Елохин Автоматизированные системы контроля радиационной обстановки окружаюсчей среды 2012

где ai, bi – безразмерные параметы формулы Бергера, зависящие от энергии фотонов [41]; R – радиус сферы равный пробегу фотона с энергией Eγ = 1,0 МэВ в воздухе. При этих условиях величины pi будут постоянны в указанной области. Тогда, если учесть, что в

где pi определено формулой (8.63), а индекс R означает ограниченность радиуса.

Определение концентрации радиоактивной примеси, распространяющейся в воздушной среде в результате радиационной аварии на радиационно-опасном предприятии, может осуществляться в любой точке ее распространения, если область характерного из-

281

менения концентрации значительно больше пробега γ-кванта i-й энергии, что практически имеет место при любом состоянии устойчивости атмосферы и отсутствии локальных осадков.

Типичные распределения приземной концентрации радиоактивных аэрозолей, и поверхностной активности подстилающей поверхности, графики которых приводятся на рис. 8.22, характеризуются наличием максимума, расположение которого в зависимости от состояния устойчивости атмосферы и характеристик выброса изменяется в от нескольких сот метров до 1500 м.

Рис. 8.22. Распределения поверхностной активности подстилающей поверхности на оси следа радиоактивного облака при гипотетической аварии на АЭС (1, 3)

и приземной концентрации аэрозолей (2, 4), при различных состояниях устойчивости атмосферы, характеризующихся параметром μ0:

–10,9 (1, 2); 7,05 (3, 4)

Аналогичное распределение концентрации радиоактивной газоаэрозольной примеси для тех же характеристик выброса и состояний устойчивости атмосферы будет происходить и в факеле выброса, продолжительность которого будет составлять не менее получаса. Таким образом, если радионуклидный состав газоаэрозольной радиоактивной примеси таков, что пробег фотона максимальной энергией не превышает 100 м, а источник выбросов не является наземным, то измерение концентрации газоаэрозольной примеси,

282

распространяющейся в атмосфере в результате радиационной аварии на радиационно-опасном предприятии, в соответствии с формулой (8.75) будет осуществляться с погрешностью, не большей погрешности детектора фотонного излучения рассматриваемого дозиметрического комплекса до расстояний распространения факела выбросов, на которых величина мощности дозы фотонного излучения примеси будет не меньше предельной чувствительности прибора, т.е. 15−25 %. Отметим, что измерение концентрации трассеров – специальных газов, используемых в метеорологии для изучения рассеивающих свойств атмосферы, с точностью до коэффициента, равного двум, считается удовлетворительным.

Альтернативой предлагаемого метода является известный аспирационный метод, используемый, в настоящее время, для анализа загрязнения воздушной среды радиоактивными аэрозолями. Суть метода (рис. 8.23) состоит в естественном или принудительном прохождении воздушного потока, загрязненного газоаэрозольной радиоактивной примесью, через патрубок прямоугольного или круглого сечения, в конце которого располагается движущийся или фиксированный фильтр, на котором осаждаются радиоактивные аэрозоли.

Рис. 8.23. Иллюстрация аспирационного метода измерения объемной активности газоаэрозольной радиоактивной примеси

При измеренной скорости воздушного потока, проходящего через патрубок, заданном времени его прохождения, а также измерении общей активности фильтра, возникающей на нем за счет осевшей газоаэрозольной радиоактивной примеси, определяют объемную активность последней. На основе этого метода разработан ряд приборов в том числе и широко известный анализатор “Калина”, используемый, как внутри помещений, так и в вентиляционной

283

трубах АЭС, для получения и обработки радиоактивных газоаэрозольных проб, среди которых выделяют короткоживущие (КЖН), долгоживущие (ДЖН) нуклиды аэрозолей и инертные радиоактивные газы (ИРГ). Основным недостатком этого прибора является наличие “мертвого” времени, составляющего порядка 15 мин, необходимого для обработки результатов измерений по ИРГ и значительно большего – для аэрозолей и йодов, что в принципе не позволяет использовать этот прибор в режиме on-line. Кроме того, наличие механических частей в виде лентопротяжного механизма для сорбирующей аэрозоли ткани существенно снижает надежность прибора в целом. Нетрудно заметить, что если предлагаемый метод свободен от подобных недостатков и способен работать в режиме on-line, он действительно может быть реализован с помощью несложной аппаратуры на радиоуправляемом (беспилотном) носителе.

