Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ систем визуализации источников гамма-излучения 11
1.1 Методы получения изображений источников гамма-излучения 11
1.2 Анализ систем получения изображений источников гамма-излучения 17
1.3 Перспективы применения системы визуализации в мобильных робототехнических комплексах 29
1.4 Выводы и постановка задачи диссертационного исследования 36
2 Разработка системы визуализации источников гамма-излучения 39
2.1 Задачи разработки портативной системы визуализации источников гамма излучения 39
2.2 Разработка кодирующей маски, реализующей метод кодированной апертуры 41
2.3 Взаимно-корреляционная функция 50
2.4 Разработка метода экстремальной корреляции 54
2.5 Определение геометрических размеров основных элементов системы 56
2.6 Результаты и выводы 62
3 Аналитическое и компьютерное исследование системы визуализации 64
3.1 Моделирование детектирующего элемента 65
3.2 Модель системы визуализации 74
3.3 Алгоритм восстановления изображений источников излучения 82
3.4 Алгоритм совмещения видео и гамма-изображений 84
3.5 Результаты и выводы 91
4 Экспериментальное исследование системы визуализации источников гамма-излучения 93
4.1 Опытный образец системы 93
4.2 Экспериментальные исследования опытного образца системы 99
4.3 Испытания макета системы визуализации на ЛАЭС 113
4.4 Экспериментальные исследования системы в составе МРТК 115
Заключение
- Перспективы применения системы визуализации в мобильных робототехнических комплексах
- Разработка кодирующей маски, реализующей метод кодированной апертуры
- Модель системы визуализации
- Испытания макета системы визуализации на ЛАЭС
Введение к работе
Актуальность темы исследования. При эксплуатации ядерных энергетических установок, обращения с радиоактивными изотопами, а также в случае ядерного терроризма могут возникнуть чрезвычайные ситуации, связанные с попаданием высокоактивных источников гамма-излучения в окружающую среду. Такие источники представляют серьезную опасность для здоровья и жизни человека и должны быть незамедлительно изъяты и помещены в соответствующие хранилища.
Как правило, местонахождение и точные координаты радиоактивного
загрязнения в районе чрезвычайного происшествия заранее неизвестны.
Следовательно, первоочередной задачей ликвидации последствий
радиационной катастрофы является локализация источников гамма-излучения на местности.
Одной из важнейших характеристик технических средств,
предназначенных для поиска источников, является время локализации, так как длительное время определения координат радиоактивного загрязнения приводит к увеличению дозовой нагрузки на ликвидаторов радиационной аварии.
Создание устройства, использующего в основе своей работы методы визуализации полей гамма-излучения, позволит значительно сократить время поиска источника. Видеокамера позволит оператору наглядно представить зону зрения угломерного устройства, а совмещение визуализированной картины распределения источников излучения с видеоизображением исследуемого участка местности обеспечит однозначную идентификацию излучаемых объектов. Если радиоактивное загрязнение содержит несколько радиоактивных фрагментов, данное устройство за один акт измерения способно определить координаты каждого источника, расположенного в его зоне зрения.
Если дозовая нагрузка запрещает даже кратковременное присутствие человека в месте радиационной аварии, для решения задачи локализации источников излучения требуется применение мобильных робототехнических комплексов (МРТК). В этом случае в состав комплекса должна входить интегрированная система, предназначенная для измерения мощности дозы, визуализации источников гамма-излучения и определения их координат, позволяющая оператору выполнять навигацию робота в радиационных полях.
Степень разработанности проблемы. В середине 1990-х и начале 2000-
х годов конструирование приборов для визуализации источников гамма-
излучения, получивших название гамма-визоры, шло по пути создания
громоздких блоков детектирования, заключенных в массивную защиту от
гамма-излучения. Среди разработок можно отметить следующие:
«Портативный прибор для получения рентгеновских и гамма-изображений с кодирующей маской» (РНЦ «Курчатовский институт», Россия), система гамма-видения «Мультиплекс» (НПМСП «Опыт», Украина), «CARTOGAM»
(«Canberra Industries», США), «RadScan 800 4pi Gamma Imager» («BIL Solutions», США).
Представленные гамма-визоры в большинстве своем имеют общие недостатки - детектирующий блок имеет большие габариты и вес, необходимо дополнительное оборудование для установки блока и сканирования местности, обработка и отображение измерительной информации производится на персональном компьютере, питание осуществляется от внешних источников. Такая компоновка прибора ограничивает его применение в труднодоступных местах.
