Регистрация / Вход
Прислать материал

"Создание нового поколения спектрометрических приборов измерения ионизирующих излучений и дозиметрического контроля и систем жизнеобеспечения спецобъектов с ядерными реакторами на их основе»

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0050
Организация
ЮЗГУ
Руководитель работ
Дрейзин Валерий Элезарович

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
15.06.2009 - 15.12.2009
1. Проведен аналитический обзор современных методов и средств измерения ионизирующих излучений и дозиметрического контроля.
2. Проведены патентные исследования.
3. Определены и обоснованы перспективные направления проведения НИР, которые заключаются в разработке нового подхода к созданию спектрометра нейтронного излучения, с использованием набора детекторов с различными характеристиками спектральной чувствительности и вычислительным восстановлением энергетического спектра измеряемого излучения с помощью искусственной нейронной сети, обучение которой должно проводится на имитационной моделирующей системе, а также в применении более совершенных и гибких алгоритмов измерений, новейшей элементной базы и современных схемотехнических решений при разработке нового поколения радиометрических приборов и систем.
4. Проведена систематизация энергетических спектров ионизирующих излучений в различных зонах ядерных реакторов и излучений радиоизотопных источников с целью дальнейшего создания системы имитационного моделирования спектрометрических измерений нейтронного излучения.
5. Проведены поиск и систематизация спектральных характеристик чувствительности различных детекторов ионизирующих излучений с целью дальнейшего создания системы имитационного моделирования спектрометрических измерений нейтронного излучения.
6. Проведена оценка возможности создания испытательного стенда для экспериментального исследования спектральных характеристик детекторов нейтронного излучения на базе экспериментально-метрологической лаборатории Курского завода «Маяк», найдены организации, занимавшиеся подобными работами.
  7. Проведены поиск и систематизация спектральных характеристик чувствительности различных детекторов ионизирующих излучений различных видов. Проведены оценка возможности создания испытательного стенда для экспериментального исследования таких характеристик и поиск организаций, располагающих подобным оборудованием.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ПРОМЕЖУТОЧНОМ ЭТАПЕ № 2
Математическое моделирование потоков ионизирующих излучений различных видов и спектральных характеристик чувствительностей различных детекторов
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 15 июня 2009 г. № 02.740.11.0050.


Шифр: « 2009-1.1-226-012-009 »
Период выполнения этапа С 1 января 2010 г. по 30 июня 2010 г.
Исполнитель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Курский государственный технический университет, г. Курск
Цель работы Создание научных основ для разработки нового поколения интеллектуальных спектрометрических приборов для измерения ионизирующих излучений и дозиметрического контроля, а также высоконадёжных систем жизнеобеспечения спецобъектов, в том числе и с ядерными реакторами. Кроме того, выполнение НИР обеспечит подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, в том числе подготовку молодыми сотрудниками научно-образовательного центра двух докторских и не менее четырёх кандидатских диссертаций.


1. Наименование разрабатываемой продукции
- Научные основы и методики математического моделирования энергетических спектров ионизирующих излучений различных видов от различных источников (включая различные зоны ядерных реакторов и радиоизотопные источники ионизирующих излучений).
- Научные основы и методики математического моделирования спектральных энергетических характеристик детекторов ионизирующих излучений различных видов.
- Методики обучения искусственных нейронных сетей для математического восстановления энергетического спектра измеряемого излучения по показаниям многодетекторного блока детектирования с детекторами с различными энергетическими характеристиками.
- Экспериментальный образец универсального радиометра-дозиметра ионизирующих излучений различных видов с комплектом блоков детектирования (взамен радиометра-дозиметра МКС-02СМ).
- Экспериментальный образец радиометра загрязнённости поверхности с комплектом блоков детектирования альфа-, бета- и гамма-излучения (взамен прибора РЗС-09С).
- Принципиальные схемы и алгоритмы работы спектрометрического радиометра-дозиметра нейтронного излучения с вычислительным восстановлением энергетического спектра измеряемого потока нейтронов и его учётом при определении интегральной плотности потока и амбиентного эквивалента поглощённой дозы.
- Экспериментальный образец интеллектуального блока детектирования гамма-излучения для систем жизнеобеспечения спецобъектов (взамен блока детектирования БДРГ-34).
- Концептуальное решение, принципмальные схемы и алгоритмы работы интеллектуального устройства детектирования для измерения объёмной активности бета-активных аэрозолей в воздухе вентиляционных коммуникаций и рабочих помещений при наличии внешнего гамма-фона для систем жизнеобеспечения спецобъектов (взамен устройства детектирования УДАБ-06С).