Как указывалось выше, устройством для осуществления предлагаемого метода может служить беспилотный дозиметрический комплекс, представляющий собой радиоуправляемый (беспилотный) летательный аппарат (БПЛА), содержащий две видеокамеры; γ-датчик с диапазоном измерения от 0,1 мкЗв/ч до 10 Зв/ч; ксеноновый спектрометр γ-излучения, показания которых выводятся в режиме on-line на экран монитора оператора, располагающегося на расстоянии прямой видимости от объекта наблюдения, но не более 0,5−1,0 км. Структура системы контроля и управления БДК приведена на рис. 8.24.

Аппаратная часть комплекса состоит из подсистем измерения, видеокамеры, подсистем передачи и архивирования результатов измерения и сигналов управления, подсистемы отображения результатов мониторинга и средств транспортировки комплекс. Аппаратура комплекса рассчитана на работу в экстремальных условиях с расширенным диапазоном температур и влажности, с повышенной защитой от воды и пыли.

В качестве видеокамеры наиболее подходящим решением является сетевая цифровая камера, которая совмещает в одном устройстве видеокамеру, системы фокусировки и архивирования сигнала. Преимущество данного предложения очевидно: экономия массы и энергопотребления – важных параметров для системы беспилотного мониторинга. Одной из таких камер является AXIS 221. Эта видео камера применяется для систем видео наблюдения и удаленного мониторинга зданий, железнодорожных станций, аэропортов, автомобильных дорог, работает в режиме круг-

284

лосуточной работы в профессиональных системах удаленного мониторинга. AXIS 221 передает по сети отдельные кадры в формате JPEG или MPEG-4 со скоростью до 60 кбит/с. Разрешение в кадре до 640×480 точек на дюйм. AXIS 221 имеет два входа для подключения внешних датчиков и релейный выход, а также гибко настраиваемый многооконный детектор движения. Камера поддерживает технологию IP-фильтрации, имеет защиту паролем на уровне пользователя [42-44].

Рис.8.24. Структура системы контроля и управления: ИУС1 – измерительно-управляющая система видеонаблюдения;

ИУС2 – измерительно-управляющая система γ-детектора; ИУС3 – измерительно-управляющая система γ-спектрометра; СУП – система управления полетом; ПК – персональный компьютер; БП – блок автономного питания

Технические средства передачи данных, обеспечивая дальность передачи не менее 1 км, позволяют передавать видео данные в режиме реального времени, имеют массу в несколько килограмм и обеспечивают защиту от сигналов электромагнитных и радиационных помех. В рассматриваемых условиях предпочтение отдается комплексу из двух радиомодемов Wi-Fi, двух усилителей и двух

285

направленных антенн. Средняя скорость передачи составляет 54 Мбит/с и осуществляется с повышенной защитой от помех. Радио-

модем D-Link AirPremier AG DWL-7700AP имеет два диапазона

(2,4/5 ГГц) внешней беспроводной точки доступа стандарта IEEE 802.11 a/b/g, обладает прочным, водонепроницаемым корпусом и встроенным обогревателем с температурным датчиком, поддерживает стандарт IEEE 802.3af пониженного энергопотребления. Режимы работы: «точка доступа», «мост точка-точка», «мост точка – много точек» с возможностью связи на несколько километров.

Программная часть комплекса делится на две части: программы бортовой части и программы наземной части.

Основные требования к операционной системе бортовой части: поддержка аппаратных прерываний, поддержка реального времени, приоритетов для потоков, сетевого протокола TCP/IP. В качестве операционной системы целесообразнее использовать системы семейства UNIX. Основное преимущество – большое время наработки на отказ, продуманная система взаимодействия процессов, режим псевдореального времени. При выборе следует обратить внимание на наличие драйверов аппаратуры, поставляемых производителями для UNIX систем.

Основные требования к операционной системе наземной части: поддержка программного обеспечения камеры; поддержка сетевого протокола TCP/IP.

Система для отображения результатов является разрабатываемым программным продуктом и требует отдельной проектировки дизайна внешнего вида программ комплекса.

Очень важным моментом проектирования системы является вопрос помехозащищенности, так как существует огромное количество помех, которые мешают выполнять измерение концентрации радионуклидов. Особенно при больших удалениях летательного аппарата от оператора. В проектировании подсистем помехозащищенности поможет схема, изображенная на рис. 8.25.

