Исследование синхронности гамма-фона в динамике внутри и вне помещений

Введение 3
1 Источники гамма-фона в атмосфере и в помещении. 4
2 Приборы и устройства 5
2.1 Разработанная установка для регистрации динамики гамма-фона внутри помещения 5
2.1.1 Технические характеристики и режим работы прибора «УИМ2-2» 5
2.1.2 Технические характеристики и работа прибора «БДМГ-41» 10
2.1.3 Контроллер типа «Arduino» 12
2.1.4 Преобразователь импульсов и принцип его работы 15
2.1.5 Установленный софт 17
2.2 Измерительные метеорологические приборы АМК-03 и АМИМС 20
3 Результаты измерений 23
3.1 Результаты измерений разработанной установки 23
3.2 Результаты измерений метеокомплекса АМК-03 24
3.3 Результаты измерений метеорологической системы АМИС 25
4 Анализ результатов измерений 27
5 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 32
5.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения 32
5.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования 32
5.1.2 Анализ конкурентных технических решений 33
5.1.3 SWOT-анализ 34
5.2 Планирование научно-исследовательской работы 37
5.2.1 Структура работ в рамках научного исследования 37
5.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ 39
5.2.3 Разработка графика проведения научного исследования 40
5.2.4 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 43
5.2.4.1 Расчет материальных затрат 43
5.2.4.2 Расчёт затрат на специальное оборудование для научных (экспериментальных работ) 45
5.2.4.3 Основная заработная плата исполнителей темы 46
5.2.4.4 Дополнительная заработная плата исполнителей темы 47
5.2.4. 5 Отчисления во внебюджетные фонды 48
5.2.4.6 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта 49
Определение бюджета затрат на научно-исследовательский проект по каждому варианту исполнения приведен в таблице 5.9. 49
Таблица 5.9 – Расчет бюджета затрат НТИ 49
5.3 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой, бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования 49
6 Социальная ответственность 53
6.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 54
6.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного и вредного воздействия и устранению их влияния при работе на ПЭВМ 55
6.2.1 Организационные мероприятия 55
6.2.2 Технические мероприятия 55
6.3 Условия безопасной работы 58
6.4 Электробезопасность 60
6.5 Пожарная и взрывная безопасность 62
Вывод 65
Список используемой литературы 66

Весь текст будет доступен после покупки

Для постоянного контроля радиационной обстановки в России создается Единая государственная автоматизированная система контроля радиационной обстановки, ЕГАСКРО, которая состоит из сети постов контроля по всей стране. Согласно методике система устанавливается на высоте в 1 метр в удалении от зданий.
В целях защиты в населенных пунктах эти посты устанавливаются внутри зданий, нарушая методику контроля радиационной обстановки. Таким образом поднимается вопрос, способны ли системы, установленные в городских условиях регистрировать аномальные всплески радиационного фона.

Весь текст будет доступен после покупки

1 Источники гамма-фона в атмосфере и в помещении.

Люди подвергаются воздействию ионизирующего излучения от естественных источников, таких как космические лучи, различные радионуклиды, газ радон и продукты его распада. Кроме того, облучению человека способствуют антропогенные источники, такие как медицинское и промышленное облучение, выбросы от испытаний ядерного оружия, аварий и т.д.
Излучение от естественных источников неизбежно, и оно вносит основной вклад в общую суточную эффективную дозу ионизирующего излучения, которому подвергается человек.
Наиболее сильное излучение исходит от серии распада урана, тория и калия, которые почти повсеместно присутствуют в земной коре с различной активностью в зависимости от типа и состава почвы и пород. Почва и горные породы, богатые ураном, приводят к высокому выбросу радонового газа, который считается крупнейшим источником внутреннего облучения. В ходе эпидемиологических исследований было подтверждено, что радон и продукты его распада являются канцерогенами для человека и представляют собой самый сильный источник радиоактивности в атмосферном воздухе, поскольку он может подниматься из почвы под домами и накапливаться внутри.


