СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ СКРЫТЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И НАРКОТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ Российский патент 2004 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических средств (НС) и может быть использовано в мобильных и стационарных установках при разминировании территорий в рамках гуманитарных акций и для контроля незаконного оборота ВВ и НС в аэропортах, таможенных терминалах, блок-постах, автопарковках, почтовых службах и т.п.

Известный метод фотоядерного детектирования скрытых ВВ и НС относится к самым эффективным и быстродействующим методам прямого обнаружения ВВ и НС и заключается в регистрации продуктов распада короткоживущих изотопов ¹²В (бор-12) и ¹²N (азот-12), которые рождаются в результате фотоядерных реакций на азоте (¹⁴N) и углероде (¹³С) (примесь изотопа ¹³С в природном углероде равна 1,107%) - химических элементах, составляющих основу всех современных ВВ и входящих в состав наиболее распространенных НС.

При облучении ядер ¹⁴N и ¹³С гамма-квантами с энергией большей порогового значения Еγ возникают следующие фотоядерные реакции:

Выбор этих процессов в качестве реперных обеспечивает высокую селективность обнаружения ВВ, т.к. при облучении любых других химических элементов гамма-пучком с энергией меньше 100 МэВ не образуются никакие другие изотопы с периодом полураспада в диапазоне 1-200 мс. Изотопы ¹²В и ¹²N являются β-активными и в процессе распада испускают электроны и позитроны с максимальной энергией ~13 МэВ и ~17 МэВ, которые, двигаясь в веществе, в свою очередь индуцируют гамма-кванты. Эти гамма-кванты, так же как и аннигиляционные с энергией 511 кэВ, вместе с электронами и позитронами составляют вторичные продукты распада и могут быть зарегистрированы детектором. Следовательно, если облучить обследуемый объект импульсом гамма излучения с энергией гамма-квантов выше пороговых значений Еγ для реакций 1-3. то в последующем за ним временном интервале менее 200 мс он откликнется, при наличии в нем достаточной концентрации азота и/или углерода, потоком вторичных частиц от распада изотопов ¹²В и ¹²N. В противном случае этого потока в измеряемый промежуток времени не будет.

Практическая реализация фотоядерного способа детектирования ВВ и НС связана с подавлением возможных, так называемых "ложных" срабатываний от посторонних веществ, также содержащих азот и/или углерод. Это могут быть органические вещества, например древесина, при проведении работ по обнаружению ВВ на местности. Особое значение подавление ложных срабатываний имеет в установках для контроля багажа, где источниками ложных срабатываний могут быть различные предметы, в состав которых входят азот и углерод. Проблема ложных срабатываний является одной из важнейших во всех способах обнаружения ВВ и НС и ее решение определяет эффективность и производительность работ и практическую значимость.

В патенте США (№4756866 от 12.07.1988) [1] предложены устройство и способ обнаружения ВВ для контроля багажа авиапассажиров по данным только от реакции (2) путем регистрации аннигиляционных гамма-квантов с энергией 511 КэВ линейками из двух детекторов, расположенных по противоположным сторонам обследуемой единицы багажа. Как известно, аннигиляционные гамма-кванты вылетают в противоположные стороны (под углом 180°) при остановке распадного позитрона в веществе и тем самым указывают на расположение объекта с повышенным содержанием азота в объеме багажа. Но этот способ и установка не позволяют идентифицировать сам объект на принадлежность к ВВ. Отбраковка багажных единиц из общего потока на наличие азота может приводить в реальных условиях к резкому снижению производительности из-за ложных сигналов от предметов, содержащих азот.

