В предыдущих частях данной статьи речьшла о повышении эффективности рабо-ты мониторов с пластиковыми детекто-рами за счет использования нового алгоритмаи схемотехнических решений. Несмотря на то,что в результате их применения монитор сталспособен обнаруживать радиоактивные матери-алы с активностью в три–четыре раза мень-шей, а также верифицировать искусственные иестественные изотопы при выполнении усло-вий по максимальному числу ложных срабаты-ваний, существует возможность дальнейшегоулучшения этих показателей за счет установкина детекторы дополнительных свинцовых кол-лиматоров [1]. Суть использования коллимато-ров в мониторах с пластиковыми детекторамизаключается в том, что срабатывание такихмониторов происходит в мо-мент превышения скоростисчета над величиной уста-новленного порога, который,как правило, рассчитываетсяв единицах среднеквадратич-ного отклонения или сигмадля естественного фона. Оче-видно, что чем выше уровеньфона, тем больше величинасигма. Так как активностьрадиоактивного источника яв-ляется постоянной величиной,так же как и его «чистая»скорость счета для данно-го монитора, то в единицахсигма фона этот же источ-ник может быть обнаруженпри одном уровне естествен-ного фона или не обнаруженпри другом. Иначе говоря,чем выше фон, тем меньшевероятность обнаружения дан-ного источника излучения. Идело даже не в том, в какихединицах мы измеряем порогисрабатывания или активностьизотопов, а в том, что привысоком уровне фона «голос»изотопа плохо различим. Этокак услышать писк комара нафоне работающего двигателясамолета. По этой причинеочевидным путем решенияпроблемы являются мерыпо снижению «шума» илив данном случае фона. Соб-ственно говоря, практическивсе мониторы с пластиковымидетекторами имеют свинцовыйколлиматор, который закры-вает детектор со всех сторон,кроме лицевой. Это позволяетуменьшить фон вдвое и темсамым повысить вероятностьобнаружения источника из-лучения. Рассмотрим теперьвозможность установки до-полнительных коллиматоровс тем, чтобы еще в большейстепени снизить скоростьсчета на фоне. Прежде всего,предположим для простоты,что коллиматор непроницаемдля гамма-излучения.Скорость счета детекто-ра на фоне можно оценитьиз рис.1:BG ~ 1 – (2 ⋅ arctg j)§p,где: BG – скорость счетана фоне.При этом следует учесть,что первоначальный фон былуже снижен вдвое за счет по-крытия свинцом всех сторондетектора, кроме лицевой.Несмотря на то, что этаРис.1.Коллиматор,вид сверху.h – ширинаколлиматора,L – ширинадетектора.Рис.2. Коллиматор с вертикальными стенками.h – ширина стенки коллиматора; L – ширина детектора; H – расстояниеот детектора до линии движения источника через зону контроля; R1 иR2 ограничивают часть детектора, которая «видима» источником излуче-ния в точке I; R0 – максимальное расстояние от источника до детектора,с которого детектор начинает «видеть» источник; ab – расстояние от цен-тральной оси детектора до точки, с которой детектор начинает обнаружи-вать источник; ac – расстояние от осевой лини центра детектора до точкивключения детектора присутствия; в точке f детектор полностью открытдля излучения источника.38 АНРИ / № 1 (108) 2022/ НАУЧНЫЕ СТ АТЬИ /формула весьма приблизи-тельна, результат прямогоизмерения для коллиматораразмером 14 см и детекторашириной 15,2 см (данныедля детектора VM-250) по-казал значение нового фона0,52 от начального, а рас-чет – 0,526.Как видно из рис.2, кол-лиматор существенно огра-ничивает угол зрения детек-тора за время прохожденияисточника от момента вклю-чения детектора присутствияи, соответственно, уменьшаетвремя набора статистики.На рис.3 приведена зависи-мость средней скорости счетаот размеров коллиматора.