Pobierz najnowszy numer

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera, aby otrzymywać informacje o nowościach z branży!

Jesteś tutaj

Stacjonarne monitory promieniowania jonizującego

Printer Friendly and PDF

leadPromieniowanie jonizujące towarzyszy człowiekowi praktycznie każdego dnia. Jest ono emitowane przez różne źródła zlokalizowane w ziemi, przedmiotach czy też w przestrzeni kosmicznej. W zależności od rodzaju może być ono mniej lub bardziej przenikliwe. Przy dużej intensywności może być szkodliwe, dlatego należy podjąć wszelkie możliwe działania, aby ustrzec się przed nim w takiej sytuacji. Jednym ze sposobów jest monitorowanie i wykrywanie skażeń radioaktywnych, którym mogą ulec różnego rodzaju materiały przenoszone przez ludzi czy też przewożone w różnego rodzaju środkach transportu.

Promieniowanie jądrowe jest promieniowaniem, które może powstać w układach ulegających przemianom jądrowym, w akceleratorach cząstek oraz – jak już wcześniej wspomniano – w otaczającej nas przestrzeni (promieniowanie kosmiczne). Charakter oddziaływania promieniowania z materią jest różny dla różnego rodzaju promieniowania.

Rodzaje promieniowania

Promieniowanie alfa (α) jako promieniowanie podstawowe

Jądra atomów różnych materiałów składają się z protonów i neutronów. W zależności od tego, ile protonów znajduje się w danym jądrze, mamy do czynienia z konkretnym pierwiastkiem (liczba neutronów nie ma w tym przypadku większego znaczenia, ponieważ może ona ulegać zmianom). Atomy jednego pierwiastka, które różnią się między sobą liczbą neutronów, to izotopy. Z powodu swojej „niestabilnej natury” niektóre z nich ulegają rozpadowi – emitują promieniowanie. Promieniowanie to, przechodząc przez materię, może – dzięki swojej dużej energii – wytrącać z jej atomów elektrony – jonizować ją, dlatego promieniowanie takie nazywa się jonizującym.
Podstawowym rodzajem promieniowania – najmniej przenikliwym – jest promieniowanie alfa (α). Powstaje ono na skutek wytrącenia z jądra atomu cząstki składającej się z dwóch protonów i dwóch neutronów. Jednym z bardziej znanych pierwiastków, emitującym właśnie ten rodzaj promieniowania, jest ameryk 241 (Am-241). Źródło to jest obecnie szeroko stosowane w produkcji jonizacyjnych czujek dymu, będących elementem systemów sygnalizacji pożarowej.

Promieniowanie alfa jest promieniowaniem na tyle mało przenikliwym, że może być zatrzymane przez kartkę papieru. W powietrzu rozchodzi się na odległość zaledwie 10 cm.

Promieniowanie beta (β)

Promieniowanie beta pojawia się na skutek przemiany neutronu w proton w jądrze atomu. Cząsteczki beta, które są przy tym emitowane, to po prostu elektrony. Istnieją również przypadki, gdy w wyniku przemiany jądrowej emitowana jest cząsteczka o ładunku dodatnim i masie równej masie elektronu – pozyton.

Przykładem takiego rozpadu może być przemiana ­trytu – w którego jądrze znajdują się jeden proton i dwa ­neutrony – w hel-3 (dwa protony i jeden neutron).

Promieniowanie β jest zdecydowanie bardziej przenikliwe niż promieniowanie typu α. W powietrzu może rozchodzić się na odległość nawet do 10 m. Z tego powodu źródła takiego promieniowania bardzo często są osłonięte. Jako osłony można użyć blachy aluminiowej, szkła organicznego, tworzywa sztucznego itp.

