Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аспекты исследования радиации окружающей среды 9
1.1. Компоненты радиации окружающей среды и факторы, влияющие на них 9
1.2. Радиоактивность атмосферы 12
Глава 2. Установка для раздельного исследования направленной и ненаправленной компонент радиации 22
2.1. Телескоп детекторов 22
2.2. Электронные средства селекции событий 24
2.3. Устройство преобразования сигналов ТТЛ в аналоговую форму 29
2.4. Применение амплитудного анализатора в качестве регистратора данных от телескопа детекторов 34
2.4.1. Аналого-цифровой преобразователь 35
Глава 3. Программный комплекс для получения и обработки данных 42
3.1.Микропроцессорная система и интерфейс 42
3.2 Программа - драйвер для ОС WIN95-98H др 48
3.3. Корреляция и автокорреляция, использовавшая FFT 52
3.4. Программа обработки данных эксперимента 54
3.4.1. Графы программы MATHCAD с краткими пояснениями 57
Глава 4. Результаты измерений компонент радиации окружающей среды 61
4.1. Циклы измерений в различных условиях 61
4.2. Результаты экспериментов в формате Excel 67
4.3. Обработка результатов в пакете MATHCAD с методом БФП 71
4.4. Обсуждение результатов 77
Глава 5. Структура временных рядов радиации окружающей среды 19
5.1 Суточные и сезонные вариации излучения 79
5.2 Влияние геофизических явлений на радиацию окружающей среды 81
5.3 Аномалии при исследовании механических, временных и приливных явлений в условиях солнечного затмения 82
5.4 Роль астрономических явлений 86
5.5 Результаты исследований излучения образца урановой руды при солнечных затмениях 87
Заключение 98
Список литературы 99
- Устройство преобразования сигналов ТТЛ в аналоговую форму
- Корреляция и автокорреляция, использовавшая FFT
- Обработка результатов в пакете MATHCAD с методом БФП
- Влияние геофизических явлений на радиацию окружающей среды
Введение к работе
Исследование структуры временных рядов представляет важную задачу по поиску закономерностей и возможных корреляционных связей между космической компонентой радиации и излучением нуклидов в объектах окружающей среды. Для решения задач радиоэкологии, нам необходимо изучать структуру радиации окружающей среды. Радиации естественного происхождения, как известно, содержит две основные компоненты:
Излучение нуклидов распределенных в объектах окружающей среды, которое не имеет выделенных направлении.
Излучение, преимущественно состоящее из заряженных частиц, космического происхождения, которое является направленным.
Структура радиации естественного происхождения, таким образом, содержит две компоненты, которые гипотетически независимы друг от друга. Поэтому необходимо проверить эту гипотезу. Здесь широкий простор для новых методов, поскольку никакое устройство не может регистрировать космическое излучение и излучение окружающей среды одновременно. Следовательно, нам необходимо было создать устройство, которое могло бы измерять космическое излучение, как репер, при мониторинге радиации окружающей среды.
Критерии независимости компонент можно определить, исследуя корреляционные и автокорреляционные функции временных рядов. Наиболее подходящий метод для такого анализа - Быстрое Фурье Преобразование. Для его применения необходимо в едином цикле измерений получать данные о радиации космоса и окружающей среды.
Анализ литературных данных показал, что существуют аномалии при исследовании механических, временных и приливных явлений в условиях солнечного затмения. Так же замечали аномалии эманации радона при астрономических и геофизических экстраординарных событиях. Поэтому нужно было проверить, существует ли влияние астрономических явлений на естественную радиоактивность.
Цель диссертационной работы.
Получение новых данных о структуре радиации окружающей среды.
Изучение структуры временных рядов при раздельной регистрации радиации космоса и окружающей среды.
Создание экспериментальной установки, измеряющей космическое излучение и излучение окружающего пространства.
Поиск закономерностей и возможных корреляционных связей между космической компонентой радиации и излучением нуклидов в объектах окружающей среды с помощью метода Быстрого Фурье Преобразования.
Получение характеристик временных рядов радиации окружающей среды.
