Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
Глава 1. Приборы для поиска источников гамма- излучения 14
1.1. Объект поиска 15
-
Источники ядерного излучения в качестве объектов поиска 16
-
Математическое описание характеристик источников излучения 17
-
Среда поиска 17
-
Средства поиска 21
-
Способы организации поиска источников излучения 21
-
Поиск источников у- излучения с помощью многомодульного детектирующего устройства 35
1.4. Выводы Г 38
Глава 2. Расчетное моделирование откликов многомодульных
детектирующих устройств 40
2.1. Моделирование методом Монте-Карло 40
2.1.1 Теория метода 40
2.1.2. Метод Монте-Карло в задаче взаимодействия излучения с веществом 43
2.2. Примеры моделирования детекторов 45
-
Программа GEANT4 47
-
Программа MCNP-4C 50
-
ПрограммаMCU-RFFI/2 52
-
Программа «ПРИЗМА» 53
2.3. Математическое моделирование откликов многомодульных детектирующих
устройств 54
-
Влияние материала защитного экрана на форму угловой зависимости откликов ММДУ 55
-
Влияние формы и размеров защитного экрана и количества сцинтилляторов на форму угловой зависимости откликов ММДУ 57
-
Влияние материала сцинтиллятора на форму угловой зависимости откликов ММДУ 62
-
Моделирование ММДУ с отверстием в экране 65
-
Исследование энергетической зависимости 67
-
Модель ММДУ2 72
-
Выводы 74
Глава 3. Экспериментальное исследование характеристик ММДУ 75
-
Описание экспериментальных моделей ММДУ 75
-
Схема установки 79
3.3 Аппроксимация результатов эксперимента и спектрометрический анализ 80
-
Результаты экспериментальных исследований и сравнения их с результатами математического моделирования 82
-
Выводы 89
Глава 4. Методы определения направления на источник гамма-излучения
91
-
Применение метода векторного сложения для определения направления на источник излучения по откликам ММДУ 91
-
Нахождение функции от углового положения источника 94
-
Определение положения источника излучения с помощью нейронных сетей
: 101
-
Построение искусственных нейронных сетей для получения информации по откликам ММДУ 101
-
Построение и тестирование сети для определения направления на источник излучения 104
-
Построение и тестирование сети для определения направления и расстояния до источника излучения 106
-
Построение и тестирование сети для определения направления и расстояния для двух источников излучения 108
-
Исследование углового разрешения устройства в присутствии двух источников 109
-
Нейронная сеть для модели ММДУ2 ПО
4.4. Алгоритм определения направления на источник излучения и его локализация
113
4.5. Выводы , 114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 116
Список литературы 118
Введение к работе
Актуальность проблемы Попадание источников ионизирующего излучения в сферу жизнедеятельности человека представляет серьезную угрозу его здоровью. Неучтенные и неконтролируемые источники ионизирующего излучения представляют большую опасность провокаций и террористических актов. В настоящее время в России и других странах имеются территории со значительным радиоактивным загрязнением. Существует острая необходимость в обнаружении, локализации и мо-ниторировании подобных территорий с очагами радиоактивного загрязнения окружающей среды. Эти очаги имеют, как правило, техногенное происхождение, поэто-му не исключена вероятность их возникновения и сегодня. Ликвидация возникших очагов загрязнения может проводиться только после точной локализации места нахождения источников излучения. Поэтому проблема ускоренного обследования местности, загрязненной у-излучающими радионуклидами и поиска локальных источников у-излучения, а также разработка методов определения направления на источник у-излучения имеет особую актуальность. Кроме того очень актуальна проблема обнаружения источников ионизирующего излучения техногенного происхождения и определения места их локализации. Чрезвычайно важна задача обнаружения несанкционированного провоза радиоактивных материалов при проведении проверки гру- ' зов на контрольно-пропускных пунктах. Наиболее распространенными случаями обнаружения радиоактивных веществ являются точечные и непротяженные у-источники искусственного происхождения и ядерные материалы, обладающие у- нейтронным излучением. Для точечных и непротяженных у- источников характерны линейные размеры, которые значительно меньше измеряемых расстояний, значимых для решения задачи обнаружения источников. Для решения указанной, и других подобных проблем необходимы приборы, способные проводить обнаружение и локализацию различных у-источников, определять как энергию, так и интенсивность дискретных у-линий. В качестве такого прибора можно использовать ' многомодульные детектирующие устройства (ММДУ) - панорамные датчики, укомплектованные сцинтилляционными детекторами [1].
