Программный комплекс для моделирования гамма-спектрометрических экспериментов и методика обработки гамма-спектров

Спектрометрические методы анализа состава вещества как по радионуклидному составу, так и по изотопному содержанию с появлением приборов высокого разрешения находят все новые применения на практике в таких областях, как экология и охрана окружающей среды, сертификация продукции, таможенный контроль и т. д.

Достоверность и точность таких измерений определяется как качеством аппаратуры, так и методическим и программным обеспечением. Многообразие объектов измерения с разнообразным радионуклидным составом порождает создание большого количества методик выполнения измерения (МВИ) и соответствующих программных продуктов.

Зачастую создание реальных образцов в целях разработки и последующей апробации МВИ сопряжено с такими затратами, что делает процедуру их детального тестирования практически нереальной. В качестве примера можно указать области таможенного контроля делящихся и радиоактивных материалов (ТКДРМ) и паспортизации радиоактивных отходов, где эти проблемы проявляются особенно сильно.

Характер такого рода измерений практически исключает пробоподготовку с целью приведения образцов к стандартной геометрии измерения, предполагающей гомогенизацию образца. В качестве объектов ТКДРМ выступают мощные радиоактивные источники, помещенные в транспортные защитные контейнеры, номенклатура которых исчисляется сотнями, различающиеся как размерами, так и материалом, из которого они изготовлены. В случае паспортизации радиоактивных отходов объектами измерений являются большие емкости: 200 -литровые бочки, контейнеры с крафт-мешками и т. д., неоднородно заполненные радиоактивными отходами.

Радионуклидный состав таких объектов столь же многообразен: зачастую он включает короткоживущие радионуклиды, что еще больше затрудняет изготовление образцов для лабораторных измерений.

Все вышесказанное делает актуальным создание инструмента для моделирования таких ситуаций. Этот инструмент должен позволить моделировать спектральное распределение источников произвольного радионуклидного состава, трансформацию спектра при взаимодействии излучения с веществом, преобразование в аппаратурный спектр при регистрации детектирующим устройством, наложение аппаратурных эффектов, обусловленных электроникой. Реализация такого инструмента требует привлечения как справочных данных (параметры радиоактивного распада, сечения взаимодействия излучения с веществом и т. д.), так и расчетных методов. Для практического использования такого инструмента необходимо иметь возможность сохранения параметров моделей детекторов, источников и геометрий измерения, а также удобного подключения программных алгоритмов для расчета и последующей обработки полученных данных. Все это накладывает определенные требования на разрабатываемый инструмент: модульность представления и обработки данных, наличие четко специфицированных правил обмена и хранения информации. Таким образом, речь идет о создании интегрированной программно-информационной системы для моделирования гамма-спектрометрических измерений.

Отметим ряд факторов, позволяющих делать вывод о реалистичности такого проекта:

1. Наличие достоверных данных по параметрам радиоактивного распада большинства известных радионуклидов. Наиболее полная информация содержится в так называемых ENSDF — файлах оцененных ядерных данных (Evaluated Nuclear Structure Data Files), которые поддерживаются и обновляются Национальным центром ядерных данных в Брукхейвенской национальной лаборатории.

2. Наличие достоверных данных по сечениям взаимодействия гамма-излучения с веществом ХСОМ для элементов с 1 по 100 в диапазоне энергий от 1 кэВ до 100 ГэВ.

3. Развитые методы расчета, описывающие перенос излучения в веществе, в частности расчеты, основанные на методе Монте-Карло. Наиболее известный пример реализации таких расчетовмеждународный верифицированный код MCNP (Monte Carlo N-Particle Transport Code), разработанный в Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory), который описывает все типы взаимодействия излучения с веществом.

Комбинация достоверных данных и расчетных методов позволяет обеспечить моделирование спектров с точностью, сравнимой с точностью реальных измерений.

Остановимся еще раз на возможных областях применения такой системы.

Как уже отмечалось выше, модельные спектры могут использоваться для целей тестирования методов, алгоритмов и программ обработки. Такой подход имеет ряд очевидных преимуществ: можно подготовить набор тестовых спектров для различных источников, типов детекторов и условий измерениямодельные спектры лишены неконтролируемых аппаратурных эффектов, с другой стороны эти эффекты могут быть наложены контролируемым образомможно промоделировать спектры для источников с произвольным точно заданным радионуклидным составом и активностью, чего нельзя сказать о реальных образцахединообразно могут быть получены как калибровочные спектры, так и спектры измеряемых образцов с нужными свойствами (плотность, материал).

