Контроль уровня радиоактивности по изменению интенсивности флуктуаций фонового радиотеплового излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контроль уровня радиоактивности по изменению интенсивности флуктуаций фонового радиотеплового излучения

В.П. Якубов, С.Н. Ковтун, Д.В. Лосев
Томский государственный университет

Для контроля уровня радиоактивности предлагается использовать измерения величины уменьшения интенсивности флуктуаций фонового радиотеплового излучения на длине волны 21 см. Метод обосновывается экспериментально и теоретически.

радиоактивность флуктуация излучение радиотепловой

1. ВВЕДЕНИЕ

В последнее время усилился интерес к созданию новых методов дистанционного контроля радиационной безопасности. Интерес этот обусловлен многими факторами и, прежде всего, требованиями обеспечения экологической безопасности ядерных производств. Прямые дозиметрические измерения радиационной обстановки основаны на измерениях уровня ионизации газовых компонент в местах, непосредственно примыкающих к контролируемым объектам. По мере удаления от источников радиоактивных излучений уровень ионизации за счет процессов рекомбинации быстро уменьшается и приближается к фоновому значению. Таким образом, область действия дозиметрических методов сильно ограничена [1].

Среди дистанционных методов наиболее привлекательными представляются радиофизические методы. Известен подход, основанный на радиолокационном обнаружении радиоактивных выбросов [2]. Однако чувствительность этого метода невелика, особенно при малых уровнях радиации. Процессы рекомбинации в атмосфере у поверхности земли достаточно быстры, и электронная концентрация не превышает  [3]. Это означает, что для радиолокационного зондирования пригодно лишь излучение с длиной волны больше 30 м. Только в этом случае частота излучения меньше критической частоты и возникает отражение радиоволн. Обычные же радиолокационные станции используют дециметровый диапазон длин волн. Описанный в [2] эксперимент, скорей всего, дал обнаружение тепловой инверсии, а не ионизированного облака над трубой атомной электростанции. Возникший при этом градиент коэффициента преломления атмосферы привел к отражению радиолокационного сигнала. Тем не менее, теоретически возможно, что при увеличении мощности излучения, чувствительности приема и использовании согласованной фильтрации активная локация способна дать обнаружение радиоактивных выбросов. Следует лишь отметить, что постоянная засветка ядерных объектов мощным радиоизлучением может вызвать потенциальный отказ электронных средств автоматики технологических процессов и вряд ли способствует повышению общей радиационной безопасности.

На наш взгляд, большего внимания заслуживает подход, основанный на пассивной радиолокации на длине волны атомарного водорода [4]. Используется тот факт [4, 5], что при взаимодействии радиоактивных элементов с атмосферными газами, прежде всего с водяным паром, может происходить образование повышенной концентрации атомарного водорода, который является источником некогерентного спонтанного микроволнового излучения с характерной длиной волны 21 см (частота =1420.4 МГц). Диффузия электрически нейтрального водородного облака относительно более медленный процесс по сравнению с рекомбинацией ионизированных областей. Из этих областей должно существовать устойчивое увеличение интенсивности собственного микроволнового излучения. Экспериментальные исследования, проведенные авторами в 1996-1999 годах по измерениям этого излучения с территории Сибирского химического комбината (СХК), расположенного вблизи г. Томска, подтвердили возможность использования этого явления для детектирования и диагностики радиационных выбросов [6]. При этом установлено, что использование метода эффективно в случае достаточно объемных процессов.

В настоящей работе предлагается развитие описанного в [4, 6] метода для дистанционного детектирования слабых уровней радиации. В основе лежит все та же идея об обнаружении радиоактивности по повышенной концентрации атомарного водорода вблизи источников радиации, но используется явление не излучения, а поглощения микроволн на линии 21 см. При этом метод обнаружения остается пассивным.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ДАННЫЕ

В июне 1999 года в Государственном научном центре (ГНЦ) РФ-ФЭИ в г. Обнинске был проведен прямой эксперимент по регистрации радиотеплового излучения в полосе атомарного водорода при внесении источников радиоактивности различной мощности. Уровень активности источника контролировался стандартным дозиметром непосредственно вблизи приемной антенны.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Схема экспериментальной установки изображена на рис. 1. Микроволновое радиотепловое излучение окружающего пространства (5) принималось слабонаправленной антенной (1) с кардиоидной диаграммой направленности. Принятый антенной сигнал после фильтрации в полосе 40 МГц вблизи несущей частоты 1420,405 МГц подавался на радиометр модуляционного типа (2). Реальная чувствительность радиометра оценивалась как 0,1 K. Выходной сигнал имел усреднение 1 с и регистрировался на самописце (3). Самописец позволял путем смещения нуля и увеличения собственного коэффициента усиления подробно регистрировать зависимость флуктуаций интенсивности  принимаемого излучения (рис. 2). Регистрация начиналась после 15 минутного прогрева радиометра.

