ГАММА-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ РАДИАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА АКВАТОРИЙ И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Задачи постоянного или периодического мониторинга водоемов, подвергшихся радиоактивному загрязнению в результате штатных выбросов АЭС или в результате возникновения нештатных ситуаций на предприятиях топливного ядерного цикла, приводят к необходимости разработки соответствующих средств измерений с современным математическим и программным обеспечением, позволяющих оценить уровень радиоактивных загрязнений с заданной точностью. Цель теоретических исследований заключалась в оптимизации конструктива устройства детектирования, определении метрологических параметров спектрометра в заданных геометриях измерения, определении эффективного положения устройства детектирования спектрометра в процессе in situ измерений удельной активности радионуклидов ¹³⁴Cs и ¹³⁷Cs в донных отложениях с использованием разработанных Монте-Карло моделей: устройства детектирования, воды и донных отложений. Спектрометр представляет собой многофункциональный прибор, состоящий из размещаемого в герметичном контейнере спектрометрического сцинтилляционного блока детектирования с кристаллом NaI(T1) размерами Ø 63 × 63 мм или Ø 63 × 160 мм, вьюшки с глубоководным кабелем и планшетного компьютера для обработки и отображения информации. Контейнер устойчив к статическому гидравлическому давлению до 5 МПа, что позволяет проводить измерения на глубинах до 500 м. Устройство детектирования позволяет измерять энергетическое распределение импульсов гамма-излучения с энергией от 70 до 3000 кэВ. Реализованная система определения положения устройства детектирования в пространстве позволяет использовать спектрометр в автоматическом режиме (без участия оператора) для сканирования водной акватории и донных отложений. Результаты измерения заданной величины с трехмерными географическими координатами могут быть оперативно представлены в виде карт-схем распределения с необходимой дискретностью и точностью. Для определения функций отклика детектора к заданным радионуклидам в требуемых геометриях измерения без использования физических дорогостоящих стандартных мер активности разработаны Монте-Карло модели спектрометра и объектов контроля. Для радиационного контроля водной среды и донных отложений методом in situ разработан и изготовлен многофункциональный портативный гамма-спектрометр. В результате теоретических исследований были рассчитаны функции отклика спектрометра к контролируемым радионуклидам в заданных геометриях измерения. Результаты математического моделирования процесса переноса гамма-излучения позволили определить эффективную позицию устройства детектирования в процессе in situ измерений активности радионуклидов 134Cs и 137Cs в донных отложениях. 

1. Grishin D.S., Kuchin N.L., Kiziurov V.C., Laykin A.I., Miheev U.V., Triumphov N.H., Chistiakov O.B., Kharitinov I.A. [Submersible gammaspectrometers – the application experience and prospects of using]. ANRI, 2016, no. 2, pp. 10–21 (in Russian).

2. Thornton B., Ohnishi S., Ura T., Odano N., Sasaki Sh., Fujita Ts.,Watanabe T., Nakata K., Ono Ts., Ambe D. Distribution of local 137Cs anomalies on the seafloor near the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant. Marine Pollution Bulletin, 2013, no. 74, pp. 344– 350. doi: 10.1016/j.marpolbul.2013.06.031

3. Zhukouski A., Chirikalo V., Guzov V., Kozhemyakin V., Kutsen S., Khrutchinsky A., Fukuhara T., Yajima T., Mogi M., Mogi K., Chudakov V. AТ6104DM gamma-spectrometer for radiation monitoring water areas and bottom sediments. Results of mathematical and experimental researches. Problemy prikladnoj spektrometrii i radiometrii [Problems of applied spectroscopy and radiometry], St. Petersburg, 2015, pp. 160–163.

4. Appleby L.J., Dewell L., Mishara Yu.K. The ways of migration of artificial radionuclides in the Environment. In F. Warner and Harrison (eds.). Moscow, Mir Publ., 1999, pp. 512 (in Russian).

5. Kazennov A.Y, Hapanov I.A., Pimenov A.E. [Methods of operational radiation surveys of coastal waters fleet bases with the help of submersible gammaspectrometers]. Atomnaya energiya [Atomic energy], 2010, vol. 9, no. 2, pp. 100–108 (in Russian).

