УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2010 года по МПК G01N23/221 

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для дистанционного обнаружения и анализа контрабандных материалов: наркотиков, взрывчатых веществ, делящихся веществ при таможенном досмотре, патрулировании транспортных коридоров, государственных границ.

В настоящее время, для экспресс-анализа контрабандных материалов, развиваются методы их активного облучения с целью увеличения скорости деления и последующей регистрации частиц мгновенной реакции веществ на пучок элементарных частиц зондирования.

Существуют промышленные разработки источников радиоактивного излучения различного целевого назначения [см., например, Патенты RU №2237938, 2004 г., №2235377, 2003 г. В.П.Сытин, Ф.П.Теплев, Г.В.Череватенко «Радиоактивные источники ионизирующих излучений», Энергоатомиздат, М., 1984 г., с.6-8].

Известна промышленная разработка таможенного комплекса для выявления контрабандных вложений делящихся веществ путем активного зондирования нейтронным генератором с последующей регистрацией спектра гамма-квантов [см., например, UCRL-TR-2146 36]. Аналогом также является Model 10.5 SDH-4 Pelletron (NEC, Wisconsin). В качестве зондирующего пучка в модели использован пучок дейтронов, получаемый в электростатическом перезарядном устройстве с энергией дейтронов ~6,5 Мэв и большим (более 75 микроампер) средним током, формируемым в виде последовательности импульсов, следующих с частотой 2,5 МГц. Собственно, ускоритель имеет продольный размер 9 м и еще 6 м занимает инжекционная система ускорителя, двухчастотного (5/10 МГц) группирования пучка.

Недостатками аналога являются:

- технические трудности коллимации пучка и, как следствие, невозможность дистанционного зондирования;

- значительные габаритные и весовые характеристики оборудования, что ограничивает их оперативное использование на подвижных носителях.

Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Система определения контрабанды способом активации импульсом быстрых нейтронов», Патент US, G.21.G, 1/06 №5076993, 1993 г. [см., например, Реферативный журнал, ИСМ, №7, М., 1993 г. «Ядерная физика. Ядерная техника».].

Устройство содержит блок облучения обследуемого объекта коллимированным импульсным пучком быстрых нейтронов с длительностью импульса менее 5 нс, первый детектор реагирует на гамма-излучение за счет активации объекта нейтронами, идентификационное устройство определяет атомный элемент по пику гамма-спектра, локационное устройство определяет приблизительное положение внутри объекта каждого источника гамма-излучения без необходимости детектирования связанных частиц, второй детектор на основании показаний упомянутых устройств определяет расстояние и концентрацию по меньшей мере одного атомного элемента в объекте, определяя присутствие контрабанды.

К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:

- трудность технической реализации узкоколлимированного пучка нейтронов, что ограничивает дальность дистанционного зондирования;

- недостоверность идентификации только по одному из признаков сигнала (пику амплитуды);

- невозможность компактного размещения на подвижном носителе.

Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в реализации дистанционного зондирования делящихся материалов с подвижного носителя, достоверном их обнаружении и идентификации по мгновенному отклику гамма-квантов на пучок зондирования путем обработки сигнала отклика по трем параметрам: амплитуде, длительности и форме.

Технический результат достигается тем, что в устройстве идентификации делящихся материалов, включающем тракт импульсного зондирования объектов их возможного размещения пучком элементарных частиц, приемный тракт сигнала отклика материала на зондирование, идентификационное устройство определения атомного элемента по пику гамма-спектра сигнала отклика, согласно изобретению тракты зондирования и приема размещены соосно на телеуправляемой платформе подвижного носителя с возможностью ее работы в режиме кругового обзора и сканирования в вертикальной плоскости по телекоммуникационной программе от ПЭВМ, синхронизирующей работу также приемного и передающего тракта в части регулирования длительности и скважности пакета зондирующих импульсов, а приемный тракт последовательно содержит селектор сигнала по амплитуде в составе детектора мгновенной реакции материала на зондирование, порогового устройства с регулируемой телекоммуникационно величиной порогового напряжения, селектор сигнала по длительности в составе усилителя заряда, дифференцирующей цепочки фронта сигнала отклика, таймера с регулируемой телекоммуникационно длительностью интервала отсечки сигнала, селектора сигнала по форме в составе пикового детектора аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства и ПЭВМ программного вычисления степени подобия функции текущего сигнала с эталонным сигналом, путем расчета функции их взаимной корреляции, по ширине интервала корреляции которой принимается решение о типе атомного элемента.