2 Приборы и устройства

2.1 Разработанная установка для регистрации динамики гамма-фона внутри помещения

2.1.1 Технические характеристики и режим работы прибора
«УИМ2-2»


Рис. 1 Измеритель скорости счета импульсов двуканальный УИМ2-2

УИМ2 – двуканальный измеритель скорости счета импульсов с автоматическим переключателем диапазонов. Измеритель предназначен для измерения средней скорости счета импульсов и сигнализации о превышении установленных пороговых значений скорости счета импульсов.
Измеритель применяется в аппаратуре дозиметрического, радиометрического и технологического контроля на объектах атомной энергетики и радиохимического производства; на промышленных предприятиях, использующих источники ионизирующих излучений; на пунктах специального и таможенного контроля и в службах экологического и санитарно-эпидемиологического надзора.
Конструктивно измеритель УИМ2 выполнен в двух вариантах: УИМ2 – 2 и УИМ2 – 3. Измеритель УИМ2 – 2 представляет собой настольный прибор. УИМ2 – 3 (щитовой) выполнен однотипно с измерителем УИМ2 – 2 и отличается конструкцией передней панели, посредством которой измеритель крепится на щите. Измеритель УИМ2 работает с множеством детекторов серий «БДМГ», «БДБ», «БДЗА», «БДЗБ», «БДКГ», «БДМГ», «БДМН», «УДГ», «УДЖГ», «УДЗА».
Измеритель имеет два режима работы:
? Измерение средней скорости счета импульсов в обоих каналах при раздельной сигнализации о превышении установленных пороговых значений скорости счета импульсов в каждом канале.
? Измерение разности скоростей счета импульсов, поступающим по двум каналам при раздельной сигнализации о превышении установленных пороговых значений скорости счета импульсов в каждом канале.
Измеритель определяет среднюю скорость счета импульсов, поступающих от блока детектирования, как результат деления количества импульсов на время, в течении которого они были зарегистрированы.
Корпус измерителя имеет прямоугольную форму с ножками на нижней плоскости. На передней панели расположены четыре резьбовые стойки крепления кронштейнов, которые применяются для установки измерителя на щит. На задней стенке (Рис. 2) расположены разъемы для подключения блоков детектирования и внешних сигнальных устройств, а также сетевой ввод и клемма заземления.


Рис. 2 Задняя стенка УИМ2-2

Разъёмы «Х1» (РС10) и Х2 (2РМ18Б7Ш1) предназначены для подключения блоков детектирования «КАНАЛА А». Блоки детектирования с разъёмами типа РС-10 подключаются к разъёму «Х1», блоки детектирования с разъёмами других типов – к разъёму «Х2». Предохранитель F2 (0,5 А) включен в цепь, подающую напряжение на бленкер через разъём «Х2».
Разъёмы «Х3» (РС10) и «Х4» (2РМ18Б7Ш1) предназначены для подключения блоков детектирования «КАНАЛА Б». Блоки детектирования с разъёмами типа РС-10 подключаются к разъему «Х3», блоки детектирования с разъёмами других типов – к «Х4».
Предохранитель F3 (0,5 А) включен в цепь, подающую напряжение на бленкер через разъём «Х4».
Разъём «Х5» (2РМ14Б4Ш1) предназначен для подключения внешнего устройства сигнализации. При подаче сигнала о превышении установленного порога замыкаются «сухие контакты» 1, 3 - для «КАНАЛА А», 2, 4 – для «КАНАЛА Б». Предохранитель F4 (1 А) включен последовательно с «сухим контактом» «КАНАЛА А», F5 (1 А) – «КАНАЛА Б».
Разъёмы «Х6» и «Х7» используются для подключения измерителя к внешним средствам связи посредством интерфейсов RS-485/422 или RS-232.
Между разъемами «Х3» и «Х4» расположен блок переключателей входных цепей SW4. Переключатели пронумерованы от «1» до «10» сверху вниз. Варианты установок переключателей в зависимости от количества и типа подключаемых блоков детектирования описаны в 2.2.2. Положение переключателей вправо – «ON» (включено), влево – (выключено).
С правой стороны задней панели находятся переключатели SW3 и SW2.
Переключатели SW3 позволяют адаптировать измеритель под конкретные типы блоков детектирования, переключатели пронумерованы от «1» до «4».
Переключатели SW2 позволяют адаптировать измеритель под конкретные линии связи RS-485 или RS-422, пронумерованы от «1» до «3». Номера переключателей имеют обозначение «VCC», «LINE», «GND» соответственно.
Положение переключателей вправо – «ON» (включено), влево – «OFF» (выключено).
На разъёмы для подключения блоков детектирования (по одному на каждый измерительный канал) подаются напряжения: +12 В; минус 12 В; +5 В; +400 В.
Кроме того, туда же (при нажатии соответствующей кнопки «БЛЕНКЕР») подается напряжение +6 В для бленкера.

