СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ЯДЕРНЫХ ЗАРЯДОВ Российский патент 1996 года по МПК G01T1/29 

Изобретение относится к области исследования материалов радиационными методами и может быть применено в области мирного контроля за соблюдением международных соглашений.

Известен способ дистанционного обнаружения ядерных зарядов, включающий облучение обследуемого объекта потоком электронов и регистрацию потока нейтронов от объекта (1). Недостатками способа являются его неприменимость в условиях атмосферы, а также неприменимость для определения зарядов, не содержащих дейтерия.

Известны способы дистанционного обнаружения ядерных зарядов, включающие облучение обследуемого объекта потоком нейтронов и регистрацию потоков нейтронов или гамма-лучей от объекта (2,3,4). Недостатком этих способов является их неприменимость в условиях, когда воздействие внешней радиации на обследуемый объект по тем или иным причинам недопустимо.

Известен способ дистанционного обнаружения ядерных зарядов, состоящий в определении вблизи обследуемого объекта интенсивности гамма-излучения в диапазоне энергий 0,1-2,0 МэВ (5). Недостатком способа является возможность ложного обнаружения заряда, т. к. излучение с такой энергией может создаваться также невзрывными устройствами, содержащими радиоактивные вещества.

Целью настоящего изобретения является повышение достоверности обнаружения путем идентификации взрывного или невзрывного характера делящихся материалов.

Поставленная цель достигается тем, что вблизи обследуемого объекта определяют интенсивность N₁ потока гамма-излучения в диапазоне 1,5 2,0 МэВ и интенсивность N₂ потока гамма-излучения в диапазоне с шириной окна 1 МэВ, лежащем в интервале 9,9 11,8 МэВ, определяют фоновые интенсивности Ф₁ и Ф₂ излучения в этих диапазонах, и при выполнении для N₁,N₂,Ф₁ и Ф₂ условия:

где: T время измерений,
S эффективная площадь измерительного прибора для диапазона из интервала 9,9 11,8 МэВ,
k отношение эффективных площадей детектора во втором и первом диапазонах,
делают суждение о наличии в зоне обследования ядерных зарядов.

Сопоставительный анализ настоящего изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что:
1) вблизи обследуемого объекта дополнительно определяют интенсивность П₂ потока гамма-излучения в диапазоне с шириной окна 1 МэВ, лежащем в интервале 9,9 11,8 МэВ;
2) определяют фоновые интенсивности Ф₁ и Ф₂ излучения в этих диапазонах,
3) при выполнении условия для N₁,N₂,Ф₁ и Ф₂:

где: T время измерений,
S эффективная площадь измерительного прибора для диапазона из интервала 9,9 11,8 МэВ,
k отношение эффективных площадей детектора во втором и первом диапазонах,
делают суждение о наличии в зоне обследования ядерных зарядов.

Излучение в диапазоне из интервала 9,9-11,8 МэВ, как будет показано далее, образуется при радиационном захвате нейтронов, образующихся в заряде, ядрами азота-14, входящего в состав химического взрывчатого вещества, которое является необходимым компонентом ядерного заряда. Ширина данного диапазона определяется достигнутым к настоящему времени энергетическим разрешением сцинтилляционных детекторов (10%). Выбор границ диапазона 1,5-2,0 МэВ определяется, с одной стороны, уменьшением спектральной плотности гамма-излучения делящихся материалов при энергиях, больших 2,0 МэВ, с другой стороны увеличением поглощения при энергиях квантов, меньших 1,5 МэВ, в среде между делящимся веществом и детектором, что может приводить к искажениям результатов измерений.

Рассмотрим возможность применения предложенного способа для достижения цели изобретения. В соответствии с (5), конструкция типичного ядерного заряда может быть представлена в виде следующей совокупности концентрических оболочек:
1. Внутренняя полая сфера из плутония с внутренним радиусом 2,1 см и внешним 4,2 см.

2.Бериллиевый отражатель нейтронов внутренний радиус 4,2 см, внешний 8,2 см.

3. Оболочка из обедненного урана внутренний радиус 8,2 см, внешний 11,2 см.

4. Оболочка из химического взрывчатого вещества внутренний радиус 11,2 см, внешний 21,2 см.

5. Оболочка из алюминия, моделирующая конструкционные материалы - внутренний радиус 21,2 см, внешний 22,2 см.

