Лазерные технологии для контроля радиационных загрязнений

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).

Параметры Действующий лидар Модернизированная разработка Высота полета, км 0,1–1 0,1–1 Спектральный диапазон, нм 264 – 294 264 – 394 Поле обзора 0,16° 60° Световой диаметр, мм 355 300 Относительное отверстие 1/3 1/4 Спектральное разрешение (?/??) >>1 000 >>1 000 Количество одновременно регистрируемых спектров 3 до 20 Пороговая чувствительность, ppm 2 0,02 Частота лазерных импульсов, с-1 100 5000 Габариты, мм 1200?660?1120 1050?410?840 Масса, кг 65 40 – 60

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

  1. 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.
  2. 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.

"