В настоящее время разработчики гамма-визоров переходят к созданию малогабаритных и автономных устройств. Так, например, РНЦ «Курчатовский институт» разработал ультра-легкую гамма-камеру весом 2,6 кг. Специалистами фирмы H3D (Энн-Арбор, США) был разработан спектрометр для получения гамма-изображений «Polaris-H», обладающий полем зрения 4тг стерадиан и весом 3,9 кг. Фирма «Canberra» (США) также представила свою малогабаритную разработку, получившую название «iPix - Ultra Portable Gamma-Ray Imaging System» размерами 9x9x18,8 см и весом 2,5 кг. Представленные образцы обладают хорошей чувствительностью и малой величиной углового разрешения, но имеют ограниченный диапазон по регистрируемой энергии гамма-излучения (до 1,0 - 1,2 МэВ) и температуре окружающей среды (не ниже минус 10 градусов Цельсия).
Цели и задачи. Целью диссертационной работы является разработка малогабаритной портативной и энергонезависимой системы, предназначенной для получения изображений источников гамма-излучения и определения их координат, а также совмещения гамма-изображений с телевизионной картиной обследуемой территории для определения положения источников на местности. Достижение поставленной цели требует решения следующих научно-прикладных задач:
-
Исследование методов визуализации источников рентгеновского и гамма-излучения на предмет обеспечения высокой чувствительности обнаружения и малой погрешности определения координат источника.
-
Разработка позиционно-чувствительного детектора гамма-излучения (ПЧД), обладающего широким рабочим диапазоном по энергии и мощности дозы гамма-излучения, а также температуре окружающей среды.
-
Разработка трехмерных моделей детектирующего элемента и системы визуализации в программной среде моделирования процессов регистрации ионизирующих излучений с целью подтверждения правильности принятых технических решений.
-
Разработка алгоритмов восстановления изображений источников гамма-излучения и совмещения изображений источников и кадров видеопоследовательности, полученных от телевизионной камеры.
-
Экспериментальное исследование технических характеристик опытного образца системы визуализации и сравнение полученных характеристик с расчетными.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы компьютерного моделирования, аналитических расчетов, проводились экспериментальные исследования опытного образца
системы с использованием источников гамма-излучения различной активности и радионуклидного состава. При математическом моделировании использовалась программное обеспечение MCC 3D, для реализации алгоритмов восстановления изображений источников - язык программирования высокого уровня Delphi и пакет программ OriginPro 2015.
Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:
-
Впервые предложен позиционно-чувствительный детектор для системы с кодированной апертурой, представляющий собой матрицу счетчиков Гейгера-Мюллера.
-
Предложена математическая модель счетчика Гейгера-Мюллера и позиционно-чувствительного детектора, позволяющая выполнять конструирование ПЧД и исследовать его характеристики.
-
Впервые разработана и создана портативная, автономная и энергонезависимая система для получения изображения источников гамма-излучения на основе кодирующей апертуры.
-
Экспериментально исследована зависимость минимального времени получения изображения источника излучения от уровня мощности дозы, создаваемого источником в точке расположения системы, для оценки времени экспозиции.
Практическая значимость работы. Разработанная система визуализации источников гамма-излучения представляет собой универсальную разработку и позволяет:
-
Визуализировать множественные источники гамма-излучения различных конфигураций.
-
Существенно ускорить локализацию источников радиоактивного загрязнения и значительно снизить дозовую нагрузку на персонал при проведении дезактивационных работ.
-
В случае установки на мобильный робототехнический комплекс осуществлять навигацию МРТК в радиационных полях.
Положения, выносимые на защиту:
-
Предложенная кодирующая маска на основе однородно-избыточного массива и содержащая два неполных периода повторения базового элемента, состоящего из 7x5 ячеек, позволяет получать изображения множественных и протяженных источников, работать в условиях шума и подавлять фантомные изображения источников, расположенных на границах зоны зрения.
-
Разработанная математическая модель счетчика Гейгера-Мюллера позволяет оценить его функцию отклика на гамма-излучение в диапазоне углов падения излучения на счетчик от 0 до 360 градусов.
-
Разработанная математическая модель позиционно-чувствительного детектора позволяет выполнять конструирование ПЧД для систем визуализации на основе матрицы счетчиков Гейгера-Мюллера.
