Среди различных экологических бедствий лидирующее место по тяжести последствий занимают чрезвычайные происшествия на атомных объектах: «Селлафилд» (Великобритания,1957), Чернобыль (Украина,1986), Фукусима (Япония, 2011) и т. д. В таких случаях определяющим фактором радиоактивного загрязнения среды являются изотопы инертных газов, цезия, йода, стронция, кобальта.
В связи с возросшим объемом работ по дезактивации радиационно опасных территорий и объектов, опасностью утери или хищения радионуклидных источников, возможными аварийными ситуациями при транспортировании радиоактивных веществ, — все более актуальной становится задача поиска и идентификации локальных радиационных загрязнений или источников излучения на больших площадях.
Современные методы радиационной разведки и мониторинга достаточно успешно справляются с поиском и локализацией радиоактивных загрязнений ?-излучающими нуклидами, однако вопрос дистанционного обнаружения ?-радиоактивных и большинства ?- радиоактивных выбросов не может быть решен ядерно-физическими методами.
Среди косвенных методов контроля радиоактивных заражений атмосферы наиболее разработанным является радиолокационный метод, в котором концентрация заряженных частиц определяется по коэффициенту отражения зондирующего СВЧ-излучения от ионизированной области. Однако при низких уровнях загрязнения (порядка фоновых — до величины 109 ионов/см3) чувствительность радиолокаторов оказывается недостаточной.
Другими косвенными методами контроля радиоактивности могут служить спектроскопическая диагностика и, в частности, вторичные эффекты, возникающие при взаимодействии лазерного излучения с изотопами.
Дистанционная лазерная спектроскопия может служить высокоэффективным методом поиска и обнаружения как ?-, так и чистых ?- или ?-радионуклидов. Ее преимущества по сравнению с традиционными, например, физико-химическими (забор проб), либо стандартными радиометрическими (радиометры и ?-спектрометры) — следующие: дистанционность, возможность непрерывного площадного и профильного сканирования с одновременным определением широкого набора радиоактивных элементов и соединений, а также высокая чувствительность и скорость детектирования. Для обнаружения ультрамалых концентраций радионуклидов (1010?1012 см-3) в атмосфере на больших расстояниях (более 100 м) необходимо применение активных методов дистанционного зондирования, а именно, лидаров, размещенных на подвижных платформах.
Как известно, спектры радионуклидов характеризуются частотными изотопическими сдвигами, при этом каждая изотопическая структура отличается соответствующими массовыми числами и числом нейтронов. Например, изотопам стронция Sr86, Sr90 и Sr84 соответствуют частотные сдвиги относительно стабильного Sr88, равные 5.8•10–3 см-1, 11.4•10–3 см-1 и 12.4•10–3 см-1. Следовательно, идентификация дозообразущих нуклидов возможна лишь с помощью измерительных средств, обладающих высоким спектральным разрешением. Использование гипер-/ультраспектральной аппаратуры (?/??>>100) позволяет исключить перекрытие спектральных линий искомых радионуклидов при лазерном зондировании зараженных территорий и объектов и идентифицировать тот или иной изотоп.
В 2010 году коллективом Государственного Оптического Института разработан и изготовлен вертолетный лидар-газоанализатор с ультраспектральным разрешением, предназначенный для непрерывного аэропоиска и измерения утечек газов на трансконтинентальных нефте- и газопроводах. В нем ультраспектральное разрешение достигнуто за счет лазерного зондирования и регистрации приемных сигналов в УФ области длин волн, где фоновые помехи на фотоприемное устройство практически сведены к нулю. По реализованному спектральному разрешению (?/?? >1000) данный авиационный лидар существенно превосходит известные аналоги (рис. 1).
Рис. 1. Авиационный рамановский лидар с ультраспектральным разрешением.
Параметры, заложенные в лидаре-газоанализаторе с ультраспектральным разрешением, позволяют не только разрешить изотопические сдвиги радионуклидов, но детектирует предельно малые концентрации радиоактивных веществ (100 ppb), что позволяет говорить о решении задачи дистанционного мониторинга радиологической обстановки.
Новизна аппаратуры заключается в разработке принципиально новых методов и устройств когерентного приема, пространственно-временной и спектральной селекции, способствующих значительному снижению уровня фоновых засветок, достижению ультраспектрального разрешения, сверхвысокой чувствительности измерений и в комбинировании лазерной, видеоспектрометрической и тепловизионной техники.
Применение высокоэффективных твердотельных лазеров с диодной накачкой и облегченной оптикой позволяет создавать лазерные комплексы компактными с малыми массогабаритными характеристиками. К известным достоинствам данных источников зондирования относится их высокий коэффициент полезного действия на многих длинах волн, низкое энергопотребление и длительный ресурс бесперебойной генерации излучения. В то же время оптический тракт требует высокопрецизионной элементной базы. Для минимизации потерь оптические детали должны выполняться со слабо рассеивающими поверхностями. Реализации предельной чувствительности способствует и выбор рабочей «солнечно-слепой» области спектра, где фоновые помехи на фотоприемном устройстве практически сведены к нулю.
