СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТОГО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01N23/00 

Изобретение относится к области детектирования ядерных излучений, обнаружения радиоактивных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах.

Известны способы для исследования внутренней структуры объектов, в которых просвечивают исследуемый объект расходящимся пучком рентгеновского излучения и получают на соответствующей системе отображения теневое изображение внутренней структуры исследуемого объекта. Клюев В.В. и др. Промышленная радиационная интроскопия. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.5-8.

Недостатком способов с использованием широкого расходящегося пучка является низкая эффективность использования пучка из-за отсутствия двухкоординатных приемников излучения и вследствие этого увеличение времени облучения и поглощенной дозы. Реализация таких способов невозможна без сопутствующего усложнения аппаратуры.

Известным техническим решением является способ исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в получении теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектировании прошедшего через объект излучения детектором, который формирует электрические сигналы, представляющие соответствующие теневые проекции. Патент Великобритании №1283915, МПК G01N 23/08, 1975 г.

Этот способ положен в основу рентгеновской вычислительной томографии, согласно которому с помощью полученных с различных угловых направлений теневых проекций вычислительными средствами восстанавливают изображение сканируемого слоя исследуемого объекта.

Известен способ радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в том, что получают, по меньшей мере, одну теневую проекцию сечения исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения, детектируют прошедшее через объект излучение и формируют электрические сигналы, при этом исследуемый объект и коллимированный пучок перемещают относительно друг друга. Патент Российской Федерации №2069853, МПК G01N 23/08, 1996.

Известен способ нейтронной радиографии, основанный на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение, при котором нейтроны, излучаемые генератором, образуют протоны отдачи в люминесцентном экране, которые возбуждают оптическое свечение экрана, оптическое излучение усиливают и записывают на ПЗС-матрицу (прибор с зарядовой связью). К.К.Шварц, З.А.Грант, Т.К.Меже, М.М.Грубе, Термолюминесцентная дозиметрия. Рига: Зинатне, 1968 г.

Эффективность использования генерируемых нейтронов в данном способе не превышает 1%. Собственные шумы ПЗС-матрицы и фоновые излучения снижают качество радиографического изображения.

Известен способ нейтронной радиографии, основанный на преобразовании излучения быстрых нейтронов в оптическое излучение, при котором нейтроны, излучаемые генератором, образуют протоны отдачи в люминесцентном экране, которые возбуждают оптическое свечение экрана из набора пластин. Патент Российской Федерации №2207550, МПК G01N 23/02, 2003 г. Способ обладает сравнительно низким качеством радиографического изображения.

Известен способ нейтронной радиографии, основанный на преобразовании первичного излучения в оптическое с помощью люминесцентного экрана - преобразователя, в котором протоны отдачи возбуждают свечение, а изображение с экрана направляют в фотоприемник. Патент Российской Федерации №2208226, МПК G01N 23/05, 2003 г.

Известны способ и портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001, содержащая источник γ-излучения, детектор рассеянного γ-излучения, усилитель сигналов детектора, селектор амплитуд импульсов рассеянного γ-излучения, микропроцессорный контроллер и дисплей.

Портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001. Инструкция по эксплуатации, 1998 г.

Недостатками указанной системы является то, что источник γ-излучения имеет большую мощность, что создает опасность для персонала, а также то, что система не может быть использована при рабочих температурах ниже 0°С. Возникает проблема хранения изотопного источника.

Известны способ и устройство для обнаружения контрабанды, содержащее полиэнергетический источник γ-излучения, спектрометрический детектор γ-излучения, усилитель сигналов детектора, амплитудно-цифровой преобразователь, контроллер и компаратор интенсивности импульсов в избранных энергетических областях (селектор импульсов отраженного γ-излучения) и дисплей.

Патент Российской Федерации №2161299, МПК G01N 23/08, 2000 г.

Недостатками известных решений является то, что детектор, реагируя на наличие за экраном присоединенной массы (контрабанды), никак не позволяет судить о характере скрытого материала, поскольку величина альбедо пропускание или отражение широкого ненаправленного пучка γ-излучения в столь сложной геометрии не позволяет связать интенсивность регистрируемого γ-излучения с атомным номером или даже плотностью отражающего вещества и, следовательно, не позволяет хоть как-то идентифицировать характер скрытой закладки и не исключает ошибок, связанных с помехами, создаваемыми наличием конструктивных элементов (перегородок, ребер жесткости и пр.) транспортного средства или строения за перегородкой (маской).

Кроме того, интенсивность регистрируемого при этом отраженного γ-излучения зависит не только от плотности материала закладки, но и от геометрических размеров скрытой закладки. Дифференцировать же происхождение регистрируемой интенсивности в смысле соотнесения ее с атомным номером вещества отражателя или его размерами прибор не позволяет.

Известны способ и устройство для обнаружения взрывчатых веществ, содержащее источник излучения, детектор γ-излучения, блок обработки сигналов гамма-излучения, имеющий усилитель сигналов детектора, селектор γ-излучения и контроллер, и блок индикации, в котором источник излучения выполнен в виде нейтронного генератора с блоком управления нейтронным генератором. Свидетельства Российской Федерации на полезную модель №26849 (контрабанда), МПК G01N 23/08, 2002 г и на полезную модель №27227 (скрытые взрывчатые вещества), МПК G01N 23/08, 2002 г.

