СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ СКРЫТЫХ ОПАСНЫХ ПРЕДМЕТОВ Российский патент 2009 года по МПК G01N23/222 

Изобретение относится к ядерным методам интроскопии, конкретно к технике обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов в крупногабаритных средствах транспортировки (большегрузные контейнеры, автомобили и т.д.) с помощью нейтронных полей, генерируемых в ускорителях заряженных частиц.

Известны средства обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, использующие взаимодействие нейтронов с ядрами элементов, составляющих эти вещества [1]. К таким взаимодействиям относятся ядерные реакции неупругого рассеяния, радиационного захвата и активации, в результате протекания которых образуются гамма-кванты, по спектру которых можно осуществлять указанную идентификацию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ контроля большегрузных контейнеров и автомобилей, описанный в работе [2], который может быть взят за прототип.

Согласно способу-прототипу объект контроля облучают с трех пространственно разнесенных точек (d-t)-нейтронами, генерируемыми нейтронным генератором на базе ускорительной трубки прямого действия. При этом осуществляется предварительная клистронная модуляция дейтронного потока в ионном источнике с целью получения короткого нейтронного импульса (неск. нс). Такой нейтронный импульс должен, по мнению авторов прототипа, обеспечить необходимую степень локализации опасного объекта.

Недостатком указанного способа является наличие большой мгновенной плотности тока дейтронов, получаемой в процессе клистронной модуляции, что будет препятствовать извлечению дейтронов в диодный зазор ускорительной трубки в соответствии с законом Богуславского-Чайлда-Ленгмюра (закон «3/2») [3]. В результате в диодном зазоре будет невозможно ускорить достаточное количество дейтронов к мишени, чтобы получить нейтронный поток, необходимый для обеспечения приемлемой чувствительности обнаружения и идентификации скрытого объекта, а также удовлетворительной статистики измерений. Кроме того, изотропность вылета (d-t)-нейтронов из мишени нейтронного генератора на базе ускорительной трубки прямого действия не позволяет получать направленные потоки нейтронного излучения из-за малой величины импульса ускоренного дейтрона.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение достоверности обнаружения и идентификации скрытых опасных объектов в процессе радиационного контроля за счет увеличения среднего нейтронного потока, направляемого на объект контроля при устранении отмеченных недостатков прототипа.

Этот результат достигается тем, что в известном способе [2], включающем образование и модуляцию потока ионов, извлечение их из ионного источника, последующее ускорение к мишени, генерацию нейтронов, облучение нейтронами объекта контроля с трех точек, разнесенных в пространстве с последующей регистрацией гамма-квантов в этих же точках и фиксацией времени прихода гамма-квантов относительно нейтронной вспышки, ионы согласно предлагаемому способу ускоряют в переменном электрическом поле, а модуляцию их потока осуществляют после извлечения из ионного источника одновременно с их ускорением в результате группировки в первой ускоряющей секции. Положение мишени ускорителя относительно объекта контроля изменяют при поступательном перемещении ускорителя или объекта контроля так, что направление ускорения ионов (потока нейтронов) не меняется относительно декартовой системы координат, связанной с объектом контроля. Измеряют время прихода гамма-квантов для заданной энергетической области их спектра, соответствующей спектру идентифицируемого опасного вещества, заложенного в компьютерной программе обработки информации. Окончательно пространственные координаты искомого предмета в этой системе координат определяют с помощью системы уравнений

где i=1, 2, 3,

τ_i - время прихода гамма-квантов с энергией в заданной энергетической области,

х, у - координаты искомого предмета, подлежащие определению, перпендикулярные направлению ускорения ионов,

z - координата искомого предмета, подлежащая определению, направленная по линии ускорения ионов,

x_0i, y_0i - координаты мишени ускорителя, перпендикулярные направлению ускорения ионов,

z_0i - координата мишени ускорителя, направленная по линии ускорения ионов,

k - число нуклонов в ядре ускоряемого иона изотопа водорода,

А - атомный номер ядра мишени ускорителя,

Т - кинетическая энергия ускоренного иона,

Q - энергетический выход ядерной реакции,

М - масса нейтрона.

Система расчетных уравнений (1) получается в результате рассмотрения процесса образования нейтрона в мишени в результате (р, n) или (d, n) ядерной реакции. В соответствии с законом сохранения энергии имеет место следующее соотношение:

где Т_я - кинетическая энергия образовавшегося нового ядра,

v_i - скорость нейтрона.