Как видно из рис.3, средняяскорость счета детекторав диапазоне размеров стенкиколлиматора 1–20 см снижа-ется почти в четыре раза и,казалось бы, что при этомвероятность обнаружениярадиоактивного источникатакже будет значительноменьше той, которой облада-ет монитор без коллиматора.Однако при отсутствииколлиматора, хотя детекторначинает реагировать на по-явление источника сразу жепосле включения детектораприсутствия (рис.2, зеленыйпунктир), расстояние в этомслучае существенно большетого, на котором начинаетреагировать детектор с колли-матором. А поскольку ско-рость счета обратно пропор-циональна квадрату рас-стояния, то в зависимостиот размеров коллиматора ирасстояния между стойкамимонитора разница в среднейза проезд скорости счетаможет существенно отли-чаться, и при определенныхусловиях ее значения могутбыть достаточно невелики.В то же время ограничениеколлиматором угла обзоравлияет на профиль скоростисчета. Это, в свою очередь,значительно увеличиваетразличие между профилемточечного и распределенно-го источника. Коэффициентнеравномерности профилядля точечного источникаувеличивается до 5–6, а дляраспределенного снижаетсядо 1,2–1,3. По этой причинеупрощается верификация ис-кусственных и естественныхрадионуклидов (ЕРН) [2].Следует также отметить важ-ное достоинство коллиматора.Как известно, особое внима-ние служб, ответственныхза радиационный контрольна границах государств, при-влечено к предотвращениюнезаконного перемещенияоружейных или специальныхядерных материалов (СЯМ).Эти материалы (уран-235и плутоний-239) являютсяисточниками гамма-излу-чения энергии в диапазоне100–400 кэВ. В этой областиэнергий коэффициент ос-лабления гамма-излученияимеет значения от 60 для100 кэВ и до 3 для 400 кэВ.Следовательно, наибольшееподавление фона свинцо-вым коллиматором придетсяна первые два низкоэнергети-ческих окна, что существенноповышает вероятность обна-ружения СЯМ и снижает ихминимально обнаруживаемуюактивность (МОА).Для того, чтобы сохранитьдостоинства коллиматора иуменьшить его недостатки,можно использовать колли-Рис.3. Зависимость средней скорости счета от размеров коллима-тора. Ось Y – средняя скорость счета монитора, ось Х – размерыколлиматора в см.АНРИ / № 1 (108) 2022 39/ НАУЧНЫЕ СТ АТЬИ /маторы со стенками, откло-ненными на определенныйугол. Естественно, что длинастенки в этом случае должнабыть увеличена с тем, чтобысохранить величину подавле-ния фона. На рис.4 приведе-но изображение коллиматорасо стенками, отклоненнымиот вертикали на угол j.Как видно из рис.4, несмо-тря на то, что оба коллимато-ра начинают «видеть» детек-тор в одной и той же точкеb, полностью детектор отрытдля коллиматора с наклон-ными стенками заметно рань-ше – в точке f1, и чем большеугол j, тем расстояние af1будет больше расстояния af.Соответственно, увеличит-ся время набора статистикискорости счета и взрастетвероятность обнаруженияисточника излучения. В тоже время коэффициентынеравномерности профилейскорости счета для точечногоисточника снизятся, а дляраспределенного источникавозрастут. Хотя и в этомслучае разница между нимибудет заметно больше, чемдля детектора без коллима-тора. Для того, чтобы оце-нить эффект коллиматоровсо стенками с наклоном отнуля до 20°, использоваласьпростая программа, создан-ная автором на Фортране-3для решения уравнений, опи-сывающих движение точеч-ного источника. Предполага-лось, что стенки коллиматоранепроницаемы для гамма-излучения всех энергий.