РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ |
(19)
RU
(11)
2 777 752
(13)
C1 | |||||||
| ||||||||
| Статус: | действует (последнее изменение статуса: 10.08.2022) |
| Пошлина: | Установленный срок для уплаты пошлины за 3 год: с 29.06.2022 по 28.06.2023. При уплате пошлины за 3 год в дополнительный 6-месячный срок с 29.06.2023 по 28.12.2023 размер пошлины увеличивается на 50%. |
|
(21)(22) Заявка: 2021118766, 28.06.2021 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: Дата регистрации: Приоритет(ы): (22) Дата подачи заявки: 28.06.2021 (45) Опубликовано: 09.08.2022 Бюл. № 22 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2676557 C1, 09.01.2019. RU 2349905 C1, 20.03.2009. RU 2620333 C1, 24.05.2017. CN 211627095 U, 02.10.2020. Адрес для переписки: |
(72) Автор(ы): (73) Патентообладатель(и): |
(54) Способ определения дисперсного состава альфа-активных примесей при аварийном выбросе в атмосферу
(57) Реферат:
Изобретение относится к области выявления радиационной обстановки. Технический результат заключается в повышении точности прогноза радиоактивного загрязнения местности в результате техногенной аварии. Вышеуказанный технический результат достигается за счет измерения дисперсного состава альфа-активной примеси, поступившей в атмосферу в результате техногенной аварии, беспилотным летательным аппаратом. 3 ил.
Изобретение относится к области выявления радиационной обстановки, а именно повышения точности прогноза загрязнения местности диспергированными альфа-активными радионуклидами путем измерения дисперсного состава альфа-активных примесей, выброшенных в окружающую среду в результате техногенной аварии.
Уровень техники
В современную систему технических средств ликвидации последствий аварий на радиационно опасных объектах входят мобильные робототехнические комплексы (МРТК), которые могут приводиться в состояние оперативной готовности при сопровождении работ с повышенной радиационной опасностью. В уравнение турбулентной диффузии в качестве исходного параметра входит скорость гравитационного оседания частиц радиоактивной примеси, для определения которой требуются данные о размерах и плотности частиц.
Известны устройства, предназначенные для определения параметров дисперсного состава радиоактивного аэрозоля с помощью инерциальных разделителей дисперсной фазы аэрозолей, разделение частиц на размерные фракции в которых происходит при различных значениях линейных скоростей прокачиваемого через них воздушного потока. Оценочный анализ проводится по результатам измерений активности частиц разных размерных фракций. В Патенте США №4607165 (опубл. 19.08.1986) описан способ оперативного определения параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей однокаскадным импактором, который позволяет проводить измерения для одной выделенной в импакторе размерной фракции. В Патенте РФ №2339815 (МПК G01N 15/02; опубл. 10.11.2004) описан способ определения характеристик дисперсного состава с помощью многокаскадного импактора.
Непосредственно альфа-активную частицу средней энергии можно зарегистрировать в воздухе на расстоянии не более 3-4 см. Известны методы оценки активности альфа-активных частиц по регистрации сопутствующего гамма-излучения. Известен способ аэрогамма-спектрометрической съемки окружающей среды в условиях техногенной аварии, сопровождающейся диспергированием плутония (Патент РФ №2269143; МПК G01T 1/167, G01T 1/202; опубл. 27.01.2006). Предлагаемый способ обеспечивает регистрацию низкоэнергетической части спектра фотонов при детектировании гамма-квантов сопутствующего гамма-излучения с борта летательного аппарата посредством установленного на борту детектора на кристаллах NaI (Т1). Известен блок детектирования гамма-излучения в составе беспилотных летательных аппаратов (БЛА) легкого класса (Патент РФ №2565335; МПК G01T 1/29, B64D 43/00; опубл. 20.10.2015), состоящий из двух счетчиков сцинтилляционных, контроллера с установленным модулем GPS, аккумуляторной батареи, при этом для связи между блоком детектирования и пультом дистанционного управления используется GSM-канал, образованный размещенным в блоке детектирования модулем GSM и установленным в пульте управления GSM-модемом, а сцинтилляторы выполнены в виде круглых прямых цилиндров с высотой больше диаметра основания, причем сцинтилляторы ориентированы основанием перпендикулярно направлению полета БЛА.