Данные технические решения разработаны в портативном исполнении для обнаружения вложений в переносном багаже и неприменимы для работы с контейнерами.

Известны устройство и способ определения ядерно-физических параметров и элементного состава сборки, содержащей делящееся вещество. В этом способе используют периодическое импульсное облучение сборки, регистрацию вышедших из сборки частиц с помощью удаленного детектора. Из ускорителя импульсами длительностью 5-50 нс облучают сборку, временное распределение гамма квантов регистрируют в течение 200-2000 нс после прохождения через исследуемый объект облучающего импульса, вызывающего в делящихся материалах эмиссию запаздывающих гамма квантов. Частота следования импульсов облучения лежит в пределах 100-1000 Гц, для каждого зарегистрированного гамма кванта измеряют также его энергию, запоминают время регистрации и энергию для каждого гамма кванта. Патент Российской Федерации №2130653, G21С 17/06, 1999 г.

Указанные изобретения основаны на методике сравнения с калибровочными данными при регистрации запаздывающих гамма квантов и применимы только в условиях вакуума.

Известен способ, в котором ускоряют тяжелые заряженные частицы (дейтроны d) до энергии 5-6 МэВ в виде импульсов длительностью ˜ 5 нс и МГц - частотой повторения. Конвертируют дейтронные импульсы (d, n), получая слабонаправленный поток быстрых монокинетических нейтронов с энергией 6-9 МэВ, формируют пучок нейтронов карандашного типа, направляют пучок нейтронов карандашного типа на инспектируемый объект и перемещают его по поверхности объекта в виде наносекундных одиночных импульсов, следующих с мегагерцевой частотой повторения. Активируют по микрообъемам вещество инспектируемого объекта (закладку, контрабанду), регистрируют характеристические гамма кванты элементов, входящих в состав этого вещества, а затем оценивают сигнатурные признаки объекта. Патент США №5076993, МПК G21G 1/06, 1991 г.

В данном способе для отображения содержимого инспектируемого объекта на мониторах инспекционной службы применяют времяпролетный способ анализа для построения трехмерного изображения внутреннего содержимого объекта.

Известны способ и устройство для анализа многокомпонентных материалов, которое содержит источник γ-излучения, детектор γ-излучения, усилитель, дискриминатор, контроллер и дисплей. Патент Великобритании №2088050, G01N 23/08, 1998 г. Прототип.

Исследуемый образец помещают между указанным источником и детектором, γ-излучение, проходя сквозь образец, ослабляется по интенсивности, сохраняя энергию γ-квантов. Далее γ-кванты регистрируются детектором γ-излучения, импульсы детектора усиливаются в усилителе, проходят дискриминатор и через счетчик попадают в вычислительное устройство (контроллер), после обработки информация выводится на дисплей.

Недостатками изобретения является низкая стабильность измерений.

В настоящее время актуальной является задача выявления скрытого источника излучения, в ряде случаев спрятанного в материалах, обладающих естественной радиоактивностью, а также содержащих радиоактивные вещества: радиоактивные отходы, руды. Такие распределенные источники излучения позволяют скрыть точечный источник излучения.

Настоящее изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.

Техническим результатом изобретения является экспресс-анализ грузов и материалов, обнаружение скрытого источника и направления на него.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения скрытого источника излучения, характеризующемся тем, что исследуемый образец помещают перед детектором, регистрируют излучение, импульсы детектора усиливают и передают на дисплей, при этом между исследуемом образцом и детектором располагают шаровой зонд, который перемещают возвратно-поступательно, перпендикулярно и/или параллельно поверхности детектора, а по теневому изображению шарового зонда в виде окружности или растянутого эллипса, а также по величине ослабления по сравнению с тестовыми зондами, зная диаметр и материал шарового зонда, расстояние от позиционно-чувствительного приемника излучения до центра шарового зонда, из подобия треугольников определяют наличие источника излучения в исследуемом объекте, вид источника, направление на этот источник, а также размер источника.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематично представлена измеряющая структура, где: 1 - позиционно-чувствительный приемник излучения; 2 - распределенный источник; 3 - точечный источник; 4 - шаровой зонд, l - расстояние от позиционно-чувствительного приемника излучения 1 до центра шарового зонда; L - расстояние между поверхностью позиционно-чувствительного приемника излучения 1 и точечным источником 3, ⊘ - диаметр зонда; D₁, D₂, D₃ - размеры теневых изображений при различных расстояниях l₁, l₂, l₃ от позиционно-чувствительного приемника излучения 1 до центра шарового зонда; А, В, С, D, Е геометрические точки подобных треугольников.