Закон сохранения импульса удобно записать с учетом оговоренных выше условий ориентации ускорителя относительно объекта контроля в следующем виде:

где е_z - единичный вектор, направленный вдоль оси z,

n - единичный вектор, определяющий направление вылета нового ядра,

r - радиус-вектор с координатами {x,y,z},

r_0i - вектор, задающий координаты мишени ускорителя {x_0i,y_0i,z_0i}.

Возводя уравнение (3) в квадрат и исключая из уравнения (2) энергию Т_я, получаем после несложных преобразований выражение для скорости нейтрона, попадающего в точку нахождения опасного объекта

Если пренебречь временем прохождения гамма-квантом расстояния от места своего рождения в области предмета, подлежащего обнаружению до детектора (<10 нс) по сравнению с временем прохождения нейтроном расстояния от мишени до указанного предмета (>100 нс), то в результате деления этого расстояния на скорость нейтрона приходим к системе уравнений (1).

Тестовый компьютерный анализ системы (1) показал, что для соблюдения приемлемой точности локации опасного объекта необходимо обозначить пределы изменения координат расположения мишени ускорителя по отношению к максимальному линейному размеру объекта контроля L. Эти пределы можно обозначить с помощью следующих приближенных неравенств:

где h_i, H_i - соответственно минимальное и максимальное удаления мишени ускорителя от объекта контроля.

При выполнении этих неравенств абсолютная погрешность локализации не будет превышать 10% от L.

Для реализации предлагаемого способа может быть использован резонансный ускоритель протонов или дейтронов с энергией от 2 до 20 МэВ с резонансной частотой ~100 МГц. Ускоритель на более высокую энергию использовать не представляется целесообразным из-за его больших габаритов.

В процессе контроля положение ускорителя фиксируется, после чего осуществляется ускорение протонов или дейтронов к мишени, содержащей дейтерий, тритий, литий или бериллий. Возможны варианты использования и других нейтронообразующих веществ в зависимости от энергии ускоряемых частиц.

Когда фронт нейтронного потока достигает скрытого объекта, генерируется поток гамма-квантов, часть из которых достигает детектора, расположенного рядом с мишенью ускорителя. Этот процесс происходит практически мгновенно, т.к. скорость нейтрона намного меньше скорости света.

Определяя время прихода импульса гамма-излучения с заданным энергетическим распределением, соответствующим ядрам элементов, составляющих опасное вещество, к детектору для трех различных точек расположения ускорителя, подставляя эти значения в систему уравнений (1) и решая эту систему, находим координаты искомого скрытого опасного предмета. В частности, если предметом обнаружения является взрывчатое вещество (гексоген, октоген и т.д.), то идентификация должна проводиться по энергетическим гамма-спектрам азота, углерода, кислорода и водорода.

Для снятия спектрограмм может быть использован гамма-спектрометр, подключенный к системе детектирования, состоящей из сцинтилляционного кристалла, преобразователя светового сигнала в электрический и многоканального амплитудного анализатора. В качестве таких кристаллов могут быть использованы соединения NaI(Tl), CsJ(Tl), LiI(Eu), ViGe₃O₁₂, CdWO₄ и т.д., в которых под действием гамма-квантов возбуждаются короткие вспышки света (сцинтилляции). Причем энергия такой вспышки пропорциональна энергии регистрируемого фотона.

Сцинтиллирующий объем оптически связан с электронным фотоумножителем или светодиодом, которые преобразовывают световые вспышки в электрические импульсы. Их амплитуды после процесса формирования и калибровки также оказываются пропорциональными энергиям гамма-квантов. Далее поток этих импульсов поступает в многоканальный амплитудный анализатор, который выдает информацию об энергетическом спектре гамма-квантов. После его компьютерной обработки по известным алгоритмам, используемым, например, при гамма-спектрометрическом элементном анализе горных пород [4], вырабатывается окончательный сигнал на фиксацию времени τ_i. Этот сигнал компьютер выдает после совпадения измеренного спектра гамма-излучения с эталонным, заданным в компьютере.

Описанная процедура измерений осуществляется три раза, для разных положений мишени относительно объекта контроля, чтобы число уравнений в системе (1) было равно числу неизвестных. Для этого производится перемещение ускорителя относительно объекта контроля или наоборот. В принципе для повышения точности измерений контроль можно проводить и с большего числа точек. При этом система уравнений (1) становится переопределенной и для ее решения следует привлекать аппарат метода наименьших квадратов.

