3. Основы
радиационной разведки.
Под радиационной разведкой (РДР) понимают процесс получения информации в результате
анализа радиоактивных излучений, связанных с выбросами и отходами атомного
производства, хранением и транспортировкой расщепляющихся материалов, ядерных
зарядов и боеприпасов, производством и эксплуатацией реакторов, двигателей и
радиоактивным заражением местности.
При
помощи РДР определяют:
-
дозовые характеристики вокруг объекта разведки и их изменения во времени;
-
маршруты перевозки источников радиоактивных излучений;
- районы
с повышенным уровнем радиации;
-
источники радиоактивных излучений в транспортном средстве;
-
содержание отдельных видов изотопов в окружающей среде (почве, воздухе,
природных и промышленных водоемах);
-
изотопный состав излучателей, типы источников излучения, а также ведут
дозиметрический контроль атмосферы Земли.
Свойства радиоактивных излучений
Радиоактивность представляет собой самопроизвольный распад ядер
атомов, подчиненный определенному статистическому закону. Радиоактивные
превращения протекают с изменением строения, состава и энергетического
состояния ядра и сопровождаются испусканием или захватом заряженных частиц и
выделением коротковолнового излучения электромагнитной природы (у-излучение).
Радиоактивность сопровождается
возникновением двух видов излучений:
корпускулярного, представляющего потоки
быстро движущихся частиц (а-, (3-, нейтронное, протонное), и электромагнитного
(у-излучение, рентгеновское).
Длины
волн у-лучей, испускаемых естественными радиоактивными элементами, находятся в
диапазоне 1,2-10~8~ 4,7-10 п см. Они не имеют заряда,
поэтому в магнитном поле не отклоняются.
Природа
частиц определяет свойства того или иного вида радиоактивных излучений и их действие
на окружающую среду. К числу свойств радиоактивных излучений, так или иначе
используемых в практике радиоактивных методов разведки, относят следующие :
1)
способность проникать через вещество;
2)
ионизацию газов, жидкостей и твердых тел;
3)
выделение теплоты при радиоактивном распаде;
4)
действие на фотографическую пластинку;
5)
способность вызывать свечение люминесцирующих веществ;
6) способность вызывать химические реакции и
распад молекул (при длительном действии излучения изменяется окраска окружающих
предметов).
В воздухе при нормальных условиях длина
пути пробега ос-частиц естественных радиоактивных элементов 2,5...8,5 см,
(3-частиц - 0...
Различная проникающая способность ос-,
(3-частиц, у-квантов широко используется в практике радиоактивных методов для
разделения излучений, выяснения природы активности и количественных
характеристик радиоактивных элементов.
Ионизирующая способность а-, [3-, у-излучений
также различна и
является
одним из основных свойств, используемых в радиометрии. Благодаря этому свойству
удается обнаруживать радиоактивные элементы при поисках с помощью газоразрядных
счетчиков и ионизационных эманометров, устанавливать природу радиоактивности и
определять содержание радиоактивных элементов в породах и рудах.
На фотографическую эмульсию действуют все
виды излучений. Они разлагают бромистое серебро подобно световым лучам, что при
проявлении пластинки вызывает ее почернение; ос-частицы, как менее проникающие,
воздействуют лишь на верхний слой эмульсии, порядка первых десятков микрон,
оставляя четкий след на своем пути, Р-частицы способны проникать глубоко в
эмульсию и производить разложение бромистого серебра по всему
светочувствительному слою. Относительное действие у-лучей на фотоэмульсию
наименьшее.
Наряду
со свойствами а-, (3- и у-излучений коротко отметим основные свойства нейтронов.
Во-первых, они отличаются высокой проникающей способностью,
превосходящей проникающую способность у-лучей. Так, например, наиболее жесткие
у-кванты ThC поглощаются наполовину слоем
РЬ около
Во-вторых, для нейтронов характерны дифракция, отражение от
зеркала, поляризация и т. д.
В-третьих, при взаимодействии нейтронов с ядрами большинства
элементов происходят различные ядерные реакции, сопровождающиеся испусканием
заряженных частиц и у-квантов и образованием искусственных радиоактивных
элементов.
Основные характеристики радиоактивных
излучений и единицы их измерения
Основными
характеристиками радиоактивности являются скорость радиоактивного распада,
количество (активность) радиоактивного вещества, доза излучения, уровень
радиации, степень заражения радиоактивными веществами.