Также известны методы регистрации вторичных признаков наличия альфа-загрязнения. Известен оптико-электронный комплекс для ведения воздушной радиационной разведки местности дистанционным методом (Патент РФ №2489804; МПК H04N 5/00; опубл. 10.08.2013). Суть изобретения заключается в измерении плотности энергетической яркости флуоресценции в ультрафиолетовом диапазоне спектра, возникающей при ионизации атмосферного азота, и преобразовании получаемой информации в видимое изображение распределения уровней радиоактивного загрязнения на подстилающей поверхности. Известны устройства для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения, действие которых основано на регистрации аэроионов, возникающих в воздухе на следах альфа-частиц. Известно аналогичное устройство, описанное в Патенте РФ №2503034 (МПК G01T 1/167; опубл. 27.12.2013), сущность которого заключается в том, что устройство для дистанционного обнаружения источников альфа-излучения содержит измерительный открытый на воздух детектор аэроионов, сопряженный с блоком переноса аэроионов и подключенный к источнику рабочего напряжения и к измерительному счетчику импульсов соответственно. Метод обеспечивает высокую селективность и возможность проведения измерений в условиях изменения температуры, давления и влажности атмосферного воздуха, на фоне сопутствующих излучений (бета и гамма). Небольшая масса детекторного модуля обеспечивает достаточную мобильность устройства [1]. Способ реализован в приборе «Альфа-А», разработанном в Национальном исследовательском ядерном университете «Московский инженерно-физический институт» (НИЯУ «МИФИ»), позволяющем на расстоянии до 0,5 м обнаружить наличие альфа-активных радионуклидов, при этом нижний порог измеряемой активности для точечного источника составляет 10 Бк. Точность локализации точечного источника альфа-излучения до 5 см [2].
В [3] представлен макет мобильного инструментального комплекса «Альфа МИК» (НИЯУ «МИФИ») для дистанционного обнаружения альфа-радиоактивных загрязнений на неподготовленной местности в полевых условиях. Испытан алгоритм автоматического управления прибором, позволяющий учитывать изменение условий измерения. Разработан интерфейс для наглядного представления результатов измерений.
Аналоги
Известны способы и устройства для отбора проб окружающей среды с борта БЛА с применением дистанционно управляемой лебедочной системы. Известна полезная модель «Дистанционный беспилотный летательный аппарат для отбора проб жидкости» (Патент РФ №81471; МПК В64С 39/02; опубл. 20.03.2008). На БЛА для отбора проб жидкости вертикального взлета и посадки, оснащенный блоком воспринимающих приборов, дополнительно установлена лебедка, управление которой осуществляется с пульта управления и наблюдения, установленного на земле, а свободный конец троса лебедки соединен с жидкостным пробоотборником. В полезной модели «Батометр для беспилотного летательного аппарата вертолетного типа» (Патент РФ №202933; МПК G01N 1/10; опубл. 15.03.2021) летательный аппарат запускается и после перемещения в зону отбора проб зависает на заданной высоте, и по команде оператора включается лебедочная система, которая опускает батометр на поверхность воды. Отобрав пробу, БЛА поднимает изделие из водоема для его транспортирования к месту нахождения оператора.
«Способ дистанционного определения концентрации радионуклидов в воздушном выбросе радиационно-опасных предприятий и устройство его осуществления» (Патент РФ №2299451; МПК G01T 1/167; опубл. 20.05.2007). Предложенное в способе устройство содержит устройство детектирования, которое размещено на легком летательном аппарате, несущем дополнительно дозиметр поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения и блок бесконтактной дистанционной передачи информации, анализатор спектра размещен на наземном средстве передвижения, снабженном блоком приема измерительной информации, причем летательный аппарат и наземное средство передвижения снабжены блоками определения координат и приемо-передающими блоками управления полетом летательного аппарата, а блок бесконтактной дистанционной передачи информации соединен с выходами амплитудно-цифрового преобразователя и дозиметра. Данное устройство реализует соответствующий способ дистанционного определения концентрации радионуклидов в воздушном выбросе. Способ дистанционного определения концентрации радионуклидов в воздушном выбросе радиационно-опасных предприятий включает определение пространственного положения факела выброса сканированием воздушного пространства в поперечном распространению факела направлении, выполняя измерения мощности поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения, фиксируют спектрометрическое устройство детектирования и устройство детектирования мощности поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения непосредственно в факеле выброса, дополнительно к измерению состава гамма-излучения от факела выброса измеряют мощность поглощенной в воздухе дозы гамма-излучения, парциальные концентрации радионуклидов в факеле определяют расчетным методом.
Способ не предусматривает определение дисперсного состава факела выброса.