Существующие системы радиационного мониторинга можно разделить на два класса: стационарные и мобильные. Стационарные системы радиационного мониторинга построены на основе использования автоматических пороговых детекторов, осуществляющих сигнализацию о превышении заданного порога уровня радиоактивного загрязнения в определенном числе контрольных точек. Данные поступают в центральную лабораторию, где результаты отображаются на соответствующем стен-де или проходят обработку и анализ на вычислительном центре. Этот класс систем радиационного мониторинга используется на заранее подготовленных небольших участках местности. Процесс мониторинга здесь разбивается на два этапа: сбор информации; последующая обработка информации на вычислительном центре. Эти этапы разнесены во времени, поэтому может возникнуть необходимость повторного обследования территории после обработки информации и уточнения результатов [2].
К другому классу относятся системы радиационного мониторинга, обладающие вышеперечисленными свойствами и включающие в себя также мобильные группы или системы. Существующие мобильные группы могут использоваться на заранее ^ неподготовленных и неизвестных участках местности. К этому классу относятся группы ручного дозиметрического контроля, сложные автомобильные или самолет-но-вертолетные комплексы для сбора информации и последующей ее обработки в стационарных условиях. Это приводит к низким темпам обследования местности и jc снижению информативности данных применительно к региону в целом. При этом могут существовать комбинированные системы (например, автомобильный и вертолетный комплексы с отдельным мобильным вычислительным центром), обладающие большей мобильностью и охватывающие для обследования большую территорию [3,
Значительный научный вклад в развитие систем экологического мониторинга в ' России был внесен такими организациями как ГНЦ ЦНИИ РТК (Санкт-Петербург), МИФИ (Москва), МосНПО "Радон" (Москва), СНИИП (Москва). Учеными Самосадным В.Т. и Кадилиным В.В. [5, 6] заложены основы и принципы построения нового класса детекторов излучения: многомодульных детектирующих устройств, обладающих анизотропной чувствительностью (панорамный датчик). Абчук В.А. и Суздаль В.Г. [4] разработали принципы организации поиска объектов. Kosako Toshiso [7], Lindquist Robert, Runyon Tim [8] развиты системы управления экологическим мониторингом и системы их информационной поддержки.
Существует два основных типа устройств, пригодных для решения задачи ускоренного обследования участков местности, загрязненных у-излучающими радионуклидами, и поиска локальных источников, - системы детекторов с анизотропной чувствительностью ММДУ и детекторы телескопического типа [9, 10, 11]. Достоинствами систем детекторов с анизотропной чувствительностью является высокая эффективность регистрации у-излучения, всенаправленность детектора, возможность определения углового распределения потока излучения по результатам одного измерения, сравнительно небольшие размеры и масса. С помощью устройства этого типа невозможно определить направление прилета отдельных частиц, а для вычисления , градиента плотности потока излучения необходимо набрать достаточную статистику. Круглов Е.М. [10] показал, что такой метод определения направления на источник излучения оказывается эффективным и в тех случаях, когда скорость счета от источника сравнима со скоростью счета фона, т.е. в случае близко-фонового излучения.
К достоинствам аппаратуры телескопического типа следует отнести высокую точность определения направления при малом числе зарегистрированных частиц, возможность построения углового распределения потоков у-излучения от многих источников, к недостаткам - низкую эффективность регистрации, ограниченную апертуру угла обзора, значительный вес и размеры аппаратуры, необходимость проведения большого числа замеров при исследовании углового распределения потоков излучения, необходимость вращения детектора для определения углового распределения.