Таблица 1. Технические характеристики УИМ2 – 2
Скорость счета, имп/с 0,001 – 10000
Относительная погрешность измерения ± 10 %
Количество каналов измерения 2
Потребляемая мощность, ВА 40
Питание, В (Гц) 220 0)

2.1.2 Технические характеристики и работа прибора «БДМГ-41»


Рис. 3 Блок детектирования гамма-излучения БДМГ-41

Блок детектирования БДМГ – 41 предназначен для непрерывного измерения мощности амбиентного эквивалента дозы гамма – излучения в месте расположения блока.
Блок применяется для контроля радиационной бстановки на промышленных и гражданских объектах: атомных электростанциях, предприятиях по переработке и использованию радиоактивных отходов, зон, прилегающих к этим объектам в составе систем, комплексов и установок радиационного контроля.
Принцип действия блока основан на преобразовании энергии ионизирующих излучений в электрические импульсы. В качестве детекторов используются два счетчика СБМ20 для чувствительного канала и один счетчик СИ – 34Г для грубого канала.
Электрический сигнал в виде импульса напряжения поступает на первичную обмотку согласующего трансформатора. Затем импульсный сигнал с выходной обмотки трансформатора подается на входное устройство узла сопряжения. Входное устройство выделяет сигнал, длительность которого равна длительности фронта входного импульса, что обеспечивает помехоустойчивость последующей схемы. Сформированный сигнал подается на усилитель-формирователь с трансформаторным выходом. Далее выходной сигнал снимается со вторичной обмотки трансформатора и подается на выходной разъем.
Для контроля работоспособности блока при отсутствии облучения служит светодиод, подающий импульсы на ФЭУ по команде через разъем.
Блок требует внешнего питания стабилизированным напряжением +12 В и вырабатывает импульсы с частотой, пропорциональной плотности потока гамма – частиц.


2.1.3 Контроллер типа «Arduino»

Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств. Платформа пользуется популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов.
Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами.
Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка C/C++ и среды разработки Arduino. Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно, либо же взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере.

