J. Petrányi, L. Kátai-Urbán, Gy. Vass, A. Zsitnyányi (Hungary)

Investigation of radiation measuring detectors
 for industrial safety applications

The authors analyse the capability of radiation monitoring systems usable in the field of industrial safety focusing on the applied detectors. Radiation monitoring detectors used in the field of radiation protection are different from detectors used for disaster management purposes. The first is used to supervise the normal operation of the use of radioactive materials; the second is applicable if there is an emergency situation.

Key words: industrial safety, radiation monitoring, nuclear emergency.

Я. Петраньи, Л. Катаи-Урбан, Д. Вашш, А. Житняни (Венгрия)

Исследование детекторов излучения
 в промышленной безопасности

Проведён анализ возможности применения систем радиационного контроля в области промышленной безопасности. Детекторы радиационного контроля, используемые в области радиационной защиты, отличаются от детекторов, используемых для борьбы со стихийными бедствиями. Первый используется для контроля нормальной эксплуатации радиоактивных материалов; второй – в случае возникновения аварийной ситуации.

Ключевые слова: промышленная безопасность, радиационный контроль, ядерная авария.

Перевод статьи после списка литературы

Перевод публиковаться не будет

Моё замечание (ещё не исправлено и не отправлено авторам)

Аннотация (от 3-х до 5 строк) должна дать представление о том, что является основными авторскими результатами, их новизне и актуальности.

Introduction

A radiation monitoring systems used for disaster management purposes is capable of measuring ionising radiation in any weather conditions and resist a high level of radiation and physical stress, yet capable of supporting decision with fast and accurate results. The basic component of a radiation monitoring system is the detector measuring different environmental parameters.

One of the most commonly used detector type for this purpose is Geiger-Müller (GM) detectors [1]. In a GM detector by applying a high voltage to the anode and cathode poles mounted into a noble gas-filled tube, the ionizing radiation produces a discharge, thereby generating an electrical impulse. The count of the generated pulses per unit time is proportional to the radiation intensity. GM detectors appeared at Hungarian CBRN first responder in the 1960s [2].

The GM detector is able to determine the gamma dose and dose rate in a wide measuring range. These detectors are characterized by being robust and insensitive to changes in environmental parameters.

The other commonly used detector type for industrial safety purposes is the scintillation detector. This type of detector can be used when isotope identification or a high level of sensitivity is required [3].

Both detector types can be made for more suitable for disaster management applications with specific hardware and software modifications. Each application requires different detectors features. One detector type is not able to fulfil the requirements of all disaster management applications.

An early warning monitoring system is the first line of defense against a nuclear catastrophe. In an early warning monitoring system, the detectors are installed next to a nuclear facility to monitor emission or the impact on the environment. Such system provides online information regarding gamma dose rate levels, the activity concentration of airborne radioactive alpha, beta, gamma active particles and weather conditions like precipitation. In case of an increased measure value, these systems can give an alarm signal, which can be the first sign of a disaster. An alarm in the early phase of a disaster can start processes to prevent further damages on time. The detectors in early warning systems should be operating continuously with a high level of accuracy and reliability.

The detectors should have a wide measuring range to serve as sensitive environmental radiation measuring equipment and also able to operate in case of an emergency situation at high radiation level (> 1 Sv/h).

After an alarm came from an early warning system, a radiation reconnaissance process should be conducted at the place of the possible contaminated area. The essential equipment of an on-foot radiation reconnaissance is a handheld radiation detector. The required feature of such a detector is to be easy to use, should run for a long time and it should have lightweight.

One the task of on-foot reconnaissance is to conduct beta surface contamination measurements, which requires a small distance between detector and target. For that, the detector should have thin walls to not shielding the beta radiation. This type of detectors is very sensitive to physical impacts.

Scintillation detectors are also very sensitive, but with the help of a handheld scintillation detector on-site isotope identification is possible. This information is essential to find the right action to deal with the threat. An identification process can help answer questions like these. Is this isotope natural or artificial? Is it a short or a long half-life isotope? What decontamination solution is the most suitable? How to treat injured people if intake has occurred? The on-foot radiation reconnaissance is one of the most accurate measurement methods to localize and identify any radioactive material on site. However, it is not very efficient in terms of detection speed.

The fastest method known today for searching large-scale terrain is aerial radiation reconnaissance. The great advantage of an aircraft-mounted radiation measuring system, in addition to its speed, is the ability to collect data remotely during detection, including in areas that ground vehicle cannot reach, e.g., due to extremely high radiation levels. Aerial reconnaissance was already used by the Hungarian Defense Forces in the 1980s as a standard procedure. The use of unmanned aerial vehicles like drones to transport detectors allows reconnaissance without endangering pilots.

The ground vehicle based onboard radiation reconnaissance compared to aerial reconnaissance is a less effective method (needs more time for covering the same area). However, as a carrier platform, the vehicle is capable of transporting heavy and very sensitive measuring detectors and conducting sample taking and doing more extended in-situ measurements as well. A vehicle-mounted radiation detection system makes it possible to inspect other vehicles and detect hidden, smuggled radioactive sources. The first Hungarian onboard reconnaissance systems appeared in the field of industrial safety in 1996. The basic purposes of these vehicles were to collect information, assess the damage, give aid in case of an event of natural and civilian disasters in the presence of hazardous substances [4].