Изотопный состав оболочек предполагается соответствующим данным (5). Согласно расчетам (5), интенсивность гамма-излучения с энергией в диапазоне 1,5-2,0 МэВ на расстоянии R от модели составляет порядка 3•10⁵/4πR квантов см^-2c^-1 при интенсивности фона Ф₁ порядка 0,5•10^-1 квантов см^-2c^-1. Поток нейтронов, выходящий из третьей оболочки, оценивается как 6,3•10⁴ нейтронов с^-1. Расчет показывает, что большая часть этих нейтронов будет замедлена и поглощена в слое взрывчатого вещества в основном на ядрах азота-14. Учитывая, что сечение реакции ¹⁴N(n,p)¹⁴C составляет 17,5 барн, реакции ¹⁴N(n,γ)¹⁵N- 0,08 барн, и что в реакции ¹⁴N(n,γ)¹⁵N на 100 поглощенных нейтронов испускается около 13 квантов с энергией 10,83 МэВ, скорость образования гамма-квантов с энергией 10,83 МэВ можно оценить как 3•10² квантов с^-1, что на расстоянии R см от модели соответствует интенсивности 3•10²/4πR² квантов см^-2c^-1. На уровне моря спектральная плотность гамма-излучения с энергией вблизи 10 МэВ составляет 1•10^-4 квантов см^-2c^-1, т.е. интенсивность фона Ф₂ при ширине диапазона регистрации 1 МэВ составит 10^-4 квантов см^-2c^-1.

Для источников невзрывного характера, содержащих делящиеся материалы, гамма-излучение с энергией вблизи 10,83 МэВ будет находиться практически на уровне фона. Так, для самих делящихся материалов спектральная плотность мгновенных квантов деления с подобной энергией составляет менее 10^-4 от спектральной плотности излучения с энергией 2 МэВ. Фотоны, испускаемые в результате реакций радиационного захвата нейтронов конструкционными материалами источника, имеют, как правило, энергию, значительно меньшую 10,83 МэВ, и также не должны давать значительного вклада в величину фона. Присутствие в невзрывном источнике значительного количества азотсодержащих соединений представляется маловероятным. При выполнении условия:

величина NST (общее число импульсов, зарегистрированное в диапазоне из интервала 9,9-11,8 МэВ за время измерения) на величину более трех стандартных отклонений превышает общее число импульсов, ожидаемое в отсутствие азотсодержащего взрывчатого вещества [Ф₂ + 2•10^-4k(N₁ - Ф₁)]ST.

Пример 1.

Детектор с эффективной площадью 1 м², k 1, расположен на расстоянии 10 м от модели заряда и выполняет измерения в течение 1 часа. В этих условиях:
N₁ Ф₁ 2,5•10^-2 квантов см^-2c^-1,
N₂ Ф₂ 2,5•10^-5 квантов см^-2c^-1,
Ф₂ 1•10^-4 квантов см^-2c^-1,

Заряд будет обнаружен.

Пример 2.

Детектор с эффективной площадью 1 м², k 1, расположен на расстоянии 10 м от ядерной энергетической установки с уровнем излучения 3•10⁵ квантов с^-1 в диапазоне 1,5-2,0 МэВ и выполняет измерения в течение 1 часа. В этих условиях:
N₁ Ф₁ 2,5•10^-2 квантов см^-2c^-1,
N₂ Ф₂ 5•10^-6 квантов см^-2c^-1,
Ф₂ 1•10^-4 квантов см^-2c^-1,

Ложного подтверждения наличия заряда не произойдет.

Использование: исследование материалов радиационными методами, в частности, контроль ядерно-взрывных материалов. Сущность изобретения: способ включает определение вблизи обследуемого объекта интенсивности потока гамма-излучения в диапазоне 1,5-2,0 МэВ. Дополнительно определяют интенсивность потока гамма-излучения вблизи 10,83 МэВ, устанавливают фоновое излучение в отмеченных интервалах, находят соотношение измеренных величин, по наличию заряда судят по соответствующему неравенству.

Способ дистанционного обнаружения ядерных зарядов, включающий определение вблизи обследуемого объекта интенсивности N₁ потока гамма-излучения в диапазоне 1,5-2,0 МэВ, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности обнаружения путем идентификации взрывного или невзрывного характера делящихся материалов, дополнительно определяют интенсивность N₂ потока гамма-излучения в диапазоне с шириной окна 1 МэВ, лежащем в интервале 9,9-11,8 МэВ, определяют фоновые интенсивности Ф₁ и Ф₂ излучения в этих диапазонах, и при выполнении для N₁, N₂, Ф₁ и Ф₂ условия:

где Т время измерений,
S эффективная площадь измерительного прибора для диапазона из интервала 9,9 11,8 МэВ,
k отношение эффективных площадей детектора во втором и первом диапазонах,
делают суждение о наличии в зоне обследования ядерных зарядов.