«Система для измерения по гамма-излучению загрязненности окружающей среды, вызванной радиоактивным выбросом радиационно-опасных предприятий» (Патент РФ №2596183; МПК G01T 1/169; опубл. 27.08.2016). Система предназначена для измерения по гамма-излучению загрязненности окружающей среды, вызванной радиоактивным выбросом радиационно-опасных предприятий, содержащая гамма-спектрометрическую установку, частично размещенную на БЛА и включающую в свой состав последовательно соединенные спектрометрический блок детектирования, блок усиления и блок амплитудно-цифрового преобразования, выход которого через блок бесконтактной передачи измерительной информации связан с анализатором спектра, размещенном на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией и снабженном блоком бесконтактного приема измерительной информации, а также лазерный высотомер, обеспечивающий измерение высоты сканирования подстилающей поверхности, причем БЛА и наземный комплекс обработки и управления измерительной информацией снабжены блоками определения координат летательного аппарата и приемо-передающими блоками управления полетом летательного аппарата, устройство автоматического пробоотбора, включающее в свой состав размещенные на БЛА воздуходувку с расходомером газо-аэрозольной смеси, лентопротяжный механизм фильтрующей ленты, расположенной над воздуходувкой и над спектрометрическим блоком детектирования, приемно-передающие блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора, а также размещенные на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией первый таймер, второй таймер и одновибратор, причем выход первого таймера подключен ко входу одновибратора, выход которого связан со входом второго таймера, при этом выходы первого таймера, второго таймера и одновибратора подключены через приемно-передающие блоки бесконтактного управления устройством автоматического пробоотбора к управляющим входам воздуходувки, блока аналого-цифрового преобразователя и электродвигателя, а вал электродвигателя конструктивно связан с подающей бобиной лентопротяжного механизма. Наземный комплекс обработки и управления измерительной информацией выполнен стационарным и размещен в радиационно-безопасной зоне.
Система не позволяет получить информацию о дисперсном составе альфа-активной примеси, поступившей в атмосферу в результате техногенной аварии в режиме реального времени.
Прототип
Наиболее близким аналогом способа определения параметров дисперсного состава альфа-активных аэрозолей в атмосфере является способ, описанный в Патенте РФ №2676557 (МПК G01N 15/02; опубл. 04.23.2018). Способ включает разделение аэрозольных частиц, содержащихся в анализируемом газовом потоке, на размерные фракции путем прокачки газового потока через однокаскадный инерционный разделитель при различных величинах расхода, осаждение аэрозольных частиц на фильтр, измерение альфа-активности осажденных на фильтре аэрозольных частиц для каждой выделенной размерной фракции в течение равных промежутков времени, обработку результатов измерений и определение параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей на основании обработанных результатов измерений, разделение аэрозольных частиц по меньшей мере на четыре размерные фракции путем последовательного пошагового изменения расхода прокачиваемого через однокаскадный инерционный разделитель газового потока, при каждом фиксированном значении расхода газового потока, количество которых равно по меньшей мере четырем, аэрозольные частицы осаждают на фильтр, расположенный в камере детектирования, в которую подают газовый поток с выхода однокаскадного инерционного разделителя, измерение альфа-активности осажденных на фильтре аэрозольных частиц с помощью альфа-спектрометра, детектор которого установлен в камере детектирования, для размерных фракций, выделенных при фиксированных значениях расхода газового потока, установление зависимости измеренных значений альфа-активности от размера аэрозольных частиц путем последовательного сравнения величин альфа-активности на каждом шаге измерений с величиной активности на предыдущем шаге измерений при предыдущем значении расхода газового потока, на основании полученной зависимости определяют параметры дисперсного состава радиоактивного аэрозоля. Способ позволяет осуществлять оперативный контроль параметров дисперсного состава радиоактивных аэрозолей, содержащих альфа-активные радионуклиды, непосредственно на месте отбора проб, в том числе в полевых условиях.
Способ не предусматривает эксплуатацию прибора в составе летательных аппаратов.
Техническая проблема - повышение точности прогноза загрязнения местности альфа-активными радионуклидами. Проблема решается путем измерения дисперсного состава альфа-активной примеси, поступившей в атмосферу в результате техногенной аварии, беспилотным летательным аппаратом.
Технический результат заключается в повышении точности прогноза радиоактивного загрязнения местности в результате техногенной аварии.
Способ достижения технического результата
Указанный технический результат достигается тем, что по направлению движения облака радиоактивных примесей, возникшего в результате техногенной аварии, направляют БЛА с воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа- активных примесей в аварийном выбросе; местоположение облака альфа-активной примеси устанавливают по результатам аэрогамма-спектрометрической съемки и сигналам дистанционного индикатора альфа-загрязнения окружающей среды; малогабаритной дистанционно-управляемой лебедочной системой опускают в облако альфа-активной примеси однокаскадный анализатор дисперсного состава альфа-активных примесей, который осуществляет разделение альфа-активной примеси на не менее чем четыре размерные фракции путем последовательного пошагового изменения расхода прокачиваемого автономной воздуходувкой воздушного потока; после каждого цикла прокачки проводят измерения активности альфа-спектрометрическим детектором и результаты измерений передают по проводному каналу в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации БЛА, который по беспроводному каналу связи передает их на анализатор спектра, размещенный на наземном комплексе обработки и управления измерительной информацией, где посредством программного обеспечения определяют параметры дисперсного состава по известным методикам.