Расстояние между стойкамипринималось равным 4,5 м,что соответствовало размерамзоны контроля на месте ин-сталляции монитора VM‑250на площадке компанииTSA Systems (впоследствииRapiscan Systems). Детек-тор присутствия срабатывална расстоянии 3 м от центрадетектора. Эти данные ис-пользовались для проведенияоценочных расчетов и иссле-дования влияния на срабаты-вание таких параметров, какразмеры коллиматора и уголотклонения его стенок от вер-тикали, а также от расстояниямежду стойками монитора.После выполнения расчетовбыли проведены прямые из-мерения, результаты которыхбудут приведены ниже.На рис. 5, 6, 7 приведенызависимости средней скоростисчета в условных единицахдля коллиматора с верти-кальными стенками шириной14 см (в соответствии с раз-мерами стандартного колли-матора монитора VM‑250)при ширине детектора 15,2 сми трех значениях угла j: 10°,15° и 20°. Ширина колли-матора была в этом случаеравна 16,9, 19,2 и 22,4 смсоответственно. На оси Yдля всех рисунков – скоростьсчета монитора, на Х – рас-стояние в см от точки сраба-тывания детектора присут-ствия до центра монитора.Из рис. 5, 6, 7 видно, чтопри увеличении угла стенокколлиматора точка срабаты-вания монитора смещаетсяв сторону детектора без кол-лиматора. Следует отметить,что чем ниже порог срабаты-Рис.4. Коллиматор со стенками, отклоненными от вертикалина угол j.h* – новый размер стенки коллиматора; h* = L⋅cos b §cos (j + a), где b –угол ebg, a – угол beg; f и f1 – точки, в которых детектор полностьюоткрыт источнику излучения.f f1h*40 АНРИ / № 1 (108) 2022/ НАУЧНЫЕ СТ АТЬИ /вания или чем выше актив-ность источника излучения,тем с большего расстоянияпроисходит срабатываниемонитора, и, в связи с этим,угол наклона может бытьуменьшен. Кроме этого, рас-четы и прямые измерения по-казали, что нет смысла в уве-личении угла наклона стенокболее 20°, так как те источни-ки, которые использовалисьпри прямых измерениях, атакже источники с МОА, под-лежащие обнаружению приугле 22–23°, обнаруживалисьс такого же расстояния, какдетекторы без коллиматора.Исключение составили низ-коэнергетические источникитипа Am-241 и Co-57. Однакоувеличение наклона стенокприводит к увеличению раз-меров коллиматора, что мо-жет быть ограничено внутрен-ними размерами корпусовмонитора.В табл.1 приведены резуль-таты расчета минимальногорасстояния обнаруженияисточников излучения в за-висимости от размеров кол-лиматора и угла наклона егостенок. При этом расстояниеобнаружения для детекторовбез коллиматора составило2,1 м при расстоянии источ-ника до монитора при входев зону контроля 3 м.Монитор с коллиматоромобнаруживал данный источ-ник в 87% проездов.Расстояние между стойка-ми монитора зависит от ус-ловий места инсталляции.В большинстве случаев оносоставляет 6 м. В некото-рых случаях это расстояниеможет быть больше, вплотьдо 8 м, а в других заметноменьше – до 4 м. Очевидно,что вероятность обнаруженияодних и тех же источниковРис.5. Угол 10 градусов.Рис.6. Угол 15 градусов.Рис.7. Угол 20 градусов.угол не равен 0нет коллиматорапорог срабатыванияугол равен 0АНРИ / № 1 (108) 2022 41/ НАУЧНЫЕ СТ АТЬИ /монитором со стойками, уста-новленными на различномрасстоянии друг от друга,будет заметно отличаться.Также отличается расстоя-ние обнаружения источниковизлучения. На рис.8 приве-дена зависимость расстоя-ния обнаружения источникаизлучения от расстояниямежду стойками в диапазоне4–7 м для детекторов без кол-лиматора, с коллиматоромс вертикальными стенками иотклоненными на 10°, 15° и20°. Результаты для угла 20°приведены для демонстрациитого, что на определенномрасстоянии между стойкамирасстояние обнаружения ста-новится практически равнымдетектору без коллиматора, идальнейшее увеличение угланецелесообразно.Выбор расстояния междустойками монитора, какправило, диктуется усло-виями места инсталляции.