Изобретение поясняется чертежами, где

фиг.1 - функциональная схема устройства;

фиг.2 - диаграммы время-энергетической селекции сигналов-откликов;

фиг.3 - формы эталонных сигналов атомных элементов: U - урана, Ро - полония,

Ra - радия;

фиг.4 - формы текущих сигналов откликов материала на зондирование;

фиг.5 - функции взаимной корреляции сигналов откликов и эталонных сигналов.

Устройство идентификации делящихся материалов, фиг.1, содержит тракт 1 импульсного зондирования объектов, приемный тракт 2 сигнала отклика материала на зондирование, установленные соосно на платформе 3 с приводом от блока 4, управляемым по телекоммуникационной программе от ПЭВМ 5. Все средства устройства фиг.1 размещены на подвижном носителе 6, осуществляющем патрулирование заданной зоны и дистанционное зондирование объектов на расстоянии до 2 км. Тракт зондирования 1 содержит последовательно подключенные модулятор 7 с возможностью регулирования длительности и скважности пакета зондирующих импульсов и излучатель пучка элементарных частиц 8. Приемный тракт 2 содержит селектор сигнала отклика по амплитуде 9 в составе последовательно подключенных детектора 10 мгновенной реакции материала на зондирование, пороговый элемент 11 с регулированием, телекоммуникационно, от ПЭВМ величины порогового напряжения, селектор сигнала по длительности 12 в составе усилителя заряда 13, дифференцирующей цепочки фронта сигнала 14, таймера 15 с регулируемой, телекоммуникационно, длительностью интервала отсечки сигнала и селектор сигнала по форме 16 в составе пикового детектора 17, аналогово-цифрового преобразователя 18, буферного запоминающего устройства 19 и ПЭВМ 5, программного вычисления подобия текущего сигнала с эталонным сигналом из базы данных 20. Текущий сигнал отклика материала на зондирование прошедший селектор по амплитуде 9 и селектор по длительности 12, преобразуется в цифровую форму АЦП 18 и из буферного запоминающего устройства 19 пересылается в ПЭВМ 5, посредством которой осуществляют свертку функций текущего и эталонного сигналов. ПЭВМ5 содержит: процессор трансляции команд 21, оперативное ЗУ 22, винчестер 23, дисплей 24, принтер 25, клавиатуру 26.

Динамика взаимодействия элементов устройства иллюстрируется диаграммами фиг.2. Управление элементами устройства осуществляется специальной телекоммуникационной программой от ПЭВМ 5.

Телекоммуникационная программа реализует следующие режимы:

- генерирование последовательности импульсов (меандра) в стандартной шкале 0…6 В с регулируемой длительностью и скважностью, для управления модулятором 7;

- запирание приемного тракта (2) на время излучения пачки зондирующих импульсов подачей запирающего напряжения (-6 В) на пороговый элемент(11);

- снижение запирающего напряжения до расчетного уровня риска обнаружения полезного сигнала, после последнего импульса зондирования;

- включение таймера (15) на установленный интервал отсечки сигнала, адаптированный к типу атомного элемента;

- отсечка сигнала по времени, установленному в таймере, подачей запирающего напряжения на элемент (11);

- включение АЦП (18) и пересылка оцифрованного сигнала из буферного ЗУ (19) в компьютер (5) для расчета функции корреляции;

- формирование метки времени с первым импульсом пачки и метки времени прихода сигнала отклика для определения дальности до объекта зондирования.

Устройство реализует метод, основанный на зависимости между длительностью зондирующего излучения и амплитудой сигнала мгновенного отклика делящегося материала. Мгновенный отклик образуют высокоэнергетические гамма-кванты, а также запаздывающие гамма-кванты в интервале до 200 нс. Гамма-спектры мгновенного отклика типовых делящихся материалов иллюстрируются фиг.3. Сигнал отклика характеризуется тремя параметрами: амплитудой, длительностью и формой. Причем наиболее информативным параметром является форма (образ) сигнала, поскольку психологическое восприятие объектов оператором осуществляется именно по форме. Если при идентификации анализируемого атомного элемента использовать все три селективных признака сигнала, то достоверность идентификации существенно возрастет.

Селекцию сигнала по амплитуде осуществляют введением порогового напряжения в тракт приема. Величину порогового напряжения выбирают по одному из известных критериев риска: Байеса, Зигерта-Котельникова, Неймана-Пирсона, минимаксного, Вальда [см., например, С.А.Вакин, Л.Н.Шустов «Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки». Сов. радио, 1968 г., стр.18-25, критерии обнаружения]. Величина выставляемого порогового напряжения регулируется телекоммуникационной программой, адаптированной к каждому типу делящегося материала.