Обнаружение радиоактивных материалов проводят следующим образом. При наличии точечного источника 3 наблюдается теневое изображение шарового зонда 4. Если шаровой зонд 4 находится на одной оси с точечным источником 3, а эта ось будет перпендикулярна поверхности позиционно-чувствительного приемника излучения 1, то теневое изображение шарового зонда 4 будет в виде окружности. Перемещая шаровой зонд 4 параллельно поверхности позиционно-чувствительного приемника излучения 1, находим это положение оси при получении именно круговой тени. Следует отметить, что при фиксированном расстоянии L размер теневого изображения D зависит от размера источника d, размера тестового образца ⊘ и расстояния l.

Распределенным источником считают источник, размер которого больше размера тестового образца. Из фиг.1 видно, что в случае распределенного источника D не может быть больше ⊘ ни при каких L и l.

В случае точечного источника, размер теневого изображения не может быть меньше ⊘ ни при каких размерах L и l.

Из подобия треугольников на чертеже следует, что связь размера распределенного источника d с величинами D, ⊘, L и l определяется из выражения: d=((⊘·D·l/⊘-D)+L))/((D·l/⊘-D)+l).

При увеличении расстояния l, начиная от минимального значения, равного ⊘/2, размер теневого изображения D уменьшается в случае распределенного источника и возрастает в случае точечного источника.

Такое поведение размера теневого изображения D позволяет отличить один источник от другого.

Направление на источник определяют не только по положению теневого изображения по отношению к центру позиционно-чувствительного приемника, но и по эллиптичности изображения, возникающей при косом падении излучения на приемник изображения.

Тип излучения определяют как по величине ослабления излучения, так и по соотношению величин ослабления излучения в тестовых образцах, изготовленных из различных материалов, например полиэтилена, борированного полиэтилена и свинца.

Величина ослабления излучения для различных видов излучения различна для различных материалов при одном и том же размере тестового образца.

Перемещая шаровой зонд 4 перпендикулярно поверхности позиционно-чувствительного приемника излучения 1, будем получать теневое или эллиптическое изображение шарового зонда 4 разного диаметра.

При наличии точечного источника 3 наблюдается круговое теневое изображение шарового зонда 4. Зная диаметр ⊘ шарового зонда 4, расстояние l от позиционно-чувствительного приемника излучения 1, из подобия треугольников АВС и CDE можно получить, что

L=((l₁·⊘)/(D₁-⊘))+l₁.

Аналогичные выражения получаются для других расстояний между шаровым зондом 4 и позиционно-чувствительным детектором излучения 1.

Проведение измерений при различных расстояниях l необходимо для выбора оптимального расстояния, а также для оценки эффективного диаметра ⊘ при расстоянии от позиционно-чувствительного приемника излучения 1 до центра шарового зонда 4, стремящемся к нулю. В случае распределенного источника излучения 2 теневое изображение будет, но меньше, чем диаметр ⊘ шарового зонда 4.

Наблюдаемый размер тени в последнем случае также может быть использован для оценки размера распределенного источника 2 при использовании подобия соответствующих треугольников.

Для изготовления шарового зонда 4 используют материалы, ослабляющие различные виды излучения.

Борированный полиэтилен используется в случае источника быстрых или/и тепловых нейтронов. Может быть использован также обычный полиэтилен в кадмиевой оболочке. Свинцовый шаровой зонд необходим в случае источника гамма излучения.

Минимальный размер шарового зонда 4 в случае быстрых нейтронов с энергией около 10 МэВ и менее определяется длиной замедления нейтронов, которая лежит в пределах 3-5 см.

В случае гамма излучения широко распространенных источников минимальный размер шарового зонда также может составлять несколько сантиметров.

Максимальный размер шарового зонда 4 зависит от предполагаемого размера распределенного источника 2, расстояния между ним и позиционно-чувствительным приемником излучения 1, а также размера последнего.

Использование: для обнаружения радиоактивных материалов. Сущность: заключается в том, что исследуемый образец помещают перед детектором, излучение регистрируют, импульсы детектора усиливают и передают на дисплей, при этом между исследуемым образцом и детектором располагают шаровой зонд, который перемещают возвратно-поступательно, перпендикулярно и/или параллельно поверхности детектора, а по теневому изображению шарового зонда в виде окружности, зная диаметр и материал шарового зонда, расстояние от позиционно-чувствительного приемника излучения до центра с шарового зонда, из подобия треугольников определяют наличие источника излучения в исследуемом объекте, вид источника, направление на этот источник, а также оценивают размер распределенного источника. Технический результат: экспресс-анализ грузов и материалов, обнаружение скрытого источника и направления на него. 1 ил.

Способ обнаружения скрытого источника излучения, характеризующийся тем, что исследуемый образец помещают перед детектором, регистрируют излучение, импульсы детектора усиливают и передают на дисплей, при этом между исследуемым образцом и детектором располагают шаровой зонд, который перемещают возвратно-поступательно, перпендикулярно и/или параллельно поверхности детектора, а по теневому изображению шарового зонда в виде окружности, зная диаметр и материал шарового зонда, расстояние от позиционно-чувствительного приемника излучения до центра шарового зонда, из подобия треугольников определяют наличие источника излучения в исследуемом объекте, вид источника, направление на этот источник, а также оценивают размер распределенного источника.