Возможности измененияэтого расстояния весьмаограничены. Однако следуетотметить важную особен-ность использования мони-торов с точки зрения выбораэтого расстояния. Как видноиз табл.1, для коллиматора14 см расстояние обнаруже-ния составляет около 90 смдо центра детектора. Иначеговоря, источник «виден» де-тектору на общей дистанции1,8 м. Скорость движениятранспортного средства череззону контроля, как правило,ограничена. В большинствестран это 5 км§ч, в некото-рых – 5 миль§ч. Если взятьпервое значение скорости, тоэто приблизительно 1,4 м§с.Следовательно, в данномслучае детектор будет на-ходиться под воздействиемизлучения источника 1,3 с.Даже если учесть рассеяние ичастичное отражение излуче-Табл.1. Зависимость минимального расстояния обнаружения источника излучения от размеровколлиматора и угла наклона его стенок.Колл., см10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20Угол, град.0 110 104 97,8 92,8 87,8 82,8 78,8 74,8 71,8 67,8 64,85 118 112 106 101 96,7 91,7 87,8 84,5 81,6 77,8 7510 125 120 115 109 105 101 96,8 93,5 90,6 86,8 8415 133 128 123 118 115 111 107 103 99,6 96,8 9420 142 137 132 128 125 121 117 114 111 108 105Фон*,% 63 60,1 57,5 55 52,6 50,4 48,4 46,4 44,6 43,1 41,4* Скорость счета в процентах от фона для монитора без коллиматоров.Красным цветом выделен стандартный размер коллиматора монитора VM-250. Прямые измерения с источником Со-57активностью 9 мКи дали следующие результаты:- детектор без коллиматора, расстояние обнаружения – 122 см*;- детектор с коллиматором с вертикальными стенками, расстояние обнаружения – 90 см;- детектор с коллиматором с углом 10° **, расстояние обнаружения – 110 см.* Без коллиматора данный источник был обнаружен в 48% проездов.** 10° – предельный угол по ограничениям внутренних размеров стойки монитора.Рис.8. Зависимость расстояния обнаружения источникаот расстояния между стойками.Ось Y – расстояние обнаружения источника, ось Х – дистанция между стойка-ми (одно деление равно 0,25 м, точка 1 соответствует дистанции 4 м, точ-ка 13 дистанции 7,25 м).42 АНРИ / № 1 (108) 2022/ НАУЧНЫЕ СТ АТЬИ /ния, вряд ли время превыситполторы секунды. Достаточноли этого для обнаруженияисточника? Если расстояниемежду стойками будет 6 м,то расстояние обнаруже-ния увеличится до 1,25 м,а дистанция до 2,5 м соот-ветственно. Следовательно,время также возрастет почтивдвое. Но не стоит забывать,что при увеличении расстоя-ния от источника до детекто-ра в 1,3 раза интенсивностьизлучения на поверхностидетектора упадет почти в 1,7раза. Если же при расстояниимежду стойками 4,5 м уве-личить угол наклона стенокколлиматора, то можносохранить уровень интенсив-ности излучения, а при этомувеличить расстояние обнару-жения. Так, при угле 50° раз-мер коллиматора буде равен15,3 см, расстояние обнару-жения – почти метр, а дис-танция – 2 м. Если же уголнаклона будет 100°, размерколлиматора составит 17 см,расстояние обнаружения –1,2 м и дистанция – 2,4 м.Иначе говоря, в зависимостиот условий инсталляции,требований по обнаружениюМОА источников излученияможно выбрать оптимальныеразмеры коллиматора и уголнаклона его стенок.Эффект использованиясвинцовых коллиматоровдля пластиковых детекторовмонитора VM-250 можновидеть в табл. 2 и 3. Резуль-таты получены в стационар-ном режиме работы мониторадля «чистой» скорости счета,когда из суммарной скоростивычитался естественный фон.Время измерения фона иисточников – 10 мин.