В статье [2], выбранной в качестве прототипа, предложено для поиска ВВ и НС использовать все три реакции (1-3) и способ идентификации сигналов от ВВ и НС от сигналов, вызванных другими веществами, содержащими также азот и/или углерод. В этом способе для идентификации вещества ВВ и НС предлагается проводить раздельные измерения выходов - суммарное количество сигналов от азота и углерода при максимальной энергии гамма-квантов выше порогового значения для реакции (2) и количество сигналов только от углерода при максимальной энергии пучка меньше порогового значения реакции (1). При первом измерении определяется суммарное количество образованных ядер ¹²В и ¹²N, а во втором измерении количество ядер ¹²В от реакции (3). Соотношение количества этих ядер характеризует вещество. Этот способ обладает определенными недостатками. Необходимо динамично изменять энергию ускоренных электронов и контролировать интенсивность пучка гамма-квантов при процедуре раздельного измерения выходов. Кроме того, для корректного раздельного измерения относительной концентрации азота и углерода от реакций (1-3) и реакции (3) требуется учитывать форму тормозного спектра, что затруднительно из-за искажений в результате прохождения излучения через толщу скрывающего вещества, которая, в общем случае, является неизвестной величиной. Это существенно, например, при обнаружения мин в грунте, когда глубина их установки от поверхности может меняться от 0 до 40-50 см. Указанные факторы влияют на точность результатов и однозначность идентификации ВВ и НС.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение точности и достоверности при одновременном сокращении времени поиска и обнаружения ВВ и НС.

Поставленная задача решается заявляемым способом, суть которого заключается в следующем. При однократном облучении исследуемого вещества, содержащего азот и/или углерод, пучком гамма-квантов с энергией более 31 МэВ в нем в результате реакций (1-3) образуются ядра короткоживущих изотопов ¹²В и ¹²N. Относительная концентрация этих изотопов однозначно связана с относительной концентрацией азота и углерода в облучаемом веществе и определяет уникальный портрет исследуемого вещества. Распадаясь, изотопы ¹²В и ¹²N формируют поток вторичного излучения, форма временной зависимости которого определяются периодами полураспада изотопов и их начальной относительной концентрацией. В общем виде, закон изменения числа радиоактивных ядер одного элемента со временем представлен экспонентой [3]:

где N(t) - число нераспавшихся ядер в момент времени t; N₀ - исходное число образованных ядер, λ - константа распада. В нашем случае распада двух элементов:

где N_0[B-12) и N_0[N-12] - число образовавшихся ядер соответственно ¹²В и ¹²N,

N_0[sum] - суммарное число образовавшихся ядер радиоактивных изотопов ¹²В и ¹²N.

Основные параметры распада изотопов от реакций (1-3):

где T_1/2 - период полураспада, λ₁₁, λ₂₀ - константы распадов.

Анализируя после окончания импульса облучения форму и ход временной зависимости потока вторичного излучения от распадов ¹²В и ¹²N можно определить начальную относительную концентрацию изотопов ¹²В и ¹²N и идентифицировать исследуемое вещество.

Количественно результаты анализа временного спектра продуктов распада изотопов ¹²В и ¹²N могут быть представлены в виде значений параметра k, определенного как

Для реализации способа необходимо, чтобы фоновые процессы, приводящие к фотообразованию короткоживущих изотопов с периодом полураспада менее 200 мс и существенно искажающие измеряемый временной спектр, были подавлены. К таким процессам относятся реакции на кислороде - 16 (¹⁶О):

Из указанных процессов только реакция (11) может давать ощутимый вклад в полезный сигнал за счет присутствия ядер ¹⁶О в молекуле исследуемого вещества, тогда как вклад от процесса (10) практически отсутствует ввиду крайне малых значений поперечных сечений для этой реакции. Кроме того, реакция (11) может дать существенный фоновый вклад при поиске мин в грунте, так как элементный химический состав грунта может на 50% состоять из кислорода. Исключить из регистрации продукты распада от реакции (11) можно, если ограничить энергию частиц ионизирующего излучения значением не более 60 МэВ, при этом вклад от этой реакции практически отсутствует. Это ограничение по энергии позволяет проводить однозначный анализ вкладов от распада только двух изотопов ¹²В и ¹²N. При этом фон от распада других долгоживущих изотопов незначителен и его вклад может быть учтен обычной процедурой вычитания фона, что позволяет надежно идентифицировать малые количества ВВ и НС.

Таким образом, заявляемый способ позволяет после однократного облучения исследуемого вещества пучком ионизирующего излучения путем измерения и обработки временной зависимости радиоактивного распада получить информацию об углеродном и азотном составе и идентифицировать вещество по критерию его принадлежности к ВВ или НС.

