МЕТОДЫ ОБНАРУЖЕНИЯ СЛУЧАЙНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются невостребованные радиоактивные источники в основном те, которые появляются в результате войны, оккупации, терроризма, вызваны прес­тупностью и подобными ей действиями. Также рассказывается о радиоактивных веществах, опасности, которую они могут создать и о методах их обнаружения. В статье предоставлена информация о различных способах обнаружения радиоактивных веществ, в том числе рассеянных источников, а также указано, что случайные радиоактивные источники могут представлять серьезную угрозу для здоровья и окружающей среды.

ABSTRACT

The article discusses unclaimed radioactive sources mainly caused by war, occupation, terrorism, crime, etc. that appear after such actions. It also talks about radioactive substances, the dangers they can create and detection methods. Information was provided on various methods for detecting radioactive substances, including diffuse sources. It is also indicated that accidental radioactive sources can pose a serious threat to health and the environment.

Ключевые слова: излучение, рассеянные радиоактивные источники, оккупация, ионизация, детектор.

Keywords: radiation, scattered radioactive sources, occupation, ionization, detector.

Источниками случайной радиоактивности часто являются радиоактивные материалы, используемые в таких местах, как больницы, исследовательские лаборатории промышленные и ядерные объекты. Эти источники могут принимать различные формы, например, изотопы, используемые в устройствах лучевой терапии, промышленных измерительных приборах, устройствах ядерной медицины и исследовательских реакторах. Радиоактивные источники широко используются во многих промышленных, медицинских и исследовательских целях. Однако когда эти ресурсы остаются без присмотра или теряются, могут возникнуть серьезные опасные последствия. Обнаружение случайных радиоактивных источников жизненно важно как для защиты здоровья населения, так и для предотвращения ущерба, наносимого окружающей среде. Заброшенные радиоактивные источники могут представлять серьезную угрозу для природы и самочувствия человека. Радиационное воздействие вызывает следующие проблемы со здоровьем: рак, повреждение тканей и генетические последствия, а также многие другие недуги. Кроме того, утечка радиоактивных веществ в окружающую среду может загрязнять землю, воду и воздух, влиять на экосистемы и загрязнять сельскохозяйственную продукцию [14].

Для обнаружения рассеянных радиоактивных источников используются различные методы, включающие в себя портативные детекторы радиации, гамма-спектрометры, сети радиационного мониторинга и технологии спутниковой съемки. Данные технологии используются для измерения уровней радиации, картографирования и обнаружения радиоактивных источников. Раннее обнаружение случайных радиоактивных источников имеет жизненно важное значение для предотвращения и контроля потенциальных опасностей. Кроме того, определив происхождение и владельца обнаруженных ресурсов, можно принять меры по предотвращению подобных инцидентов [13].

Обнаружение заброшенных радиоактивных источников важно для радиационной безопасности и здоровья населения. Этот процесс должен быть обеспечен с помощью соответствующих технологий, эффективных систем мониторинга и сотрудничества. Таким образом, можно свести к минимуму радиационные риски и обеспечить безопасную окружающую среду.

Приведем некоторые из методов, используемых для обнаружения случайных радиоактивных источников:

1. Портативные детекторы радиации. Портативные детекторы используются для быстрого измерения уровней радиации. Эти детекторы часто применяют для сканирования территорий и выявления потенциальных радиоактивных источников.

2. Гамма-спектрометры. Такие устройства могут обнаруживать различные радиоизотопы, выполняя спектральный анализ радиоактивных веществ. Данный метод используется для определения типа и количества рассеянных радиоактивных источников.

3. Сети радиационного мониторинга. Стационарные или переносные сети радиационного мониторинга непрерывно контролируют уровни радиации в заданной зоне. Подобного рода системы могут обнаруживать внезапное увеличение радиации и использоваться для определения присутствия паразитных источников.

4. Технологии спутниковой съемки. Спутниковая съемка может охватывать большие территории и использоваться для обнаружения конкретных следов радиоактивного загрязнения. Этот метод часто используется для определения воздействия на окружающую среду беспризорных радиоактивных источников.

5. Мониторинг воздействия на людей и животных. Люди и животные, подвергшиеся воздействию радиации, могут указывать на наличие случайных радиоактивных источников в определенной зоне. Рассматриваемый метод является важным средством наблюдения, используемым для обнаружения потенциальных угроз [5; 8]. Комбинация этих методов часто используется для обнаружения случайных радиоактивных источников и помогает минимизировать потенциальные риски за счет быстрого реагирования.

Во многих международных отчетах отмечается намерение противников приобрести или использовать радиоактивные материалы во вредных целях. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) сообщило о более чем трех тысячах инцидентов, связанных с радиоактивными источниками, включая несанкционированное владение и соединенную с этим преступную деятельность, кражу или потерю радиоактивных материалов, незаконную продажу и покупку радиоактивных материалов и других действий подобного рода. Аварийная ситуация может возникнуть в результате взрыва устройства радиологического рассеивания (УРУ) или в результате преднамеренного или неосторожного размещения, а также случайного присутствия неожиданных радиоактивных источников в общественных местах [4].