An onboard radiation detector must be able to withstand the vibrations caused by the vehicle as well as the unstable voltage level of the onboard power supply. The most important capability for such system is quick response time and the possibility of an audible and visual alarm in case of increased radiation level. The vehicle arrives at the hot spot at high speed and the alarm must occur before the personnel are exposed to dangerous levels of radiation.

The safety of CBRN first responder can be guaranteed by a dosimetry system. The use of passive TLD dosimeters is mandatory in Hungary for the personal monitoring of workers in hazardous workplaces [5].

This has the advantage of accurate tracking of the dose suffered but will not prevent CBRN first responder entering an unknown presumably contaminated area and being exposed to an extremely high level of radiation. The use of electronic personal dosimeters solves this problem, as it can immediately alert the wearer to danger. Dosimeters are extremely light and, due to their small size, can be worn as part of a uniform all day. They must be water- and shock-resistant due to extreme use by first responders.

Summary

The use of radiation detectors has become part of everyday tasks for those working in the field of disaster management. Different detectors such as GM and scintillation detectors can be used in industrial safety applications. Electronic personal dosimeters are able to protect individuals by alarming if they step into an area where the radiation level is dangerous. On-board systems make possible to detect hidden, smuggled radioactive sources. Aerial reconnaissance is the most effective method to search for contamination in case of large searching areas. On-foot reconnaissance is ideal for surface contamination measurement and if more detailed analysis is required.

Different radiation detection systems should be applied to fulfil all the requirements of disaster management. By establishing the correct selection criteria, the right capabilities can be developed.

References

1. Generic procedures for assessment and response during a radiological emergency // International Atomic Energy Agency, no. August, pp. 81-122, 2000. doi: IAEA-TECDOC-1162.

2. Baumler E., Deme S., Vincze Á. A hazai sugárvédelmi mûszergyártás múltja és jelene. Fiz. Szle., vol. 7, pp. 220–224, 2004. http://www.epa.oszk.hu/00300/00342/00173/ pdf/FizSzem_EPA00342_2004_07_220-224.pdf.

3.  Knoll G.F. Radiation Detection and Measurement, Third Edition. John Wiley & Sons, Inc., 2000.

4. Hoffmann I., Kátai-Urbán I., Vass G., Vegyi- és sugárfelderítés katasztrófavédelmi technikai eszközrendszerének vizsgálata mobil eszközök alkalmazása // Hadmérnök, vol. XI, no. 1, pp. 98-106, 2016. http://www.hadmernok.hu/161_10_hoffmanni_kui_vgy.pdf

5. Govt. decree 487/2015. (XII. 30). Korm. on the protection against ionizing radiation and the corresponding licensing, reporting (notification) and inspection system // Hungarian Government no. 1. pp. 11-40, 2016. https://www.oah.hu/web/v3/HAEAportal.nsf/ CE4542A95AC3D4EBC1257F0A0040FAF3/$File/487_2015_Govt_decree_corr.pdf

Введение

Системы радиационного контроля, используемые для управления операциями в случае бедствий, способны измерять ионизирующее излучение в любых погодных условиях и противостоять высокому уровню радиации и физическому стрессу, но в то же время способны принимать быстрые и точные результаты. Основным компонентом системы радиационного контроля является детектор, измеряющий различные параметры окружающей среды.

Одним из наиболее часто используемых типов детекторов для этой цели являются детекторы Гейгера-Мюллера (GM) [1]. В детекторе GM при приложении высокого напряжения к полюсам анода и катода, установленных в трубке, заполненной благородным газом, ионизирующее излучение создает разряд, тем самым генерируя электрический импульс. Количество генерируемых импульсов в единицу времени пропорционально интенсивности излучения. ГМ-детекторы появились на венгерской службе быстрого реагирования CBRN в 1960-х годах [2].

Детектор GM способен определять гамма-дозу и мощность дозы в широком диапазоне измерений. Эти детекторы отличаются прочностью и нечувствительностью к изменениям параметров окружающей среды.

Другой широко используемый тип детектора для целей промышленной безопасности - сцинтилляционный детектор. Этот тип детектора может использоваться, когда требуется идентификация изотопов или требуется высокий уровень чувствительности [3].

Оба типа детекторов можно сделать более подходящими для приложений управления операциями в случае бедствий с помощью определенных модификаций аппаратного и программного обеспечения. Каждое приложение требует различных функций детекторов. Детектор одного типа не может удовлетворить требования всех приложений для управления бедствиями.

Система мониторинга раннего предупреждения - первая линия защиты от ядерной катастрофы. В системе мониторинга раннего предупреждения детекторы устанавливаются рядом с ядерным объектом для отслеживания выбросов или воздействия на окружающую среду. Такая система предоставляет онлайн-информацию об уровнях мощности дозы гамма-излучения, концентрации активности находящихся в воздухе радиоактивных альфа-, бета-, гамма-активных частиц и погодных условиях, таких как осадки. В случае повышенного значения меры эти системы могут подать сигнал тревоги, который может быть первым признаком бедствия. Сигнал тревоги на ранней стадии бедствия может запустить процессы, чтобы вовремя предотвратить дальнейшие повреждения. Детекторы в системах раннего предупреждения должны работать непрерывно с высоким уровнем точности и надежности.