Известно устройство [4], использующее фотоядерный способ обнаружения ВВ и позволяющее для идентификации ВВ определять относительную концентрацию азота и углерода в исследуемом веществе (прототип). Устройство содержит источник ионизирующего излучения, детектор вторичного излучения и анализатор сигналов детектора, размещенные на подвижной платформе. Для идентификации ВВ в установке может применяться способ двукратного облучения исследуемого вещества при разных значениях максимальной энергии гамма-квантов в зондирующем пучке.

Задача реализации заявляемого способа обнаружения и идентификации ВВ и НС решается предлагаемым устройством. Устройство содержит импульсный источник ионизирующего излучения, столовый детектор продуктов распада и временной идентификатор. Наличие в составе устройства стопового детектора и временного идентификатора является существенным отличительным признаком, поскольку позволяет проводить идентификацию ВВ и НС после однократного облучения исследуемого вещества.

Использование заявляемого устройства позволяет 1) обнаруживать все виды мин, взрывоопасных предметов и наркотиков, содержащих азот и/или углерод, независимо от конструкции мин и упаковки ВВ и НС; 2) обнаруживать и идентифицировать ВВ с массой не менее 10 г и НС - не менее 50 г; 3) обнаруживать ВВ и НС с вероятностью не менее 99,6%; 4) обеспечить количество ложных срабатываний на уровне менее 5%; 5) создавать на основе этого устройства высокоэффективные мобильные и стационарные установки детектирования ВВ и НС. Заявляемое устройство представлено на схеме. На схеме и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - источник ионизирующего излучения,

2 - столовый детектор вторичного излучения,

3 - объект с ВВ или НС,

4 - стартовый генератор,

5 - временной идентификатор,

6 - время-цифровой преобразователь,

7 - установочный счетчик,

8 - процессор,

9 - база данных,

10 - сигнализатор детектирования ВВ или НС.

Предлагаемое устройство фотоядерного детектирования ВВ и НС содержит источник ионизирующего излучения 1 для генерации импульсов пучка гамма излучения и электронов; столовый детектор вторичных частиц 2 для регистрации продуктов распада, образованных радиоактивных изотопов и формирования сигналов "стоп" для последующего временного анализа; объект облучения 3, который может содержать ВВ и/или НС; стартовый генератор 4 для формирования запускающего сигнала "старт" и инициализации одного акта облучения объекта; временной идентификатор 5 для временного анализа сигналов от стопового детектора 2 и управления стартовым генератором 4 и сигнализатором 10 и объединяющий в единый функциональный узел времяцифровой преобразователь 6, установочный счетчик 7; процессор 8 для обработки накопленного времяцифровым преобразователем 6 временного распределения, вычисления величины k, сравнения с данными в базе данных 9 и включения сигнализатора 10 при наличии ВВ и/или НС; базу данных 9, которая содержит эталонные значения k_нет для каждого из веществ, подлежащих идентификации и которая сформирована из экспериментальных данных в независимых опытах или расчетных значений; сигнализатор детектирования ВВ и/или НС 10 для информирования о зарегистрированных взрывчатых веществах и/или наркотических средствах.

Стартовый генератор 4 соединен с источником ионизирующего излучения 1 и времяцифровым преобразователем 6. Источник излучения 1 облучает объект 3. Вторичное излучение объекта 3 регистрируется стоповым детектором 2, подключенным к времяцифровому преобразователю 6. Времяцифровой преобразователь 6 соединен с установочным счетчиком 7, который подключен к стартовому генератору 4 и процессору 8. Процессор 8 соединен с базой данных 9. К процессору 8 подключен сигнализатор обнаружения ВВ и/или НС 10.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Генератор 4 выдает стартовый импульс, который запускает источник ионизирующего излучения 1 и времяцифровой преобразователь 6. Источник ионизирующего излучения 1 формирует пучок гамма-квантов и электронов с максимальной энергией менее 60 МэВ в направлении обследуемого объекта. Если в объекте 3 находится вещество, содержащее азот и/или углерод, то в нем происходят фотоядерные реакции (1-3). Продукты распада образованных нестабильных изотопов ¹²N и ¹²В (β-частицы и индуцированные γ-кванты) регистрируются стоповым детектором 2. Импульсы стопового детектора 2 направляются во временной идентификатор 5 на стоповый вход времяцифрового преобразователя 6 и установочный счетчик 7.