Скорость
радиоактивного распада. В любом
радиоактивном веществе происходит постепенный распад всех ядер его атомов. При
этом в единицу времени распадается определенная часть общего числа ядер
радиоактивных атомов. Скорость характеризуется периодом полураспада (время
распада половины всех ядер)Т Для разных изотопов период полураспада
колеблется в широких пределах. Так, например, период полураспада для
стронция-89 составляет 54 дня, для ура-на-235 - 710 млн лет. Основными
источниками наведенной радиации в почве являются изотоп марганца с периодом
полураспада 2,6 ч и изотоп натрия с периодом полураспада 15 ч. Период
полураспада характеризует скорость распада радиоактивного вещества, но не
определяет его количества.
Количество {активность)
радиоактивного вещества. Количество радиоактивного вещества принято оценивать
его активностью, под которой понимают число радиоактивных распадов атомов в
единицу времени.
За
единицу активности, т. е. количества радиоактивного вещества, принята единица,
названная кюри.
Кюри
(Ки) - это такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 37
миллиардов распадов ядер атомов в секунду:
1
кюри (Ки) = 3 7 -109 распадов/с.
Активность,
отнесенная к единице поверхности, массы, объема называется удельной. Активность
данного источника - величина не постоянная: она уменьшается со временем за счет
радиоактивного распада. За каждый промежуток времени Т, равный периоду
полураспада, количество радиоактивного изотопа уменьшается вдвое.
Ионизирующее действие излучений,
характеризуется дозой.
Дозой излучения называется
энергия излучения, поглощенная в единице объема или веса вещества за все время
его воздействия. Энергия излучения, поглощенная веществом, затрачивается на его
ионизацию. Следовательно, доза излучения характеризует степень ионизации
вещества: чем больше доза, тем больше степень ионизации.
За
единицу измерения дозы гамма-излучения в воздухе принят рентген. Рентген (Р) -
это такая доза гамма-излучения, при которой в одном кубическом сантиметре
сухого воздуха при нормальных условиях (температура 0 °С, давление
Доза
излучения, измеренная в рентгенах,
характеризует ионизационный эффект гамма-излучений в воздухе. Количество же энергии различных излучений,
поглощенное в данной среде, характеризуется так называемой поглощенной дозой
излучений. За единицу измерения поглощенной дозы в любом веществе
независимо от вида излучения принят 1 рад.
Рад
- это такая поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в
одном грамме любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии
излучения.
Производными
этой единицы являются: миллирад (мрад), равный 0,001 рад, и микрорад (мкрад),
равный 0,000001 рад. При дозе излучения в 1 Р поглощенная доза в воздухе
составляет 0,87 рад, в воде почти столько же - 0,84 рад.
Уровень
радиации {мощность дозы). Интенсивность
гамма-излучения характеризуется уровнем радиации. Уровень радиации представляет собой мощность дозы излучения. Он равен
дозе, создаваемой за единицу времени, т. е. характеризуется в рентгенах в
час (Р/ч), миллирентгенах в час (мР/ч), микрорентгенах в секунду (мкР/с): 1
мР/ч = 0,001 Р/ч; 1 мкР/с = 3,6 мР/ч.
Степень заражения местности
радиоактивными веществами характеризуется плотностью заражения. Плотность
заражения измеряется количеством радиоактивных распадов атомов, происходящих в
единицу времени на единице поверхности, в единице объема или веса, т. е.
единицами удельной активности.
В
войсковой практике степень заражения чаще определяется количеством распадов в
минуту, отнесенным к единице поверхности, объема или веса исследуемого
материала.
Приборы для измерения ионизирующих
излучений
Получение
сведений об ионизирующих излучениях сводится к решению четырех основных видов
измерительных задач: измерение параметров и характеристик ионизирующих частиц и
квантов; характеристик потока или поля ионизирующих излучений; величин,
характеризующих взаимодействие излучения с веществом и передачу ему энергии, и
измерение параметров и характеристик источников ионизирующих излучений.
Приборы для измерения физических величин, характеризующих
ионизирующие излучения, разделены на четыре
основные группы:
1) дозиметрические приборы (дозиметры),
измеряющие величины, характеризующие перенос и передачу энергии излучения;
2) радиометрические приборы (радиометры),
измеряющие величины, характеризующие источники ионизирующих излучений и
количество испускаемых ими в пространство частиц и квантов;
3) спектрометрические приборы (спектрометры),
измеряющие распределения частиц и квантов по энергии, зарядам, массам, в
пространстве и во времени;
4)
универсальные приборы.
Несмотря
на широкую номенклатуру используемых в РДР средств измерения все они имеют
общие конструктивные принципы(рис.7)
Основным
структурным элементом любого прибора является детектор. В средствах измерения
ионизирующих излучений применяют следующие основные виды детекторов: ионизационные
камеры, газоразрядные счетчики, полупроводниковые, сцинтилляционные и
химические.
Параметры
выходных сигналов детекторов функционально связаны с параметрами ионизирующих
излучений. Для их измерения применяют, как правило, электрические методы и
средства. Поэтому сигналы другой природы предварительно преобразуют в
электрические.
