Сцинтилляционные датчики гамма-излучения на основе твердотельных фотоумножителей в составе беспроводных сетей промышленного интернета

Бокатый И.О., Денисов В.М., Тимофеев А.В., Титов А.Б., Родригеш Ж.Ж.П.К., Коротаев В.В. Сцинтилляционные датчики гамма-излучения на основе твердотельных фотоумножителей в составе беспроводных сетей промышленного интернета // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2021. Т. 21, № 5. С. 633–645. doi: 10.17586/2226-1494-2021-21-5-633-645

Предмет исследования. Представлены результаты исследования принципов разработки беспроводных сетей автономных гамма-датчиков в целях создания систем пространственного мониторинга радиационной обстановки. Основная задача подобных систем — контроль уровня гамма-излучения в районах размещения потенциальных источников ионизирующего излучения. В качестве измерительного датчика использован автономный спектрометр гамма-излучения. Метод. Для создания автономных беспроводных сетей промышленного интернета радиационного контроля предложено применять измерительные датчики на основе кремниевых фотоэлектронных умножителей. Для подтверждения возможности использования данного класса приемников в составе гамма-спектрометров выполнено моделирование основных структурных элементов системы и макетирование экспериментального образца гамма-спектрометра. Исследованы линейность и энергетическая разрешающая способность экспериментального образца. Основные результаты. При апробации модели построения гамма-спектрометра выбраны сцинтилляционный кристалл CsI(Tl) и фотоумножитель Sensl Array-60035-4P. Установленный диапазон регистрируемых энергий лежит в диапазоне 121–1332 кэВ, относительное энергетическое разрешение по пику ¹³⁷Cs 11,07 %, линейность передаточной характеристики составила 99,91 %. На основе предложенного датчика разработана архитектура автоматизированной беспроводной системы мониторинга пространственного распределения гамма-излучения. Практическая значимость. Результаты работы позволят применять системы мониторинга радиационной обстановки в соответствии с требованиями концепции Индустрии 4.0.

1. Ullo S.L., Sinha G.R. Advances in smart environment monitoring systems using IoT and sensors // Sensors. 2020. V. 20. N 11. P. 3113. https://doi.org/10.3390/s20113113

2. Jamil M.S., Jamil M.A., Mazhar A., Ikram A., Ahmed A., Munawar U. Smart environment monitoring system by employing wireless sensor networks on vehicles for pollution free smart cities // Procedia Engineering. 2015. V. 107. P. 480–484. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.06.106

3. Arzhaev A.A., Arzhaev A.I., Makhanev V.O., Antonov M.I., Emelianov A.V., Kalyutik A.A., Karyakin Yu.E., Arzhaev K.A., Denisov I.N. About leak detection systems in the framework of LBB concept application at Russian NPPs // CEUR Workshop Proceedings. 2020. V. 2763. P.  98–104.

4. Wollschlaeger M., Sauter T., Jasperneite J. The future of industrial communication: automation networks in the era of the Internet of Things and Industry 4.0 // IEEE Industrial Electronics Magazine. 2017. V. 11. N 1. P. 17–27. https://doi.org/10.1109/MIE.2017.2649104

5. Venkatapathy A.K.R., Riesner A., Roidl M., Emmerich J., ten Hompe M. PhyNode: An intelligent, cyber-physical system with energy neutral operation for PhyNetLab // Proc. of the Smart SysTech 2015: European Conference on Smart Objects, Systems and Technologies. 2015. P. 1–8.

6. Santos D.A.A., Rodrigues J.J.P.C., Furtado V., Saleem K., Korotaev V. Automated electronic approaches for detecting disease vectors mosquitoes through the wing-beat frequency // Journal of Cleaner Production. 2019. V. 217. P. 767–775. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.01.187

7. Diène B., Rodrigues J.J.P.C., Diallo O., Ndoye E.M., Korotaev V.V. Data management techniques for Internet of Things // Mechanical Systems and Signal Processing. 2020. V. 138. P. 106564. https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2019.106564

8. Romanova G.E., Radilov A.V., Denisov V.M., Bokatyi I.O., Titov A.B. Simulation and research of the gamma-ray detectors based on the CsI crystals and Silicon Photomultipliers // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10231. P. 102311G. https://doi.org/10.1117/12.2264921

9. Florentsev V., Baryshev G., Berestov A., Kondrateva A., Biryukov A. Precision spectrometric search dosimeter-radiometer based on a Matrix SiPM, designed to restore the geometry of ionizing radiation sources // Springer Proceedings in Physics. 2021. V. 255. P. 113–120. https://doi.org/10.1007/978-3-030-58868-7_13

10. Язиков Е.Г., Шатилов А.Ю. Геоэкологический мониторинг: учебное пособие для вузов. Томск, 2003. 336 с.