Таким образом, обнаружение и локализация радиоактивных источников приобрели глобальное значение как часть оборонной стратегии. Возможность быстро обнаружить и локализовать источник поможет властям предотвратить или снизить радиоактивное воздействие на население. Операцию по его поиску можно выполнить путем установки детектора излучения на бортовой платформе, мобильной наземной платформе, а также портативными методами [10]. Проблема обнаружения и локализации неизвестного радиоактивного источника в результате наблюдений спектров излучения или скорости счета ранее изучалась несколькими исследователями с использованием различных методов [7]. Элементарным методом локализации источника является трилатерация, при которой скорость счета, измеренная распределенными детекторами, используется для оценки расстояния от источника до детектора. Для локализации исходного кода использовалась модифицированная версия этого метода. Однако вышеприведенные методы очень чувствительны к неопределенностям в измерениях, выполняемых детекторами, поскольку скорость счета очень сомнительна при коротком периоде времени. Задача оценки статистических параметров может быть решена с использованием метода оценки максимального правдоподобия, который определяется как параметры источника, которые максимизируют вероятность наблюдения откликов детектора, измеренных в полевых условиях.  Авторами представлена концептуальная конструкция гамма-детектора, включающего в себя тот же цилиндрический сцинтилляционный детектор NaI(Tl) [1].

Каждому искателю гамма-излучения необходим как минимум один детектор гамма-излучения, чтобы обнаружить и определить активность его  источника. Несколько матриц гамма-детекторов предназначены для определения углового положения и положения источника рассеянного гамма-излучения. Некоторые из них основаны на фотопической площади или относительных подсчетах, а также на общем подсчете полного гамма-спектра из-за разницы в количестве детекторов. Некоторые массивы обследований находят бесхозный источник путем проверки закона обратных квадратов в нескольких точках комнаты и т. д. [6].

11 марта 2011 года на АЭС Фукусима-дайити (FDAES) произошла ядерная авария из-за мощного цунами, вызванного Великим восточно-японским землетрясением. Эта ядерная авария привела к выбросу множества радиоактивных веществ внутри и за пределами FDAES. В FDAES неоднократно проводились различные демонстрации использования гамма-сканеров для обнаружения и визуализации местоположения радиоактивных горячих точек, представляющих собой локальные скопления радиоактивных веществ [12]. Также предпринимались попытки исследовать распространение радиоактивных веществ, прикрепленных к загрязненному оборудованию, с целью изучения поведения радиоактивных веществ во время аварий. В таких экспериментах, например, загрязненную трубу удаляют и перемещают в зону с более низкой дозой, а затем распределение радиоактивного материала по трубе измеряется дистанционно с помощью гамма-визора. Здесь термин «зона низких доз» относится к зоне, где мощности дозы радиации находятся в заранее определенных пределах (согласно определенному плану работы), переносимых работниками, и где мощности доз являются подходящими [11].

Методы на основе фильтров частиц недавно были предложены многими исследователями для эффективной оценки параметров источника при наличии неопределенностей в измерениях состояния системы. Состояние системы – это набор неизвестных параметров системы [3]. Фильтры частиц выполняют последовательную оценку Монте-Карло на основе частиц, представляющих точечные массы или плотности вероятности. Сеть из двенадцати детекторов с известными позициями используется для обнаружения низкоуровневого источника гамма-излучения по параметрам источника с использованием байесовского подхода с массивом детекторов [2]. Использовали байесовский алгоритм для локализации бесхозных источников с помощью детектора HPGe, установленного на автомобиле. Был предложен последовательный метод Монте-Карло для обнаружения, локализации и количественной оценки неучтенного точечного источника относительно низкого уровня гамма-излучения (рис.1) на основе имеющихся данных.

Рисунок 1. Рюкзачная гамма-спектрометрическая система

Радиологические и радиоэкологические исследования были проведены в 10 районах, освобожденных от оккупации (Зенгиланский, Физулинский, Шушинский, Губадлинский, Джебраильский, Ходжавендский, Агдамский, Лачинский и Кельбаджарский районы, села Сугушан и Талыш Тертерского района с той пятницы). Экспозиционную дозу гамма-излучения измеряли дозиметрами-спектрометрами Indetfinder 2, Inspector 1000, объемную активность радона в воздухе измеряли радиометром радона AlphaGUARD PQ2000 PRO. Система радиометрического обнаружения радиации «MNTMradSCAN» разработана на автомобильной базе Nissan Navara для составления гамма-аномальных и радиоэкологических карт освобожденных региональных территорий. Радиометическая система включает в себя 2 детектора гамма-излучения на основе высокоточного сцинтиллятора из органического пластика из поливинилтолуола (ПВТ) размерами 94 х 18 х 3,30 см и 2 детектора нейтронов на основе трубки 4АТМ He-3 размером 83 х 5 х 16 см, оснащенной панель обработки SC771/SCA775. Радиоизотопный состав собранных проб воды, почвы и донных отложений определялся методами ядерной спектрометрии. Качественный и количественный анализ радионуклидов в пробах определяли на гамма-спектрометре HPGe с детектором из германия высокой чистоты (Канберра) и спектрометрах марки Alpha Analyst (Канберра). Общую альфа- и бета-активность проб воды измеряли с помощью альфа-бета-анализатора «LB-2046» (Berthold Technologies GmbH ) по методу EPA 900.0 [9].