В приборах, использующих химические
детекторы, для измерения радиационного эффекта по изменению окраски химических
растворов применяют коло-
Рис.
7 Обобщенная структурная схема средства измерения ИИ
риметры,
принцип действия которых основан на визуальном определении оптической
плотности. Однако и здесь разработаны современные электронные колориметры,
осуществляющие измерение оптической плотности растворов электрическими
методами.
Электрические
сигналы на выходе детекторов имеют очень малый уровень (10 9... 10 15А),
недостаточный для нормальной работы последующих измерительных схем. Поэтому они
усиливаются, а в некоторых приборах - предварительно преобразовываются в
электрические сигналы другой формы: импульсные или переменные.
3. Основы химической
разведки.
Под
химической разведкой (ХР) понимается
добывание информации путем контактного или дистанционного анализа изменений
химических свойств состава окружающей среды под воздействием выбросов и отходов
производства, работы двигателей, в результате взрывов и выстрелов,
преднамеренного рассеивания химических веществ, испытаний и применений
химического оружия.
ХР решает следующие основные задачи:
·
обнаружение и
анализ химического состава окружающей среды в целях определения дислокаций
предприятий по производству химической продукции военного назначения;
·
измерение
концентрации химических веществ в воздухе в целях определения профиля
производства, проводимых научных исследований и испытаний, а также
характеристик В, ВТ и их элементов (топлива, взрывчатых веществ и т. д.).
·
получение
информации о химическом заражении местности в условиях возможного применения
химического оружия;
·
контроль
химического состава окружающей среды на предприятиях химической промышленности
для обеспечения безопасности персонала.
ХР ведется с помощью аппаратуры,
использующей как методы дистанционного анализа (дистанционная ХР), так и
анализа проб (контактная ХР).
К аппаратуре дистанционной ХР относят: лидары, радиометры, ИК-спектрометры. Аппаратура
контактного анализа включает газоанализаторы, газосигнализаторы,
пробоотборные устройства и т.д.
Аппаратура дистанционной ХР
использует принципы активной или пассивной оптической локации. Примером
аппаратуры, использующей принципы активной локации, является лидар. Химические вещества в атмосфере
обнаруживают путем зондирования ее импульсами лазерного излучения и регистрации
эффектов взаимодействия лазерного излучения с веществом.
Радиометры используют принцип пассивной
оптической локации. Они обнаруживают вещества по их собственному тепловому
излучению.
ИК-спектрометры также обнаруживают вещества путем анализа
спектрального состава собственного излучения вещества либо переотраженного
веществом излучения естественного источника (Солнца).
Применение приборов локального действия и устройств пробоотбора
позволяет определить химический состав веществ в районе разведки или в
лаборатории после отбора пробы и ее доставки к месту обработки.
Аппаратура ХР может устанавливаться на
космических аппаратах, ракетах, самолетах, вертолетах, кораблях, автомобилях, а
также использоваться в портативном варианте.
На космических аппаратах устанавливают
радиометры и ИК-спектрометры. Добываемые данные (спектр излучения) либо
регистрируются на фотопленку с последующей доставкой в капсулах на Землю, либо
передаются по радиоканалу.
Воздушная ХР ведется с применением пробоотборных средств в
пограничных районах. В качестве носителей до
Аппаратура наземной и морской ХР включает приборы локального и дистанционного
действия. В приборах локального действия обнаружение веществ осуществляется
путем отбора пробы анализируемой среды с последующим анализом физическим,
химическим или биохимическим методами непосредственно на месте взятия пробы.
Типичным примером аппаратуры данного вида является ИК-гидроанализаторы,
позволяющие непрерывно автоматически анализировать воздух с порогом
чувствительности 10-5... 10-6 мг/л.
Разведка с применением аппаратуры в портативном варианте ведется путем
отбора проб, с последующим их анализом в лабораторных условиях.
Для обнаружения и распознавания
химических веществ в пробах водной среды, почвы и растительности применяют
атомно-абсорбционные спектрофотометры. Фирмы США выпускают несколько типов
приборов (модели 103, 107, 300, 306, 403, 503). С их помощью могут быть
обнаружены и определены до 70 различных химических элементов и соединений.
При работе атомно-абсорбционного спектрофотометра
в режиме автоматического анализа обрабатывается до 60 проб в течение часа.
Особенности контактной ХР
Контактная ХР заключается в отборе проб
атмосферного воздуха, жидкостей, грунта, растительности с последующим их
анализом различными методами.
Реализуются методы химического анализа
двумя группами приборов: для отбора проб воздуха и для лабораторного анализа
проб. В первую группу входят поглотительные приборы (преимущественно
электроаспираторы), во вторую - приборы для лабораторного анализа.
