленнее (35...40 с), но дают более точные измерения.

Контрабанда (вложения), в частности контейнеры с радиоактивными веществами, может закладываться внутри материала строительных полуфабрикатов и насыпных грузов в специальные защитные контейнеры. Для этого в частности для полуфабрикатов изготовляются пустоты, куда и закладываются предметы контрабанды, а затем место заложения соответствующим образом заделывается (см. рис. 8)

Рис. 8. Схема закладки вложения в блок монолита

1 – монолит блока, 2 – вложение, 3 – заделка, 4 – датчик дозиметра.

С учетом того, что контейнеры не обеспечивают достаточной защиты от проникновения радиации вне контейнера, и происходит ее регистрация дозиметрами.

При таможенном контроле строительных насыпных грузов, в случае превышения фона или оперативной информации, проводится тщательный контроль объекта.

Для насыпных строительных грузов для каждого карьера проведены измерения фона, за счет радиоактивных компонент (см. табл. 5).

Таблица 5

Месторождение (край, область, город, карьер и т. п.)	Тип материала	Элемент, удельная эффективная активность, Бк/кг
²³²Th	²²⁶Ra	⁴⁰К
Воронежская обл.
Павловский карьер	Щебень	35,9	76,6
Богучарский »	» »	36,6	22,2
Замчаловский карьер	» »	34,0	21,8
Васильевский »	» »	43,7	32,6
Иркутская обл.
г. Усолье	» »	37,0	17,0
Ангасольское месторождение	» »	50,7	59,6
Калининградская обл.
Гусевский карьер	» »	53,7	23,7
Ленинградская обл.
Карьер Кузнечное	Гранитная крошка	140,2	59,9
» Маткоселька	Гранитный отсев	61,8	90,3
г. Выборг	Песок дробленый	170,2	92,9
г. Выборг	Щебень	118,8	48,8
г. Сланцы	Гранитные высевки	27,0	30,3
г. Луга	Щебень	54,0	38,9

Для осуществления производительного контроля используется переносная система сканирования, в которой на подвижной каретке закрепляется датчик дозиметра. Структурная схема сканера приведена на рис. 9. Система сканирования необходима также для обеспечения неизменного расстояния от датчика до объекта, что важно для осуществления дозиметрии.

Рис. 9. Система сканирования

1 – объект контроля, 2 – двухзаходовый винт, 3 – каретка, 4 – датчик, 5 – привод возвратно-поступательного движения каретки, 6 – привод поступательного движения каретки, 7 – рама сканера, 8 – траектория движения датчика относительно поверхности объекта контроля.

Контроль производится следующим образом. Система сканирования располагается на объект контроля. В датчике производится соответствующая регулировка, включается привод сканера. Сигнал от датчика поступает в блок обработки и далее в регистратор.

При обнаружении аномального участка в объекте контроля производится тщательный контроль данного участка. Это необходимо определения границ вложения, для последующего его изъятия, с тем чтобы не повредить стенки контейнера.

Рассмотрим, как распространяется радиация от аномальной области, и выберем оптимальные режимы проведения контроля.

Если излучение проходит через аномальную область (место заложения сокрытия) с коэффициентом линейного поглощения μ_а и размером x в направлении распространения излучения, интенсивность излучения будет равна:

I_а = I₀_·(R₀/R)²_· , (14)

где: R₀– фокусное расстояние, R – расстояние от фокусного пятна до края аномальной области, b – толщина контролируемого объекта.

Рассмотрим связь между входными параметрами схем регистрации и параметрами объекта контроля (ОК). Пусть источник (вложение – радиоактивный компонент) создаёт на входе ОК плотность потока фотонов φ_по, который перпендикулярен плоскости ОК. Пусть датчик дозиметра имеет коллиматор с прямоугольным окном размерами d (высота) и b (ширина). ОК, выполненный из материала с коэффициентом μ линейного ослабления излучения источника и имеющий внутреннюю полость в виде куба размером ε << h, где h – толщина ОК, перемещается со скоростью ν относительно коллиматора.