В соответствии с детальным планом поля на вышеназванных освобожденных от оккупации районных и сельских дорогах были проведены автогамма-радиометрико-дозиметрические измерения, протяженность автомобильных дорог составила 1004 км, автогамма-радиометрико-дозиметрические измерения были проведены на 356 524 точках. Определено влияние активности радиоактивного источника, скорости движения транспортного средства, энергетического диапазона, испускаемого источником гамма-излучения, на дальность обнаружения радиометрической системы обнаружения излучения «МНТМрадСКАН». При движении (рис. 2) автомобиля со скоростью 30 км/ч установлено, что на расстоянии 6÷8 м обнаружен радиоактивный источник 300 кБк Cs-137, расположенный с правой и левой стороны автомобиля.

Рисунок 2. Траектория движения автомобиля

Аппарат движется со скоростью 30±5 км/ч и фиксирует численную скорость и мощность эквивалентной дозы гамма- и нейтронного излучения, а также может составлять радиологические карты местности с различными параметрами путем записи географических координат во время движения. Прибор был оснащен детекторами на основе высокоточного гамма-пластика и трубкой He-3 для гамма- и нейтронных радиометрических измерений в автомобиле. На основании полученных результатов были составлены предварительные радиоэкологические карты освобожденных территорий. Перед началом полевых работ системы обнаружения радиометрического излучения на дороге следования автомобиля был установлен точечный радиоактивный источник Cs-137 активностью 300 кБк.

Выводы. Элементарным методом локализации источника является трилатерация, при которой скорость счета, измеренная распределенными детекторами, используется для оценки расстояния от источника до детектора.

Список литературы:

1. Alwars A.F., Alwars F.R. Conceptual design of an orphan gamma source finder // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 922. – 2019. – Pp. 235-242.
2. Bukartas A., Finck R., Wallin J., Rääf C. L. A Bayesian method to localize lost gamma sources // Applied Radiation and Isotopes. – Vol. 145. – 2019. – Pp. 142–147.
3. Candy J.V. Bayesian signal processing: classical, modern, and particle filtering methods. – Vol. 54. – New Jersey: John Wiley & Sons, 2016. – 30 p.
4. Connell L.W. Dirty bomb risk and impact. No. SAND2017-9121R. – Sandia National Lab. (SNL-NM), Albuquerque, NM (United States), 2017.
5. Elghawi U., Meftah E. Assessment of occupational external radiation exposure of workers in the Southwest of Libya using portable NaI detector // Applied Radiation and Isotopes. – 2024. – No. 111246.
6. Gamage K.A.A., Joyce M.J., Taylor G.C. Investigation of three-dimensional localisation of radioactive sources using a fast organic liquid scintillator detector // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 707. –  2013. – Pp. 123–126.
7. Hite J., John K. Mattingly, Dan Archer, Michael Willis. Localization of a radioactive source in an urban environment using Bayesian Metropolis methods // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. – Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 915 – 2019. –  Pp. 82–93.
8. Liu Chuanlei, et al. Space weather monitoring with Health Canada’s terrestrial radiation monitoring network // Advances in Space Research. – Vol. 72 (12). – 2023. – Pp. 5607-5625.
9. Nagiyev J.A., Ahmadov B.F., Ilyasov N.N., Hajiyev A.B., Abbaszadeh N.N.  Results of preliminary radiological researches in territories freed from occupation // News of Azerbaijan higher technical schools. Materials of the II International Conference of Azerbaijan State Oil and Industry University. –2021. –Baku. – Pp. 5–11.
10.  Nilsson Jonas M.C., Ostlund K., Söderberg J. Tests of HPGe-and scintillation-based backpack γ-radiation survey systems // Journal of environmental radioactivity. – Vol. 135. – 2014. – Pp. 54–62.
11.  Sato Y. Identification of depth location of a radiation source by measurement from only one direction using a Compton camera // Applied Radiation and Isotopes. – 2023. – Vol. 195. – Pp. 110739. 
12.  Sato Y. Radioactivity estimation of multiple radiation sources using a Compton camera to investigate radioactively contaminated objects // Applied Radiation and Isotopes. – Vol. 203. – 2024. – Pp. 111083.
13.  Silswal Amit,  Jis Romal Jose, Ashutosh Gupta , Sharma M.K., Probal Chaudhury, Debabrata Datta. Regularized Particle Filter based algorithm for the state estimation of orphan gamma source in real time using a backpack gamma spectrometry system // Applied Radiation and Isotopes. – Vol. 169. – 2021. – Pp.  109556.
14.  Xiao Q., Jiejin C. The search for orphan radioactive source based on GPR-PRM method // Nuclear Engineering and Design. – Vol.  413. – 2023. – Pp.  112599.