Методология и техника отбора проб воздуха
при определении концентрации вредных примесей в атмосфере - очень ответственный
этап, тесно связанный с последующим
методом определения искомой примеси.
Количественный анализ атмосферных
загрязняющих веществ проводится после их концентрирования, которое
осуществляется протягиванием анализируемого воздуха через поглотительное
устройство или фильтр. На рис. 8 показана структурная схема установки для
отбора проб воздуха.
Под действием разрежения, создаваемого
побудителем расхода, атмосферный воздух всасывается и протягивается через
поглотительные растворы, вещества или фильтрующие материалы (фильтры), проходит
через расходомер, побудитель расхода и выбрасывается, преодолевая атмосферное
давление. В целях предохранения расходомера от попадания в него брызг
поглотительного раствора перед ним рекомендуется включать защитный патрон ЗП,
заполненный промытым и просушенным силикагелем.
Рис. 8 - Структурная схема установки для отбора проб воздуха
Точность измерения концентрации существенно
зависит от точности измерения объема воздуха, протянутого через поглотительные
приборы. Этот объем находят как произведение скорости аспирации, определяемой
при помощи расходомера, на время отбора пробы или измеряется газовым счетчиком.
Скорость аспирации в системе устанавливается в соответствии с методом
определения искомой примеси и поддерживается в процессе отбора проб постоянной.
Отобранные с помощью поглотительных
приборов и электроаспираторов пробы атмосферного воздуха подлежат анализу физико-химическими
методами (спектрофотометрическим, газовой хроматографии, масс-спектрометрии,
люминесцентный и др
В настоящее время большое внимание
уделяется развитию автоматических средств наблюдения за уровнем загрязнения
атмосферы, которые позволяют оперативно определять концентрацию, в том числе
выявлять максимальные концентрации загрязняющих веществ.
Автоматический газоанализатор
представляет собой прибор, в котором отбор проб воздуха, определение количества
контролируемого компонента, выдача и запись результатов анализа проводятся
автоматически по заданной программе без участия оператора. В основу работы
автоматических газоанализаторов положены различные физико-химические методы
анализа: электрохимический, инфракрасный, люминесцентный и др.
Особенности
дистанционной химической разведки
Применительно к средствам химической
разведки понятие «дистанционная разведка» означает получение информации о
химических примесях без непосредственного контакта.
Все известные методы дистанционной
разведки можно разделить на активные и пассивные.
К активным относят метод лазерного
зондирования атмосферы. Лазерное зондирование основано на принципе оптической
локации и, взаимодействии зондирующего излучения с исследуемыми химическими
примесями и регистрации эффектов взаимодействия. Лазерное локационное
устройство получило название «лидар» (от англ. Light Detection and Ranging).
Среди пассивных методов дистанционной
разведки наиболее перспективными являются спектрорадиометрические. Радиометры
используют принцип пассивной оптической локации, с их помощью химические
примеси обнаруживают по их характерному тепловому излучению.
ИК-спектрометры также обнаруживают
вещества путем анализа спектрального состава собственного излучения или
переотраженного им излучения естественного источника (Солнца).
При лазерном
зондировании атмосферы, отражателями локационного сигнала являются все
молекулярные и аэрозольные составляющие, т.е., по сути, сама атмосфера
формирует лидарный сигнал со всей трассы зондирования по любым направлениям.Для
решения каждой атмосферной задачи, используется конкретная схема лидара. Однако
во всех случаях в лидаре непременно присутствуют три основных блока:
1) лазерный источник излучения с
передающей антенной;
2) приемная антенна с фотодетектором;
3) регистратор лидарных сигналов.
Для многих атмосферных задач необходимо
селектировать собранный приемной антенной лидарный сигнал по спектральным
частотам или поляризации. В этих случаях на выходе приемной антенны лидара
устанавливают анализаторы спектра или поляризации принимаемого оптического
сигнала. Следовательно, анализаторы спектра или поляризации лидарного сигнала
также можно отнести к основным блокам лидара.. Таким образом, обобщенную схему
современного лидара можно представить состоящей из пяти основных блоков (рис.
9).
Естественно, главным активным элементом
лидара является лазерный источник излучения. При многочастотном зондировании
могут использоваться различные комбинации лазеров, как перестраиваемых по
частоте, так и с фиксированными частотами излучения и разными типами
преобразователей, среди которых наиболее широко распространены генераторы
гармоник (ГГ) и газовые ВКР-ячейки высокого давления.
Рис. 9 Обобщенная схема лидара
Конкретный тип лазера, а также его
конструкция определяются с учетом условий применения лидара. Так, в лидарах,
предназначенных для измерений одновременно в нескольких участках спектра,
излучатель может быть изготовлен на основе объединения нескольких лазеров.
