СПОСОБ КОНТРОЛЯ ГРУЗА В ЗАКРЫТЫХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕМАХ И УСТРОЙТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области радиационной техники и предназначено для контроля состава и размещения груза в закрытых крупногабаритных объемах на предмет исключения несанкционированного провоза запрещенных материалов и контрабандных товаров /радиоактивные и делящиеся материалы, оружие и боеприпасы и др./. Изобретение может применяться на контрольно-пропускных пунктах пограничной и таможенной служб для контроля большегрузных автомобилей, контейнеров и железнодорожных вагонов.

Известны способы контроля багажа с использованием рентгеновской интроскопии, когда толщина просвечиваемого объема не превышает 50 см и основной материал объема имеет малое значение плотности, на фоне которой выделяются более плотные предметы. Контролируемые контейнеры и большегрузные автомобили имеют толщину от 2,5 м и более.

Контролируемый объем обычно изготовляется из прорезиненной ткани на металлодеревянном каркасе, из рифленой стали толщиной 3-5 мм или алюминия, когда применение рентгеновской интроскопии практически невозможно.

В качестве прототипа способа рассмотрим способ контроля /Патент RU 2022299 С1/ в закрытом крупногабаритном объеме путем измерения интенсивности излучения в совокупности контрольных точек, геометрически жестко привязанных к поверхности объекта.

Предлагаемый способ позволяет контролировать в закрытом объеме только расположение и количество веществ, испускающих жесткое излучение. Такой способ контроля может распространяться только для обнаружения радиоактивных веществ. Для контроля нерадиоактивных веществ он неприемлем.

Прототипом устройства может являться устройство контроля крупногабаритных объектов, описанное в патенте RU 2129289 С1, включающее блок детектирования гамма- и нейтронного излучения, причем детектор нейтронного излучения состоит из счетчиков медленных нейтронов, окруженных замедлителем, датчика присутствия объема в контролируемой зоне, контроллера обработки информации, блока питания, пульта управления и компьютера. Такое устройство позволяет контролировать только присутствие радиоактивных и делящихся материалов. При этом делящиеся материалы идентифицируются по наличию изотопа урана-238 и плутония-240, имеющих относительно малые периоды полураспада /T_1/2/ по спонтанному делению. В этом случае косвенно оценивается наличие делящихся изотопов плутония-239 и урана-235.

Нерадиоактивные материалы таким устройством не могут быть идентифицированы.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение отмеченных недостатков и обеспечение контроля грузов, в которых могут и отсутствовать радиоактивные и делящиеся материалы.

Задача решается благодаря тому что контролируемый крупногабаритный объем /КO/ облучают с двух противоположных сторон поочередно импульсным потоком быстрых нейтронов, с отдельной регистрацией нейтронов во время импульса в проходящей через объем геометрии и в геометрии регистрации рассеянного излучения, а в промежутках между импульсами регистрируют гамма- и нейтронное излучения, причем по завершению облучения и регистрации информации по всему контролируемому объекту повторяют регистрацию излучения радиоактивных изотопов, образованных нейтронной активацией элементов, входящих в состав загруженного материала.

Исходя из вариации регистрируемых нейтронных параметров среды, находящейся в контролируемом объеме, судят о пространственном распределении груза и качественно о его составе, а по характеристическим линиям гамма-спектра оценивают его элементный состав.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, включает импульсные генераторы быстрых нейтронов /ИНГ/ в защитных экранах-коллиматорах, установленных совместно с детекторами тепловых и быстрых нейтронов и гамма-излучения на платформах, одновременно перемещаемых вертикально по боковым стойкам портальной рамы, движущейся вдоль контролируемого объема горизонтально по направляющим, а на горизонтальной перекладине портальной рамы с двух сторон от ее центра дополнительно установлены неподвижно детекторы тепловых и быстрых нейтронов.

На фиг.1 приведена конструктивная схема устройства контроля большегрузного автомобиля, работа которого поясняет практическую реализацию предлагаемого способа. На фиг.2 приведены временные диаграммы регистрации.