Рис. 4 Arduino Uno

В этой работе был использован контроллер Arduino Uno (Рис. 4), построенный на ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых входов/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC/DC или батареи.
Микроконтроллер ATmega328 располагает 32 кБ флэш памяти, из которых 0.5 кБ используется для хранения загрузчика, а также 2 кБ ОЗУ (SRAM) и 1 Кб EEPROM.(которая читается и записывается с помощью библиотеки EEPROM).
Arduino Uno может получать питание через подключение USB или от внешнего источника питания. Источник питания выбирается автоматически.
Внешнее питание (не USB) может подаваться через преобразователь напряжения AC/DC (блок питания) или аккумуляторной батареей. Преобразователь напряжения подключается посредством разъема 2.1 мм с центральным положительным полюсом. Провода от батареи подключаются к выводам Gnd и Vin разъема питания.
Платформа может работать при внешнем питании от 6 В до 20 В. При напряжении питания ниже 7 В, вывод 5V может выдавать менее 5 В, при этом платформа может работать нестабильно. При использовании напряжения выше 12 В регулятор напряжения может перегреться и повредить плату. Рекомендуемый диапазон от 7 до 12 В.
Выводы питания:
? VIN. Вход используется для подачи питания от внешнего источника (в отсутствие 5 В от разъема USB или другого регулируемого источника питания). Подача напряжения питания происходит через данный вывод.
? 5V. Регулируемый источник напряжения, используемый для питания микроконтроллера и компонентов на плате. Питание может подаваться от вывода VIN через регулятор напряжения, или от разъема USB, или другого регулируемого источника напряжения 5 В.
? 3V3. Напряжение на выводе 3.3 В генерируемое встроенным регулятором на плате. Максимальное потребление тока 50 мА.
? GND. Выводы заземления.
Каждый из 14 цифровых выводов Uno может настроен как вход или выход, используя специальные функции языка программирования. Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (по умолчанию отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА. Некоторые выводы имеют особые функции:
? Последовательная шина: 0 (RX) и 1 (TX). Выводы используются для получения (RX) и передачи (TX) данных TTL. Данные выводы подключены к соответствующим выводам микросхемы последовательной шины ATmega8U2 USB-to-TTL.
? Внешнее прерывание: 2 и 3. Данные выводы могут быть сконфигурированы на вызов прерывания либо на младшем значении, либо на переднем или заднем фронте, или при изменении значения.
? ШИМ: 3, 5, 6, 9, 10, и 11. Любой из выводов обеспечивает ШИМ с разрешением 8 бит.
? SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Посредством данных выводов осуществляется связь SPI, для чего используется библиотека SPI.
? LED: 13. Встроенный светодиод, подключенный к цифровому выводу 13. Если значение на выводе имеет высокий потенциал, то светодиод горит.
На платформе Uno установлены 6 аналоговых входов (обозначенных как A0 .. A5), каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли.
Дополнительная пара выводов платформы:
? AREF. Опорное напряжение для аналоговых входов.
? Reset. Низкий уровень сигнала на выводе перезагружает микроконтроллер. Обычно применяется для подключения кнопки перезагрузки на плате расширения, закрывающей доступ к кнопке на самой плате Arduino.
На платформе Arduino Uno установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega328 поддерживают последовательный интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема ATmega8U2 направляет данный интерфейс через USB, программы на стороне компьютера "общаются" с платой через виртуальный COM порт. Прошивка ATmega8U2 использует стандартные драйвера USB COM, никаких стороних драйверов не требуется, но на Windows для подключения потребуется файл ArduinoUNO.inf. Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему FTDI или USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1).
В Arduino Uno встроен самовостанавливающийся предохранитель (автомат), защищающий порт USB компьютера от токов короткого замыкания и сверхтоков. Хотя практически все компьютеры имеют подобную защиту, тем не менее, данный предохранитель обеспечивает дополнительный барьер. Предохранитель срабатыват при прохождении тока более 500 мА через USB порт и размыкает цепь до тех пока нормальные значения токов не будут востановлены.

2.1.4 Преобразователь импульсов и принцип его работы

Принцип работы разработанного устройства прост: на детектор БДМГ – 41 попадает гамма-квант, далее он преобразуется в импульс и поступает на аналоговый прибор УИМ2-2. Так как контроллер Arduino и операционный усилитель Lm358 очень чувствительные приборы, то нужно защитить их от скачков напряжения. Для этого поставлена емкость на входе разработанного устройства.
Чтобы задать нижнюю границу поступаемого сигнала, используется подстроечный резистор на 20 кОМ, иначе Arduino начнет считать всплески фона как полноценные сигналы.
Затем обрезанный по нижней границе аналоговый сигнал поступает на операционный усилитель, устройство которого таково, что какой бы сигнал не пришел, операционный усилитель с помощью обратной связи (подстроечный резистор на 100 кОМ) делает его цифровым с амплитудой 5 В.
На случай если операционный усилитель выйдет из строя и для защиты Arduino установлена емкость, так как стоимость Arduino приблизительно равна стоимости остальной части устройства, логично будет обезопасить дорогостоящую часть устройства.
Arduino в данной цепи используется в качестве счетчика импульсов, для этого на его цифровой вход (D2) подается цифровой сигнал равный 5 В. Каждый такой сигнал (импульс) Arduino считает за одно событие и сохраняет во внутреннюю память. Далее все эти импульсы в заданный интервал времени суммируются и сохраняются в файле компьютера с присвоением даты и времени начала подсчета.


Рис. 5 Принципиальная схема устройства


Рис. 6 Разработанное устройство

2.1.5 Установленный софт

Язык программирования устройств Arduino основан на C/C++. Среда разработки Arduino состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста(консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню (Рис. 7).
Ниже приведен текст разработанной программы для подсчета импульсов поступающих на цифровой вход Arduino. Идея заключается в том, чтобы прерывать обязательный цикл при получении сигнала, записывать его и отправлять в память, а по истечении указанного времени в одну секунду выводить количество зарегистрированных сигналов на компьютере, вывод информации осуществляется даже если не пришло ни одного сигнала. Экспериментально установлено что Arduino Uno может принимать до 44,5 тысяч импульсов в секунду, выше этого значения начинают происходить потери за счет того, что программа не успевает подсчитывать сигналы.