Следующая задача связана с выбором метода обработки и регистрации приемных оптических сигналов. Алгоритм выделения полезного сигнала на фоне внешних и внутренних шумов, принятие решения о наличии или отсутствии сигнала и измерения его параметров является определяющим.
Используемые в настоящее время средства повышения чувствительности приемных систем, как правило, связаны с увеличением светосилы входной оптики и с уменьшением спектральной ширины сигналов. В лидарных комплексах подобный путь часто сопровождается необходимостью увеличения мощности зондирующего излучения, что не гарантирует безопасность воздействия на органы зрения людей, попавших в область его распространения. Поэтому реализация требований предполагает разработку принципиально новых методов и устройств, способствующих значительному снижению уровня фоновых засветок и нелинейному увеличению чувствительности. Коллектив ГОИ обладает практическим опытом создания сверхузкополосных спектрометрических приемных каналов, работающих с уровнем сигналов на входном зрачке в несколько десятков фотонов. При этом уровень фоновых помех может быть снижен более, чем на пять-шесть порядков, а сбор информации осуществляться на сильно наклонных приземных трассах. В наиболее эффективных приемных системах счет фотонов осуществляется в режиме стробирования сигнала и синхронного накопления зарядов у детекторов. В этом случае критерием их качества становится статистическое соотношение сигнал/шум, однозначно определяющее вероятность обнаружения сигнала и точность измерения его величины.
Нелинейное усиление приемных сигналов в бортовом лидаре впервые предлагается осуществлять методом когерентного усиления. Для этого в приемном канале устанавливается квантовая ячейка, способная усилить входной полезный сигнал на 7–8 порядков в сверхузкой спектральной полосе.
Особый толчок к развитию подобных систем придает непрерывное совершенствование высокочастотных измерительных преобразователей оптической информации с минимальными погрешностями, аппаратурного и программного обеспечения, а также наличие автоматизированных технологий, способных с наибольшей полнотой и скоростью обработать огромные массивы данных. Поэтому в лидаре предусмотрены многоканальные (матричные) фотоприемные устройства, работающие в субгигагерцовом диапазоне частот. Развитие аппаратных средств цифровой обработки, функциональных алгоритмов и специализированного программного обеспечения для объемного (трехмерного) отображения зондируемых полей в реальном масштабе времени позволит существенно поднять технические характеристики и конкурентноспособность предлагаемого многофункционального лидара.
Точное определение волнового числа (длины волны) по одному атмосферному эталону (азоту) значительно повышает достоверность идентификации химических веществ и соединений (особенно, в полосах поглощения) по имеющемуся банку спектральных характеристик радионуклидов. Возможность достаточно легкого проектирования аппаратуры с избыточным спектральным разрешением позволяет оптимизировать этот параметр при каждом эксперименте, заранее автоматически устанавливая требуемую чувствительность для различных исследуемых условий использования. Это дает возможность адаптации аппаратуры под идентификацию радионуклидов, как гамма-активных, так и альфа и бета — излучателей. Общность конструирования аппаратуры позволяет очень легко унифицировать приборы, работающие при разных спектральных разрешениях.
Дистанционную лазерную радарную аппаратуру и уже созданные системы радиационного мониторинга отличают:
• широкий диапазон регистрируемых и определяемых в реальном масштабе времени радионуклидов в окружающей среде при одном лазерном источнике зондирования,
• предельно высокая чувствительность и избирательность,
• повышенная помехозащищенность,
• низкое энергопотребление,
• круглосуточная и всесезонная эксплуатация,
• обработка и вывод информации в реальном масштабе времени,
• компактные массо-габаритные характеристики.
В период с 30 июня по 4 июля в г. Санкт-Петербурге состоится 16-я международная конференция «Оптика лазеров — 2014», на которой будет представлена секция «Лазеры в мониторинге окружающей среды».
А. С. Гришканич
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ»
ОАО "Государственный Оптический Институт
им. С. И. Вавилова" (ГОИ)
А. П. Жевлаков
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики ОАО "Государственный Оптический Институт им. С. И. Вавилова" (ГОИ)
Литература
- Alimov S. V., Kascheev C. V., Kosachev D. V., Petrov S. B., Zhevlakov A. P. Multifunctional lidar for needs of oilandgas pipes.//Proceeding SPIE Vol.6610.
- Алимов С. В., Данилов О. Б., Жевлаков А. П., Кащеев С. В., Косачев Д.В, Мак Ан. А., Петров С. Б., Устюгов В. И. Авиационный рамановский лидар с ультраспектральным разрешением//Оптический журнал 2009. №.4. С. 3138.
"