-
Предложенные алгоритмы восстановления изображения и совмещения кадров видеопоследовательности с изображением источников гамма-излучения позволяют визуализировать распределение радиоактивных источников на
местности в режиме реального времени и определять их координаты.
Апробация и реализация результатов. Основные положения
исследования были обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях: «Экстремальная робототехника ЭР-2003» (22-27 сентября, 2003г., пос. Дивноморское), «Технические средства для предотвращения радиационного терроризма и ликвидации его последствий» (18-20 октября 2004г. ЦНИИ РТК. г. Санкт-Петербург), «Экстремальная робототехника» (18-20 мая 2010 г., Москва), Четырнадцатая Всероссийская научно-практическая конференция РАРАН (4-7 апреля 2011 г., Санкт-Петербург).
Макет системы визуализации проходил испытания 14 октября 2009 года на Ленинградской АЭС, в хранилище отработанного ядерного топлива (ХОЯТ, зд. 428, г. Сосновый Бор) при непосредственном участии автора.
Внедрение результатов диссертации. Система визуализации
источников гамма-излучения включена в состав аппаратуры поиска и визуализации источников ионизирующего излучения изделия «Мобильный робототехнический комплекс легкого класса для ведения разведки» Т71.330.068 («РТК-10»). Согласно Государственному контракту №147/2476-300 система поставлена Федеральному казенному учреждению «Центр обеспечения деятельности федеральной противопожарной службы Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» России.
Публикации. По материалам исследования были опубликованы 14 работ (из них 2 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России), получено 2 патента на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составил 135 страниц текста, включающий 63 рисунка, 11 таблиц.
Перспективы применения системы визуализации в мобильных робототехнических комплексах
Коллиматоры с параллельными (а также сходящимися и расходящимися) отверстиями используются, в основном, в ядерной медицине для решения задач томографии. Для поиска источников гамма-излучения на местности целесообразно использовать коллиматор с расходящимися отверстиями, как имеющий наибольшую зону зрения. Каждое отверстие в коллиматоре отвечает за определенное выделенное направление на источник гамма-излучения. Однако, при использовании в качестве ПЧД сцинтиллятора совместно с позиционно-чувствительным фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), возникает проблема восстановления гамма-изображения, связанная с перерассеянием световых квантов в материале сцинтиллятора.
Необходимо отметить, что эта проблема – общая для всех типов гамма-визоров, использующих в качестве детектора сцинтиллятор. Уменьшение толщины сцинтиллятора снижает влияние эффекта перерассеяния, однако, приводит к уменьшению эффективности регистрации, особенно для гамма-квантов высоких энергий. Решение этой проблемы видится только в использовании матрицы из независимых сцинтилляторов небольшого размера, разделенных между собой светоотражающим материалом. Создание такой матрицы является сложной и трудоемкой технологической задачей.
На рисунке 3 приведен принцип работы гамма-визора на основе эффекта Комптона. В таких гамма-визорах фотон испытывает комптоновское рассеяние в первом детекторе и теряет часть своей энергии, переданной электрону. Далее рассеянный фотон полностью поглощается во втором детекторе, теряя оставшуюся энергию. Для исключения фоновых сигналов необходима регистрация фотона одновременно (с задержкой в наносекунды) в двух сцинтилляторах. Затем определяется угол рассеяния относительно направления движения фотона от 1-го детектора ко 2-му. Возможные траектории движения первоначального фотона образуют конус с углом раствора . Вычисления повторяются для каждого зарегистрированного фотона, а положение источника определяется как точка пересечений таких конусов.
Комптоновские телескопы обладают достаточно хорошим угловым разрешением (около 1 градуса), но необходимо отметить их сложность в технической реализации, включая использование двух детекторов, включенных по схеме совпадений.
Принцип работы гамма-визора на основе эффекта Комптона В гамма-визорах, использующих принцип кодированной апертуры, одиночное отверстие камеры-обскуры заменяется на кодирующую маску – набор отверстий, расположенных в случайном порядке. Как показано на рисунке 4, потоки гамма-квантов от радиоактивных источников, проходящие через кодирующую маску, состоящую из прозрачных и не прозрачных для излучения элементов, образовывают суперпозицию пространственных распределений тени маски в плоскости матрицы детекторов. Для каждого направления прихода излучения формируется своя, уникальная тень маски.