Рис.2. Временные вариации флуктуаций фонового радиотеплового излучения для двух различных источников радиоактивности.

Сначала в течение 3-5 минут регистрировалось стационарное фоновое радиоизлучение (участки 1 на рис. 2а, б). Уровень радиационного фона при этом составлял 10-13 мкР/час. Представленные на рис. 2 зависимости нормированы так, что дисперсия флуктуаций интенсивности радиоизлучения при фоновом уровне радиоактивности ( мкР/час) равна 1. Штриховыми линиями показаны пределы флуктуаций интенсивности, соответствующие среднеквадратическому значению.

Далее в определенный момент времени открывался радиоактивный источник (4), показанный на рис. 1. Использовались два разных источника: америций литиевый и кобальт. Первый источник давал уровень радиации 40 мкР/час, а второй - 1600 мкР/час вблизи апертуры приемной антенны. Результаты, показывающие вариации флуктуаций интенсивности радиоизлучения с первым и вторым источниками, показаны на рис. 2а и 2б соответственно. Открытие источника соответствует участкам 2 на этих рисунках. Отчетливо виден эффект уменьшения дисперсии флуктуаций интенсивности фонового радиоизлучения  при увеличении уровня радиоактивности в слое воздуха перед антенной. Условные границы этого слоя показаны штриховой линией на рис. 1. Для первого источника величина среднеквадратического разброса  уменьшилась до значения 0.7, где  - первоначальное значение  до открытия источника. Для второго, более мощного источника уменьшение достигло значения 0.5. Увеличение радиационного фона приводит как бы к "замиранию" флуктуаций. Причем это "замирание" не носит линейный характер: при больших уровнях радиоактивности флуктуации становятся слабо чувствительны к увеличению уровня радиоактивности . Сказанное иллюстрирует рис.3.

Рис. 3. Уменьшение среднеквадратического разброса флуктуаций интенсивности радиотеплового излучения.

Важно отметить, что средний уровень радиотеплового излучения уменьшился незначительно - приблизительно на величину уменьшения среднеквадратического разброса . Характерно, что среднее значение интенсивности фонового излучения превышало уровень флуктуаций приблизительно в 300 раз.

Отмеченный эффект сохранялся все время, пока был открыт источник. После закрытия источника уровень флуктуаций радиотеплового излучения увеличивался до прежнего значения. Это иллюстрирует рис. 4, на котором показано изменение уровня флуктуаций во время эксперимента. Отсчеты 1, 5, 6 соответствуют закрытому источнику, а отсчеты 2, 3. 4 - открытому источнику. Вертикальными отрезками показаны 95 % доверительные границы полученных оценок.

Рис. 4. Изменение среднеквадратического разброса флуктуаций интенсивности радиотеплового излучения при открытии и закрытии источника радиоактивности

Полученный экспериментально результат является несколько неожиданным и, на первый взгляд, даже противоречит результату, описанному в [4]. Так, вместо ожидаемого увеличения интенсивности радиоизлучения в полосе водорода обнаружилось её уменьшение, точнее уменьшение флуктуаций интенсивности. Однако, обнаруженный эффект имеет простое физическое объяснение.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ

При диссоциации атмосферных компонент, прежде всего, паров воды под радиоактивным излучением образуется повышенная концентрация атомарного водорода [4]. Если уровень радиации относительно невелик, то термодинамическая температура образовавшегося водорода близка к температуре окружающего пространства, т.е. он находится в термодинамическом равновесии со средним уровнем радиотеплового излучения окружающего пространства. Иными словами, сколько в среднем энергии излучается, столько и поглощается. Однако временные флуктуационные изменения радиотеплового излучения окружающего пространства нарушают термодинамический баланс: "превышения" и "принижения" среднего уровня приводят к "запуску" процессов поглощения и излучения соответственно. Очевидно, что наиболее сильно в этом процессе будут участвовать наиболее быстрые составляющие временных вариаций. Будет происходить выравнивание уровня интенсивности электромагнитного излучения, т.е. как бы его низкочастотная фильтрация. Процесс этот наиболее заметен вблизи резонансных линий. Думается, что именно с этим эффектом, наблюдавшимся вблизи линии водорода, связаны описанные выше экспериментальные результаты.

Процессы излучения и поглощения симметричны и поэтому для определенности ограничимся рассмотрением влияния поглощения на уменьшение интенсивности флуктуаций проходящего радиоизлучения. Для простоты теоретического анализа частотную зависимость коэффициента поглощения атомарного водорода будем считать лоренцевской:

,

где  - полуширина,  - резонансная частота линии, величина  пропорциональна концентрации "рабочего вещества", в нашем случае, концентрации атомарного водорода.