- Архитектура, основные алгоритмы функционирования и интерфейсы высоконадёжных систем жизнеобеспечения спецобъектов ответственного назначения (в том числе оснащённых ядерными реакторами)
- Отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции (не более 2 стр.)
2.1. Результаты работы на втором промежуточном этапе:
Разработаны программные средства для имитационного моделирования нейтронных потоков с различными формами энергетических спектров, рассмотрены принципы моделирования ионизирующих излучений других видов (альфа-, бета-, протонного и гамма-излучения).
С помощью созданных программных средств сформирована база данных имитационных моделей потоков ионизирующих излучений различных видов с различными формами энергетических спектров, включающая 1350 реализаций нейтронных потоков полученных по 45 базовым спектрам от различных источников, а также представлены дискретные спектры гамма-излучения основных радионуклидов, образующихся при работе ядергых реакторов.
Разработаны программные средства для имитационного моделирования спектральных характеристик детекторов нейтронного излучения с помощью которых получены имитационные модели каналов измерения плотностей тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов блока детектирования БДКС-05С.
Разработаны программные средства для оценочного расчёта спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов различных типов с различной толщиной сцинтилляторов и с их использованием построены семейства этих характеристик для отобранных типов сцинтилляторов.
С помощью разработанных программных средств создана база данных спектральных характеристик детекторов нейтронного излучения.
С использованием созданных баз данных имитационных моделей потоков ионизирующих излучений с разнообразными по форме энергетическими спектрами и спектральных характеристик детекторов сформированы обучающая и проверочная выборки имитационных моделей выходных сигналов детекторов, по которым на следующем этапе будет проводиться обучение нейронных сетей, предназначенных для вычислительного восстановления спектров измеряемых потоков.
Проведена разработка методик и необходимой оснастки для получения опорных нейтронных полей с различными формами энергетического спектра на базе установки УПНД-1 с образцовыми источниками быстрых нейтронов на базе экспериментально-метрологической лаборатории Курского завода «Маяк».
Рассмотрены возможные пути экспериментального измерения и теоретического расчёта трансформации энергетического спектра нейтронов при прохождении через замедлители нейтронов различной толщины.
2.2. Новизна применяемых решений в сравнении с другими работами, родственными по тематике и целевому назначению и определяющими мировой уровень.
Конечным практическим результатом данной работы (с учётом последующего проведения ОКР, которые в данную тему не входят) должно стать создание нового поколения промышленных приборов для спектрометрических измерений ионизирующих излучений. Принципиальной новизной здесь характеризуется предлагаемый новый подход к созданию многодетекторного спектрометра нейтронного излучения с автоматическим вычислительным восстановлением энергетического спектра измеряемого излучения по выходным сигналам детекторов с различными спектральными характеристиками с применением искусственных нейронных сетей. На данный способ и реализующее его устройство получен патент на изобретение № 2390800 с приоритетом от 16.04.2008 «Способ и устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потока нейтронов». В отличие от существующих методов спектрометрических измерений нейтронного излучения, которые, по существу, являются лабораторными и требуют громоздких и длительных процедур с последующим обсчётом полученных результатов измерений на ЭВМ, предлагаемый способ позволит производить измерение спектров в реальном масштабе времени. В основном, именно для реализации этой идеи и выполнялись работы настоящего этапа, связанные с подготовкой к созданию системы имитационного моделирования для обучения искусственной нейронной сети решению задачи вычислительного восстановления спектра нейтронного излучения. Эти работы отражёны во всех 6 разделах представленного научно-технического отчёта.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Главной задачей отчётного этапа было проведение необходимых исследований и работ, во-первых, для подтверждения эффективности предлагаемого подхода путём имитационного моделирования, во-вторых, для сбора, наработки и систематизации фактического материала по литературным источникам и результатам собственных исследований разработки вышеназванной системы имитационного моделирования и, в-третьих, для написания монографии «Спектрометрические измерения нейтронного излучения» и учебного пособия по спецкурсу для магистрантов «Проектирование приборов для измерений ионизирующих излучений и дозиметрии», которые планируется подготовить в течение 2010 г. и издать в 2011 г . Работа над ними уже начата.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе.
Получен патент на изобретение №2390800 с приоритетом от 16.04.2008 «Способ и устройство для измерения спектральной и интегральной плотности потока нейтронов», зарегистрированный в Государственном реестре изобретений РФ 27.05.2010 г.
3. Области и масштабы использования полученных результатов (не более 3 стр.)
3.1. Области применения полученных результатов (области науки и техники; отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться полученные результаты или созданная на их основе инновационная продукция).
