Глобальная проблема радиоактивного загрязнения
Атомные катастрофы: цена ошибок
«Селлафилд» в Великобритании (1957), Чернобыль (1986), Фукусима (2011) — эти названия навсегда вошли в историю как символы крупнейших экологических катастроф. Последствия таких аварий тяжелые. Определяющую роль в радиоактивном загрязнении играют изотопы инертных газов, цезия, йода, стронция, кобальта.
Ситуация усложняется. Объемы работ по дезактивации опасных территорий растут. Риск утери или хищения радионуклидных источников реальнен. Аварии при транспортировке радиоактивных веществ возможны. Получается, задача поиска и идентификации локальных загрязнений на больших площадях становится критически важной.
Традиционные методы: где они не работают
Ограничения ядерно-физических подходов
Современные методы радиационной разведки неплохо справляются с поиском γ-излучающих нуклидов. Но дистанционное обнаружение α- и большинства β-радиоактивных выбросов? Здесь ядерно-физические методы бессильны.
Радиолокационный метод — самый разработанный из косвенных. Концентрацию заряженных частиц определяют по коэффициенту отражения СВЧ-излучения от ионизированной области. Проблема в другом: при низких уровнях загрязнения (фоновые значения до 10⁹ ионов/см³) чувствительность радиолокаторов недостаточна.
Есть и другие косвенные методы: спектроскопическая диагностика, вторичные эффекты при взаимодействии лазерного излучения с изотопами. Но это уже совсем другой уровень.
Лазерная спектроскопия: прорыв в мониторинге
Преимущества перед традиционными методами
Дистанционная лазерная спектроскопия обнаруживает и γ-, и чистые α- или β-радионуклиды. Эффективность высокая. Сравните с традиционными подходами:
- ★ Дистанционность — не нужно приближаться к опасной зоне
- ✓ Непрерывное площадное и профильное сканирование
- ✔️ Одновременное определение широкого набора радиоактивных элементов
- ☑️ Высокая чувствительность и скорость детектирования
Для обнаружения ультрамалых концентраций радионуклидов (10¹⁰–10¹² см⁻³) на расстояниях свыше 100 метров нужны активные методы. Лидары на подвижных платформах — именно то, что требуется.
Изотопические сдвиги и спектральное разрешение
Как отличить один изотоп от другого
Спектры радионуклидов имеют частотные изотопические сдвиги. Каждая изотопическая структура отличается массовыми числами и числом нейтронов. Возьмем стронций:
| Изотоп | Частотный сдвиг относительно Sr⁸⁸, см¹ |
|---|---|
| Sr⁸⁶ | 5,8×10⁻³ |
| Sr⁹⁰ | 11,4×10⁻³ |
| Sr⁸⁴ | 12,4×10⁻³ |
Видите? Сдвиги микроскопические. Идентификация дозообразующих нуклидов возможна только с высоким спектральным разрешением. Гипер-/ультраспектральная аппаратура (λ/Δλ >> 100) исключает перекрытие спектральных линий. Это позволяет точно идентифицировать каждый изотоп при лазерном зондировании.
Вертолетный лидар-газоанализатор
Уникальная разработка Государственного Оптического Института
В 2010 году коллектив ГОИ создал вертолетный лидар-газоанализатор с ультраспектральным разрешением. Предназначение — непрерывный аэропоиск и измерение утечек газов на трансконтинентальных нефте- и газопроводах.
Ультраспектральное разрешение достигнуто за счет лазерного зондирования и регистрации сигналов в УФ области. Фоновые помехи на фотоприемное устройство сведены практически к нулю. По спектральному разрешению (λ/Δλ > 1000) этот авиационный лидар превосходит известные аналоги.
Рис. 1. Авиационный рамановский лидар с ультраспектральным разрешением
Технические характеристики системы
Сравнение действующего лидара и модернизированной разработки
Параметры впечатляют. Смотрите сами:
| 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 (λ/Δλ) | >>1000 | >>1000 |
| 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 |
Чувствительность 0,02 ppm — это 100 ppb. Предельно малые концентрации радиоактивных веществ детектируются. Задача дистанционного мониторинга радиологической обстановки решается.