6. Jones D.G. Development and application of marine gamma-ray measurements: a review. Journal of Environmental Radioactivity, 2001, no. 53, pp. 313–333.

7. Vlastou R., Ntziou I.Th., Kokkoris M., Papadopoulos C.T., Tsabaris C. Monte-Carlo simulation of γ-ray spectra from natural radionuclides recorded by a NaI detector in the marine environment. Applied Radiation and Isotopes, 2006, no. 64, pp. 116–123. doi: 10.1016/j.apradiso.2005.07.011

8. Aakenes U.R., Radioactivity monitored from moored oceanographic buoys. Chemistry and Ecology, 1995, no10, pp. 61–69. doi:10.1080/02757549508035330.

9. Baranov I., Kharitonov I., Laykin A., Olshansky Yu. Devices and methods used for radiation monitoring of sea water during salvage and transportation of the Kursk nuclear submarine to dock. Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Section A, 2003, no. 505, pp. 439–443. doi: 10.1016/S0168-9002(03)01116-1

10. Wedekind C., Shilling G., Güttmüller M., Becker K. Gamma-radiation monitoring network at sea. Applied Radiation and Isotopes, 1999, no. 50, pp. 733– 741. doi: 10.1016/S0969-8043(98)00062-1

11. Povinec P.P., Osvath I., Baxter M.S. Underwater gamma-spectrometry with HPGe and NaI(Tl) detectors. Applied Radiation and Isotopes, 1996, no. 47, pp. 1127– 1133. doi: 10.1016/S0969-8043(96)00118-2

12. Birila A., Chirikala V., Zhukouski A. Spektrometr pogruzhnoj [Submersible Spectrometer]. Patent BY no. 3278, 2015.

13. Zhukouski A., Mogi K., Kutsen S. [In situ measurement of soil radioactivity]. Vestsi NAN Belarusi, Fiziko-tekhnicheskaya seriya [Proceeding of the National academy of sciences of Belarus, physico-technical series], 2016, no. 3, pp. 105–110 (in Russian).

14. Zhang Y., Li Ch., Liu D., Zhang Yi., Liu Ya. Monte-Carlo simulation of a NaI(Tl) detector for in situ radioactivity measurements in the marine environment. Applied Radiation and Isotopes, 2015, no. 98, pp. 44–48. doi: 10.1016/j.apradiso.2015.01.009

15. Kinchakov V.S. Performance optimization of a deep-sea scintillation gamma detector. Technical Physics, 2006, vol. 51, no. 1, pp. 134–138. doi: 10.1134/S106378420601021X

16. Dreyzin V.E., Sideleva N., Logvinov D. [Simulation instrumental gamma spectra of scintillation detector using a macro approach]. ANRI, 2014, no. 3, pp. 2–12 (in Russian).

17. Bagatelas C., Tsabaris C., Kokkoris M., Papadopoulos C.T., Vlastou R. Determination of marine gamma activity and study of the minimum detectable activity (MDA) in 4π geometry based on Monte-Carlo simulation. Environmental Monitoring and Assessment, 2010, no. 165, pp. 159–168. doi: 10.1007/s10661-009-0935-4

18. Briestmeister J.F. Ed. MCNPA general MonteCarlo N-particle transport code, Version 4A. Report LA12625-M, Los Alamos. NM, Los Alamos National Laboratory, 1994.

19. Zhukouski A., Kutsen S., Khrutchinsky A., Tolkachev A., Guzov V., Kojemiakin V., Chudakov V. [Evaluation of the area of influence of the contaminated soil region in solving the problems of radiation monitoring by in situ]. Pribory i metody izmerenij [Devices and Methods of Measurements], 2014, no. 1 (8), pp. 119–124 (in Russian).

20. Yekidin A.A., Zhukovski M.V., Vasianovich M.E. [Identification of the main dose-forming radionuclides in nuclear power plant emissions]. Atomnaya energiya [Atomic energy], 2016, vol. 120, no. 2, pp. 106–108 (in Russian)