Promieniowanie gamma (γ) oraz X

Mechanizm emisji promieniowania gamma polega na wyzwoleniu energii powstałej w wyniku wzbudzenia jądra atomowego. Stany wzbudzenia jądra mogą towarzyszyć rozpadowi promieniotwórczych izotopów lub są następstwem przemian jądrowych.
Promieniowanie γ (jako jeden – obok promieniowania X – z rodzajów promieniowania elektromagnetycznego) powstaje więc w reakcjach jądrowych. Promieniowanie X jest natomiast efektem wzbudzenia lub wybicia elektronów orbitalnych bądź też wyhamowania elektronów.

Przenikliwość promieniowania typu γ jest tak duża, że źródła tego promieniowania (np. kobaltowe) muszą być osłonięte ze względów bezpieczeństwa. Jako osłonę stosuje się najczęściej kilkunastocentymetrową warstwę ołowiu, stali lub zubożonego uranu o grubości od kilku milimetrów do kilkudziesięciu centymetrów, w zależności od rodzaju i aktywności źródła.

Promieniowanie neutronowe (n)

Neutrony są cząstkami obojętnymi elektrycznie. Wolne neutrony powstają tylko na skutek reakcji jądrowych.

Najczęściej stosowane źródła wytwarzają tzw. elektrony prędkie, które są bardzo przenikliwe (przy jednoczesnej małej zdolności jonizacji). Rozmaitość oddziaływań i powstających przy tym rodzajów promieniowania wtórnego, jak również zależność oddziaływania od energii neutronów, powoduje, że trudno jest zbudować skuteczną osłonę chroniącą przed neutronami prędkimi.

Łatwo jest zatrzymać tzw. powolne neutrony, np. za pomocą cienkiej warstwy kadmu. Należy najpierw spowolnić neutrony za pomocą materiałów lekkich, zawierających dużo węgla lub wodoru (parafina, grafit, woda, polietylen), po czym użyć drugiej warstwy pochłaniającej neutrony termiczne. Spowolnienie neutronów jest również jednym z warunków wykrycia ich przez przeznaczone do tego detektory.

Rodzaje detektorów promieniowania jonizującego

Do detekcji promieniowania jonizującego służą różne przyrządy.

Detektory napełnione gazem to grupa detektorów, z której komora jonizacyjna, liczniki proporcjonalne oraz licznik Geigera-Müllera są najstarszymi i bardzo użytecznymi typami detektorów.

Obecnie najczęściej wykorzystywanym licznikiem omawianego rodzaju jest licznik Geigera-Müllera. Detektor ten może być wykorzystywany do pomiaru wszystkich rodzajów cząstek jądrowych, które chociaż w najmniejszym stopniu są w stanie zjonizować gaz znajdujący się w liczniku. Nadaje się on zwłaszcza do pomiarów promieniowania beta, gamma oraz X.

Detektory scyntylacyjne to urządzenia, które wykorzystują zjawisko powstawania błysków świetlnych zwanych scyntylacjami. Scyntylacje powstają na skutek przejścia cząstek lub kwantów jonizujących przez pewne kryształy. Licznik scyntylacyjny okazał się bardzo uniwersalny (jest wykorzystywany do detekcji wszystkich rodzajach promieniowania – przy zastosowaniu różnych scyntylatorów) i jest obecnie najbardziej wszechstronnym detektorem promieniowania jądrowego, powszechnie wykorzystywanym do wykrywania przede wszystkim promieniowania gamma przez stacjonarne monitory promieniowania.

Oprócz wyżej wymienionych rodzajów detektorów do pomiarów promieniowania jonizującego w różnych dziedzinach działalności gospodarczej powszechnie stosuje się detektory półprzewodnikowe, termoluminescencyjne, chemiczne i fotometryczne. Istnieje jeszcze wiele innych metod detekcji, które mają zastosowanie w badaniach naukowych.

Uregulowania prawne

Podstawowe regulacje dotyczące promieniowania jonizującego są zawarte w ustawie Prawo atomowe z dnia 29 listopada 2000 r. oraz w rozporządzeniach do ustawy, w tym w rozporządzeniu Rady Ministrów w sprawie odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego z dnia 3 grudnia 2002 r.