Исследование эффектов, влияющих на выход излучения из образца природной урановой руды.
Научная новизна и практическая значимость работы.
Впервые предложен метод исследования радиации окружающей среды с помощью телескопа счётчиков Гейгера-Мюллера;
Разработана установка, позволяющая автоматизировать процесс измерения потоков данных от телескопа детекторов;
Получены новые данные по влияние температурного фона окружающей среды на радиацию окружающего пространства;
Впервые исследованы приливные явления в образце урановой руды, которые дополняют общую картину явлений происходящих в момент затмения солнца.
Практическая значимость работы заключается в том, что результаты исследования позволяют дать ряд обоснованных рекомендаций экспериментаторам и специалистам-разработчикам по способам создания метода регистрации радиации окружающей среды с помощью телескопа счётчиков Гейгера-Мюллера. А также представляют интерес для исследователей, работающих в области радиоэкологии.
Устройство преобразования сигналов ТТЛ в аналоговую форму
Блок-схема модуля, который я разработал, представлена в рис.2.7.Эта схема состоит из трех независимых каналов, поток данных которых является цифровым по характеру и представляет сигналы стандарта ТТЛ. Чтобы считать такие сигналы, нам нужно три независимых счетчика, которые являются чувствительными к импульсам стандарта ТТЛ. Это - простое решение, но очень сложное и дорогое. Общая задача моей работы на этой стадии состояла в том, чтобы создать электронную схему, которая упрощает это задание. Я рассмотрел 3 варианта решения этой проблемы. Первый, имеет дело с цифро-аналоговыми преобразователями, которые преобразовывают цифровой поток данных в аналоговую форму. Схематическая диаграмма представлена в рис.2.8. После преобразования этого потока данных, мы можем использовать стандартный многоканальный анализатор, который регистрирует Радиационные эффекты ограничивают использование простых цифро-аналоговых преобразователей в нашем случае. Почему так? Мы можем столкнуться с различными радиационными эффектами. Наш модуль может использоваться в поле излучения ядерного реактора, где есть все источники излучения, и это может вызвать любой радиационный эффект излучения. Радиационные эффекты на электронные устройства обычно разделяются на 3 различных составляющих: І.Дозовьій эффект; 2. Эффект повреждения кристаллических решёток; 3. Единичные события; (а) сбои; (б) защёлки; (в) сгорания. Второе решение этой электронной схемы - использование микросхемы, которая является простыми вентилями (И-НЕ) с открытым коллектором. Мы можем сделать R-2R матрицу и подключить её к выводам микросхемы, выбирая аналоговый выход, связанный последовательно с R-2R схемой. Этот простой цифро-аналоговый конвертер может противостоять фактически любым радиационным эффектам, упомянутым выше. Амплитудный анализатор {многоканальный буфер (МБ) + персональный компьютер (PC)} принимает по входу сигналы от схемы преобразования, формируя спектр, который даёт данные о структуре излучения. Вид экрана АА (МВ+РС) представлен на рис.2.12. На этом рисунке представлены данные измерений направленной и ненаправленной компонент радиации.