11. Jevtic N.J., Drndarevic V.R. Smart sensors for environmental radiation monitoring networks // Proc. 23rd Telecommunications Forum (TELFOR 2015). 2015. P. 507–614. https://doi.org/10.1109/TELFOR.2015.7377541

12. Wong M.C., Mok H.Y., Chan Y.K. An overview of emergency radiation monitoring in Hong Kong // Proc. 10th International Congress of the International Radiation Protection Association on Harmonization of Radiation, Human Life and the Ecosystem. 2000.

13. Milbrath B.D., Peurrung A.J., Bliss M., Weber W.J. Radiation detector materials: An overview // Journal of Materials Research. 2008. V. 23. N 10. P. 2561–2581. https://doi.org/10.1557/JMR.2008.0319

14. Dolinsky S., Fu G., Ivan A. Timing resolution performance comparison for fast and standard outputs of SensL SiPM // Proc. of the 2013 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS/MIC2013). 2013. P. 6829520. https://doi.org/10.1109/NSSMIC.2013.6829520

15. Huang T., Fu Q., Lin S., Wang B. NaI (Tl) scintillator read out with SiPM array for gamma spectrometer // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2017. V. 851. P. 118–124. https://doi.org/10.1016/j.nima.2017.01.068

16. Cozzi G., Busca P., Carminati M., Fiorini C., Montagnani G.L., Acerbi F., Gola A., Paternoster G., Piemonte C., Regazzoni V., Camera F., Million B. High-Resolution Gamma-Ray Spectroscopy With a SiPM-Based Detection Module for 1” and 2” LaBr3:Ce Readout // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2018. V. 65. N 1. P. 645–655. https://doi.org/10.1109/TNS.2017.2784238

17. Dolinsky S., Fu G., Ivan A. Timing resolution performance comparison of different SiPM devices // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2015. V. 801. P. 11–20. https://doi.org/10.1016/j.nima.2015.08.024

18. Nemzek R.J., Dreicer J.S., Torney D.C., Warnock T.T. Distributed sensor networks for detection of mobile radioactive sources // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2004. V. 51. N 4. P. 1693–1700. https://doi.org/10.1109/TNS.2004.832582

19. Brennan S.M., Mielke A.M., Torney D.C., Maccabe A.B. Radiation detection with distributed sensor networks // Computer. 2004. V. 37. N 8. P. 57–59. https://doi.org/10.1109/MC.2004.103

20. Pangallo M., Boukabache H., Perrin D. Study and development of a multiplexed radiation instrument solution for CERN facilities // Proc. of the IEEE International Symposium on Systems Engineering (ISSE). 2015. P. 89–91. https://doi.org/10.1109/SysEng.2015.7302738

21. Madakam S., Ramaswamy R., Tripathi S. Internet of Things (IoT): A literature review // Journal of Computer and Communications. 2015. V. 3. N 5. P. 164. https://doi.org/10.4236/jcc.2015.35021

22. Мухаметзянов М.Ф., Халитов И.Р., Рахимов А.М. Применение Интернета вещей (IOT) в интеллектуальном транспорте // Современная наука: актуальные вопросы, достижения и инновации: сборник статей XVII Международной научно-практической конференции (Пенза, 05 февраля 2021 года). В 2 частях. Ч. 1. Пенза: "Наука и Просвещение" (ИП Гуляев Г.Ю.), 2021. С. 103–105.

23. Ногоева Г.Д., Сулайманова Н.Ы. Роль Интернета вещей (IoT) в цифровой трансформации отраслей экономики // Евразийское Научное Объединение. 2020. № 1-3(59). С. 231–234.

24. Зайцев Я.В. Цифровая трансформация предприятия под влиянием технологии IioT (industrial Internet of things) // Экономический рост как основа устойчивого развития России: сборник статей V Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 30-летию образования налоговых органов РФ (Курск, 12–13 ноября 2020 года). Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2020. С. 172–175.