Устройство контроля целесообразно располагать в зоне весовой 1, чтобы, исходя из результатов измерений, иметь возможность сопоставить с реальным весом загрузки и, тем самым, увеличить достоверность контроля. Кузов 2 большегрузного автомобиля устанавливается для контроля по датчику положения 3; на платформах 4 и 5 с двух сторон кузова 2 установлены, с возможностью перемещения по платформе, для оптимизации геометрии регистрации ИНГ в защитных экранах-коллиматорах 6 и 7 с мониторами нейтронного потока 8; детекторы тепловых нейтронов /ДНт/ 9 и 10; детекторы быстрых нейтронов /ДНнт/ 11 и 12; спектрометрические детекторы гамма-излучения /ДГ/ 13 и 14. Платформы 4 и 5 перемещаются по вертикальным боковым стойкам портальной рамы /ПР/ 15, установленной на колесах с возможностью их движения по горизонтальным направляющим 16. Это движение осуществляется с помощью мотор-редукторов 17. ПР 15 при этом движется вдоль контролируемого объема /КО/ 2. Сверху, на перекладине ПР 15, установлен электродвигатель 18, связанный через зубчатые передачи с двумя двухсекционными барабанами 19 и 20, на один из них наматывается, а с другого сматывается трос 21, который через направляющие ролики 22 связан с платформой 4 и 5. На горизонтальной перекладине ПР 15 жестко закреплены ДНт 23 и 24 и ДНнт 25 и 26. Если есть возможность свободного доступа к днищу КО, например у железнодорожных или морских контейнеров, устанавливаемых при перегрузке на специальные рамы, то ДНт и ДНнт крепятся снизу в такой же геометрии, как и на горизонтальной перекладине ПР 15 сверху. Для практической реализации устройства могут использоваться выпускаемые малой серией портативные импульсные нейтронные генераторы ИНГ-07 на базе газонаполненных нейтронных трубок с регулируемым выходом нейтронов до 1·10¹⁰ н/с, с регулируемой частотой и длительностью нейтронного импульса, а также ИНГ-03 на базе вакуумных нейтронных трубок с выходом до 1-2·10¹⁰ н/с, но с нерегулируемой длительностью импульса, который составляет 2-3 мкс, частота которого может изменяться в пределах 1-100 Гц, а с ней и выход генератора. Энергия испускаемых нейтронов 14,5 МэВ или 2,5 МэВ.

В качестве ДНт могут использоваться кассеты из счетчиков СНМ-18, выпускаемые нашей промышленностью, ДНнт - такие же кассеты из счетчиков СНМ-18, окруженные дополнительным замедлителем /оргстекло, полиэтилен/ толщиной 20-35 мм, покрытые сверху металлическим кадмием /Cd/ толщиной не менее 1 мм. Регистрацию гамма-излучения лучше всего осуществлять с использованием полупроводникового детектора /ППД/ на основе особо чистого германия /ОЧГ/. Монитором нейтронного потока могут служить счетчики, например СНМ-16, установленные в фиксированной геометрии в экранах-коллиматорах.

Процесс контроля осуществляется в следующей последовательности. Водитель устанавливает КО 2 на пункте контроля 1 так, чтобы сработал датчик положения 3, и покидает кабину большегрузного автомобиля, чтобы оформить проездные документы. Весь персонал, обслуживающий контрольно-пропускной пункт, находится на безопасном расстоянии от площадки 1.

Оператор контрольной станции /КС/ дистанционно /по программе/ включает аппаратуру, после чего она тестируется и приводится в исходное положение.

Вначале контролируется наличие радиоактивных и делящихся материалов по естественному гамма- и нейтронному излучению, т.е. без включения ИНГ 6 и ИНГ 7. Детекторы ДГ 13 и ДГ 14 подготовлены для регистрации энергетических спектров; ДНт 9 и 10, 23 и 25 и ДНнт 11 и 12, 24 и 26 - для суммарной регистрации потока нейтронов. Одновременно включаются двигатель 18 и двигатель-редуктор 17, при этом на барабан 19 начинает наматываться, а с барабана 20 сматываться трос 21, который через направляющие ролики 22 начинает поднимать одновременно платформы 4 и 5 по вертикальным стойкам ПР 15, которая, в свою очередь, перемещается по направляющим 16. Достигнув верхнего положения платформы 4 и 5, концевым выключателем реверсируют двигатель 18, и барабан 20 начинает наматывать трос 21, затем они опускаются до крайнего нижнего положения. Траектория движения сканирующей платформы 4 и 5 с боков контролируемого объема будет соответствовать зигзагообразной штриховой линии 27 /см. фиг.1/. Для детекторов, расположенных сверху, она имеет вид прямой линии. В зависимости от соотношения равномерной скорости движения в вертикальном и горизонтальном направлении можно оптимизировать детальность и время контроля.