Распределение теней маски регистрируется на элементах позиционно-чувствительного детектора в виде электрических импульсов. Затем информация, зарегистрированная на детекторе, обрабатывается на компьютере при помощи декодирующего алгоритма восстановления изображения и формируется визуальное отображение источников гамма-излучения.
Угловое разрешение кодированной апертуры соответствует угловому разрешению одиночного отверстия камеры-обскуры, а чувствительность увеличивается пропорционально квадратному корню из числа отверстий кодирующей маски [32].
Комбинированная система, сочетающая в себе принцип действия кодированной апертуры и комптоновского телескопа, используется для работы в широком диапазоне энергий гамма-излучения (от 50 кэВ до 2 МэВ) [50]. Схема данного метода приведена на рисунке 5. Фотоны низких энергий (меньше 400 кэВ) после прохождения через открытые элементы кодирующей маски, поглощаются в первом детекторе и формируют картину тени маски для последующего восстановления изображения источника. При энергиях гамма-излучения свыше 800 кэВ, кодирующая маска, вследствие конечной толщины непрозрачных для излучения элементов, становится менее эффективной для поглощения гамма-квантов и основным процессом регистрации становится комптоновское рассеяние на первом детекторе с последующим фотоэлектрическим поглощением во втором детекторе. В диапазоне средних энергий (400 – 800 кэВ) система совмещает оба варианта регистрации. При использовании метода кодированной апертуры угловое разрешение определяется геометрическими параметрами апертуры и остается постоянным в данном диапазоне энергий. При использовании комптоновского рассеяния угловое разрешение улучшается с увеличением энергии регистрируемого гамма-излучения.
Схема комбинированной системы, сочетающей принцип действия кодированной апертуры и комптоновского телескопа Анализ рассмотренных методов определения местоположения и визуализации источников гамма-излучения позволяет сделать вывод, что наиболее перспективным методом визуализации для применения в переносных или мобильных системах поиска источников гамма-квантов является метод кодированной апертуры, который обеспечивает более высокую чувствительность и точность определения координат источников гамма-излучения.
Развитие этого метода позволит реализовать его в малогабаритной переносной системе или в системе, предназначенной для современных робототехнических комплексов. Основными элементами такой малогабаритной системы является кодирующая маска и позиционно-чувствительный детектор.
Настоящий подраздел посвящен анализу существующих систем, предназначенных для визуализации источников излучения, определения координат обнаруженных источников и измерения мощности дозы. Рассмотрены стационарные, переносные и малогабаритные приборы и системы, и дана оценка возможности их применения в робототехнических комплексах.
Известно несколько разработчиков портативных гамма-визоров, имеющих комплексирование с видеоизображением: РНЦ «Курчатовский институт» (г. Москва, Россия), НПМСП «Опыт» (г. Луганск, Украина), Canberra Industries (США), RMD Instruments (США), BIL Solutions (США), AIL Systems (США) и др.
В качестве примеров устройств, использующих в основе своей работы принцип камеры-обскуры, можно привести разработки фирм BIL Solutions Ltd (Англия) и CANBERRA (США).
Английской фирмой BIL Solutions Ltd предложен прибор «RadScan 800 4 Gamma Imager» [48], внешний вид которого представлен на рисунке 6. Прибор предназначен для визуализации источников гамма-излучения и может дистанционно устанавливать положение источников, определять их характеристики по спектральному составу излучения. Полученные данные могут быть представлены в виде совмещенного изображения источников излучения с видеоизображением контролируемой области. Прибор также оснащается лазерным дальномером для определения расстояний до исследуемых объектов.
