авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

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

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

СОЛОВЬЕВА Светлана Леонидовна

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И

МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ГАММА-СПЕКТРОВ.

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Автор:

Москва - 2008

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском инженерно-физическом институте (государственном университете) и в Лаборатории Спектрометрии и Радиометрии (ООО «ЛСРМ»).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, Улин Сергей Евгеньевич, МИФИ, г. Москва
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Пятков Юрий Васильевич, МИФИ, г. Москва доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Лаборатории нейтронной физики, Лущиков Владислав Иванович, ОИЯИ, г. Дубна
Ведущая организация: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Научный Центр Российской Федерации - Институт Теоретической и Экспериментальной Физики", г. Москва

Защита состоится «29» октября 2008 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.130.07 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, дом 31, тел. 324-84-98, 323-92-51

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан « 18 » сентября 2008г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук С.Е.Улин

Общая характеристика работы.

Актуальность темы.

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.

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 измерения; модельные спектры лишены неконтролируемых аппаратурных эффектов, с другой стороны эти эффекты могут быть наложены контролируемым образом; можно промоделировать спектры для источников с произвольным точно заданным радионуклидным составом и активностью, чего нельзя сказать о реальных образцах; единообразно 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 режиме реального 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 в систему требуемых справочных ядерно-физических данных и программных компонентов, реализующих соответствующие алгоритмы, 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 заключается в следующем:

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 расчета активности сложного радионуклидного образца 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-1С/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





Вклад автора. Автором лично были разработаны структура и логика программно-информационной системы «ГаммаЛаб», схема моделирования спектров, базы ядерно-физических данных, проведена интеграция модулей в систему. Автор является основным разработчиком приложений Тренажер-эмулятор и «Нуклид Мастер». Автором лично проведены модельные и реальные эксперименты с детекторами полупроводниковым СКС-50М, сцинтилляционным Гамма-1С/NB1 и детектором на основе сжатого ксенона.

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-1С/NB1. 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 ENSDF,
  • 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.

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 [1-8], из них 3 статьи в реферируемых журналах.

Структура и объем 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность создания инструмента для моделирования гамма-спектрометрических экспериментов, сформулированы цели и задачи работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится обзор существующих справочных данных по параметрам радиоактивного распада и сечениям взаимодействия гамма-излучения с веществом, а также численных методов расчета, описывающих перенос излучения в веществе.

Наиболее полная информация о ядерной структуре и распадах (в настоящий момент до A 293) содержится в библиотеке ENSDF, которая поддерживается национальным центром ядерных данных в Брукхейвенской национальной лаборатории. Данные представлены в виде общедоступных, постоянно обновляемых и корректируемых компьютерно - ориентированных файлов и содержат все необходимые данные по распаду ядра.

На сегодняшний день существует целый ряд данных по сечениям взаимодействия гамма-излучения с веществом, как в печатном, так и в электронном виде. Одной из самых известных и широко используемых, в том числе и при составлении других библиотек и программ расчета, является программа XCOM. С ее помощью могут быть получены сечения и коэффициенты поглощения для элементов с 1 по 100 в диапазоне энергий от 1 кэВ до 100 ГэВ.

Пространственное, энергетическое и угловое распределения излучения определяются решением уравнения переноса излучения. Для реальной трехмерной геометрии коэффициенты этого уравнения являются весьма сложными функциями энергии и пространственных координат. Поэтому для таких задач абсолютно точное решение практически невозможно. Среди численных методов только Монте-Карло позволяет моделировать процесс транспорта частиц в произвольной трехмерной геометрии с учетом основных типов взаимодействия гамма-излучения с веществом.

Во второй главе рассматриваются принципы моделирования спектров, структура и логика построения системы «ГаммаЛаб», ее базовые информационные и программные компоненты.

Как известно, наиболее общая связь между естественным спектром, описываемым функцией , и аппаратурным спектром дается интегральным уравнением Фредгольма 1-го рода:. (1)

Ядро уравнения дает вероятность того, что частица с истинной энергией E зарегистрируется прибором как частица с энергией .

Предположив, что в случае монохроматического излучения с энергией Е0 ядро может быть представлено как свертка компонентов, описывающих физический спектр и его уширение под воздействием аппаратурных эффектов, можно представить функцию отклика детектора на монохроматическое излучения как умноженную на эффективность регистрации свертку функции , описывающей вероятность передачи чувствительному объему детектора энергии при попадании в него частицы с энергией Е0, и функции для учета энергетического разрешения спектрометра .

. (2)

Поскольку каждая из функций D, G, зависит от углового и пространственного распределения регистрируемого излучения, вводится оценка по взаимодействию для определения вклада в суммарный поток тех частиц, которые провзаимодействовали в чувствительном объеме детектора. Данная оценка определяется следующим образом:

, (3)



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.