Зоны интереса легко выделяют различные компоненты и дают информацию о потоках данных от телескопа. Ниже будут рассмотрены особенности амплитудного анализатора, использованного в данной работе. В данном приборе используется АЦП одностадийного интегрирования. Как было отмечено, такой АЦП обладает высокой линейностью преобразования. Однако в эту схему были внесены изменения, которые позволили упростить схему АЦП. Принципиальная схема АЦП приведена на рис.2.13, а диаграммы работы АЦП показаны на рис.2.14. Он состоит из пикового детектора (Ul, Dl, С1), детектора уровня (U3), детектора нуля (U2), управляемого генератора тока (Ql, Q2, Q3), схемы управления (U4,U5), кварцевого генератора с частотой 24МГц (CLK) и 10-разрядного счетчика импульсов (U6, U7, U8). Работает эта схема следующим образом. Микропроцессорная система формирует импульс сброса (RES) и устанавливает напряжение срабатывания детектора уровня (LEVEL) по умолчанию 0,6В, для этого используется ЦАП (на схеме не показан), подготавливая тем самым АЦП работе. Как только напряжение на входе АЦП (VIN) станет больше порога срабатывания детектора уровня, произойдет переключение компаратора U1 из состояния лог.1 в_ состояние лог.О (СМР2) при этом отключается генератор тока на транзисторе Q1 и конденсатор С1 заряжается до напряжения соответствующего амплитуде входного импульса. Далее на спаде импульса входное напряжение становится меньше порога срабатывания детектора уровня, и компаратор переключается из состояния лог.О в состояние лог.1, по фронту этого сигнала запускается счетчик импульсов и генератор тока. Когда напряжение на конденсаторе С1 приблизиться к нулю сработает детектор нуля (СМР1), устройство управления запретит счет импульсов и установит сигнал INT, низкий уровень которого означает окончание преобразования. После этого с выводов dO-dll можно считывать кодовый эквивалент входного аналогового сигнала. Дребезг сигнала на выходе детектора нуля (СМР1) видный на временной диаграмме после окончания цикла преобразования на работу АЦП не влияет. Следующий цикл преобразования начинается только после прихода сигнала сброса (RES) от микропроцессорной системы.
Корреляция и автокорреляция, использовавшая FFT
Корреляция в математическом смысле близка к свёртке. В некотором смысле она проще, потому что две функции, которые коррелируют, не являются столь чёткими, как данные и функция отклика в условиях свёртки. Действительно при расчётах корреляционных функций, исходные данные представлены разными, но, в общем, схожими наборами. Мы исследуем их взаимосвязь посредством прямого наложения со смещением одного набора вправо или влево. В уравнении (3.1), определена корреляция между двумя непрерывными функциями g(t) и h(t), которая обозначена Corr(g, h), и она является функцией лага t. Мы покажем этот факт довольно неудобным обозначением с явной зависимостью от времени Corr(g, h)(t).
Корреляция будет значительной при некоторых значениях t , если функция (g) линейная комбинация функции (h) со сдвигом во времени на величину t, то есть, если первая сдвинута вправо относительно второй. Подобно этому, корреляция будет значительна и для отрицательных величин t если первая функция предшествует второй, то есть, сдвинута влево относительно (h). Соответственно соотношение между этими значениями при перестановке функций выглядит так Если функции представлены дискретно gk и hk, каждая с периодом N, то корреляция определяется следующим образом Теорема о дискретной корреляционной функции говорит о том, что дискретная корреляция двух действительных функций g и h представляет собой элемент дискретного Фурье преобразования где Gk и Hk есть дискретное Фурье преобразования gj и hj, и звёздочка обозначает комплексное сопряжение. Эта теорема использует тоже предположения о функциях, как и для свёртки. Мы можем рассчитать корреляцию, используя БФП(РРТ) следующим образом: делаем БФП двух множеств данных, умножаем одно комплексное сопряжение второго, и делаем обратное БФП, полученного произведения. Формально, результат (назовём его Гк) будет комплексным вектором длины N. Однако, это устраняется, если положить все мнимые части равными нулю, так как исходное множество данных в обоих случаях было действительным. Компоненты Гк являются значениями корреляции при различных лагах, запоминаемых при положительных и отрицательных лагах в соответствии с хорошо известным правилом; корреляция при нулевом лаге - в го-первый элемент вектора, при лаге 1 во втором компоненте п , корреляция при лаге -1 в N-1 компоненте вектора.