Dokumenty te zawierają podstawowe informacje dotyczące promieniowania jonizującego, wyszczególniają poziomy aktywności, na których poszczególne rodzaje pierwiastków są uznane za źródło promieniotwórcze, określają sposoby dystrybucji, przechowywania, ewidencjonowania, unieszkodliwiania różnego rodzaju odpadów oraz wskazują osoby odpowiedzialne za egzekwowanie poszczególnych zapisów regulacji.

Główną instytucją zajmującą się sprawami energii atomowej w Polsce jest Państwowa Agencja Atomistyki w Warszawie.

W związku z bardzo rozwiniętą wymianą handlową w Europie i na świecie powołano do życia różne organizacje, które zajmują się kwestiami związanymi z energią atomową. Organizacją o charakterze globalnym jest Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej z siedzibą w Wiedniu.

W 2000 roku w Europie powołano specjalną komisję, której zadaniem jest praca nad uregulowaniami dotyczącymi problemu skażeń radioaktywnych złomu, odpadów poprodukcyjnych etc. Planowane jest opracowanie wspólnych procedur pomiarów, ewidencji i dokumentowania skażeń. Podstawowe procedury już istnieją, jednak na razie są tylko zalecane do stosowania (nie mają statusu obowiązujących).

Urządzenia do wykrywania i monitorowania radioaktywnych skażeń

Wykrywanie bardzo niskich poziomów radioaktywnych skażeń materiałów i produktów wymaga zastosowania nowoczesnych i niezawodnych przyrządów pomiarowych. Wykorzystują one wymienione wcześniej detektory (największy udział mają detektory scyntylacyjne, Geigera-Müllera oraz detektory neutronów).

Urządzenia te występują głównie w dwóch konfiguracjach – jako urządzenia stacjonarne oraz urządzenia przenośne.

Wśród stacjonarnych monitorów promieniowania można wyróżnić kilka podstawowych grup urządzeń:

  • urządzenia do kontroli ruchu osób i (lub) bagażu (PM703AGN),
  • urządzenia do kontroli ruchu pojazdów, zarówno tych poruszających się po drogach, jak i szynowych (VM250AGN),
  • urządzenia do kontroli przewożonego złomu metali w transporcie drogowym i kolejowym (VM250AG/09Z) oraz na składowiskach odpadów.
PM703AGN

Stacjonarny monitor promieniowania gamma i promieniowania neutronowego PM703AGN (fot. 1) jest przeznaczony do wykrywania materiałów radioaktywnych i jądrowych, znajdujących się w kontrolowanych obiektach (np. w samochodach osobowych, na wózkach bagażowych, na taśmociągach) lub przenoszonych przez osoby przechodzące przez strefę kontrolną. Wymiary strefy kontrolnej oraz poziomy aktywności wykrywanego w niej promieniowania odpowiadają wymaganiom Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (IAEA) w Wiedniu oraz normom międzynarodowym.

fot1

Fot. 1. PM703AGN

 

fot2

Fot. 2. Układ detektorów PM703AGN (kolumna MASTER)

Kontrola odbywa się automatycznie, podczas przejazdu obiektu lub przejścia osób przez strefę kontrolną (detekcyjną). Przekroczenie ustalonego progu alarmowego powoduje uruchomienie sygnalizacji optycznej i akustycznej (odpowiednich sygnalizatorów umieszczonych na obudowie monitora).

Urządzenia mogą być wykorzystywane m.in.:

  • na przejściach granicznych drogowych, morskich i lotniczych,
  • w punktach kontrolnych elektrowni jądrowych, w przedsiębiorstwach przemysłu jądrowego, zakładach i magazynach produkcji zbrojeniowej,
  • przy wejściach do instytucji państwowych, banków, urzędów pocztowych itp.