Сущность способа поясняется схемами, изображенными на фиг.1-3.
На фиг.1 представлен технический комплекс определения дисперсного состава альфа-активных примесей в аварийном выбросе в атмосферу на базе МРТК. В состав технического комплекса входит воздушный комплекс определения дисперсного состава альфа-активных примесей в аварийном выбросе в атмосферу и наземный комплекс управления и обработки измерительной информации. На фиг.1 обозначено: 1 - БЛА, 2 - гамма-спектрометрический блок, 3 - малогабаритная дистанционно управляемая лебедочная система, 4 - анализатор дисперсного состава альфа-активных примесей, 5 - дистанционный индикатор альфа-активных частиц, 6 - блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации; 7 - блок передачи управляющих сигналов и приема измерительной информации; 8 - электронно-вычислительный комплекс (ЭВК) с анализаторами спектров, 9 - пульт управления воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа-активных примесей, 10 - мобильный робототехнический комплекс (МРТК).
На фиг. 2 показана схема выбора высоты полета БЛА НБЛА для поиска облака примеси. На фиг. 2 обозначены: Н0 - высота подъема центра облака альфа-активных примесей, rв - полувысота облака альфа-активных примесей, Нсс - длина спутного следа БЛА, lp - пробег гамма-квантов сопутствующего гамма-излучения.
На фиг. 3 показана схема расчета вытравливаемой длины кабель-троса для определения дисперсного состава альфа-активной примеси в атмосфере. На фиг. 3 обозначены: Н0 - высота подъема центра облака альфа-активных примесей, rв - полувысота облака альфа-активных примесей, Нсс - длина спутного следа БЛА, l - расстояние обнаружения альфа-частиц дистанционным индикатором альфа-активных частиц.
Сущность способа состоит в следующем.
Для определения дисперсного состава альфа-активных примесей при аварийном выбросе в атмосферу МРТК (10) оснащают воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа-активных примесей на базе БЛА (1) вертолетного типа и наземным комплексом управления и обработки измерительной информации.
В состав наземного комплекса управления и обработки измерительной информации воздушного комплекса определения дисперсного состава альфа-активных примесей включают: блок передачи управляющих сигналов и приема измерительной информации от технических средств БЛА (7); электронно-вычислительный комплекс (ЭВК) (8), включающий анализаторы спектров, поступающих от спектрометрических блоков воздушного комплекса определения дисперсного состава альфа-активных примесей; пульт управления воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа-активных примесей (9), включающий средства дистанционного управления БЛА, малогабаритной лебедочной системой БЛА, блоком управления анализатором дисперсного состава альфа-активных примесей.
В состав воздушного комплекса определения дисперсного состава альфа-активных примесей в атмосфере входит гамма-спектрометрический блок (2), описанный в патенте РФ №2596183. Гамма-спектрометрический блок размещают ближе к носовой части под фюзеляжем БЛА. За гамма-спектрометрическим блоком размещают малогабаритную дистанционно управляемую лебедочную систему (3) со спускаемым блоком, в состав которого входят анализатор дисперсного состава альфа-активных примесей (4) и дистанционный индикатор альфа-активных частиц (5). В кабель-тросе малогабаритной дистанционно управляемой лебедочной системы прокладывают изолированные силовой кабель электропитания технических средств из состава спускаемого блока от блока питания БЛА и кабель передачи данных от измерительных устройств спускаемого блока в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6). Длина вытравленного кабель-троса контролируется электронным датчиком длины, который передает измерительные данные в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6).
В состав анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей (4) включают однокаскадный инерционный разделитель газового потока при различных величинах расхода воздушного потока, описанный в патенте РФ №2676557, который сопрягают с автоматической воздуходувкой с электронным ротаметром и программируемым дистанционно управляемым блоком управления, посредством которой регулируют расход воздушного потока, камеру детектирования с расположенным в ней фильтром и спектрометрическим блоком детектирования. Амплитудно-цифровой преобразователь спектрометрического блока детектирования через блок передачи измерительной информации и приема управляющих сигналов анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей по проводному каналу в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6), который через блок передачи управляющих сигналов и приема измерительной информации наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (7) передает данные измерений спектрометра на анализатор спектра, размещаемый на ЭВК (8) наземного комплекса управления и обработки измерительной информации. Входной патрубок однокаскадного инерционного разделителя размещают в направлении, перпендикулярном оси БЛА (направлению ветра) с целью снижения влияния ветра на скорость прокачиваемого через однокаскадный инерционный разделитель воздушного потока.