Ядерная физика, атомная энергетика, атомная промышленность, производство, использование и утилизация ядерного топлива, дозиметрический контроль, контроль и мониторинг радиационной обстановки в распределённых объектах.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Пока выполнено только два первых этапа НИР и о реальном внедрении говорить ещё рано. Однако уже начата работа над монографией «Спектрометрические измерения нейтронного излучения» и учебным пособием «Проектирование приборов для измерений ионизирующих излучений и дозиметрии» .
Выполненная студентами Гримовым А.А., Логвиновым Д.И. и Мазепой И.Н. под руководством профессора Дрейзина В.Э. работа «Разработка имитационной моделирующей системы спектрометрического радиометра нейтронного излучения» удостоена первой премии на Конкурсе научных студенческих работ «Знания молодых ядерщиков – атомным станциям», проведенном «Концерном Энергоатом» в 2009 г. Эта работа была доложена на конференции лауреатов конкурса, проходившей в г. Обнинске с 22 по 25 сентября 2009 г. и по ней опубликована статья в 1-м номере рецензируемого журнала «Ядерная энергетика: Известия вузов», входящеего в перечень ВАК.
В 2010 г. доклад по результатам дальнейших исследований тех же авторов также направлен на этот, проводимый ежегодно конкурс.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов, товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов, на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
  Из оканчивших в 2009 году аспирантуру двоих аспирантов, один работает преподавателем кафедры «Конструирование и технология ЭВС», а второй уже работает в Курском отделении ЗАО «ИНТРА» главным конструктором (ЗАО «ИНТРА» специализируется на разработке аппаратуры дозиметрического контроля для АЭС) и по совместительству – на 0,5 ставки старшего преподавателя той же кафедры. Защита кандидатских диссертаций этими сотрудниками планируется на осень 2010 г.
При выполнении данного этапа к работе по данному контракту было привлечено 5 аспирантов и 6 магистрантов. Выданы индивидуальные задания по НИРС по данной тематике 6 студентам 4-го и 3-го курсов (пока без оплаты).
4. Выводы
Все запланированные на данный этап работ выполнены. В ходе работ возникли новые, не запланированные первоначально задачи, которые, тем не менее, необходимо решать для достижения желаемого конечного результата. К ним относятся: задача расчёта аппаратного непрерывного спектра по заданному дискретному спектру гамма-излучения; задача оценочного расчёта спектральных характеристик сцинтилляционных детекторов нейтронного излучения с разной толщиной сцинтилляторов, задача экспериментального измерения спектральных характеристик нейтронного излучения с использованием опорных нейтронных полей; задача расчёта трансформации спектра нейтронного излучения при прохождении через замедлители различной толщины; задача разработки метрологического обеспечения создаваемого нейтронного спектрометра. Часть из них решена уже на данном этапе, по другим лишь намечены пути решения. Таким образом, фронт работ расширился по сравнению с первоначально запланированным. Тем не менее, все запланированные первоначально работы выполнены полностью.
Развернуть
3
01.07.2010 - 15.12.2010
С помощью сформированной на предыдущем этапе базы данных имитационных моделей потоков ионизирующих излучений различных видов с различными формами энергетических спектров, полученных по 45 базовым спектрам от различных источников, и имитационной модели каналов измерения плотностей тепловых, промежуточных и быстрых нейтронов блока детектирования БДКС-05С проведено исследование эффективности искусственных нейронных сетей различной архитектуры и конфигураций для решения задачи вычислительного восстановления энергетического спектра нейтронного излучения различных источников с разнообразными формами спектра.
Доказано, что для решения данных задач оптимальными по скорости обучения являются многослойные нейронные сети последовательного распространения с сигмоидными передаточными функциями нейронов.
Проведено исследование различных методик обучения нейронных сетей, представленных в используемом прикладном программном пакете, и выбрана оптимальная для задач данного класса.
Проведено обучение нейронных сетей двух конфигураций для раздельного измерения плотностей тепловых, промежуточных и быстрых составляющих нейтронных потоков (конфигурация нейронной сети 3-3-3) и для восстановления усреднённых значений спектральной плотности по 9 децимальным интервалам энергии, совместно перекрывающими диапазон от 0,025 эВ до 25 МэВ (конфигурация нейронной сети 3-6-9). Проведенные ис-следования методических погрешностей на реализациях проверочной выбор-ки (не участвовавших в обучении) показали весьма хорошую предсказательную точность обученной сети (среднеквадратические погрешности по подавляющему большинству базовых спектров не превышали единиц процентов).
Проведенное сравнение эффективности специализированных нейронных сетей, обученных на отдельных группах спектров (по видам источников) и общей нейронной сети, обученной на всех группах вместе, показало, что общая нейронная сеть практически не уступает специализированным по достигаемой точности, что позволило ориентировать дальнейшие разработки на применение общей нейронной сети.