Рассмотрим в качестве примера реализации предлагаемого способа контроль контейнера с характерным линейным размером ~10 м. В этом случае при точности локализации опасного объекта ~10% расстояние между передним и задним фронтом нейтронного пакета не должно превышать величины ~1 м. Пусть в качестве генератора нейтронов используется резонансный дейтронный ускоритель с тритиевой мишенью с энергией 2 МэВ. Энергия нейтронов в этом случае оценивается примерно в 15 МэВ. Это соответствует скорости нейтрона ≈5.10⁷ м/с. Порядок расстояния мишень-объект контроля оценивается в соответствии с неравенствами (5) ~10 м. Следовательно, для обеспечения указанной степени локализации длительность импульса дейтронного тока на мишень должна составлять ~10 нс, что вполне достижимо для ионного резонансного ускорителя. В качестве системы регистрации могут быть использованы стандартные средства спектрометрии гамма-полей, используемых, например в ядерной геофизике.

Предлагаемый способ позволит существенно увеличить эффективность обнаружения, локализации и идентификации опасных объектов в крупногабаритных средствах транспортировки за счет повышения чувствительности и достоверности контроля.

Источники информации

1. Maglich B.C. et al. 4^th International Symposium on Technology and the Mine Problems, March 13-16, Naval Postgraduate Schol, Monterey, California, p.89.

2. Каретников М.Д., Мелешко Е.А., Яковлев Г.В. Способ генерации наносекундных импульсов нейтронов и его возможное использование. Сб. материалов межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», ВНИИА, 2003, с.110-116.

3. Лебедев А.Н. Физические процессы в сильноточных диодах. М., МИФИ, 1995, 60 с.

4. Разведочная ядерная геофизика. Справочник геофизика. М., Недра, 1986, 432 с.

Использование: для обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов. Сущность: заключается в том, что образуют и модулируют поток ионов изотопов водорода, извлекают их из ионного источника, ускоряют их к мишени, генерируют нейтроны на мишени, облучают нейтронами объект контроля с трех различных точек расположения мишени относительно объекта контроля, регистрируют гамма-кванты радиационного захвата или неупругого рассеяния и фиксируют времена прихода гамма-импульсов к детектору, при этом ионы ускоряют переменным высокочастотным электрическим полем, а модулируют их поток после извлечения из ионного источника, путем фазовой группировки в первой ускоряющей секции одновременно с их ускорением, изменяют положение мишени ускорителя относительно объекта контроля путем поступательного перемещения ускорителя или объекта контроля перпедикулярно направлению ускорения ионов (потока нейтронов) и определяют пространственные координаты искомого предмета в декартовой системе координат, жестко связанной с объектом контроля, с помощью соответствующей системы уравнений. Технический результат: повышение достоверности обнаружения и идентификации скрытых опасных объектов в процессе радиационного контроля. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов, при котором образуют и модулируют поток ионов изотопов водорода, извлекают их из ионного источника, ускоряют их к мишени, генерируют нейтроны на мишени, облучают нейтронами объект контроля с трех различных точек расположения мишени относительно объекта контроля, регистрируют гамма-кванты радиационного захвата или неупругого рассеяния и фиксируют времена прихода гамма-импульсов к детектору, отличающийся тем, что ионы ускоряют переменным высокочастотным электрическим полем, а модулируют их поток после извлечения из ионного источника, путем фазовой группировки в первой ускоряющей секции одновременно с их ускорением, изменяют положение мишени ускорителя относительно объекта контроля путем поступательного перемещения ускорителя или объекта контроля перпедикулярно направлению ускорения ионов (потока нейтронов) и определяют пространственные координаты искомого предмета в декартовой системе координат, жестко связанной с объектом контроля, с помощью системы уравнений

где i=1, 2, 3,

τ_i - время прихода гамма-квантов с энергией в заданной энергетической области;
х, у - координаты искомого предмета, подлежащие определению, перпендикулярные направлению ускорения ионов;
z - координата искомого предмета, подлежащая определению, направленная по линии ускорения ионов;
x_0i, y_0i - координаты мишени ускорителя, перпендикулярные направлению ускорения ионов;
z_0i - координата мишени ускорителя, направленная по линии ускорения ионов;
k - число нуклонов в ядре ускоряемого иона изотопа водорода;
А - атомный номер ядра мишени ускорителя;
Т - кинетическая энергия ускоренного иона;
Q - энергетический выход ядерной реакции;
М - масса нейтрона.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что координаты расположения мишени ускорителя изменяют в пределах:


где h_i, H_i - соответственно минимальное и максимальное удаления мишени ускорителя от объекта контроля, r_0i - вектор, задающий координаты мишени ускорителя {x_0i,y_0i,z_0i}, L - максимальный линейный размер объекта контроля.