Дистанционный индикатор альфа-активных частиц (5) размещают на нижней части внешней поверхности анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей (4) входным отверстием вниз.
Способ определения дисперсного состава альфа-активной примесей при аварийном выбросе в атмосферу состоит из следующих этапов:
1. поиск пространственного положения облака альфа-активных примесей по максимальному значению сопутствующего гама-излучения;
2. поиск верхней границы облака устройством дистанционной регистрации альфа-загрязнения;
3. разделение альфа-активных частиц, содержащихся в облаке примеси, на не менее чем четыре размерные фракции путем прокачки воздушного потока через однокаскадный инерционный разделитель с последовательным пошаговым изменением расхода прокачиваемого автономной воздуходувкой воздушного потока;
4. определение дисперсного состава альфа-активных примесей на наземном ЭВК по установленным зависимостям значений альфа-активности от размера аэрозольных частиц.
Маршрут БЛА прокладывают по направлению среднего ветра по оси, проходящей через эпицентр техногенной аварии.
При проведении измерений требуется исключить влияние турбулентного спутного следа БЛА на движение пыле-аэрозольных частиц в облаке альфа-активных примесей. Примерные значения изотах будут в каждом конкретном случае зависеть от параметров работы несущего винта: мощности двигателя, числа оборотов винта, шага винта, диаметра винта и других параметров, но общий характер расположения изотах (убывание значений по мере удаления от БЛА вертолетного типа) будет оставаться таким же [5]. На фиг. 2 и 3 показана схема направления воздушных потоков под фюзеляжем БЛА вертолетного типа при работающем двигателе в режиме «висения» над землей при безветрии. Для заданных условий ведения воздушной радиационной разведки (скорость полета, скорость ветра, параметры винта БЛА и др.) длину спутного следа рассчитывают на наземном ЭВК.
При выборе высоты полета БЛА руководствуются тем, что БЛА не должен попадать в облако альфа-активной примеси, спутный след БЛА не должен возмущать альфа-активную примесь в облаке и расстояние от блока детектирования до облака альфа-активной примеси не должно превышать длину пробега гамма-квантов сопутствующего гамма-излучения (фиг. 2). Исходя из указанных условий, высота полета БЛА с воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа-активных примесей складывается из следующих величин:
где Ho - прогнозируемая максимальная высота подъема облака, м;
rв - прогнозируемая полувысота облака примеси на момент времени ведения воздушной радиационной разведки, м;
Hсс - длина спутного следа БЛА, м;
При выборе БЛА-носителя воздушного комплекса определения дисперсного состава альфа-активных примесей необходимо учитывать, что длина спутного следа БЛА не должна превосходить расстояние регистрации гамма-квантов сопутствующего гамма-излучения lp
Начальная скорость полета БЛА должна соответствовать максимально возможной скорости движения в режиме ведения воздушной радиационной разведки, в соответствии с техническими требованиями используемого гамма-спектрометрического блока детектирования.
Осуществляют полет БЛА по полетному заданию в автоматическом режиме.
Поиск пространственного местоположения облака альфа-активной примеси осуществляют по наличию сопутствующего гамма-излучения, регистрируемого гамма-спектрометрическим блоком (2). В ходе полета данные гамма-спектрометрического блока детектирования через блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6) передаются на наземный ЭВК (8) с программно-задаваемой дискретностью. На наземном ЭВК (8) обработанные анализатором спектра данные об активности (модности дозы) сопутствующего гамма-излучения аппроксимируют по мере их поступления и осуществляют поиск облака альфа-активной примеси по выявлению устойчивого максимума аппроксимирующей функции.
Переводят БЛА в режим ручного управления и возвращают в точку, соответствующую максимуму аппроксимирующей функции. Переводят БЛА в режим удержания высоты и горизонтального положения, без удержания координаты.
Высоту верхней границы облака альфа-активной примеси определяют по сигналу дистанционного индикатора альфа-активных частиц (5), основанного на регистрации аэроионов. Для этого на малогабаритную дистанционно управляемую лебедочную систему с датчиком контроля вытравленной длины кабель-троса с пульта управления воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа-активных примесей (9) подают сигнал о вытравливании кабель-троса на расчетную длину Hсс. Начинают снижение БЛА до получения сигнала от альфа-индикатора о регистрации аэроионов, после чего переводят БЛА в режим удержания достигнутой высоты и горизонтального положения и подают сигнал на малогабаритную дистанционно управляемую лебедочную систему о вытравливании кабель-троса на длину L, которую определяют по выражению (фиг. 3)
где l - расстояние обнаружения альфа-активной примеси дистанционным индикатором альфа-активных частиц, м.