Stacjonarny monitor promieniowania gamma i promieniowania neutronowego typu PM703AGN może być wykonany w dwóch wersjach:

  1. PM703AGN-1 – zawiera jedną kolumnę detekcyjną (MASTER) dozorującą strefę kontrolną w odległości do jednego metra od tej kolumny i o wysokości do dwóch metrów. Kolumna zawiera jeden detektor ­promieniowania gamma i jeden detektor promieniowania neutronowego (fot. 2).
  2. PM703AGN-2 – zawiera dwie kolumny detekcyjne (­MASTER i SLAVE) usytuowane naprzeciw siebie i dozorujące strefę kontrolną o szerokości do sześciu metrów i wysokości do dwóch metrów. Każda kolumna zawiera jeden detektor promieniowania gamma i jeden detektor promieniowania neutronowego.

Urządzenia są przystosowane do pracy w pomieszczeniach zamkniętych i otwartej przestrzeni.

fot3

Fot. 3. PM703AGN do kontroli osób na przejściu granicznym

 

fot4

Fot. 4. PM703AGN do kontroli bagaży

Informacje o stanie systemu (o przekroczonych progach alarmowania, uszkodzeniach etc.) mogą być sygnalizowane za pośrednictwem wyniesionego terminala kontrolnego stacjonarnych monitorów promieniowania TK-1 (fot. 5). Terminal kontrolny stacjonarnych monitorów promieniowania TK-1 jest niezależnym urządzeniem przeznaczonym do ­zdalnej współpracy ze stacjonarnym monitorem promieniowania. Do terminala mogą być transmitowane sygnały akustyczne i optyczne o poziomie promieniowania, wysokim i niskim poziomie promieniowania tła, uszkodzeniach oraz niektórych czynnościach obsługowych. Na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym (LCD) można obserwować na bieżąco zliczenia (impulsy na sekundę) poszczególnych detektorów oraz ich sumę, a także odczytać wszystkie informacje dotyczące stanu monitora. Wbudowana drukarka termiczna pozwala na drukowanie raportu w przypadku wystąpienia stanów alarmowych oraz w innych sytuacjach określonych przez użytkownika. Terminal jest wyposażony w pamięć pozwalającą na odtworzenie historii zdarzeń. Terminal kontrolny TK-1 może współpracować aż z 16 stacjonarnymi monitorami promieniowania jednocześnie (jeżeli jest taka potrzeba).

fot5

Fot. 5. Terminal kontrolny stacjonarnych monitorów promieniowania TK-1

W przypadku konieczności nadzorowania kilku (kilkudziesięciu, kilkuset) stacjonarnych monitorów promieniowania (oddalonych od siebie) można wykorzystać komputerowy system rejestracji i przeglądu zdarzeń radiacyjnych, które zostały zaobserwowane w miejscach zainstalowania urządzeń.

System RADIOMETRIA z kanałem wideo umożliwia:

  • monitorowanie stanu połączenia z monitorami włączonymi do systemu,
  • monitorowanie statusu działania monitorów,
  • rejestrowanie wszelkich zdarzeń sygnalizowanych przez monitory, a w szczególności stanów alarmowych,
  • gromadzenie danych opisujących wystąpienie alarmu gamma lub neutronowego w postaci formularza,
  • gromadzenie danych o działaniu systemu w bazie danych,
  • wykonywanie parametryzowanych raportów z danych zgromadzonych w bazie danych,
  • podgląd obrazów z kamer z poziomu komputera nadzorującego system,
  • rejestrację wideo w czasie trwania alarmu (z przeglądem wstecz),
  • przeglądanie zarejestrowanego materiału dotyczącego zdarzenia alarmowego,
  • wybór zdjęcia z zarejestrowanego materiału pokazującego obiekt powodujący alarm i wydrukowanie protokołu wraz z tym zdjęciem,
  • nadzór działania kamer (sprawdzanie, czy jest z nimi łączność).