Использование модельных спектров представляется перспективным при проведении калибровочных процедур. Здесь одной из проблем корректной обработки данных является определение функции отклика детектора в широком диапазоне энергий. Такая потребность возникает при применении методов, использующих форму аппаратурной линии, в частности метода обработки на основе эталонных гамма-спектров, экспериментальное получение которых для ряда важных прикладных задач практически невозможно. Это касается, например, отдельных радионуклидов, находящихся в цепочке распадов, короткоживущих радионуклидов и т. д.

Еще одним важным аспектом применения интегрированной программно-информационной системы является процесс обучения. Использование даже самых подробных МВИ невозможно без квалифицированного персонала, обладающего практическими навыками применения методик и программного обеспечения. Возможность применения в процессе обучения дорогостоящей аппаратуры, также как моделирования разнообразных ситуаций в учебных центрах на реальных объектах крайне ограничена. Интегрированная программно-информационная система может использоваться практически неограниченно в моделировании различных ситуаций с произвольной аппаратурой для выработки практических навыков у пользователей методик.

Применение системы в целях обучения накладывает дополнительные требования на разрабатываемый продукт — реалистичный интерфейс: трехмерная графика, расчет спектра в реальном времени и т. д.

Помимо гамма-спектрометрических измерений, такая система может использоваться и для моделирования различных физических процессов.

В частности, с появлением детекторов большого объема стала актуальной необходимость учета эффекта истинного суммирования каскадных гамма-квантов. Интегрирование программных компонентов, реализующих соответствующие алгоритмы, и требуемые справочные ядерно-физические данные в систему позволяет настроить ее для решения такой задачи.

Основными целями диссертационной работы являются:

Разработка инструмента для моделирования гамма-спектров точечных и объемных источников, в том числе в защитных контейнерах, различными типами детекторов.

Создание интегрированной программно-информационной системы для моделирования гамма-спектрометрических измерений (получение модельных спектров при различных условиях проведения эксперимента).

Разработка обучающего комплекса для моделирования экспериментов в режиме реального времени на основе интегрированной программно-информационной системы.

Разработка методов расчета данных, необходимых при проведении спектрометрического анализа экспериментальной информации (эффективности регистрации, параметров радиоактивного распада радионуклидов, поправочных коэффициентов для коррекции эффекта истинного суммирования каскадных гамма-квантов), на основе информационных и программных ресурсов системы, а также создание методики обработки экспериментальных данных с учетом особенностей формы аппаратной линии гамма-спектрометра.

Исследование возможностей применения гамма-детекторов на основе сжатого ксенона для решения задач идентификации сложного радионуклидного состава с использованием интегрированной программно-информационной системы для моделирования экспериментов.

Научная новизна работы:

Разработана схема быстрого моделирования гамма-спектров источников произвольного радионуклидного состава, на основе данных, предварительно рассчитанных с использованием метода Монте-Карло.

Реализована интегрированная программно-информационная система для моделирования гамма-спектрометрических экспериментов с детекторами различных типов и произвольным набором радиоактивных источников (точечных или объемных, твердых, жидких, газообразных, в защитных контейнерах) с учетом условий измерения.

Разработан обучающий Тренажер-эмулятор для моделирования измерений источников с помощью полупроводниковых и сцинтилляционных детекторов в режиме реального времени на основе информационных и программных ресурсов системы.

Разработан программный комплекс «Нуклид Мастер» для получения данных, необходимых для спектрометрического анализа: эффективности регистрации, параметров радиоактивного распада, поправочных коэффициентов для коррекции эффекта истинного суммирования.

Проведено моделирование экспериментов с ксеноновым детектором с целью исследования возможностей его применения для идентификации и определения активности сложного радионуклидного состава и определения изотопного состава плутония. Практическая ценность работы.

Реализована интегрированная программно-информационная система «ГаммаЛаб» для моделирования гамма-спектрометрических экспериментов (алгоритмы, справочно-информационные базы данных, графические и интерфейсные модули).

На ее основе создан электронный Тренажер-эмулятор для отработки практических вопросов применения спектрометров СКС-50М и Гамма-1C/NB1. Комплекс разработан по заказу Федеральной таможенной службы с целью повышения эффективности подготовки должностных лиц таможенных органов при проведении таможенного оформления и таможенного контроля делящихся и радиоактивных материалов и внедрен во Владивостокском и С.-Петербургском филиалах Российской таможенной академии.

Другим приложением, разработанным на основе информационных и программных ресурсов системы, является «Нуклид Мастер». Библиотеки радионуклидов, созданные с помощью этого комплекса с учетом эффекта истинного суммирования, могут использоваться при обработке спектров, моделировании экспериментов и т. д. «Нуклид Мастер» установлен на ряде предприятий ГК «Росатом», Федеральной таможенной службы.