Проведено имитационное моделирование показаний трёхканального радиометра нейтронного излучения МКС-03С на тех же базовых спектрах, которое показало, что погрешности измерения плотностей тепловых, про-межуточных и быстрых нейтронов на потоках с разнообразными формами спектров лежат в диапазоне от 200 до 8000 %, в то время как гипотетическая модель того же прибора с встроенной нейронной сетью конфигурации 3-3-3 даёт погрешности в пределах единиц процентов, а для примерно поло-вины спектров – менее 1 %.
Разработаны программные средства для оценочного расчёта спек-тральных характеристик сцинтилляционных детекторов различных типов с различной толщиной сцинтилляторов и с их использованием построены семейства этих характеристик для отобранных типов сцинтилляторов, что позволило провести предварительный отбор детекторов для многодетекторного блока детектирования разрабатываемого нейтронного спектрометра.
Проведена разработка концептуальных решений для построения спектрометрических радиометров различных видов излучений. При этом для спектрометров потоков заряженных частиц и гамма-излучения концепция построения измерительного блока базируется на анализе распределения амплитуд импульсов, получаемых от детекторов, а для спектрометров ней-тронного излучения – на использовании многодетекторного блока детектирования с детекторами, обладающими различными спектральными характеристиками с совместной обработкой получаемой от них информации с помощью предварительно обученной нейронной сети.
Для измерений скорости счёта в разрабатываемых приборах предложен новый экономичный и эффективный алгоритм, легко реализуемый на встраиваемой в прибор микропроцессорной системе.
Разработаны концептуальные решения построения двух типов интеллектуальных блоков детектирования для распределённых систем жизнеобеспечения и мониторинга радиационной обстановки на ядерных объектах: один для контроля гамма-излучения, второй для контроля активности аэрозолей в воздушной среде помещений.
Развернуть
4
01.01.2011 - 31.08.2011
1) Разработаны принципиальные схемы спектрометрического радиометра-дозиметра нейтронного излучения.
2) Разработаны принципиальные схемы универсального радиометра –дозиметра гамма-, альфа-, бета-, и нейтронного излучений.
3) Разработано программное обеспечение для экспериментального образца спектрометрического радиометра-дозиметра нейтронного излучения.
4) Разработано программное обеспечение для экспериментального образца универсального радиометра –дозиметра гамма-, альфа-, бета-, и нейтронного излучений.
5) Разработаны принципиальные схемы интеллектуальных блоков детектирования ионизирующих излучений для систем жизнеобеспечения и мониторинга спецобъектов
6) Разработано программное обеспечение для экспериментальных образцов интеллектуальных блоков детектирования ионизирующих излучений для систем жизнеобеспечения и мониторинга спецобъектов.
7) Проведено макетирование отдельных узлов, создаваемых приборов, и их экспериментальное исследование.
8) Разработана программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс.
9) Предложено технико-экономическое обоснование целесообразности проведения опытно-конструкторских работ по разработке технической конструкторской документации на универсальный радиометр–дозиметр гамма-, альфа-, бета-, и нейтронного излучений и спектрометрический радиометр-дозиметр нейтронного излучения.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Продолжительность работ
2013 - 2015, 35 мес.
Бюджетные средства
50 млн
Организация
ООО НПП "РАДИКО"
профинансировано
Тема
Исследование биологической эффективности воздействия ионизирующего излучения на живые системы.
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
14 млн
Количество заявок
12
Тема
Экспериментальные и расчетно-теоретические исследования класса benchmark распространения проникающих ядерных излучений в металлах и корреляции макрохарактеристик переноса и микросечений взаимодействия излучений с веществом на установке: "Нейтронный исследовательский реактор для материаловедения (ОР-М) (рег. № 01-31)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
1 млн
Количество заявок
1
Тема
Новые самоорганизующиеся органические и элементоорганические наноматериалы для преобразования различных видов ионизирующего излучения в излучение оптического диапазона длин волн.
Продолжительность работ
2009 - 2010, 12 мес.
Бюджетные средства
15 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка технологии получения материалов на основе соединений тяжелых редкоземельных металлов для полупроводниковых детекторов ионизирующих излучений.
Продолжительность работ
2013, 8 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
1
Тема
Экспериментальные и теоретические исследования с целью создания оптического квантового усилителя с ядерной накачкой с энергией в импульсе лазерного излучения до 100 кДж на установке: "Энергетический макет лазерной системы с накачкой от импульсного реактора "Барс-6" (СТЕНД "Б") (рег. № 01-59)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2,1 млн
Количество заявок
1