Рис. 7 Встроенный редактор программного кода Arduino

Вводим библиотеку и присваиваем значения переменным.
#include
unsigned int fr_count=0,tim=0;
long int fr_counter=0; //Счетчик тактов
int led = 13;

Вызывает функцию fan_interrupt при появлении сигнала для того чтобы подсчитать импульсы.

void flash_led()
{
detachInterrupt(0);
Serial.println(fr_counter);
delay(1);
attachInterrupt(0, fan_interrupt, RISING);
}
Прерывает функцию fan_interrupt автоматически каждую секунду для подсчета импульсов.

void setup()
{
Serial.begin(9600);
MsTimer2::set(1000, flash_led);
MsTimer2::start();
attachInterrupt(0, fan_interrupt, RISING);
}

Программирование сигнального диода, для визуального отображения работы установки. Включает и выключает диод через заданное время. Представляет из себя цикл необходимый для правильной работы программы.

void loop()
{
digitalWrite(led, HIGH);
delayMicroseconds(tim);
digitalWrite(led, LOW);
delayMicroseconds(tim);
}

Подпрограмма, которая проводит подсчет импульсов.

void fan_interrupt()
{
fr_counter++;//счет импульсов
}
2.2 Измерительные метеорологические приборы АМК-03 и АМИМС
Автоматические метеостанции АМК-03 является современной измерительной системой, обладающей высокими техническими и эксплуатационными характеристиками. Прибор предназначен для снятия метеорологических и дозиметрических данных. В эксперименте использовалось два прибора, расположенных на высоте одного и пяти метров.

Рис. 8 Система АМК-03

Станции АМК-03 можно разделить на стационарные и мобильные. Основной особенностью мобильных АМС является сохранение всех основных технических характеристик стационарной АМС после воздействия интенсивных вибрационных и ударных нагрузок, возникающих при транспортировке, развертывании и свертывании мобильной станции. Кроме того, она имеет специализированные пульты управления и представления информации, способные работать на открытом воздухе в широком диапазоне температур, влажности, при наличии осадков и т.п. Эти модификации имеют автономную и сборную систему питания. Ниже приведена фотография персонального автоматизированного комплекса 1Б65 и его технические характеристики.


Рис. 9 Персональный автоматизированный метеокомплекс 1Б65

Таблица 2. Технические характеристики АМК-03
Измеряемая величина Диапазон измерения Погрешность
Температура воздуха, °С -70…+50 ±0,3 при Т<+30°C
±0,5 при Т>+30°C
Скорость горизонтального ветра, м/с 0,1…40° ±0,12
Направление горизонтального ветра, ° 0…360 ±4
Скорость вертикального ветра, м/с -15…+15 ±0,12
Относительная влажность воздуха, % 10…100 ±3
Атмосферное давление, гПа 693…1067 ±1,0

Установка АМИМС является системой различных метеорологических приборов для мониторинга метеоусловий и гамма-фона. Расположена установка на крыше пятиэтажного здания, метеорологические приборы расположены вне помещений, а дозиметрический прибор установлен внутри небольшого помещения, расположенного на крыше. Все приборы легко заменяемы, таким образом выделить какие-либо конкретные технические характеристики не представляется возможным.
Обе системы проводят сбор идентичных метеоданных с разной статистической погрешностью. Приоритет к выбору данных отдается согласно рекомендациям сотрудников ИМКЭС СО РАН г. Томск.

Весь текст будет доступен после покупки

1) Руководство по эксплуатации блока детектирования БДМГ – 41
2) Руководство по эксплуатации измерителя скорости счета двуканального УИМ2-2
3) П. М. Нагорский, “Влияние города (техносферы) на вариации электрофизических и радиационных величин”, Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 2017, 4(20), 64–75
4) П. М. Нагорский, В. С. Яковлева, “Мониторинг городской среды Cибири: принципы формирования базы данных об опасных метеорологических явлениях”, Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 2016, 3(14), 53–63
5) В. С. Яковлева, П. М. Нагорский, “Развитие технологии радиационного мониторинга в городской среде”, Вестник КРАУНЦ. Физ.-мат. науки, 2015, 1(10), 65–71

Весь текст будет доступен после покупки