25. Titov A., Tumanov A., Timofeev A., Tumanov V., Denisov V. Autonomous safety system for MSW landfills // E3S Web of Conferences. 2020. V. 161. P. 01043. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202016101043

26. Antonova M., Yakovlev V., Scorokhodova A. Development of measures to protect the population and prevent pollution based on the study of the radiation background of the object // E3S Web of Conferences. 2019. V. 140. P. 08011. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201914008011

27. Guseva A.I., Koptelov M.V. Risk assessment of prospective investment projects for the construction of nuclear power plants abroad // International Journal of Engineering and Technology (UAE). 2018. V. 7. N 2. P. 251–254. https://doi.org/10.14419/ijet.v7i2.23.11953

28. Репин Л.В., Библин А.М., Ковалев П.Г., Николаевич М.С., Репин В.С. Автоматизированная система контроля радиационного воздействия роспотребнадзора: история создания, назначение и развитие // Радиационная гигиена. 2014. Т. 7. № 3. С. 44–53.

29. Кузнецова О.Н., Невгод Л.Ю. Обзор технических средств радиационного контроля окружающей среды, проблемы технического и метрологического обслуживания // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2019. Т. 1. № 10. С. 191–193.

30. Василенко В.А., Иванов А.А., Мирошниченко И.В., Панкина Е.Б. Отчет по экологической безопасности ФГУП «НИТИ им. А.П. Александрова» за 2018 год. Сосновый бор, 2019.

31. Vo D.T. Comparisons of the DSPEC and DSPEC Plus spectrometer systems. Los Alamos, NM (US): Los Alamos National Laboratory, 1999. N LA-13671-MS.

32. Porterfield D.R. et al. Low Activity Test Sources. Los Alamos, NM (US): Los Alamos National Laboratory, 2015. N LA-UR-15-22530.

33. Denisov V., Korotaev V., Titov A., Blokhina A., Kleshchenok M. Overview of field gamma spectrometries based on Si-photomultiplier // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10231. P. 1023121. https://doi.org/10.1117/12.2265837

34. Гаврилов С.Л., Киселёв В.П., Кудешов Е.В., Пименов А.Е., Сёмин Н.Н., Шикин С.А., Яковлев В.Ю. Программное обеспечение поста контроля системы радиационного мониторинга // Труды ИБРАЭ. Вып. 15. Развитие систем аварийного реагирования и радиационного мониторинга, М.: Наука, 2014. С. 42–57.

35. Chang K.H. Bluetooth: a viable solution for IoT? [Industry Perspectives] // IEEE Wireless Communications. 2014. V. 21. N 6. P. 6–7. https://doi.org/10.1109/MWC.2014.7000963

36. Danbatta S.J., Varol A. Comparison of Zigbee, Z-Wave, Wi-Fi, and bluetooth wireless technologies used in home automation // Proc. 7th International Symposium on Digital Forensics and Security (ISDFS). 2019. P. 8757472. https://doi.org/1109/ISDFS.2019.8757472

37. Shen L.-H., Wu C.-H., Su W.-C., Feng K.-T. Analysis and implementation for traffic-aware channel assignment and contention scheme in LoRa-Based IoT networks // IEEE Internet of Things Journal. 2021. V. 8. N 14. P. 11368–11383. https://doi.org/10.1109/JIOT.2021.3051347

38. Lowe C.L., Kiger C.J., Jackson D.N., Young D.M. Implementation of wireless technologies in nuclear power plants’ electromagnetic environment using cognitive radio system // Proc. 10th International Topical Meeting on Nuclear Plant Instrumentation, Control, and Human-Machine Interface Technologies (NPIC&HMIT 2017). 2017. P. 385–393.

39. Wang D., Chen D., Song B., Guizani N., Yu X., Du X. From IoT to 5G I-IoT: The Next Generation IoT-Based Intelligent Algorithms and 5G Technologies // IEEE Communications Magazine. 2018. V. 56. N 10. P. 114–120. https://doi.org/10.1109/mcom.2018.1701310

40. Siegel S., Silverman R.W., Shao Y.P., Cherry S.R. Simple charge division readouts for imaging scintillator arrays using a multi-channel PMT // IEEE Transactions on Nuclear Science. 1996. V. 43. N 3. P. 1634–1641. https://doi.org/10.1109/23.507162

41. Kovaltchouk V.D., Lolos G.J., Papandreou Z., Wolbaum K. Comparison of a silicon photomultiplier to a traditional vacuum photomultiplier // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2005. V. 538. N 1-3. P. 408–415. https://doi.org/10.1016/j.nima.2004.08.136

42. Herbert D.J., Saveliev V., Belcari N., D'Ascenzo N., Del Guerra A., Golovin A. First results of scintillator readout with silicon photomultiplier // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2006. V. 53. N 1. P. 389–394. https://doi.org10.1109/TNS.2006.869848

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License