В процессе регистрации информация с каждого детектора пространственно квантуется и привязывается к поверхности КО 2. При равномерной скорости перемещения платформ 4 и 5 можно информацию квантовать по заданным интервалам времени и заносить ее в отдельные ячейки памяти компьютера.

По данным предварительной спектрометрии естественного гамма-излучения, регистрируемой с двух сторон КО 2, на дисплее компьютера формируются изолинии превышения над фоном в различных энергетических интервалах. В точках максимума гамма-излучения дают заключение о виде изотопов и его координатах в КО 2.

В реальности возможен случай транспортировки калийных удобрений, где в естественной смеси калия всегда присутствует изотоп калий-40 /0,012%/, испускающий с периодом полураспада ~1,3·10 лет гамма-излучение с энергией 1,46 МэВ /11%/. В таком случае на плане наблюдается равномерный характер распределения превышения над фоном в области энергии 1,46 МэВ, что и подтверждает наличие действительно калийных удобрений в транспортных документах. Регистрация превышения естественного потока нейтронов над фоном по ДНт и ДНнт позволит судить о наличии изотопов урана-238 и плутония-240 с установлением их координат в КО 2.

После достижения ПР 15 окончания КО 2 двигатель-редуктор 17 реверсируется, и ПР 15 начинает движение в обратном направлении. ИНГ 6 и ИНГ 7 включаются поочередно с одновременным контролем их выхода по монитору 8. ГД 13 и ГД 14 поочередно и отдельно регистрируют гамма-спектр неупругого рассеяния быстрых нейтронов в период испускания нейтронного импульса в геометрии измерений на прохождение и рассеяния. После окончания нейтронного импульса каждого генератора эти же детекторы поочередно регистрируют спектр гамма-излучения радиационного захвата тепловых нейтронов в течение 800-1200 мкс, а в оставшееся время, до начала следующего нейтронного импульса, они регистрируют с накоплением спектр гамма-излучения короткоживущих изотопов, образованных в результате нейтронной активации.

ДНт 9 и ДНт 10, ДНнт 11 и ДНнт 12 поочередно регистрируют поток тепловых и быстрых нейтронов в геометрии на обратное рассеяние и прохождение сквозь КО 2. ДНт 23 и ДНт 25, ДНнт 24 и ДНнт 26 регистрируют на рассеяние под углом приблизительно 90 градусов, в период испускания генератором нейтронного импульса. По окончании импульса эти детекторы в течение 800-1500 мкс также отдельно регистрируют временное распределение потока тепловых и быстрых нейтронов, по которому будут оцениваться нейтронные параметры среды, каковыми являются: время жизни тепловых нейтронов, коэффициент диффузии, замедляющие свойства и т.д. Для ДНнт 11, 12, 24 и 26 выделяется временной интервал, приблизительно от 1500 мкс и до начала следующего импульса нейтронов, в течение которого отдельно регистрируется поток нейтронов, который может формироваться в основном за счет мгновенных нейтронов деления, при этом по величине его превышения над фоновыми значениями можно говорить о наличии и местоположении в КО 2 ядерного делящегося материала. Здесь также вся регистрируемая информация квантуется по траектории 27 и по отдельности заносится в память компьютера и обрабатывается по программе с учетом показания мониторов.

На фиг.2 приведены временные диаграммы реализации способа и работы устройства, из которых видно, что перемещающаяся по направляющим 16 ПР 15, а по ней платформы 4 и 5, с излучающей и детектирующей системой, позволяют отобразить характер распределения груза в закрытом объеме и грубо оценить его элементный состав.