Установочный счетчик 7 накапливает поступающие от стопового детектора 2 сигналы в заданном временном интервале. Если количество накопленных сигналов не превышает установленного порогового значения, то счетчик выдает сигнал на стартовый генератор 4 для проведения следующего акта облучения объекта, а измерения и анализ временного спектра не проводятся. Таким образом, обеспечивается максимальная скорость обследования объекта 3. Если количество накопленных сигналов превысит установленное значение, то это будет означать наличие в облучаемом объекте 3 вещества с содержанием углерода и/или азота. В этом случае 7 разрешает завершить накопление временного спектра времяцифровым преобразователем 6.

Времяцифровой преобразователь 6 проводит по каналу "стоп" накопление количества поступающих импульсов в соответствующие дискретные временные каналы, на которые разделен измеряемый временной интервал. Общее количество сигналов во всех дискретных каналах устройства 6 соответствует полному числу событий (N_0[sum]). По окончанию процесса накопления данные передаются для обработки процессору 8. Процессор 8 выполняет обработку временного спектра и вычисление k.

Полученное значение k сравнивается с аналогичными значениями (k_ист) в базе данных 9. Если значение k совпадает в пределах ошибок с k_ист из базы данных 9, то процессор выдает сигнал обнаружения на сигнализатор 10. Поддержание 9 в актуализированном состоянии возможно новыми данными, полученными в результате эксплуатации устройства.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Для подтверждения эффективности заявляемого способа было проведено компьютерное моделирование процессов, связанных с обнаружением и идентификацией ВВ и НС в условиях, имитирующих инспекцию багажа в установках контроля в аэропортах, таможенных терминалах и т.п.

На первом этапе моделировалось фоторождение изотопов ¹²В и ¹²N в облучаемом веществе, вычислялось суммарное количество образованных ядер N_0[sum] и истинное значение k_ист. На втором этапе моделировалась процедура измерения временной зависимости потока вторичного излучения от распадов изотопов ¹²В и ¹²N и проводилось восстановление значения k_изм по результатам измерений. Приведенные в таблице 1 результаты моделирования были получены при следующих условиях: энергия электронного пучка 55 МэВ, ток пучка электронов в импульсе 50 мА, длительность токового импульса 6 мкс, площадь стопового детектора вторичного излучения 1 м², расстояние от объекта исследования до детектора 60 см, масса ВВ, НС и ложных объектов 100 г, скрывающее вещество - слой воды толщиной 10 см. Результаты представлены в таблице 1.

В столбце 3 представлены полные значения количества зарегистрированных сигналов N_0[sum], полученных в результате компьютерного моделирования процесса обнаружения данного вещества в описанных выше условиях.

В столбце 4 указан относительный вклад сигналов от распада ¹²N, зарегистрированных в результате компьютерного моделирования и которые однозначно связаны с концентрацией азота и углерода в веществе. Полученный в результате моделирования относительный вклад от распада ¹²N принимается за эталонное значение k_ист.

В столбце 5 представлены измеренные значения k_изм (k_изм=k (9)), восстановленные из временного спектра регистрируемых сигналов, и указаны погрешности измерений.

Как следует из полученных результатов, заявляемый метод позволяет эффективно идентифицировать ВВ и НС, отделяя их от ложных объектов.

Пример 2.

В таблице 2 представлены основные характеристики стационарной установки для контроля багажных единиц в аэропортах, которая может быть разработана на основе предлагаемого изобретения. Приведенные данные получены на основании результатов компьютерного моделирования процессов обнаружения и идентификации ВВ и НС.

Из таблицы следует, что установка может обладать уникальными характеристиками, которые значительно превосходят по основным параметрам самые эффективные и наиболее распространенные в мире установки. Так установка СТХ 9000 Dsi фирмы InVision Technologies (USA) [5], предназначенная для контроля ВВ в багажных единицах в аэропортах, работает по принципу обнаружения по косвенным признакам (рентгеновское просвечивание и обработка изображений) и имеет производительность 542 единиц багажа в час, а данные по ложным срабатываниям вовсе не приводятся.

Пример 3.