С наземного пульта управления (9) в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6) подают команду на запуск программы блока управления воздуходувкой анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей. Программа управления работой воздуходувки должна включать не менее четырех циклов прокачки с заданными скоростями. Расход воздушного потока в блоке управления контролируется по ротаметру. После каждого цикла работы воздуходувки осуществляются измерения блоком детектирования анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей по алгоритму, описанному в патенте РФ №2676557, и по кабелю-тросу данные с амплитудно-цифрового преобразователя спектрометра передаются в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации, который передает их на анализатор спектра, размещаемый на наземном ЭВК (8).
На наземном ЭВК (8) устанавливают зависимости измеренных значений альфа- активности от размера альфа-активных частиц и определяют основные параметры дисперсности по известным методикам [5].
Способ осуществляется следующим образом.
1. МРТК разворачивают в районе проведения работ повышенной опасности с радиационно опасным объектом. Готовят БЛА с целевой нагрузкой воздушной радиационной разведки и определения дисперсного состава альфа-активных примесей в аварийном выбросе в атмосферу, в состав которой входят (фиг.1): гамма- спектрометрический блок (2), малогабаритная дистанционно управляемая лебедочная система (3), анализатор дисперсного состава альфа-активных примесей (4), дистанционный индикатор альфа-активных частиц (5), блок бесконтактной дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6).
2. При возникновении аварии с выходом диспергированных альфа-активных радионуклидов в атмосферу, определяют направление среднего ветра доступными техническими средствами.
3. Формируют полетное задание БЛА по прямой, проходящей через эпицентр техногенной аварии, по направлению среднего ветра.
4. Задают скорость полета БЛА, отвечающую техническим требованиям ведения радиационной разведки гамма-спектрометрическим блоком детектирования.
5. На наземном ЭВК посредством программного обеспечения по прогностическим моделям определяют высоту подъема центра облака Н0, размер половины высоты облака примеси rв на время проведения полет, для заданных условий ведения воздушной радиационной разведки (скорость полета, скорость ветра, параметры винта БЛА и др.) определяют длину спутного следа БЛА и по формуле (3) рассчитывают высоту полета БЛА НБла-
6. В процессе полета БЛА на наземном ЭВК аппроксимируют данные, поступающие от гамма-спектрометрического блока детектирования до отрицательных градиентов, после чего переводят БЛА в режим ручного управления и возвращают в точку, соответствующую максимуму аппроксимирующей функции.
7. Переводят БЛА в режим удержания высоты и горизонтального положения, без удержания координаты.
8. На управляющий блок малогабаритной дистанционно управляемой лебедочной системы подают сигнал о вытравливании кабель-троса на длину спутного следа Нсс.
9. Осуществляют снижение БЛА дискретно на расстояния регистрации наличия альфа-излучения до получения сигнала от дистанционного индикатора альфа-активных частиц о регистрации аэроионов, после чего переводят БЛА в режим удержания достигнутой высоты и горизонтального положения, без удержания координаты.
10. На управляющий блок дистанционно управляемой лебедочной системы (3) БЛА с пульта управления подают сигнал о вытравливании кабель-троса на длину L, определяемую по формуле (4).
11. С пульта управления воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа-активных примесей (9) через блок передачи управляющих сигналов и приема измерительной информации от технических средств БЛА (7) в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6) подают команду на запуск программы прокачки воздушного потока воздуходувкой анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей (4). Программа прокачки воздушного потока через однокаскадный инерционный разделитель включает не менее четырех циклов с различными скоростями прокачки воздушного потока с известным расходом, контролируемым электронным ротаметром. После каждого цикла прокачки воздушного потока данные измерений спектрометрического детектора анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей передают по проводному каналу в блок дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации (6), который транслирует их на наземный ЭВК по радиоканалу.
12. На наземном ЭВК осуществляют обработку данных и производят расчет параметров дисперсного состава по известным методикам посредством программного обеспечения.
13. После окончания выполнения программы прокачки воздушного потока в блок управления малогабаритной дистанционно управляемой лебедочной системы подают сигнал о подъеме спускаемого блока до полного забора вытравленного кабель-троса.
14. На БЛА с пульта управления воздушным комплексом определения дисперсного состава альфа-активных примесей (9) передают полетное задание о направлении БЛА к точке посадки по кратчайшему расстоянию и переводят БЛА в режим автоматического управления.