Для счётных схем регистрации при времени накопления сигнала:

t = d / ν. (15)

отношение сигнал/шум:

q = Δυ /σ_N = ρ_N /σ(ρ_N) = μ·V_а·k · (16)

где: V_а = ε³ – объём аномалии; Π = b· ν – производительность контроля по площади; k = 0,5…1 – коэффициент, учитывающий, что в момент окончания и начала отсчёта в канал регистрации поступает информация не от всей аномалии.

Критерием выявляемости аномалии считается условие:

q ≥ К (К = 3). (17)

тогда:

V_а ≥ (18)

где: A_k = d ∙ b – площадь коллиматора, υ₀ = Q_D · φ_п· A_k – эффективное число статистических импульсов в зоне преобразователя при условии, что вклад рассеянного ОК излучения в сигнал сведён к минимуму; φ_п – плотность потока рентгеновских квантов в районе преобразователя; К = 3.

Оценим объем V_а аномалий, которые можно выявить, в алюминиевом объекте контроля с помощью датчика дозиметра, работающего в токовом режиме при условиях контроля:

Доза излучения в зоне преобразователя 400 мкР/с;

квантовой эффективности преобразователя Q_D = 0,8; (19)

энергии фотонов Е = 100 кэВ.

Для данных условий имеем:

Для фотонов с энергией Е = 100 кэВ для ОК из алюминия μ = 0,5 см^-1,

мощности дозы излучения 400 мкР/с соответствует φ_п = 4·10⁴ фотонов/(мм²·с). (20)

Требуется установить зависимости: V_а = f(ν),(b = const); V_а = f(b),(ν = const). Исходные данные для проведения расчётов приведены в таблицах 6, 7.

Таблица 6

Ширина коллиматора b, мм	Скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, мм/с

Таблица 7

Скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, мм/с	Ширина коллиматора b, мм
		3,5		4,5

Произведём расчёт для первого случая, когда ширина коллиматора b неизменна, скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется.

Во втором случае неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется.

Построим график зависимости V_а = f(ν),(b = const) (см. рис. 10).

Рис. 10. График зависимости V_а = f(ν),(b = const)

Построим график зависимости V_а = f(b),(ν = const) (см. рис. 11).

Рис. 11. График зависимости V_а = f(b),(ν = const).

Анализируя полученные зависимости, устанавливаем следующее. Объём, выявляемых аномалий V_а для случая, когда ширина коллиматора b неизменна, а скорость перемещения ОК относительно коллиматора v варьируется, линейно возрастает. Таким образом, для выявления аномалий малого размера, необходимо снижать скорость контроля.

Объём, выявляемых аномалий для случая, когда неизменна скорость перемещения ОК относительно коллиматора v, а ширина коллиматора b варьируется, линейно возрастает. Таким образом, для выявления аномалий малого размера, необходимо ширину коллиматора уменьшать.

Рекомендуемая литература

1. Бякин Г. И., Улупов Ю. Г. Основы применения технических средств таможенного контроля: учебно-методическое пособие. - СПб.: СПб им. В.Б. Бобкова филиал РТА, 1997. - 23 с.

2. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн. 4. Контроль излучениями: Практ. Пособие/Б. Н, Епифанцев, Е. А. Гусев, В. И. Матвеев, Ф. Р. Соснин; Под ред. В. В. Сухорукова. - М.: Высш. шк., 1992. – 321 с.

3. Бякин Г. И., Кулешов А. В., Улупов Ю. Г. Интроскопия в таможенном деле: учебно-методическое пособие. - СПб.: СПб им. В.Б. Бобкова филиал РТА, 1998.-114 с.

4. Бякин Г. И., Улупов Ю. Г. Основы применения технических средств таможенного контроля: программа курса. - СПб.: СПб им. В.Б. Бобкова филиал РТА, 1999. - 22 с.

5. Ермолов И. Н., Останин Ю. Я. Методы средства неразрушающего контроля качества: Учеб. пособие для инженерно-техн. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1988. – 368 с.