Также как в случае свёртки мы должны рассмотреть краевые эффекты, так как наши данные не являются, В основном, периодичными, как принимаются в теореме о корреляции. Здесь снова, мы можем использовать нулевую вставку. Если вы интересуетесь корреляцией при лагах ±к, то вы должны добавить буферную зону и к нулей в конце обоих наборов данных. Если вы хотите иметь все возможные лаги от N данных (что не всегда нужно), то вы должны добавить равное N число нулей в исходный набор; это предельный случай.[99] В соответствие с общими теоретическими положениями выла разработка программа обработки данных с целью определения, как корреляционных функций, так и статистических особенностей распределений. Её реализация наиболее проста в математическом пакете MATHCAD в соответствии со структурной схемой программы, представленной на рис.3.2. Текст программы с краткими пояснениями приводится ниже. Представление данных расчётов на графиках даёт исчерпывающую информацию о спектре частот процессов, корреляционных и автокорреляционных функциях, ассиметрии распределения данных, а также проверке гипотезы о нормальном распределении. Блок-схема программы MATHCAD для обработки данных показана на следующей диаграмме. После создания установки, были сделаны следующие шаги. Прежде всего, мы должны были удостовериться, что наш телескоп надежен. Были осуществлены непрерывные измерения радиации в течение 10 часов и 15 часов в различных условиях. Согласно результатам, наш телескоп находится в приемлемом состоянии и даёт с постоянными результатами в среднем с уравнением тренда.
Обработка результатов в пакете MATHCAD с методом БФП
Мы можем обработать полученные ряды данных, методом БФП. Метод БФП -самый эффективный метод получения необходимых результатов. Мы использовали программу MATHCAD, ранее описанную в предыдущей главе, чтобы выполнить их обработку. Ниже показан пример конкретного применения этой программы к полученному массиву данных. Типичные спектры частот и корреляционных функции процессов позволяют предположить, что в большинстве случаев мы имеем дело со случайным ординарным процессом без последействия. Об этом свидетельствуют автокорреляции функции, которые суть 8-функции. Т.е. процесс в момент времени t не определяет его значение в последующий момент. Этот факт является подтверждением независимости компонентов радиации, которые регистрировались телескопом детекторов. Тем не менее, в одном случае было получено, что в своей части процессы скоррелированы, и предыдущее состояние процесса частично определяет его последующий характер (-20%) с лагом около часа.
Этот результат имел место при ориентации телескопа 70 к горизонту и был получен 6 марта 2004 года (Рис(4.7)). Практически важным результатом является наблюдение изменения радиоактивности окружающего пространства, которое, как отмечалось ранее связано с изменением структуры почвы при смене сезонов (рис(4.1)). Стоит отметить характер поведения спектра частот, который в ряде случаев имеет особый зигзагообразный вид. В спектре представлены не все частоты, доминируют группы частот в 2.10"4Гц , 5.10 4Гц (рис(4.6)). Этот факт может быть связан с тем, что в ряде распада U, Th имеются компоненты с различными периодами полураспада и эти компоненты могут создавать особый характер спектра частот. Для указанных выше частот хорошо подходят 2І2Ві: - период полураспада 1 час и 2,4РЬ: - период полураспада 26 минут.
На спектре частот космического излучения этого не наблюдается; он соответствует спектру «белого» шума. Это различие в виде спектров может быть использовано при анализе структуры поля излучения. В целом же использование метода БФП позволило более глубоко исследовать взаимосвязь космической радиации и радиации окружающего пространства, выявить особенности как качественные, так и количественные, а также механизмы ответственные за эти особенности. Так как получены данные долгосрочных измерений, мы можем делать выводы о структуре временных рядов радиации окружающей среды. Мы видели суточные и сезонные вариации радиации окружающей среды, в литературе отмечают влияние геофизических, временных и приливных явлений[ 15-88], и в данном исследовании получены данные, подтверждающие влияние астрономических явлений.