В таблице 3 представлены сравнительные технико-экономические характеристики для способов обнаружения ВВ, используемых в работах по очистке заминированных территорий при соблюдении требований ООН для гуманитарного разминирования [6].

В столбце 1 обозначены технико-экономические показатели.

В столбце 2 приведены данные для основного, используемого в настоящее время ручного метода обнаружения мин с помощью современных переносных приборов и специальных розыскных собак.

В столбце 3 приведены расчетные данные для устройства, предложенного в [4].

В столбце 4 приведены расчетные данные для подвижной установки, использующей заявляемые способ и устройство обнаружения и идентификации скрытых взрывчатых веществ.

Из представленных в таблице данных следует, что заявляемый способ и устройство позволят проводить работы по разминированию территорий более чем в 800 раз эффективнее основного - ручного метода - и в 2,8 раза эффективнее устройства, предложенного в [4]. Кроме того, необходимо отметить, что заявляемый способ и устройство, также как и устройство по патенту [4], позволяет реализовать безлюдную технологию гуманитарного разминирования, тогда как ручной метод из-за непосредственного контакта с взрывоопасными предметами подвергает людей опасности гибели или увечья.

Источники информации:

1. Патент США №4756866, 376/157, кл. G 21 G 1/12, опубл. 12.07.1988.

2. Е.А. Knapp, A.W. Saunders, andW.P. Trower. Direct Imaging of Explosives. Proceedings Euroconference on: Sensor systems and signal processing techniques applied to the detection of mines and unexplosed ordnance. MINE'99, October 1-3,1999. Villa Agape, Firenze, Italy Laboratorio Ultrasuoni e Controlli Non Distmttivi Universita di Firenze, Italy. http://demming.jrc.it/aris/events/mine99/start.htm

3. К.Н.Мухин. Экспериментальная ядерная физика. Т.1. Физика атомного ядра. Учебник для ВУЗов. Изд. 3-е. - М.: Атомиздат, 1974, с.170.

4. Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ. Патент РФ №2185614. БИ №20, 2002 г.

5. Официальный СВИТ компании InVision Technologies, http://www.invision-tech.com/index3.htm

6. Международные стандарты по проведению операций по разминированию в рамках гуманитарных акций под эгидой ООН. ООН, 1996, 75 с.

Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает облучение исследуемого вещества, содержащего азот и/или углерод, пучком ионизирующего излучения, и регистрацию вторичного излучения от продуктов распада. Облучение проводят пучков ионизирующего излучения с энергией не более 60 МэВ, регистрируют временной спектр сигналов вторичного излучения, по результатам анализа временного спектра определяют относительные содержания азота и углерода и по информации об углеродном и азотном составе идентифицируют исследуемое вещество. Устройство включает источник ионизирующего излучения, детектор продуктов распада и анализатор сигналов детектора. Анализатор представляет собой временной идентификатор относительных концентраций азота и углерода, который содержит время-цифровой преобразователь. Технический результат – повышение точности и достоверности. 2 с.п. ф-лы, 3 табл., 1 ил.

1. Способ обнаружения и идентификации скрытых взрывчатых веществ и наркотических средств, включающий облучение исследуемого вещества, содержащего азот и/или углерод, пучков ионизирующего излучения, регистрацию вторичного излучения от продуктов распада, образованных изотопами азота-12 и бора-12, отличающийся тем, что облучение проводят пучком ионизирующего излучения с энергией не более 60 МэВ, регистрируют временной спектр сигналов вторичного излучения, по результатам анализа временного спектра определяют относительные содержания азота и углерода, и по информации об углеродном и азотном составе при использовании базы данных с эталонными значениями идентифицируют исследуемое вещество.2. Устройство для обнаружения и идентификации скрытых взрывчатых веществ и наркотических средств, включающее источник ионизирующего излучения, детектор продуктов распада и анализатор сигналов детектора, отличающееся тем, что анализатор представляет собой временной идентификатор относительных концентраций азота и углерода, который содержит времяцифровой преобразователь, соединенный с установочным счетчиком и процессором, взаимодействующим с базой данных, при этом установочный счетчик подключен к источнику через стартовый генератор, связанный с времяцифровым преобразователем, а к процессору подключен сигнализатор.