Разработана и опробована методика обработки экспериментальных данных с учетом особенностей формы аппаратной линии различных гамма-спектрометров, в частности полупроводниковых, сцинтилляционных и ксеноновых. Проведена проверка методики как на экспериментальных, так и на модельных спектрах. Методика может быть применена для обработки результатов измерений, полученных с использованием других, в том числе и новых типов детекторов. Апробация работы:

Результаты работы докладывались на IX, X Международном совещании «Проблемы прикладной спектрометрии и радиометрии» ППСР (2005, 2007) и XIII ежегодном семинаре «Спектрометрический анализ. Аппаратура и обработка данных на ПЭВМ» в ФГОУ «ГЦИПК» г. Обнинск (2006).

Публикации:

Диссертация основана на работах, которые были опубликованы в период с 2005;2008 гг. в российских и зарубежных журналах, материалах международных конференций и семинарах [25, 28, 36, 67−69, 74, 78]. За это время опубликовано 4 статьи, из них 3 в реферируемых журналах.

На защиту автор выносит следующие результаты:

1. Структуру и логику интегрированной программно-информационной системы «ГаммаЛаб» и принципы моделирования гамма-спектрометрических экспериментов.

2. Электронный Тренажер-эмулятор для обучения работе со спектрометрами СКС-50М и Гамма-1СЛМВ1. В его состав входят.

• базы и библиотеки ядерно-физических данных,.

• модули для расчета методом Монте-Карло функций отклика детектора и геометрии измерения на монохроматическое излучение,.

• алгоритмы расчета «реального» аппаратурного спектра, который учитывает условия проведения измерений и текущее состояние прибора,.

• модуль для расчета в реальном времени спектра от требуемых лабораторным заданием источников излучения,.

• обучающая программа для создания и выполнения практических заданий с реалистичным трехмерным интерфейсом,.

• интегрирующая оболочка, обеспечивающая связь между всеми компонентами комплекса.

3. Программный комплекс «Нуклид Мастер», основными функциями которого являются.

• получение информации о параметрах радиоактивного распада большинства известных радионуклидов (более 3000 с учетом метастабильных состояний) на основе оцененных ядерных данных ЕШБР,.

• создание пользовательских библиотек радионуклидов,.

• расчет эффективности регистрации и поправочных коэффициентов для коррекции эффекта истинного суммирования.

4. Методику обработки экспериментальных гамма-спектров с учетом особенностей формы аппаратной функции спектрометра и результаты ее использования для детекторов на основе сжатого ксенона.

5. Результаты моделирования экспериментов с использованием «ГаммаЛаб», проводимых для исследования возможностей применения детектора на основе сжатого ксенона для идентификации и определения активности сложного радионуклидного состава и определения изотопного состава плутония.

Структура диссертации;

Диссертация состоит из 5 глав, введения, заключения и списка литературы. Каждая из глав содержит краткое резюме ее содержания. Основные выводы диссертации приведены в заключении. Объем диссертации 151 страница, 43 рисунка, 20 таблиц, 78 наименований цитируемой литературы.

Выводы.

1. Разработана и опробована методика обработки спектрометрических данных с учетом особенностей формы аппаратной функции детектора. Она была применена для спектров, полученных с помощью полупроводниковых, сцинтилляционных и ксеноновых детекторов, как экспериментальных, так и модельных. Приведенные результаты показывают, что созданная методика позволяет успешно проводить обработку с учетом специфических особенностей формы аппаратной функции спектрометров и может быть применена для обработки результатов измерений, полученных с использованием других, в том числе и новых типов детекторов.

2. С использованием программного комплекса «ГаммаЛаб» исследованы возможности применения детекторов на основе ксенона для решения сложных задач гамма-спектрометрического анализа. На базе построенной модели был проведен цикл модельных экспериментов, включающих как калибровочные измерения, так и измерения непосредственно образцов. Сравнение с экспериментальными спектрами показало, что модельные спектры достаточно хорошо передают особенности аппаратной функции ксенонового детектора. Полученные результаты показывают принципиальную возможность применения ксенонового детектора с использованием программы ЗресйаЫпе для решения задач количественного анализ образцов сложного радионуклидного состава, в частности, определения изотопного состава плутония.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы была разработана и реализована интегрированная программно-информационная система «ГаммаЛаб» для моделирования гамма-спектрометрических измерений:

• формализована структура и логика построения системы,.

• специфицированы правила сопряжения модулей в ее составе, разработан открытый протокол для передачи спектрометрической информации, создана библиотека функций доступа к информационным ресурсам системы,.

• сформированы и интегрированы в систему базы ядерно-физических данных,.

• разработаны и реализованы принципы быстрого моделирования аппаратурных гамма-спектров при измерениях точечных и объемных источников, в том числе и в защитных контейнерах, произвольного радионуклидного состава различными типами детекторов.

На основе интегрированной программно-информационной системы по заказу Федеральной таможенной службы разработан электронный Тренажер-эмулятор для отработки практических вопросов применения спектрометров СКС-50М и Гамма- 1С/ЫВ1. В рамках этого проекта.