Разработка кодирующей маски, реализующей метод кодированной апертуры
Транспортное средство по командам с пульта оператора передвигают по загрязненному участку местности, при этом по информации от многоэлементного детектора, переданной через приборный контейнер и радиомодемы транспортного средства и пульта оператора, в микроЭВМ пульта оператора непрерывно строится вектор, определяющий направление на ЛИИ с максимальной интенсивностью из всех имеющихся в данном пространстве. Для более точного определения расположения ЛИИ транспортное средство передвигают в направлении полученного вектора. При этом точку пересечения рабочей оси коллимированного детектора и поверхности грунта по командам с пульта оператора устанавливают с помощью манипулятора на расстоянии от 1 до 2 метров от транспортного средства. В процессе движения непрерывно снимают информацию с многоэлементного детектора. Как только уровень регистрируемого излучения превысит порог обнаружения, определяемый типом счетчиков коллимированного детектора, транспортное средство останавливают. Сканирующими движениями по командам с пульта оператора с помощью манипулятора последовательно перемещают коллимированный детектор вверх-вниз и вправо-влево. Получают информацию о регистрируемом уровне излучения с каждого канала коллимированного детектора. Сканирующими движениями добиваются выравнивания регистрируемых уровней ЛИИ. В момент выравнивания уровней рабочая ось детектора, а следовательно, и захватного устройства, будет направлена на искомый ЛИИ. Найденный ЛИИ осматривают телекамерой, размещенной на захватном устройстве манипулятора, и перемещают с помощью этого захватного устройства в контейнер для отобранных проб.
В патенте РФ на изобретение №2195005 представлен способ поиска и обнаружения источников гамма-излучения в условиях неравномерного радиоактивного загрязнения [17]. Способ заключается в регистрации излучения тремя детекторами, размещенными на платформе мобильного робота (МР). Один из блоков детектирования является поисковым и состоит из двух детекторов, разделенных экраном. Блок детектирования располагается на платформе МР таким образом, чтобы ось разделительного экрана совпадала с продольной осью МР. При поиске источника излучения МР двигается в направлении, определенном равноинтенсивными сигналами с обоих детекторов. Второй блок детектирования – обнаружительный. Он представляет собой детектор, размещенный на манипуляторе МР. С его помощью регистрируется изменение мощности дозы и определяется точное местоположение источника гамма-излучения.
Гамма-поиск начинается после статической ориентации оператором МР на границе загрязненного участка до получения равноинтенсивных сигналов от поисковых детекторов и стабильного свечения индикатора направления «Прямо». Оператор начинает движение МР в этом направлении, постоянно получая информацию с помощью световых сигналов, и корректирует направление поиска. При верно выбранном направлении движения МР показания мощности дозы начнут возрастать и появятся звуковые сигналы с определенной тональностью. Увеличение частоты срабатывания таких сигналов является подтверждением правильно выбранного направления.
Появление первого сигнала другой тональности свидетельствует о том, что локальный источник излучения находится в точке максимальной близости к МР. Если оператору не удается установить визуальный контакт с ЛИИ, то его местоположение определяется по звуковым сигналам. Опуская манипулятор с детектором к исследуемой поверхности, оператор находит, в какой точке происходит изменение тональности звука, определяя точное местоположение ЛИИ. После этого проводится захват источника рабочим органом манипулятора, погрузка в контейнер и транспортировка контейнера к месту сбора радиоактивных отходов.
Схематичное расположение детектирующих блоков на платформе мобильного робота представлено на рисунке 17.
Недостатком такого способа является необходимость сканирования манипулятором МР исследуемой поверхности для определения координат ЛИИ, что приводит к увеличению времени поиска. При этом можно отметить невысокую точность и трудоемкость определения координат ЛИИ, так как оператор в процессе поиска должен сопоставлять звуковую информацию с положением манипулятора. Также может возникнуть ситуация, когда в исследуемом объекте излучения присутствуют нескольких отдельных фрагментов. В этом случае один детектор не позволит различить отдельные источники, и будет показывать суммарную мощность дозы от всех ИИ. Это приводит к значительному усложнению процедуры поиска и изъятия ИИ, так как определить координаты отдельных фрагментов в этом случае невозможно.
Модель системы визуализации
Для создания и совершенствования новых систем радиационного контроля актуальной является задача разработки инструментов для моделирования и анализа методов и средств обнаружения источников гамма-излучения. Для отработки конструктивных идей целесообразно использовать средства моделирования процессов прохождения и регистрации гамма-излучения в веществе, не прибегая к дорогостоящему макетированию и риску переоблучения при работе с источниками излучения. В настоящее время существует несколько программных комплексов, которые с высокой точностью моделируют прохождение излучения через вещество в трёхмерной геометрии, например: «ETRAN», «PENELOPE», «ITS3», «EGS4», «EGSnrc», «MCNP», «GEANT4» [1].
Целью исследования является разработка компьютерной модели детекторов гамма-излучения и системы визуализации с целью моделирования процессов регистрации гамма-квантов для получения изображений источников излучения и оценки основных технических характеристик системы.