Влияние геофизических явлений на радиацию окружающей среды
Измерение радона-222 в грунтовой воде было осуществлено для прогноза землетрясения [31-43][65-88]. Сообщалось, что концентрация радона в воде возрастала в течение нескольких месяцев перед землетрясением 17 января 1995 в южной Префектуре Хйого (Кобе). Позднее к концу декабря 1994, концентрация радона возросла в четыре раза. 8 января 1995, за 9 дней перед землетрясением, концентрация радона достигала пика более чем в 10 раз по сравнению с октябрём 1994, перед началом землетрясения. Мотивированное сообщение предшествующих изменений в подземно - водном радоне, связанном с землетрясением Кобе в 1995[43], было использовано для обследования распределения радона в четырех областях грунтовой воды Тайваня. В результате, более 66 % колодцев имели концентрацию радона больше, чем предел обнаружения и это может быть использовано для прогноза землетрясений. Другие учёные утверждают, что временные изменения выхода радона из почвы и воды могут дать нам в некоторых случаях раннее подтверждение о тектоническом сбое в Земной коре [64]. Следовательно, наблюдение аномалий радона почвы могут быть использованы для прогноза землетрясения [31-43]. Поэтому можно сказать, что геофизические явления влияют на радиацию окружающей среды. С тех пор как в начале 20-е столетия, экспериментаторы замечали, что есть аномалии астрономических явлений, особенно при солнечных затмениях. Некоторые из них могут быть объяснены, почему они возникают, но некоторые не могут быть поняты на современном уровне развития науки.
В дни, когда возникает солнечное затмение, большое количество эффектов проявляет себя в различных сферах. Это и ход часов, свет, гравитации и.т.д. Все полагают что явление- затмение солнца просто. Нет, не так. Это влияет на всё, на биологические системы, на физические системы, на ядерные процессы и.т.д. Большое количество эффектов наблюдаются при солнечных затмениях. Как описано выше многие замечали влияние астрономических явлений на естественные события [15-30]. Во многих странах исследовали во время затмения августа 1999 колебания маятника, и доказали что эффект Аллайса действительно существует [18]. Китайские учёные показали, что во время затмения есть вариации гравитации[28]. Другие учёные обнаружили аномалии времени стандартных атомных часов в трёх затмениях [16,17]. Маурис Аллайс, Французский лауреат Нобелевской Премии, экономист и физик наблюдал, что, важные аномалии возникали, в разные моменты времени. Для того, чтобы анализировать эти аномалии, Аллайс решил выполнять серию ежемесячных наблюдений с 1954 в 1960. Существенный результат этих экспериментов установление лунно-солнечнного компонента с периодом 24 часа, 50 минут на перемещении маятника, с амплитудой влияния в 100 миллионов раз больше, чем это следует из теории гравитации, Эйнштейновской или Ньтоновской. Кроме того, в течение наблюдений проведенных в Июне 30, 1954, (полное затмение Солнца), в отклонении Научно-исследовательские центры во многих местах планировали эксперименты в связи с солнечным затмением Августа 11, 1999, включая Австрию, Италию, Францию, Германию, Персидский Залив, Турцию и Соединенные Штаты и после этого решившие, что эффект Аллайса реально существует[18].
Китайские геофизики Ванг, Янг, By, Гуо, Лиу и Хуа из института геофизики, китайской академии наук проводили точное измерение изменения гравитации с помощью гравиметра и наблюдали аномалию в течение солнечного затмения Марта 9, 1997. Запись в реальном времени начиналась в 15:00 пополудни в 5 Марта 1997 и продолжала непрерывно до 15:00 в 12 Марта 1997. Две области аномалии гравитации в течение затмения были обнаружены, которые могут быть эффектом гравитационного экранирования[28]. Другой китайский ученый Шу-Вен Жоу исследовал сравнения времени между атомными часами в течение солнечного затмения 1987,1988,1990 и 1992. Из наблюдений следует, что солнечное затмение оказывает влияние на темп атомных часов[16,17]. Американский ученый Гари С. Веззоли и его коллеги изучали природу радиоактивного распада в течение солнечного затмения. Они предсказали и измеряли скорость радиоактивного распада Ро 210 и Со 60 на станциях наблюдения соответственно в Массачусетсе и Канзасе, США, связанных с проходом тени полного солнечного затмения в южной Австралии в Декабре 4, 2002. Эти станции расположены в областях земной поверхности в противоположном конце земного диаметра. [15] Некоторые замечали, что астрономические явления влияют на природу активности окружающей среды. Среди них фазы Луны сильно влияют активности окружающей среды. Мы можем видеть эти факты, смотря на эксперименты ученых, например профессора Аументо из Италии [30]. В этой статье подчеркнуто, что: - Как функция лунного месяца создают периодические изменения в течение нескольких последовательных месяцев.