Для увеличения точности и достоверности оценки элементного состава по достижению ПР 15 окончания КО 2, двигатели-редукторы 17 снова реверсируются, ИНГ 6 и 7 выключаются и регистрируются спектры гамма-излучения радиоактивных изотопов, образовавшихся в результате нейтронной активации, ДНт и ДНнт 9, 10, 11, 12, 23, 25, 24 и 26 или могут быть отключены, или могут повторно регистрировать поток нейтронов спонтанного деления. Все результаты этих пространственных измерений аналогично квантуются в тех же интервалах траектории 27 и заносятся в отдельные ячейки памяти компьютера.

Исходными данными для выбора временных режимов работы детекторов и импульсных генераторов является /см. фиг.2/:

- эффект неупругого рассеяния нейтронов, наблюдаемый в основном только в период действия нейтронного импульса;

- время жизни тепловых нейтронов в контролируемых средах, которое в основном, приходится на интервал 100-1500 мкс;

- время существования мгновенных нейтронов деления с учетом их замедления и образования также с учетом процесса замедления первичных нейтронов ИНГ, не превышающих 3000 мкс.

Таким образом, длительность нейтронного импульса каждого генератора может составлять 50-100 мкс, частота каждого из ИНГ не должна превышать 200 Гц. Для примера рассмотрим фиг.2, где работает ИНГ 6. В течение 100 мкс ДГ 14 регистрирует спектр гамма-излучения неупругого рассеяния быстрых нейтронов, прошедших через груз КО 2. В то же время ДГ 13 регистрирует рассеянный гамма-спектр неупругого взаимодействия. По характеристическим линиям зарегистрированного спектра можно выделить присутствие таких элементов, как:

- углерод С по линии 4,43 МэВ;

- натрий Na -"- 1,63 и 0,44 МэВ;

- магний Мg -"- 1,37 МэВ;

- алюминий Al -"- 1,81 МэВ;

- кремний Si -"- 1,78 МэВ;

- сера S -"- 2,24 МэВ;

- свинец Pb -"- 2,62 и 1,06 МэВ.

После окончания действия нейтронного импульса ГД 14 отдельно будет регистрировать в основном спектр проходящего гамма-излучения, а ГД 13 - спектр рассеянного гамма-излучения уже радиационного захвата тепловых нейтронов. При этом определяется по характеристическим линиям присутствие следующих элементов:

- водород Н по линии 2,223 МэВ;

- натрий Na -"- 2,75 МэВ;

- сера S -"- 5,42 МэВ;

- железо Fe -"- 7,64 МэВ;

- кобальт Со -"- 6,71, 6,49 МэВ;

- кадмий Cd -"- 5,82, 1,36 и 0,559 МэВ и другие элементы.

По истечении приблизительно 1500 мкс после начала нейтронного импульса эти же детекторы будут регистрировать гамма-спектр короткоживущих изотопов, имеющих T_1/2 в пределах до 60 с, накапливающихся в результате активации в пределах интервала квантования по траектории 27. При этом определяется присутствие следующих элементов:

- кислород О по изотопу ¹⁶N, T_1/2=7,4 с; по линии 6,13 МэВ;

- фтор F и натрий Na по изотопу ²⁰F, T_1/2=11,36 с; по линии 1,63 МэВ;

- сера S и хлор Cl по изотопу ³⁴Р, T_1/2=12,4 с; по линии 2,13 МэВ;

- хлор Cl по линии изомера ^38mCl, T_1/2=0,74 с; по линии 0,66 МэВ.

По аналогичной схеме детекторы работают, когда импульс нейтронов испускает ИНГ 7, но меняются местами детекторы, работающие в геометрии на прохождение и рассеяние.

При повторном измерении спектров гамма-излучения теми же детекторами, но без включения ИНГ, может оцениваться присутствие следующих элементов по характеристическим линиям:

- алюминий Al и кремний Si по изотопу ²⁸Al, T_1/2=2,31 мин; по линии 1,78 МэВ;

- ванадий V по изотопу ⁵²V, T_1/2=3,77 мин; по линии 1,43 МэВ;

- железо Fe по изотопу ²⁶Мn, T_1/2=2,59 ч; по линии 1,81; 0,846 МэВ и др.