• разработаны и реализованы алгоритмы моделирования гамма-спектров в режиме реального времени на основе предварительно рассчитанных шаблонов с учетом взаимного расположения детектора и источника излучения и аппаратурных эффектов,.

• создан модуль, обеспечивающий связь между всеми компонентами комплекса, с помощью которого пользователь может выполнить последовательно, в режиме мастера, все действия по генерации шаблонов аппаратурных спектров для источников с произвольным радионуклидным составом с возможностью просмотра результатов на каждом этапе расчетов, • разработана обучающая программа для формирования и выполнения учебных заданий с реалистичным интерфейсом, имитирующим действия спектрометриста по перемещению детектора и источников на рабочем столе.

По оценке специалистов из Федеральной таможенной службы, использование комплекса в процессе подготовки должностных лиц таможенных органов во Владивостокском и С.-Петербургском филиалах Российской таможенной академии и непосредственно на местах их работы со спектрометрами Гамма-1С/ЫВ1 и СКС-50М показало его высокую эффективность и существенно облегчило процесс обучения.

Проведена проверка процедуры моделирования для полупроводниковых и сцинтилляционных детекторов путем сравнения с экспериментальными данными. Полученные результаты демонстрируют соответствие модельных и экспериментальных спектров, а также совпадение в пределах погрешностей рассчитанных активностей используемых источников с паспортными значениями.

На основе интегрированной программно-информационной системы создан программный комплекс «Нуклид Мастер» для получения параметров радиоактивного распада, расчета эффективности регистрации, учета эффекта истинного суммирования каскадных гамма-квантов и создания пользовательских библиотек радионуклидов на основе информационных ресурсов системы. Для учета эффекта истинного суммирования были разработаны алгоритмы расчета поправочных коэффициентов для произвольных гамма-излучающих радионуклидов при измерении точечных и объемных источников с применением детекторов различных типов и последующей коррекции интенсивности гамма-излучения в библиотеке радионуклидов.

Проведенная проверка результатов, полученных с использованием «Нуклид Мастер», демонстрирует совпадение в пределах погрешности как с экспериментом, так и с результатами расчетов других авторов. Дальнейшее развитие комплекса будет идти в рамках долгосрочного договора с МАГАТЭ.

Разработана и опробована методика обработки спектрометрических данных с учетом особенностей формы аппаратной функции различных детекторов. Она была применена для спектров, полученных с помощью полупроводниковых, сцинтилляционных и ксеноновых детекторов, как экспериментальных, так и модельных. Приведенные результаты показывают, что созданная методика позволяет успешно проводить обработку с учетом специфических особенностей формы аппаратной функции спектрометров и может быть применена для обработки результатов измерений, полученных с использованием других, в том числе и новых типов детекторов.

Система «ГаммаЛаб» применена в целях исследования возможностей применения ксеноновых детекторов для решения сложных задач гамма-спектрометрического анализа. Были промоделированы спектры образцов, измерение которых традиционно проводилось с использованием ОЧГ-детекторов. Сравнение результатов обработки с паспортными данными демонстрирует принципиальную возможность применения ксеноновых детекторов для проведения таких измерений.

Для исследования возможности применения ксеноновых детекторов при определении изотопного состава плутония были промоделированы образцы оружейного и реакторного плутония различной массы и времени выделения, от полупроводникового и ксенонового детекторов. Результаты обработки модельных спектров показывают точность, сравнимую с точностью ОЧГ-спектрометрии.

239 Ри достоверно определяется с точностью в несколько процентов).

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность и глубокую благодарность своему научному руководителю, доктору физико-математических наук, профессору кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики МИФИ Улину Сергею Евгеньевичу и генеральному директору ООО «ЛСРМ», кандидату физико-математических наук Даниленко Владимиру Николаевичу за постоянное внимание к данной работе на всех этапах ее проведения, научные консультации, поддержку и практическую помощь при определении направлений научных исследований, положенных в основу диссертации.

Автор благодарит своих коллег: Ковальского Е. А., Федоровского С. Ю., Скубо Ю. В., Кузнецова В. П., Юферова С. Ю. за плодотворные дискуссии по теме диссертации, сотрудничество и поддержку.

Автор благодарит кандидата физико-математических наук Берлизова А. Н., сотрудника Института ядерных исследований Национальной академии наук Украины, за участие в проведении экспериментов, обработке данных, выполнении расчетов и обсуждении полученных результатов.

Автор выражает признательность и благодарность профессору Дмитренко В. В., Утешеву З. М., Грачеву В. М. и другим сотрудникам кафедры экспериментальной ядерной физики и космофизики МИФИ за постоянное внимание к работе.