73 PACS numbers: 29.40.Mc, 29.30.Kv
КОМПЛЕКС ДИСТАНЦИОННОГО ПОИСКА, ЛОКАЛИЗАЦИИ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ИСТОЧНИКОВ ГАММА ИЗЛУЧЕНИЯ
А.В. Ко ергин
Нау но – иссле овател ский и проектно-конструкторский институт «Искрај
ул. Звейнека, 145, 91033 Лу анск, Украина E-mail: official@iskra.lugansk.ua
В работе описан прин ип ействия и пре ставлены резул таты иссле ований техни еских характеристик комплекса истан ионно о поиска и локализа ии
исто ников амма излу ения на базе амма-сканера кру ово о обзора,
реализованно о на прин ипе пространственно-временно о ко ирования потока.
Клю евые слова: ИСТОЧНИКИ ГАММА ИЗЛУЧЕНИи, ДИСТАНЦИОННАи
ЛОКАЛИЗАЦИи, КОДИРОВАННАи АПЕРТУРА.
(Полу ено 29.06.2011, опубликовано online 30.12.2011)
1. ВВЕДЕНИЕ
Существует опре еленный кру за а , в которых необхо им оперативный истан ионный поиск и локализа ия исто ников амма излу ения в режиме реал но о времени. Приборы и системы ля полу ения простран-ственно о распре еления исто ников амма излу ения условно можно раз елит на нескол ко классов. Это, в астности, сканиру щие системы с временной мо уля ией потока излу ения. Обы но они пре ставля т собой етектор, закл енный в коллиматор, и отли а тся простотой выполнения. Их о рани ение состоит в том, то тол ко малая площа области интереса может набл ат ся в каж ый конкретный промежуток времени. Это озна ает, то время, необхо имое ля сканирования области интереса может быт о ен лител ным, особенно при необхо имости высоко о пространственно о разре ения. Дру ой класс – это системы пространственной мо уля ии потока, к которым относят в астности системы с ко ированными апертурами. Они обеспе ива т более высоку увствител ност за с ет мул типлексной ло ики измерений, при которой в про ессе измерения набл ается не от ел ный элемент поля зрения, а о новременно все элементы. В общем слу ае прибор с ко ированной апертурой со ержит ко иру щу маску и пози ионно- увствител ный етектор искретно о или непрерывно о типа. Реализа ия пози ионно-увствител но о етектора все а пре ставляет зна ител ные техни еские тру ности. Эти тру ности особенно растут при необхо имости увели ения искретности поля зрения. В том исле и по этой при ине стоимост и массо абаритные характеристики таких систем вес ма существенны.
2. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Основой системы является амма-сканер кру ово о обзора с ко иру щей маской – прибор на базе е ини но о етектора, конструктивные особен-ности и прин ип ействия которо о позволя т отказат ся от пози ионно
увствител но о етектора, но сохранит при этом мул типлексну ло ику измерения (Рис. 1).
Рис. 1–Схема амма - сканера кру ово о обзора
Конструктивно он со ержит илин ри еский с интилля ионный етектор амма излу ения 1 и непрерывно враща щу ся вокру не о илин ри еску ко иру щу маску 2, пре ставля щу собой построенну по особому закону после овател ност прозра ных и непрозра ных ля амма излу ения элементов. Элементы маски расположены вертикал но в ол образу щей илин ра, коаксиал но о с етектором. Кроме то о в состав вхо ит приво вращения маски 3, ат ик у лово о положения ко иру щей маски 4, аппаратура ля пози ионирования на местности и система сбора и обработки анных.
Система сбора анных построена таким образом, то заре истрирован-ные етектором события о нозна но привязыва тся к текущему положени маски. В те ение про есса измерений ре истриру тся не тол ко факты событий взаимо ействия амма квантов с етектором, но и вы еленная энер ия. Таким образом, в резул тате измерений ре истрируется массив спектров Si, каж ый из элементов которо о пре ставляет собой спектр амма излу ения, заре истрированно о етектором со всех направлений в i-м у ловом положении маски. Резул татом работы является кру овая иа рамма плотности потока амма излу ения в то ке измерения от исто ников излу ения в иапазоне у лов 0…360 , полу енная мето ом икли еской корреля ии матри ы с етов P и спе иал но о восстанавлива ще о массива G (1)
1 1
( ) mod( )
0 0
k m m
j i k k m j k m i
j i
е Rj – элемент вектора у ловой плотности потока с j- о направления, m – размер маски; k –коэффи иент ополнител ной искретиза ии поля зрения, Pj – элемент вектора с етов событий, заре истрированных етектором в выбранных энер ети еских окнах при положении нулево о элемента маски в иапазоне у лов 2 /(k m)j 2 /(k m) (j + 1), G – матри а обработки, о нозна но опре еляемая ко иру щей после овател ност .