В зависимости от вида решаемой задачи ММДУ могут иметь различную конфигурацию и комплектоваться различными регистрирующими устройствами. В данной работе рассмотрены варианты ММДУ с различными формами и материалами защитного экрана, различным количеством модулей, рассмотрены различньії типы сцинтилляционных детекторов. С помощью ММДУ можно проводить целенаправленный поиск и локализацию непротяженных источников ионизирующего излучения, что значительно ускоряет процесс обследования заданного участка местности из-за отсутствия необходимости сканирования всей территории, находить дозовые характеристики поля гамма-излучения в месте расположения устройства.. Оптимальная компоновка регистрирующих модулей ММДУ достигается расчетом функции отклика ММДУ, включая конструкцию ослабляющего излучение экрана, и самих детектирующих модулей устройства методами математического моделирования взаимодействия излучения с веществом в объеме детектирующего устройства.
Многомодульное детектирующее устройство предназначено для решения следующих задач: определение факта наличия источников у-излучения; определение плотности потока у-квантов и типа источника; обнаружение и локализация очагов радиоактивного загрязнения окружающей среды и промышленных объектов; определение количества точечных источников излучения и направлений на них; ускоренный поиск локальных источников у-излучения и их идентификация по спектру у-излучения; оценка дозовых характеристик поля излучения в точке измерения; оценка расстояния от точки измерения до месторасположения локального источ-ника; дистанционная оценка активности точечного источника у-излучения;
Объект и предмет исследования
Многомодульные детектирующие устройства, их конструктивные особенности, для решения задач ускоренного поиска источника(ов), его идентификацию. Отклики модулей устройства с различной конфигурацией исследовались расчетным путем с применением пакета MCNP и также в эксперименте. Рассмотрены методы определения направления на источник с применением аналитического приближения , угловой функции отклика ММДУ и с помощью нейронной сети.
Целью работы является разработка и создание расчетных моделей ММДУ, позволяющих определять направление на непротяженный источник у- излучения и проводить ускоренный поиск источников, их локализацию и идентификацию.
Для достижения этой цели были решены следующие задачи: выбор материала защитного экрана, типа сцинтилляционного детектора у-излучения, и количества модулей устройства; моделирование ММДУ с разными материалами защитного экрана и сцинтиллято-ра; проведение анализа различных компоновок устройства; проведение экспериментального исследования угловой зависимости откликов модели ММДУ и сравнение результатов эксперимента с результатами расчета; разработка методов определения направления на источник у-излучения и их локализации; разработка методики ускоренного поиска источников у-излучения.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Предложена методика расчета функции отклика ММДУ различной конфигурации, для решения задач ускоренного поиска источников у-излучения.
Разработаны макеты систем детекторов на базе сцинтилляционных блоков для определения направления на источник у-излучения на плоскости по результатам единичного измерения;
Предложена методика определения направления на источники у-излучения с применением аналитического приближения угловой функции отклика ММДУ.
Предложен разработанный автором алгоритм и программа на основе нейронных сетей по расчету параметров (координат, активности, типа) неизвестного источника
На основании анализа функциональных возможностей разработанных моделей ММДУ предложены методы их применения для ускоренного направленного поиска локальных источников гамма-излучения, их локализации и идентификации при обследовании участков местности.
Практическая значимость работы заключается в том, что. создана методика расчета функции отклика ММДУ с различными типами и конфигурацией детекторов и поглощающих экранов; на основе расчетов создана новая модель ММДУ, позволяющая по результатам одного измерения провести локализацию источника у излучения; создан специализированный алгоритм, использующий нейронные сети по определению параметров источников у- излучения и их локализацию; исследованы характеристики разработанных моделей многомодульных детектирующих устройств с анизотропной чувствительностью к излучению; проведено экспериментальное исследование разработанной методики и аппаратуры для решения задач обнаружения точечных источников ионизирующего излучения, получено хорошее согласие расчетных данных с экспериментальными.
Автор выносит на защиту
Результаты расчетных исследований функций откликов ММДУ с различными конфигурациями защитного экрана и регистрирующих модулей.
Конфигурацию ММДУ использующую выбранное количество и конфигурацию регистрирующих модулей и защитного экрана.
Результаты экспериментального исследования характеристик модели ММДУ и сравнения их с результатами расчетного моделирования.
Модель ММДУ, позволяющую по результатам одного измерения провести локализацию источника у излучения.
Алгоритм определения направления на источники излучения и параметров источников при помощи нейронных сетей.