Пример построения полетного задания БЛА.
Требуется рассчитать полетное задание БЛА для определения размерных фракций диспергированного плутония, потупивших в атмосферу в результате теплового взрыва. Наличия загрязнения диспергированным плутонием-239 (239Pu) определяют по регистрации гамма-квантов америция-241 (241Am) с энергией 60 кэВ. Пробег гамма-квантов с энергией 60 кэВ составляет около 41,5 м.
В качестве носителя воздушного комплекса определения дисперсного состава выбран БЛА вертолетного типа среднего класса с массой допустимой полезной нагрузки не менее 20 кг. Длина спутного следа БЛА (Hсс) вертолетного типа среднего класса составляет примерно 30 м.
Пусть прогнозные оценки высоты подъема облака (Н0) и полувысоты облака (rв) по вертикальной оси составляют 300 и 25 м, тогда высота полета
НБЛА = Н0 + rв + Hсс ≈ 300+25+30=355 м.
Полетное задание формируют по данным о месте аварии и направлении среднего ветра. Скорость ведения разведки 40 км/ч, высота полета 355 м.
Данные воздушной радиационной разведки на ЭВК аппроксимируют методом наименьших квадратов по мере поступления телеметрических данных до устойчивого отрицательного градиента (3-4 значения). Фиксируют пространственные координаты точки максимума аппроксимирующей функции, которую передают в качестве следующей точки маршрута БЛА.
В заданной точке вытравливают кабель-трос малогабаритной дистанционно управляемой лебедки на 30 м. Регистрация аэроинов возможна прибором «Альфа-А», разработанным в НИЯУ «МИФИ», позволяющим на расстоянии до 0,5 м (l) обнаружить наличие альфа-активных радионуклидов. Осуществляют снижение БЛА с зависанием с дискретностью 0,5 м до получения сигнала от дистанционного индикатора альфа-активных частиц, затем вытравливают кабель-трос малогабаритной дистанционно управляемой лебедки на длину
L = rв + l = 25+0,5=25,5 м.
Таким образом, для рассматриваемых условий эксплуатации и технических характеристик приборов требуемая длина кабель-троса составляет ≈ 60 м.
После завершения программы прокачки воздушного потока подают сигнал о подъеме спускаемого блока до полного забора вытравленного кабель-троса и направляют БЛА к точке посадки.
Соответствие критерию «новизна».
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку в отличие от известных способов, предлагаемый способ позволяет определять дисперсный состав альфа-активной примеси при аварийном выбросе в атмосферу непосредственно в облаке аварийного выброса, центр которого определяется по сопутствующему гамма-излучению, а верхняя граница - дистанционным методом индикации альфа-активности.
Соответствие критерию «изобретательский уровень».
Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку анализ опубликованных научных статей, изобретений и технических решений показал, что заявленные способы определения дисперсного состава радиоактивных примесей не позволяют определять дисперсный состав альфа-активных примесей при аварийном выбросе в атмосферу с применением БЛА.
Соответствие критерию «промышленная применимость».
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы опытные и промышленно выпускаемые образцы техники. Предлагаемый воздушный комплекс определения дисперсного состава альфа-активных примесей в аварийном выбросе в атмосферу может быть создан на базе типовых беспилотных комплексов воздушной радиационной разведки с гамма-спектрометрической установкой типа УДКГ-А01 или УДБГ-04-06. Воздушный комплекс определения дисперсного состава альфа-активных примесей может включать индикатор альфа-частиц, основанный на регистрации аэроинов, типа «Альфа-А», автономную воздуходувку типа АВ-07 с регулируемым расходом воздушного потока электронным ротаметром и малогабаритную дистанционно управляемую лебедочную систему с электронным блоком контроля длины кабель-троса.
Реализация способа.
Предлагаемый способ целесообразно применять в МРТК специальных аварийных формирований ликвидации последствий радиационных аварий, в состав которых, как правило, включают БЛА для выполнения различных разведывательных функций и наземный вычислительный пункт.
Технико-экономическая эффективность.
Повышение точности и достоверности прогноза радиоактивного загрязнения окружающей среды альфа-излучающими радионуклидами способствует сохранению жизни и здоровья населения и персонала специальных аварийных формирований.
Список литературы
1 Бочаров Ю.И., Мирошниченко В.П., Онищенко Е.М. и др. Портативный прибор для детектирования источников альфа-радиоактивности. - Датчики и системы - 2010. -№3. - С. 13-15.
2 Кафедра микро- и наноэлектроники предлагает новый прибор для обнаружения альфа-радиации. - Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ. - 20 января 2016. - https://mephi.ru/content/news/1387/98215.