Как видно из табл.3, кол-лиматор позволяет существен-но повысить эффективностьмонитора и в разы снизитьвеличину МОА. Естествен-но, что данные результатыполучены в стационарном ре-жиме, и в динамическом оназаметно возрастет. Однакоследует учесть, что естествен-ный фон на площадке, гдебыли установлены мониторыи производилась большаячасть измерений, был почтив два раза выше его значенийна уровне моря. Тем не ме-нее, монитор с коллимато-рами и новым алгоритмом ив этих условиях, безусловно,удовлетворил бы требованиямМАГАТЭ с большим запасом.Аналогичный эффект исполь-зования коллиматора можнонаблюдать при естествен-ном фоне на уровне моря.Скорость счета, имп§с 1 окно 2 окно 3 окно 4 окно СуммаБез коллиматора 1041 1619 962 780 4402Сигма 32 40 31 28 66С коллиматором 540 850 560 350 2300Сигма 23 29 24 19 48Подавление фона – 0,522.Табл.3. Активность изотопов в единицах сигма.Сигма (0) – сигма полной скорости счета для традиционного алгоритма.Сигма (1) – сигма по окнам без коллиматора.Сигма (2) – сигма по окнам с коллиматором 14 см.Изотопы Активность Сигма (0) Сигма (1) Сигма (2)Co-57 5 мКи (137 имп§с) 2,1 4,3 5,9Ba-133 5 мКи (348 имп§с) 5,6 8,7 12Ва-133 3 мКи (210 имп§с) 3,2 5,2 7,2Cs-137 5 мКи (270 имп§с) 4,1 6,7 9,1Со-60 4 мКи (295 имп§с) 4,4 10,5 15Табл.4. Скорости счета и сигма по шести окнам.Скорость счета, имп§с 1 окно 2 окно 3 окно 4 окно 5 окно 6 окно СуммаБез коллиматора 596 745 359 185 63 90 2040Сигма 24 27 19 14 8 9,5 45С коллиматором 337 495 245 153 52 76 1360Сигма 18 22 15,6 12 7 8,7 37Скорость счета на фоне 66% от его значения без коллиматора.Табл.2. Скорости счета и сигма по окнам.АНРИ / № 1 (108) 2022 43/ НАУЧНЫЕ СТ АТЬИ /В табл.4 приведены данныемонитора VM-250 для ше-сти окон без коллиматора ис коллиматором 9,5 см.Очевидно, что в этих усло-виях значения МОА меньше,чем для более высокого фона,и эффект использования кол-лиматора с новым алгорит-мом позволяет существенноповысить вероятность обнару-жения источников излученияс активностью много меньшерекомендованной МАГАТЭ(см. часть 3 данной статьи).После установки коллима-тора на все четыре детекторамонитора VM-250 с четырь-мя энергетическими окнамибыли проведены измеренияс различными источникамиизлучения на фоне, соответ-ствующем высоте над уров-нем моря 1600 м. Источникиразмещались в транспорте,обеспечивающем максималь-ное подавление естествен-ного фона 15–16 сигма.Во всех случаях они былиобнаружены в 100% проез-дов, за исключением Со-57активностью 9 мкКи, кото-рый был обнаружен в 85%проездов и Со-60 активно-стью 4 мкКи, который былобнаружен в 87% проездов.На уровне моря Со-57 актив-ностью около 5 мкКи былобнаружен в 92% проездов иСо-60 активностью 2 мкКив 88% проездов, а с активно-стью 3 мкКи в 100% про-ездов. В этих измеренияхмаксимальное подавлениеестественного фона состав-ляло 7–10 сигма. Следуетотметить, что в этом случаерасстояние между стойкамибыло почти 6,5 метра, в товремя как на американскойплощадке оно было рав-но 4,5 метра. Ни в одном,ни в другом случае при про-езде транспорта без источни-ков не было ни одного лож-ного срабатывания монитора.ЗаключениеПодводя итог четвертойчасти и всей статьи в целом,можно отметить следующее.Модернизация уже инсталли-рованных мониторов с де-текторами на основе пла-стиковых детекторов за счетиспользования новой элек-троники, алгоритма на основеметода энергетических окон идополнительных свинцовыхколлиматоров позволяет полу-чить новое качество – возмож-ность не только обнаруживатьисточники гамма-излученияс активностью много меньшей,чем указано в рекомендацияхМАГАТЭ и в национальныхстандартах, но и верифициро-вать искусственные изотопыот естественных. И хотя такиемониторы способны верифи-цировать лишь отдельныерадионуклиды, а не их смеси,по многим своим параметрамони близки к спектрометриче-ским.