Алгоритм локализации источника излучения. Содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 69 наименований, содержит 124 страницу, в том числе 71 рисунок и 17 таблиц.
В первой главе настоящей диссертации рассматривается актуальность диссертационной работы. Рассматривается объект поиска. Информацию об объекте поиска наблюдатель получает в виде сигнала на индикаторе средств обнаружения. В на-v стоящей работе мы ограничимся рассмотрением неподвижных наземных объектов поиска, а в качестве поля излучения рассмотрим поле у-излучения.
Объектом поиска является источник ядерного излучения, который может быть достаточно полно охарактеризован, если известны следующие его параметры: вид излучения, геометрия источника - его форма и размеры, спектрально-угловое распределение испускаемого излучения, активность источника.
В главе дается определение и рассматриваются основные характеристики средства поиска. Для задач поиска источников у- излучения и контроля состояния территории с радиоактивным загрязнением используются системы радиационной разведки и радиационного контроля. Большинство систем могут использоваться как для радиационной разведки, так и для радиационного контроля. Их можно объединить в более общий класс систем радиационного мониторинга.
Радиометры для измерения угловых распределений могут содержать либо группу детекторов с анизотропной чувствительностью, оси которых расположены под некоторым углом относительно друг друга, либо - один детектор, поворачиваемый в пределах апертуры угла обзора. В первом случае измерения углового распределения выполняются параллельно для нескольких углов. Во втором случае измере-* ния проводятся последовательно, и каждому углу ставится в соответствие свой результат измерения. Кроме того, используются системы детекторов у- излучения с анизотропной угловой чувствительностью, являющейся однозначной функцией угла падения плоскопараллельного потока на детектор. Простейшими детекторами для исследования пространственного распределения потоков излучения являются детекторы, чувствительность которых не зависит от направления потока излучения, но в этом случае требуется сканирование местности.
Изложено несколько примеров комплексов аппаратуры и отдельных детекторов, используемых для поиска и локализации источников у- излучения. Рассмотрены ранее разработанные на кафедре «Прикладная ядерная физика» МИФИ модели мно-гомодульных детектирующих устройств.
Во второй главе рассматриваются методы моделирования взаимодействия излучения с детектирующим устройством с целью получения отклика устройства. Рассматривается метод Монте-Карло и некоторые примеры моделирования детекторов. Обсуждаются особенности пакетов моделирования, основанных на методе Монте-Карло, таких как GEANT4, MCNP-4C, MCU, ПРИЗМА, Обоснован выбор пакета MCNP-4C для расчета откликов моделей устройств. Для расчетного исследования характеристик ММДУ была выбрана математическая модель устройства с симметричным расположением детекторов вокруг защитного экрана. Исследовано влияние на отклики модулей ММДУ различных материалов и формы защитного экрана, исследовались также различные типы сцинтилляторов и количество детекторов. В главе рассмотрена также зависимость чувствительности модулей ММДУ и суммарной чувствительности от энергии у- излучения. Обсуждается возможность определения мощности дозы у- излучения по откликам ММДУ.
В главе рассмотрены результаты моделирования откликов модели ММДУ2, позволяющей определить координаты источника по результатам одного измерения.
В третьей главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований угловых зависимостей откликов моделей ММДУ, созданных на основе сцинтилляци-, онных детекторов с монокристаллами CsI(Tl) прямоугольного сечения и нескольких типов цилиндрических защитных экранов. В главе приведено описание конструкций и результаты экспериментальных исследований и математического моделирования откликов соответствующих конструкций ММДУ при регистрации излучения от точечного источника у- излучения Cs-137. Рассмотрены особенности использования в качестве откликов суммы сигналов в пике полного поглощения, полного числа зарегистрированных сигналов и относительных откликов.
Показано, что данные эксперимента и моделирования хорошо согласуются между собой, и полученные аппроксимирующие кривые, хорошо описывают как экспериментальные данные, так и результаты моделирования.
В четвертой главе рассматривается три возможных метода определения направления на источник у- излучения, основанных на анализе соотношений откликов модулей ММДУ. Метод векторного сложения был разработан для модели ММДУ кубической формы, метод применим для четырехмодульного устройства и косину-соидальной угловой зависимостью чувствительности модулей. Метод определения направления на источник излучения на основе решения системы трансцендентных уравнений, полученных на основе аппроксимирующей функции чувствительности модулей от углового положения источника, позволяет находить направление на несколько источников излучения.