При использовании радиометрического приема используется временное усреднение, а значит, происходит низкочастотная фильтрация флуктуаций вблизи центральной частоты. Это равнозначно тому, что в исходном радиотепловом излучении как бы выбрасываются частоты, сильно отличающиеся от центральной частоты . Аппроксимируем амплитудно-частотную характеристику эквивалентного фильтра функцией

,

где величина  определяется временем усреднения .

С учетом сказанного для среднего коэффициента ослабления в предположении его малости имеем

.

Тогда для интенсивности термодинамически неуравновешенной части излучения, прошедшего слой атомарного водорода толщиной  (рис.1), можно записать соотношение

.

Как известно [7], величина полуширины линии поглощения газов  прямо пропорциональна их парциальному давлению. Для атомарного водорода это давление пропорционально уровню радиации . Можно записать, что . Величина  также пропорциональна концентрации атомарного водорода, а значит, также линейно зависит от уровня радиации , и тогда . Коэффициенты пропорциональности  и  зависят от парциального давления паров воды, в результате диссоциации молекул которой под действием радиации и образуется атомарный водород в воздухе. Кроме того, их значения определяются общим атмосферным давлением и температурой. С учетом принятых допущений можно окончательно записать

,

Рис. 5. Восстановленный контур линии водорода при различных уровнях радиоактивности где  и .

Для полученной зависимости характерно наличие насыщения при больших значениях уровня радиации. Выведенная формула использована для аппроксимации представленных на рис. 3 экспериментальных данных. В результате получено, что A=1.1 и B=19.4 мкР/час. Соответствующая этому зависимость показана сплошной кривой на рис. 3.

Выведенная формула может быть использована для восстановления действующей величины уровня радиации по дистанционным радиоволновым измерениям интенсивности флуктуаций фонового радиотеплового излучения. Из рис. 3 видна наибольшая чувствительность метода для малых уровней радиации. Для расширения рабочего диапазона в сторону увеличения уровней радиации следует увеличить величину B, т.е. уменьшить время радиометрического накопления .

На основе полученных результатов можно также восстановить контур линии водорода. Так при уровне радиации  мкР/час согласно полученным оценкам линия водорода имеет ширину 1 Гц, а при  мкР/час её ширина увеличивается до 4.1 Гц (рис. 5). При  мкР/час линия водорода уширяется до 165 Гц. Эти данные соответствуют давлению 1 атм. и температуре 300 K. Столь малая относительная ширина линии объяснятся малым парциальным давлением образующегося атомарного водорода.

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обнаруженное явление уменьшения флуктуаций фонового радиотеплового излучения в условиях возрастания уровня радиации объясняется резонансным взаимодействием его на длине волны 21 см с атомарным водородом, который образуется в атмосфере в результате диссоциации паров воды. Полученная калибровочная зависимость дает количественную связь изменений уровня флуктуаций радиоволн со значениями уровня радиации в областях, пронизываемых излучением. Это явление может быть использовано для дистанционного детектирования радиационных загрязнений. Возможны наземные и аэрокосмические схемы измерений.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 97-02-16240 и Минобразования РФ № 97-12-5.2-3.

ЛИТЕРАТУРА

Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1983, 280 с.

Кононов Е.Н., Решетняк С.А., Шелепин Л.А., Щеглов В.А. Применение радиолокационных средств для дистанционного контроля радиационной обстановки // Письма в ЖТФ, 1996, т. 22, вып. 17, с. 86-90.

Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967, 552 с.

Chistyakova L.K., Chistyakov V.Yu., Losev D.V., Penin S.T., Tatabrin Yu.K., Yakubov V.P., Yurjev I.A. Microwave radiation of atomic hydrogen in plumes of radioactive emissions from nuclear reprocessing plants // Microwave and Optical Technology Letters. 1997, V.16, No. 4.- P.255-260.

Протасевич Е. Т.. Метод определения радиоактивного загрязнения среды по свечению воздуха // Оптика атмосферы и океана, 1994, т. 7, № 5, с. 667-670.

Yakubov V.P., Antipov V.B., Losev D.V., Yuriev I.A. Passive Radar detection of radioactive pollution // The Third International Symposium “Application of the Conversion Research Results for International Cooperation” (SIBCONVERS'99). Proceedings. Volume 2. Russia, Tomsk, May 18-20, 1999 - Tomsk: Tomsk State University of Control Systens and Radioelectronics, 1999. - P. 397-399.

Справочник по радиолокации. Под ред. М. Скольника / Пер. с англ. М.: Сов. радио, 1976, т.1, 456 с.

Размещено на Allbest.ru