System RADIOMETRIA uzyskał akceptację Komendy Głównej Straży Granicznej w Warszawie dotyczącą funkcjonalności, bezpieczeństwa, a także zgodności z ustawą o ochronie danych osobowych (integralność danych, przepływy danych między podsystemami, rozliczalność działań użytkowników, bezpieczeństwo dostępu do danych, uwierzytelnianie, prawa dostępu, konserwacja systemu).

VM250AGN

Stacjonarny monitor promieniowania gamma i promieniowania neutronowego VM250AGN (fot. 6) jest przeznaczony do wykrywania materiałów radioaktywnych i jądrowych, znajdujących się w pojazdach i obiektach (np. samochodach ciężarowych, autobusach, wagonach, kontenerach itp.) przemieszczających się przez strefę kontrolną (detekcyjną). Wymiary strefy kontrolnej oraz poziomy aktywności wykrywanego w niej promieniowania odpowiadają wymaganiom Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (IAEA) w Wiedniu oraz międzynarodowym normom.

fot6

Fot. 6. VM250AGN

Kontrola i sygnalizacja zadziałania odbywa się automatycznie, podobnie jak w przypadku PM703AGN.

Urządzenie może być wykorzystywane m.in.:

  • na przejściach granicznych (drogowych, kolejowych, morskich i lotniczych),
  • w punktach kontrolnych elektrowni jądrowych, ­przedsiębiorstwach przemysłu jądrowego, zakładach i magazynach produkcji zbrojeniowej, instytutach fizyki jądrowej,
  • w składowiskach odpadów materiałów promieniotwórczych, odpadów przemysłowych i komunalnych,
  • w punktach kontrolnych instytucji państwowych, banków, urzędów pocztowych itp.

Stacjonarny monitor promieniowania gamma i neutronowego typu VM250AGN zawiera dwie kolumny detekcyjne (MASTER i SLAVE) usytuowane naprzeciw siebie i dozorujące strefę kontrolną o szerokości do sześciu metrów i wysokości do czterech metrów. Każda kolumna zawiera dwa detektory promieniowania gamma i dwa detektory promieniowania neutronowego (po dwa liczniki helowe). Urządzenie jest przystosowane do pracy w otwartej przestrzeni.

Podobnie jak PM703AGN, stacjonarne monitory promieniowania VM250AGN mogą współpracować z terminalami kontrolnymi stacjonarnych monitorów promieniowania TK-1 oraz komputerowym systemem nadzoru i wizualizacji RADIOMETRIA.

VM250AG/09Z

Stacjonarny monitor promieniowania gamma typu VM250AG/09Z (fot. 7) jest przeznaczony do wykrywania materiałów radioaktywnych w pojazdach ciężarowych oraz wagonach kolejowych przemieszczających się przez strefę kontrolną.

fot7

Fot. 7. VM250AG/09Z

Kontrola odbywa się automatycznie, podczas przejazdu pojazdów przez strefę kontrolną. Przekroczenie ustalonego progu alarmowego powoduje uruchomienie sygnalizacji optycznej i akustycznej.

Urządzenie jest przeznaczone do stosowania:

  • w zakładach handlu i przerobu złomu,
  • w hutach,
  • na składowiskach odpadów.

Stacjonarny monitor promieniowania gamma typu VM250AG/09Z zawiera dwie kolumny detekcyjne (MASTER i SLAVE) usytuowane naprzeciw siebie i dozorujące strefę kontrolną.

Każda z kolumn zawiera po dwa detektory gamma o wielkiej objętości i specjalnej konstrukcji dostosowanej do wykrywania źródeł promieniotwórczych  ekranowanych przez złom metali.