Для ускорения поиска источников излучения (возможности их пространственной селекции) найдена зависимость отношения количества у-квантов, зарегистриро- ванных і-ой гранью панорамного датчика, к общему количеству у-квантов, зарегистрированных датчиком, от направления на локальный источник излучения.
Рассмотрен метод определения направления на источник у- излучения и его локализации при помощи нейронных сетей предложенный в настоящей работе. Рассмотрены структуры созданных нейронных сетей и полученные результаты восстановления исследуемых параметров. Приведены результаты проверки работы сетей для моделей ММДУ с использованием данных эксперимента и моделирования.
Рассмотрены варианты поиска и локализации источника излучения с использованием откликов ММДУ.
Предложенные методы значительно ускоряют процесс обследования территории из-за отсутствия необходимости сканирования всей территории. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждались на XV Международной научной конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008», Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM'2009 (Санкт-Петербург 2009г), 7-ой Курчатовской молодежной научной школе и на научных сессиях МИФИ 2007-2009гг (4 доклада).
Г. Л. Деденко, Лэй Вин, В. В. Кадилин, С. В, Исаков, Применение панорамных многомодульных устройств решении задач радиационного мониторинга.// Научная сессия МИФИ-2007. Сб. научных трудов. Том 17, М.: МИФИ, 2007, стр.. 105-106.
Лэй Вин, В. В. Кадилин, Г. Л. Деденко, Ней Мьо У, В. Т Самосадный, Исследование отклика ММДУ с различными защитными экранами при регистрации потоков у излучения// Научная сессия МИФИ-2008. Сб. научных трудов. Том З, М.: МИФИ, 2008, стр. 177-179.
Лэй Вин, В. В. Кадилин, Г. Л. Деденко, Тант Зин, Сравнение результатов экспериментального и расчётного исследований при определении направления на источник у- излучения с помощью ММДУ // Научная сессия МИФИ-2008. Сб. научных трудов. Том З, М.: МИФИ, 2008, стр. 179-180.
Лэй Вин, Тант Зин, В. В. Кадилин, Г. Л. Деденко, Исследование характеристик панорамного датчика, предназначенного для ускоренного поиска источников у-излучения// XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008». Сб. тезисов, М.: Физический факультет МГУ, 2008, стр. 19-20.
Г. Л. Деденко, В. В. Кадилин, Лэй Вин, С. В. Исаков, В. Т Самосадный, Методы определения направления на локальный источник у-излучения при помощи ММДУ// Научная сессия МИФИ-2009. Сб. Аннотации докладов. Том 1, М.: МИФИ, 2009, стр. 106.
То Тун Ко, Лэй Вин. Применение нейронных сетей для обработки информации от многомо-дульных детекторов разных излучений// Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям SCM'2009 Т.1, Санкт-Петербург.,2009. стр. 235-238
Г. Л. Деденко, В. В. Кадилин, Лэй Вин, Определение направления на источник у излучения и его локализация с помощью многомодульных детектирующих устройств и нейронных сетей// 7-я Курчатовская молодежная научная школа, Сб. Ан-нотации работ, М., 2009, стр. 129.
Результаты диссертационной работы опубликованы в 3 научных трудах в журналах, входящих в перечень ВАК.
Г. Л. Деденко, В. В. Кадилин, Лэй Вин, СВ. Исаков, Исследование угловых характеристик многомодульных детектирующих устройств// Ядерные измерительно-информационные технологии ,№ 4-08, стр. 25-41.
Лэй Вин, Г. Л. Деденко, В. В. Кадилин, и др. , Метод локализации точечного источника у-излучения с использованием многомодульного детектирующего \ устройства и нейронных сетей// Естественные и технические науки, № 3, 2009, Компания Спутник+, стр. 42-44.
10. Г. Л. Деденко, В. В. Кадилин, Лэй Вин, и др., Типы многомодульных детектирующих устройств и методы локализации точечных источников у- излучения// Ядерные измерительно-информационные технологии № 3-09, стр. 43- 64.