Ко иру щая маска построена на основе базово о фра мента равномерно-избыто ной после овател ности и пре ставляет собой линейну о номер-ну маску, свернуту в кол о 2, со етая свойства высокой трансмиссии с преимуществом плоских боковых лепестков. Высокая трансмиссия обеспе ивает способност изображат исто ники с низкой интенсивност , а плоские боковые лепестки озна а т, то не бу ет внутренне о ума, скрыва ще о низко контрастные исто ники.
Изобража щие свойства системы визуализа ии можно описат с помощ функ ии рассеяния то ки (ФРТ), отража щей расс итанный по формуле (1) отклик системы на то е ный исто ник, нахо ящийся в поле зрения. Минимал ный размер векторов R и P совпа ает с размерност маски m. В то же время прин ип непрерывности вращения маски позволяет увели ит степен искретиза ии у лово о распре еления плотности потока амма излу ения за с ет ре истра ии
спектрометри-еских анных в её промежуто ных положениях.
Рис. 2–ФРТ амма-сканера кру ово о обзора
На Рис. 2 пре ставлены ФРТ амма-сканера, расс итанные ля степеней искретиза ии k 1 и 7 ля исто ника расположенно о по ентру у ловой искреты (слева) и смещенно о k от ентра (справа).
3. УГЛОВОЕ РАЗРЕШЕНИЕ И УГЛОВАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ
Сле ует раз елят у лову локализа и , как за а у опре еления у ловой коор инаты от ел но о то е но о исто ника в поле зрения и у ловое разре ение, как за а у раз еления вух и более исто ников, расположенных в пре елах нескол ких у ловых искрет. У ловое разре ение амма-сканера о нозна но опре еляется у ловым размером элемента маски вытека щим из е о еометри еских параметров и лины m ко овой после овател ности, применяемой ля построения маски.
Экспериментал ные иссле ования у ловой локализа ии исто ника в поле зрения, прове енные на макете амма-сканера, реализованно о на базе с интилля ионно о етектора СsI(Tl) 50 100 мм и илин ри еской свин овой маски из 31 элемента, показали, то ля хоро о статисти ески обеспе енных исто ников максимал ная о ибка у ловой локализа ии то е но о исто ника составила 0.29 , или 20 %
а а у ловой иа раммы R.
Рис. 3–У ловая локализа ия то е но о исто ника 137Cs ( –рас етная
коор ината)
На Рис. 3 показана полу енные у ловые иа раммы плотностей потока R ля степени искретиза ии k 7 (217 элементов поля зрения с а ом 1.69 ), а также реал ные и рас етные у ловые коор инаты исто ника.
Для иссле ования у лово о разре ения была прове ена серия экспериментов, в которой иссле овалас возможност раз еления вух ря ом стоящих то е ных исто ников 133 Ba активност 1 МБк.
Исто ники после овател но распола алис на расстоянии 2, 1.75, 1.5 и 1.25 и 1 у ловые искреты ру относител но ру а.
Рис. 4–У ловое разре ение то е ных исто ников 133Ba
4. КРИТЕРИЙ РАЗДЕЛЕНИЯ ТОЧЕЧНЫХ И ПРОТЯЖЕННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Из базовых свойств ФРТ системы о еви но, то то е ный и распре еленный исто ник разли а тся по функ ии отклика, поэтому ло и но разработат критерий, а щий возможност разли ат протяженные и то е ные исто ники. Такой статисти еский критерий то е но о исто ника имеет ви :
0 0 0 0
[ p ( ); p ( )]
m V n V V n V (2)
е V0 – выборо ное сре нее зна ений вторых ентрал ных моментов лепестков то е ных исто ников ля некоторой выборки V0, (V0) –
несмещенная о енка с.к.о. этих зна ений, np – квантил нормал но о распре еления ля вероятности p.
Экспериментал ная проверка критерия на серии из 140 экспериментов, в которых ре истрировалос положение то е ных и протяженных исто ников 133Ba близких активностей, показала, то при работе в
энер ети еских окнах по критери (2) возможно разли ат протяженные исто ники, истинный у ол ви имости которых из то ки измерения при k 7 более 6 у ловых элементов поля зрения, т.е. св. 10.1 .
5. ОЦЕНКА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
Принято с итат , то система с ко иру щей апертурой в и еале позволяет обнаружит бесконе но малый исто ник, но за бесконе но бол ое время измерения. Реал ная увствител ност опре еляется параметрами
етектиру щей аппаратуры и условиями измерения.