Разработка компьютерной модели системы визуализации источников гамма-излучения проводилась с целью решения следующих задач: - оценка эффективности регистрации гамма-квантов счетчиком Гейгера-Мюллера СБМ21; - получение характеристик системы визуализации источников излучения; - разработка и верификация алгоритмов построения изображений источников; - разработка и верификация алгоритмов совмещения изображений источников гамма-излучения, полученных системой, и видеокадров, полученных с помощью видеокамеры.
В подразделе 3.1 при помощи компьютерной модели получены параметры счетчика Гейгера-Мюллера СБМ21 и оценена эффективность регистрации гамма-квантов в зависимости от направления падения излучения. В подразделе 3.2 представлена компьютерная модель системы визуализации и получены изображения источников гамма-излучения в зависимости от конструкции позиционно-чувствительного детектора. В подразделе 3.3 приводится алгоритм восстановления изображения источника излучения и выбирается размер шага по проекционным углам для разбиения поля зрения с целью адаптации алгоритма к вычислительным мощностям микроЭВМ, входящей в состав системы. В подразделе 3.4 представлен алгоритм совмещения изображений источников излучения и видео изображений, полученных при помощи видеокамеры и анализируется влияние расстояния до источника с целью минимизации расхождения гамма- и видеоизображений.
В качестве чувствительного элемента в ПЧД должен использоваться такой тип детекторов, который гарантировал бы измерение характеристик поля гамма-излучения вплоть до величин 0,1 Зв/ч и диапазоне энергий от 0,08 до 3,0 МэВ. Для решения поставленной задачи оптимально подходят счетчики Гейгера-Мюллера, сочетающие в себе высокую надежность, сравнительно невысокую стоимость и широкий диапазон эксплуатационно-климатических условий.
Для использования в составе системы были выбраны счетчики СБМ21, как обладающие наименьшими габаритами и обеспечивающими минимальный размер и вес системы в целом. Согласно ОДО.339.201 ТУ верхняя граница диапазона по мощности дозы для данного типа счетчиков составляет 1,4 Р/ч (0,012 Зв/ч). Однако, путем применения импульсной схемы питания счетчиков (основы теории импульсного питания изложены, например, в работе [9]), верхняя граница может быть увеличена до 14 Р/ч (0,12 Зв/ч).
Моделирование процессов регистрации гамма-квантов счетчиком СБМ21 проводилось в программе имитационного трехмерного моделирования систем детектирования и регистрации ионизирующего излучения «МСС 3D» [12] (свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №008615088 от 22.10.2008, свидетельство о метрологической аттестации программы № С 66
2101-001 от 27.11.07 в ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» приведено в приложении А). Программа позволяет решать задачи моделирования систем регистрации гамма-квантов, электронов и альфа частиц твердотельными и газовыми детекторами в диапазоне энергий от 1 кэВ до 10 МэВ, а также получать функцию отклика детектора в виде спектра поглощенной в детекторе энергии.
Модель счетчика СБМ21, разработанная в данной программе, состояла из следующих основных элементов, представленных на рисунке 28: - корпус (также являющийся катодом), изготовленный из нержавеющией стали. Для расчетов была выбрана сталь марки 12Х18Н10Т; - анод счетчика, представляющий собой вольфрамовую нить; - газ, заполняющий внутренний объем счетчика и являющийся чувствительным элементом; - вывод счетчика, изготовленный из нержавеющей стали 12Х18Н10Т; - наполнитель – заливка нижнего объема счетчика, представляющая собой эпоксидную смолу.
Испытания макета системы визуализации на ЛАЭС
Для локализации источников гамма-излучения, в портативной системе визуализации используется совмещение картины гамма-поля и изображения, полученного с телевизионной камеры. Таблица значений взаимно-корреляционной функции C(фk, Єl) линейно преобразовываются в цветовую шкалу RGB и затем полученное полупрозрачное цветное изображение накладывается на телевизионный кадр. Расположение гамма-изображения и его размеры на телевизионном кадре предварительно калибруются с помощью тестового источника гамма-излучения.
Пример совмещения изображений в программной среде обработки информации на персональном компьютере представлен на рисунке 56.
На рисунке 57 представлено изображение источника гамма-излучения на дисплее системы визуализации. Более крупные пиксели в изображении источника на дисплее по сравнению с изображением на персональном компьютере возникли по причине выбора шага по углам ф и 9 равным 1, связанным с вычислительной мощностью встроенной микроЭВМ.