Сверхвысокая чувствительность детектирования
Новизна аппаратуры
Разработаны принципиально новые методы и устройства:
- → Когерентный прием сигналов
- → Пространственно-временная и спектральная селекция
- → Снижение уровня фоновых засветок
- → Достижение ультраспектрального разрешения
- → Комбинирование лазерной, видеоспектрометрической и тепловизионной техники
Твердотельные лазеры с диодной накачкой и облегченной оптикой делают комплексы компактными. Коэффициент полезного действия высокий на многих длинах волн. Энергопотребление низкое. Ресурс бесперебойной генерации длительный.
Но есть нюанс. Оптический тракт требует высокопрецизионной элементной базы. Оптические детали должны иметь слабо рассеивающие поверхности — это минимизирует потери. Рабочая «солнечно-слепая» область спектра выбрана не случайно: фоновые помехи на фотоприемном устройстве практически нулевые.
Обработка и регистрация сигналов
Алгоритм выделения полезного сигнала на фоне шумов — определяющий фактор. Принятие решения о наличии сигнала и измерение его параметров требуют точности.
Традиционный путь повышения чувствительности — увеличение светосилы входной оптики и уменьшение спектральной ширины сигналов. В лидарных комплексах это часто требует увеличения мощности зондирующего излучения. А это уже вопрос безопасности для органов зрения людей.
Поэтому нужны принципиально новые методы. Коллектив ГОИ имеет опыт создания сверхузкополосных спектрометрических приемных каналов. Уровень сигналов на входном зрачке — несколько десятков фотонов. Фоновые помехи снижены более чем на 5–6 порядков. Сбор информации возможен на сильно наклонных приземных трассах.
Когерентное усиление сигналов
Революционный подход
В наиболее эффективных системах счет фотонов идет в режиме стробирования сигнала и синхронного накопления зарядов у детекторов. Критерий качества — статистическое соотношение сигнал/шум. Оно однозначно определяет вероятность обнаружения и точность измерения.
Нелинейное усиление приемных сигналов в бортовом лидаре впервые предлагается осуществлять методом когерентного усиления. В приемном канале устанавливается квантовая ячейка. Она способна усилить входной полезный сигнал на 7–8 порядков в сверхузкой спектральной полосе.
Это серьезно.
Цифровая обработка данных
Непрерывное совершенствование высокочастотных измерительных преобразователей оптической информации дает толчок развитию систем. Минимальные погрешности, аппаратное и программное обеспечение, автоматизированные технологии обработки огромных массивов данных — все это работает.
В лидаре предусмотрены многоканальные (матричные) фотоприемные устройства. Они работают в субгигагерцовом диапазоне частот. Развитие аппаратных средств цифровой обработки, функциональных алгоритмов и специализированного ПО для трехмерного отображения зондируемых полей в реальном времени поднимает технические характеристики на новый уровень.
Точное определение волнового числа по одному атмосферному эталону (азоту) повышает достоверность идентификации химических веществ. Особенно в полосах поглощения. Банк спектральных характеристик радионуклидов помогает.
Возможность проектирования аппаратуры с избыточным спектральным разрешением позволяет оптимизировать параметр при каждом эксперименте. Чувствительность устанавливается автоматически под различные условия использования. Аппаратура адаптируется под идентификацию радионуклидов — γ-активных, α- и β-излучателей.
Практическое применение и перспективы
Ключевые преимущества системы
Дистанционную лазерную радарную аппаратуру и созданные системы радиационного мониторинга отличают:
- ✚ Широкий диапазон регистрируемых радионуклидов в реальном времени при одном лазерном источнике
- ✚ Предельно высокая чувствительность и избирательность
- ✚ Повышенная помехозащищенность
- ✚ Низкое энергопотребление
- ✚ Круглосуточная и всесезонная эксплуатация
- ✚ Обработка и вывод информации в реальном времени
- ✚ Компактные массо-габаритные характеристики
Общность конструирования позволяет легко унифицировать приборы с разными спектральными разрешениями. Это удобно.
Период с 30 июня по 4 июля в Санкт-Петербурге пройдет 16-я международная конференция «Оптика лазеров — 2014». Секция «Лазеры в мониторинге окружающей среды» представит новейшие разработки.
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.