Детекторы должны иметь широкий диапазон измерения, чтобы служить чувствительным оборудованием для измерения радиации в окружающей среде, а также быть способными работать в случае аварийной ситуации при высоком уровне радиации (> 1 Зв / ч).

После поступления сигнала тревоги от системы раннего оповещения необходимо провести радиационную разведку на месте возможного заражения. Основным оборудованием пешей радиационной разведки является портативный детектор излучения. Обязательная особенность такого извещателя - простота использования, долгая работа и легкий вес.

Одной из задач пешей разведки является измерение бета-загрязнения поверхности, для чего требуется небольшое расстояние между детектором и целью. Для этого детектор должен иметь тонкие стенки, чтобы не экранировать бета-излучение. Детекторы этого типа очень чувствительны к физическим воздействиям.

Сцинтилляционные детекторы также очень чувствительны, но с помощью портативного сцинтилляционного детектора возможна идентификация изотопов на месте. Эта информация важна для поиска правильных действий по устранению угрозы. Процесс идентификации может помочь ответить на подобные вопросы. Это изотоп естественный или искусственный? Это изотоп с коротким или длинным периодом полураспада? Какой дезактивирующий раствор наиболее подходит? Как лечить раненых, если произошло поступление? Пешая радиационная разведка - один из самых точных методов измерения для локализации и идентификации любых радиоактивных материалов на площадке. Однако он не очень эффективен с точки зрения скорости обнаружения.

Самый быстрый из известных сегодня методов поиска местности на больших площадях - это воздушная радиационная разведка. Большим преимуществом бортовой системы измерения радиации, помимо ее скорости, является возможность удаленного сбора данных во время обнаружения, в том числе в областях, недоступных наземному транспортному средству, например, из-за чрезвычайно высоких уровней радиации. Воздушная разведка уже использовалась Силами обороны Венгрии в 1980-х годах в качестве стандартной процедуры. Использование беспилотных летательных аппаратов, таких как дроны, для транспортировки детекторов позволяет вести разведку, не подвергая опасности пилотов.

Наземный аппарат на основе бортовой радиационной разведки по сравнению с воздушной разведкой является менее эффективным методом (требуется больше времени для покрытия той же территории). Однако в качестве платформы-носителя автомобиль может перевозить тяжелые и очень чувствительные измерительные детекторы, а также проводить отбор проб и более продолжительные измерения на месте. Установленная на транспортном средстве система обнаружения радиации позволяет инспектировать другие транспортные средства и обнаруживать скрытые, контрабандные радиоактивные источники. Первые венгерские бортовые системы разведки появились в области промышленной безопасности в 1996 году. Основными целями этих машин были сбор информации, оценка ущерба, оказание помощи в случае стихийных бедствий и гражданских бедствий в присутствии опасных веществ [4].

Бортовой детектор излучения должен выдерживать вибрации, вызываемые автомобилем, а также нестабильный уровень напряжения бортовой сети. Важнейшей особенностью такой системы является быстрое время отклика и возможность звуковой и визуальной сигнализации в случае повышенного уровня радиации. Транспортное средство приближается к горячей точке на высокой скорости, и должна сработать тревога до того, как персонал подвергнется воздействию опасного уровня радиации.

Безопасность службы экстренного реагирования ХБРЯ может быть гарантирована системой дозиметрии. Использование пассивных дозиметров TLD является обязательным в Венгрии для личного мониторинга рабочих на опасных рабочих местах [5].

Это дает преимущество точного отслеживания полученной дозы, но не препятствует тому, чтобы лицо, оказывающее первую помощь в ХБРЯ, войдет в неизвестную, предположительно загрязненную территорию и подвергнется воздействию чрезвычайно высокого уровня радиации. Использование персональных электронных дозиметров решает эту проблему, так как может немедленно предупредить пользователя об опасности. Дозиметры очень легкие и благодаря небольшому размеру их можно носить как часть униформы весь день. Они должны быть водо- и ударопрочными из-за экстремального использования служб быстрого реагирования.

Резюме

Использование радиационных детекторов стало частью повседневных задач тех, кто работает в сфере борьбы со стихийными бедствиями. Различные детекторы, такие как GM и сцинтилляционные детекторы, могут использоваться в приложениях промышленной безопасности. Электронные персональные дозиметры способны защитить людей, подавая сигнал тревоги, если они войдут в зону с опасным уровнем радиации. Бортовые системы позволяют обнаруживать скрытые, контрабандные радиоактивные источники. Воздушная разведка - самый эффективный метод поиска загрязнения на больших площадях поиска. Пешая разведка идеально подходит для измерения поверхностного загрязнения и при необходимости более подробного анализа.

Для выполнения всех требований по управлению бедствиями должны применяться различные системы обнаружения радиации. Установив правильные критерии выбора, можно развить нужные способности.