Макет системы визуализации проходил испытания 14 октября 2009 года на Ленинградской АЭС, в зале хранилища отработанного ядерного топлива (ХОЯТ, зд. 428, г. Сосновый Бор) при непосредственном участии автора. Макет содержал все основные элементы системы: кодирующую маску, содержащую два полных периода повторения базового элемента; позиционно-чувствительный детектор, представляющий собой матрицу счетчиков Гейгера-Мюллера; коллиматор для защиты матрицы счетчиков от излучения источников вне поля зрения системы; видеокамеру и блок электроники. Обработка информации производилась на двух персональных компьютерах типа ноутбук – первый отвечал за получение данных от макета и восстановление изображения источника (декодирование), второй принимал сигнал от видеокамеры и первого ноутбука и совмещал оба изображения.
В процессе испытаний по проверке способности восстановления изображений источников гамма-излучения, макет системы визуализации устанавливался в зале ХОЯТ напротив источников различной конфигурации. Получение данных от макета осуществлялось по кабелю с интерфейсом RS-485 при помощи технологического программного обеспечения, установленного на первом ноутбуке. Затем, при помощи программы восстановления изображения декодированное изображение источника гамма-излучения передавалось для отображения на другой ноутбук, подключенный к видеокамере по кабелю с интерфейсом USB.
Первым исследуемым источником являлся подвешенный на стропах объект «ящик», в нижней части которого были сосредоточены радиоактивные материалы. Мощность дозы, создаваемая объектом в точке расположения системы, составила 5 мкЗв/ч. Макет системы правильно показал положение радиоактивного загрязнения в объекте, время измерения составило 60 секунд.
В процессе испытаний по проверке восстановления изображения протяженного источника гамма-излучения, объект «стержень», представляющий собой тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ), был удален на расстояние около 23 метров от места расположения макета системы. Мощность дозы от объекта «стержень», создаваемая в точке расположения макета, по показаниям счетчиков детекторной матрицы составила 1,1 мЗв/ч.
Гамма-изображение тепловыделяющего элемента представлено на рисунке 59. Объект «стержень» однозначно идентифицируется по цветовому пятну, имеющему характерную вытянутую форму, соответствующей форме стержня. В данном случае цветовое пятно сконцентрировано в середине активной части стержня.
Испытания макета системы визуализации в зале ХОЯТ подтвердили способность системы восстанавливать изображения источников гамма-излучения различной конфигурации. Вариант системы визуализации с учетом доработки под конкретную задачу может быть использован в защитной камере отдела разделки отработавших тепловыделяющих сборок (ОР ОТВС КК ХОЯТ) Ленинградской АЭС.
Исследования опытного образца системы проводились в составе экспериментального мобильного робототехнического комплекса, оснащенного аппаратурой для поиска источников гамма-излучения. Внешний вид комплекса представлен на рисунках 60 и 61, где система визуализации, помещенная в защитный кожух, обозначена цифрой 1. Также в комплект детектирующей аппаратуры МРТК входит азимутальный угломер-обнаружитель, обозначенный цифрой 3, и предназначенный для обнаружения источника излучения и указания направления на него, а также гамма-спектрометр, обозначенный цифрой 2, предназначенный для определения спектрального состава излучения обнаруженного гамма-источника.
Восстановление картины гамма-поля по показаниям системы и совмещение гамма- и видеоизображений проводилось силами разработанного внешнего программного обеспечения, устанавливаемое на удаленном пульте оператора МРТК. Связь между системой и компьтером проводилась через встроенный в систему Wi-Fi модуль. Результат работы программного обеспечения – совмещенное гамма- и видеоизображение источника излучения представлено на рисунке 62. Зона зрения системы на видеоизображении отмечена затемненным прямоугольником. Изображение источника гамма-излучения отмечено цветным пятном.
По результатам эксперимента время получения изображения источника барий-133 активностью 5 мКи, расположенного на расстоянии 4 метров от МРТК, составило 10 секунд.
Положительные результаты исследований показали целесообразность включения системы визуализации в состав МРТК, предназначенных для поиска и изъятия источников гамма-излучения. При использовании системы визуализации существенно сокращалось время определения местоположения источника на местности, даже в условиях присутствия в кадре видеокамеры посторонних предметов.