Wymagania Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej w Wiedniu oraz norm międzynarodowych określają minimalne poziomy aktywności wykrywanych źródeł promieniowania dla strefy kontrolnej o standardowych wymiarach: 6 x 4 [m] (szerokość x wysokość). W strefie kontrolnej o innych wymiarach poziomy aktywności wykrywanych źródeł będą się zmieniały z kwadratem odległości między kolumnami MASTER i SLAVE. Przy odległości 3 m urządzenie może wykryć źródło promieniowania o aktywności 4-krotnie mniejszej, a przy odległości 12 m – 4-krotnie większej od aktywności ustalonej dla szerokości 6 m. Dlatego zaleca się jak najmniejszy odstęp między kolumnami (już od 3 m). Maksymalny odstęp nie powinien przekraczać 7–8 m.

Charakterystyczne dla tego typu monitorów jest to, że zawierają one tylko kanał detekcji promieniowania gamma. Jest on jednak znacznie bardziej czuły niż w przypadku pozostałych typów urządzeń, wymienionych wcześniej. Jest to związane ze znacznie zwiększoną objętością czynną ­detektorów, ­która dla pojedynczego detektora wynosi 14 100 cm3 (to ­niemal trzykrotnie więcej niż w przypadku detektorów monitorów PM703AGN i VM250AGN).

Podobnie jak opisane wcześniej urządzenia, ­VM250AG/09Z współpracuje z terminalem TK-1 oraz systemem RADIOMETRIA.

Jeżeli nastąpi wykrycie materiałów promieniotwórczych/skażonych izotopami promieniotwórczymi, dotyczyć będzie ono całego pojazdu wraz z transportowanym ładunkiem czy też człowieka oraz jego bagażu.

Aby móc skutecznie wyselekcjonować skażony element lub partię materiału, należy wykorzystać ręczne urządzenia, przeznaczone do poszukiwania, lokalizacji, a także identyfikacji materiałów promieniotwórczych. Najpopularniejszą grupą tego typu urządzeń są ręczne monitory ­promieniowania ­gamma lub gamma i neutronowego.

Te, które ­występują w Polsce w największej liczbie to m.in. ręczny monitor promieniowania gamma PM-1401/1401M (fot. 8), ręczny monitor promieniowania gamma i neutronowego PM-1401GN (fot. 9) oraz wielofunkcyjny monitor promieniowania/spektrometr z funkcją identyfikacji izotopów PM-1401K. Każde z tych urządzeń pozwala na dokładne sprawdzenie transportu w celu odseparowania skażonego elementu.

fot9

Fot. 8. PM-1401GN

fot8

Fot. 9. PM-1401M

Realizowanie rozbudowanego i kompleksowego systemu kontroli ruchu osób i towarów na granicach Polski oraz na składowiskach złomu czy odpadów znacząco ograniczyło ilość przypadków wwożenia na teren naszego kraju materiałów skażonych promieniotwórczo, czy też, w przypadku hut, przerobu skażonego materiału wsadowego.

Ciągłe prace badawczo-rozwojowe, które prowadzone są w POLON-ALFA, powodują, że poziom techniczny urządzeń, zaimplementowane algorytmy detekcji sytuują opisane powyżej urządzenia w światowej czołówce tego typu rozwiązań.

mgr inż. Mariusz Radoszewski
Polon-Alfa

Literatura

  1. W. J. Price Detekcja promieniowania jądrowego. Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Warszawa 1960 r.
  2. B. Gostkowska, Wielkości, jednostki i obliczenia stosowane w ochronie radiologiczne. Centralne Laboratorium Ochrony Radiologicznej, Warszawa 1991 r.
  3. Ustawa Prawo atomowe z dnia 29.11.2000 r. z późniejszymi zmianami.
  4. Rozporządzenie Rady Ministrów w sprawie odpadów promieniotwórczych i wypalonego paliwa jądrowego z dnia 03.12.2002 r.
  5. A. Piliszczuk Metody detekcji promieniowania jonizującego, POLON-ALFA, Bydgoszcz, 2005.

Zabezpieczenia 3/2010

Wszelkie prawa zastrzeżone. Kopiowanie tekstów bez zgody redakcji zabronione / Zasady użytkowania strony