В табли е 1 пре ставлены о енки увствител ности амма-сканера по линии 661 кэВ ля разных типов етектора при времени измерения 0.5
Табли а 1 – О енка увствител ности амма - сканера ля разных
типов етектора
Детектор Расстояние
о ИИИ, м Обнаруживаемая активност 137Cs
за 0.5 ., Bq
Соотно ение си нал/фон в окне ре истра ии Тип Диаметр,
см Высота, см
CsI(Tl) 5 10 5 3.7 105 0.058
10 1.5 106
100 3.7 108
CsI(Tl) 8 16 5 1.5 105 0.03
10 6 105
100 1.5 108
CsI(Tl) 10 25 5 8 104 0.019
10 3,5 105
100 8.5 107
NaI(Tl) 10 25 5 1,0 105 0.025
10 4.5 105
100 1.1 108
6. ДВУМЕРНАЯ ЛОКАЛИЗАЦИЯ И ОЦЕНКА АКТИВНОСТИ РАДИОНУКЛИДОВ
Встроенные аппаратура и про раммное обеспе ение позволя т произвести пространственну привязку амма-сканера на местности. Ори инал ные уравнител ные и метроло и еские мето ы и ал оритмы, основанные на вы елении зна имых секторов по статисти ески обоснованным критериями и построении пересе ений этих секторов, обеспе ива т вумерну локализа и обнаруженных и и ентифи ированных исто ников по нескол ким независимым измерениям и истан ионное о енивание их активности [3].
И ентифика ия амма излу а щих ра ионукли ов произво ится по их спектрам. Свойства ко ированной апертуры и реализа ия измерений по схема маска-антимаска а т возможност полу ит истый спектр за вы етом фона и системати еской по ре ности от каж о о от ел но пикселя или произвол но о набора пикселей изображения простран-ственно о распре еления исто ников [4], то позволяет ле ко и ентифи-ироват пространственно раз еленные нукли ы и существенно обле ает про е уру и ентифика ии сложных смесей исто ников.
7. ВЫВОДЫ
Прове енные имита ионные и экспериментал ные иссле ования оказали работоспособност прин ипа пространственно-временно о ко ирования потоков амма излу ения, реализованно о в амма-сканере кру ово о обзора с ко иру щей маской, ля истан ионной локализа ии амма излу а щих нукли ов. Прин ипиал ная простота конструктивно о исполнения амма - сканера позволяет существенно, в 10-20 раз по сравнени с анало ами, снизит стоимост прибора. О еви но, то ему тру но конкурироват с современными амма телескопами с развитой поверхност етектирования по увствител ности, о нако в елом он имеет сопоставимые, а ля у ловой локализа ии исто ников и лу ие техни еские характеристики по сравнени с приборами анало ами. Ал оритми еские ре ения, испол зу щие прин ип непрерывно о вращения маски позволя т полу ит ополнител ну искретиза и поля зрения, существенно превы а щу размерност маски. Хотя при этом не улу ается у ловое разре ение системы, о нозна но опре еляемое размерност маски, анная мето ика ает возможност более то но вы ислят истинну у лову коор инату исто ника и раз елят то е ные и протяженные исто ники.
Умеренные массо абаритные характеристики, мобил ност , пре усмот-ренная возможност по кл ения к GPS нави атору и кру овое поле зрения ела т перспективным е о применение ля карто рафирования зон ра иоактивно о за рязнения.
Пре ла аемый комплекс может быт испол зован сотру никами приро о-охранных и эколо и еских ор аниза ий в тех слу аях, ко а необхо имо с елат быстрый и ка ественный анализ ситуа ии на бол их территориях в режиме реал но о времени, или ко а по соображениям безопасности
оступ к месту ра иоактивно о за рязнения затру нен или невозможен.
SYSTEM FOR REMOTE SEARCH, LOCALIZATION AND IDENTIFICATION OF GAMMA RADIATION SOURCES
А.V. Kochergin
Scientific Research and Project Designing Institute «Iskra» 145, Zveineka Str., 91033 Lugansk, Ukraine
E-mail: official@iskra.lugansk.ua
The operation principle of system for remote search, localization and identification of gamma radiation sources on the base of all-round surveillance gamma-scanner realized on the spatial-time coding principle is described in the paper. Results of performances research are presented.
Keywords: GAMMA RADIATION SOURCES, REMOTE LOCALIZATION, CODED APERTURE.
КОМПЛЕКС ДИСТАНЦІЙНОГО ПОШУКУ, ЛОКАЛІЗАЦІЇ І ІДЕНТИФІКАЦІЇ ДЖЕРЕЛ ГАММА ВИПРОМІНЮВАННЯ
О.В. Ко ергін
Науково– ослі ний та проектно-конструкторс кий інститут «Іскрај, вул. Звейнека, 145, 91033 Лу анс к, Україна
У роботі описаний прин ип ії і пре ставлені резул тати ослі жен техні них характеристик комплексу истан ійно о по уку і локаліза ії жерел амма
випромін вання на базі амма-сканера кру ово о о ля у, реалізовано о на
прин ипі просторово- асово о ко ування потоку.
Клю ові слова: ДЖЕРЕЛА ГАММА ВИПРОМІНЮВАННи, ДИСТАНЦІЙНА ЛОКАЛІЗАЦІи, КОДОВАНА АПЕРТУРА.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРЫ
1. В.Ю.Плахотник, А.В.Ко ер ин, Вісник ВНУ ім. В.Даля9(127), 162 (2008). 2. E.E. Fenimore, T.M. Cannon, Appl. Opt. 17 No3, 337 (1978).
3. А.К.Шев енко, Вісник Кремен у ко о ержавно о політехні но о університету 4, 31 (2009).