Комплексное использование всех зарегистрированных результатов позволит получить наиболее точную и достоверную информацию о распределении и составе груза в закрытых крупногабаритных объемах. Весь процесс является как бы своеобразной томографией этого закрытого объема. Точность и достоверность измерений зависят от скорости перемещения ПР 15 и платформ 4 и 5; от выхода нейтронных генераторов и стабильности их работы; от количества и объема присутствующих характеристических элементов в контролируемом объеме; от энергетического разрешения и эффективности гамма-спектрометров.

Практически время контроля одного объема не должно превышать 8-10 мин. Для повышения пропускной способности контрольных пунктов можно увеличить количество измерительных станций.

Уменьшение радиационной опасности достигается тем, что точка контроля находится на безопасном расстоянии от обслуживающего персонала. ИНГ находится в защитных экранах-коллиматорах, где испускаемое излучение направлено на КО. Изотопы, образованные в результате активации, имеют малый период полураспада, и за период контроля они, в основном, распадаются.

Использование: на контрольно-пропускных пунктах пограничной и таможенной служб. Сущность: способ включает в себя измерение интенсивности излучения в совокупности точек, геометрически жестко привязанных к поверхности объема, причем объект облучают с двух противоположных сторон поочередно импульсным потоком быстрых нейтронов с отдельной регистрацией излучения в проходящей через объем геометрии и в геометрии рассеянного излучения в период нейтронных импульсов, и в промежутках между ними после окончания облучения всего объема повторяют регистрацию энергетического спектра излучения изотопов, образованных в результате нейтронной активации, а по полученным данным судят о составе груза и его размещении в закрытом объеме. Устройство включает блоки детектирования гамма- и нейтронного излучения, причем детектор нейтронов состоит из окруженных замедлителем счетчиков медленных нейтронов, кроме того, включает датчик присутствия объема в зоне контроля, контроллер обработки информации, блоки питания, пульт управления и компьютер, причем в состав устройства входят импульсные генераторы быстрых нейтронов в защитных экранах-коллиматорах, установленные вместе с детекторами тепловых и быстрых нейтронов, а также гамма-спектрометрические детекторы на платформах, одновременно перемещаемых вертикально с двух противоположных сторон по боковым стойкам портальной рамы, движимой горизонтально по направляющим вдоль исследуемого закрытого объема. Технический результат - расширение диапазона обнаруживаемых материалов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля груза в закрытых крупногабаритных объемах, заключающийся в измерении интенсивности излучения в совокупности точек, геометрически жестко привязанных к поверхности объема, отличающийся тем, что крупногабаритный объем облучают с двух противоположных сторон поочередно импульсным потоком быстрых нейтронов с отдельной регистрацией излучения в проходящей через объем геометрии, и в геометрии рассеянного излучения в период нейтронных импульсов, и в промежутках между ними после окончания облучения всего объема, повторяют регистрацию энергетического спектра излучения изотопов, образованных в результате нейтронной активации, а полученные данные сопоставляют с известными значениями нейтронных параметров различных сред, а также по положению аналитических линий неупругого рассеяния, радиационного захвата и радиоактивных изотопов судят о составе груза и его размещении в закрытом объеме.2. Устройство контроля груза в закрытых крупногабаритных объемах, включающее блоки детектирования гамма- и нейтронного излучения, причем детектор нейтронов состоит из окруженных замедлителем счетчиков медленных нейтронов, кроме того, включает датчик присутствия объема в зоне контроля, контроллер обработки информации, блоки питания, пульт управления и компьютер, отличающееся тем, что в состав устройства входят импульсные генераторы быстрых нейтронов в защитных экранах-коллиматорах, установленные вместе с детекторами тепловых и быстрых нейтронов, а также гамма-спектрометрические детекторы на платформах, одновременно перемещаемых вертикально с двух противоположных сторон по боковым стойкам портальной рамы, движимой горизонтально по направляющим вдоль исследуемого закрытого объема.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дополнительно установлены неподвижно детекторы тепловых и быстрых нейтронов на горизонтальной перекладине портальной рамы с двух сторон от ее центра, обеспечивающее регистрацию потока рассеянных нейтронов.