3 Симаков А.Б., Онищенко Е.М., Мирошниченко В.П. и др. Мобильный инструментальный комплекс для оперативного мониторинга альфа-радиоактивного загрязнения местности. - Датчики и системы. - 2018. - №2. - С. 66-72.
4 Вячеслав Глазунов. Возмущения воздушной среды от пролета воздушного судна - чрезвычайная опасность для всех типов ВС.- 1 сентября 2015 года. - Aviation EXplorer http://www.aex.ru/docs/4/2015/9/l/2296.
5 МУК 2.6.1.08-2004. Методические указания по методам контроля «Определение характеристик распределения радиоактивного аэрозоля по размерам». Утверждены Федеральным управлением медико-биологических и экстремальных проблем при Минздраве России 09.03.2004. Издание официальное. Москва. - 2004.
Формула изобретения
Способ определения дисперсного состава альфа-активных примесей при аварийном выбросе в атмосферу, заключающийся в том, что аэрозольные частицы, содержащиеся в анализируемом газовом потоке, разделяют путем последовательного пошагового изменения расхода прокачиваемого через однокаскадный инерционный разделитель газового потока, при каждом фиксированном значении расхода газового потока, количество которых равно, по меньшей мере, четырем, аэрозольные частицы осаждают на фильтр, расположенный в камере детектирования, в которую подают газовый поток с выхода однокаскадного инерционного разделителя, измеряют альфа-активности осажденных на фильтре аэрозольных частиц с помощью спектрометра, детектор которого установлен в камере детектирования, для размерных фракций, выделенных при фиксированных значениях расхода газового потока, устанавливают зависимости измеренных значений альфа-активности от размера аэрозольных частиц путем последовательного сравнения величин альфа-активности на каждом шаге измерений с величиной активности на предыдущем шаге измерений при предыдущем значении расхода газового потока, на основании полученной зависимости определяют параметры дисперсного состава радиоактивного аэрозоля, отличающийся тем, что в анализаторе дисперсного состава альфа-активных примесей расход воздушного потока через однокаскадный инерционный разделитель регулируют автоматической воздуходувкой с электронным ротаметром, который сопрягают с программируемым дистанционно управляемым блоком управления анализатором дисперсного состава альфа-активных примесей, анализатор дисперсного состава альфа-активных примесей крепят к кабель-тросу малогабаритной дистанционно управляемой лебедочной системы и размещают на беспилотном летательном аппарате (БЛА) вертолетного типа, блок передачи измерительной информации и приема управляющих сигналов анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей сопрягают по проводному каналу, который прокладывают в кабель-тросе малогабаритной дистанционно управляемой лебедочной системы с размещенным на борту БЛА блоком дистанционной передачи информации и приема управляющих сигналов от наземного комплекса управления и обработки измерительной информации, БЛА направляют по прямой над местом радиационной аварии по направлению среднего ветра выше прогнозируемой высоты верхней кромки облака альфа-активной примеси, но не более длины пробега гамма-квантов сопутствующего гамма-излучения и в процессе полета передают данные от установленного под носовой частью БЛА гамма-спектрометрического блока детектирования через блок передачи управляющих сигналов и приема измерительной информации от технических средств БЛА на наземный комплекс управления и обработки измерительной информации, где аппроксимируют измерение активности гамма-излучения и находят максимум аппроксимирующей функции, переводят БЛА в режим ручного управления и возвращают в точку максимума аппроксимирующей функции, не изменяя высоты полета, переводят БЛА в режим зависания без удержания координаты, высоту верхней кромки облака определяют установленным на нижней поверхности анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей дистанционным индикатором альфа-активных частиц, для чего анализатор дисперсного состава частиц опускают малогабаритной дистанционно управляемой лебедочной системой на длину спутного следа БЛА, затем осуществляют снижение высоты полета БЛА по вертикали до получения сигнала о наличии альфа-активных частиц, переводят БЛА в режим зависания на зафиксированной высоте без удержания координат и подают команду малогабаритной дистанционно управляемой лебедочной системе о спуске анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей в радиоактивное облако, входное отверстие анализатора дисперсного состава альфа-активных примесей направляют перпендикулярно направлению ветра, запускают программу прокачки воздуха через однокаскадный инерционный разделитель дистанционно управляемой воздуходувкой, в которую включают не менее четырех циклов прокачки воздуха с различными скоростями, объем прокаченного воздуха контролируют электронным ротаметром, результаты измерений альфа-спектрометрического детектора после каждого цикла прокачки воздуха передают на наземный электронно-вычислительный комплекс, где осуществляют обработку данных и определяют параметры дисперсного состава альфа-активных примесей посредством программного обеспечения.