Основными окнами программы являются: вывод видеоданных, фрагменты с видеокамеры, расположенной на летательном аппарате, схема полета GPS навигатора на карте местности, зависимость различных координат от времени полета, вывод физических данных, данные с гамма детектора, спектрометра в виде трехмерного графика в реальном режиме времени.

286

Рис. 8.25. Компоновка вариантов измерительной и управляющей системы беспилотного дозиметрического комплекса

та лишние данные, такие, как навигационные данные GPSприемника. Это можно предусмотреть как отключением данных, так и переводом данных на экран второго терминала.

Вывод информации о спектре фотонного излучения может осуществляться (двумя способами: в режиме реального времени по мере поступления информации и в виде двумерного графика при полном наборе статистической информации о спектре. В первом случае – спектрометрическая информация сильно загрузит процессор, а во втором – (при фиксированном времени передачи информации) будет отсутствовать полнота картины, поскольку во втором случае (при низкой интенсивности потока фотонов выделенного промежутка времени для получения и передачи информации может не хватить), т.е. для полного набора информации потребуется дополнительное время. Информационная модель системы приведена на рис. 8.27.

Рис. 8.27. Информационная модель системы

Аппаратура управления полетом рассматриваемого комплекса, аппаратура регистрации, передачи характеристик фотонного излучения радиоактивных аэрозолей, распространяющихся в воздушной среде, а также аппаратура видеонаблюдения и передачи видеоинформации по требованию заказчика может быть выполнена в

288

радиационно-стойком исполнении, если она предназначена для работы в радиационных полях высокой интенсивности. Для защиты от химически агрессивных сред летательный аппарат может быть обеспечен химически инертным кожухом, а решение задач обеспечения вибростойкости аппаратуры, располагающейся на БПЛА, может быть осуществлено двумя путями: использованием двух соосных винтов, раскручивающихся в противоположные стороны (БПЛА конструкции КБ им. Камова), и установкой трехосной гироплатформы, на которой, кроме управляющей полетом аппаратуры и аппаратуры передачи информации, размещаются и устанавливаемые на аппарате видеокамеры. Однако подобные усовершенствования приводят к существенному росту стоимости комплекса в целом.

Рис. 8.28. Принципиальная схема размещения на носителе γ-детекторов дозиметрической разведки, обеспечивающих определения концентрации радионуклидов в воздухе

8.4. Метод определения поверхностной активности подстилающей поверхности в следе радиоактивного облака на основе беспилотного дозиметрического комплекса в условиях радиационных аварий

В п. 8.3 рассматривался вопрос определения концентрации газоаэрозольной примеси, поступающей в атмосферу при радиационных авариях на АЭС и других источниках использования атомной энергии.

289

Однако возможности предлагаемого метода с успехом могут быть распространены и на оценку поверхностной концентрации радиоактивных аэрозолей, осевших на подстилающую поверхность в следе радиоактивного облака [45,46].

Работа комплекса также основана на измерении спектра и мощности дозы фотонного излучения, создаваемого радионуклидами. При этом основной исследуемой характеристикой является поверхностная активность χ(x, y). Как и в рассмотренном выше примере, амплитудное распределение обработанного спектра фотонов, измеряемого ксеноновым спектрометром, также характеризуется амплитудой A(Ei) и полушириной пика Ei, измеряемой на его полувысоте.

Произведение Ai· Ei пропорциионально произведению поверхностной активности радионуклида χi(x, y, Ei) на квантовый выход фотонов νi ( γ −квраспад, таблично заданная величина) этого ра-

дионуклида:

где k – поправочный коэффициент, не зависящий от энергии фотонов; α(Ei) – коэффициент, характеризующий энергетическую зависимость ксенонового спектрометра, определяемый экспериментально по монолиниям фотонного излучения; Ai(Ei), Ei – измеряемые величины амплитудного распределение обработанного спектра. В этом случае поверхностная активность χi может быть определена по формуле:

Если на подстилающей поверхности распределено N радионуклидов, то

При этих условиях «вес» радионуклида в общей активности (вклад активности одного радионуклида в общую поверхностную активность) при ограниченном времени счета (для осуществления передачи информации в режиме on-line) найдем как отношение

290