Селекцию сигнала отклика по времени осуществляют отсечкой приемного тракта путем запирания порогового элемента. Для чего используют дифференцирующую цепочку фронта сигнала отклика, включающую таймер программной длительности сигнала. При совпадении времени длительности сигнала с временем, выставленным в таймере, следует сигнал отсечки, передаваемый с таймера в компьютер 5. Селекция сигнала по времени иллюстрируется графиками фиг.2. На время излучения пачки зондирующих импульсов приемный тракт заперт. Одновременно с первым импульсом излучения на ПЭВМ печатается метка начала излучения, служащая для отсчета расстояния до объекта зондирования. После излучения пачки импульсов напряжение в пороговом элементе выставляется в соответствии с критерием риска. При появлении сигнала отклика дифференцирующая цепь генерирует сигнал, пропорциональный скорости нарастания фронта. Импульс фронта запускает таймер, который выдает вторую метку на ПЭВМ, соответствующую расстоянию до объекта зондирования. На интервале времени от появления сигнала отклика до отсечки осуществляют регистрацию как мгновенных, так и запаздывающих гамма-квантов реакции материала на пучок зондирования. Форма принимаемых сигналов иллюстрируется графиками фиг.4. Как следует из приведенных графиков, сигнал отклика гамма-квантов не намного превышает фоновый уровень, но существенно отличается по форме.

Селекция сигнала по форме. В технике для обнаружения слабых, над уровнем шумов, сигналов используют методы корреляционной обработки [см., например, «Теоретические основы радиолокации» под редакцией В.Е.Дулевича, учебник для ВУЗов, М., Сов. радио, 1964 г., стр.223-226, корреляционный прием]. Степень подобия двух функций по форме оценивают функцией взаимной корреляции [см., например, Заездный A.M. «Основы расчетов по статистической радиотехнике», М., Связь издат, 1969 г., стр.92-95]. По определению, функцию взаимной корреляции вычисляют как:

где 2Т - временной интервал, на котором оценивают степень подобия наблюдаемых процессов;

I_эт - эталонная функция отклика гамма-квантов известного атомного элемента;

I_от - функция текущих измерений сигнала отклика.

При современном развитии вычислительной техники вычисление интеграла легко реализуется специальной математической программой.

Результат программного расчета иллюстрируется графиками фиг.5, где В₃ - функция взаимной корреляции текущего сигнала (фиг.4, мгновенный фон) с эталонным сигналом атомного элемента U (фиг.3), В₂ - функция взаимной корреляции текущего сигнала (фиг.4, мгновенный фон) с эталонным сигналом атомного элемента Ро - фиг.3. По ширине функций взаимной корреляции на уровне 20% от max (Ро=20 нс, U=35 нс) следует, что обнаруженный материал, вероятнее всего, полоний.

Все элементы устройства выполнены на существующей технической базе и по известным электронным схемам. Новыми элементами, по сравнению с аналогами, являются:

Детектор-дискриминатор гамма-квантов [см. «Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения». Патент RU №2264674, 2003 г.];

Пороговое устройство [см. «Справочник по электронным устройствам», т.1, под редакцией А.А.Куликовского, М., Энергия, 1978 г., стр.339-346];

Усилитель заряда, модель 2635 [см. Комплект виброизмерительной аппаратуры, фирма Bruel & Kjair, ENDEVCO, Дания];

Пиковый детектор [см. Справочник по радиоэлектронике, т.2, под редакцией А.А.Куликовского, М., Энергия, 1968 г., стр.136-137];

Поскольку точность синхронизации передающего и приемного трактов должна составлять нс, телекоммуникационная программа реализована на специализированном быстродействующем компьютере типа семейства компьютеров Ultra компании Sun Microsystems, Copyright © 1993-2002, Jet Infosystems (http://www.solariscentral.org/)

Импульсный генератор дейтронов - линейный ускоритель BWALD (Blackward Wave Linear Accelerator of Deuterons) с регулируемой мощностью. Патент VS №4 118 653, развитие концепции Pelletron, см. сайт URL: http://www.pelletron.com/pellet.htm;

Двухосная телеуправляемая поворотная платформа, типа поворотной платформы орбитального комплекса «Мир», разработка РКК «Энергия» им. С.П.Королева [см. Патент RU №2295141, 2007 г. с.6].

Эффективность способа определяется достоверностью идентификации атомного элемента. При наборе статистических данных о параметрах сигналов откликов с последующей разработкой телекоммуникационных программ, адаптированных к каждому типу вещества, достоверность идентификации по трем параметрам сигнала будет, несомненно, выше однопараметрической идентификации способов аналогов.

Использование: для дистанционного обнаружения делящихся материалов. Сущность: заключается в том, что устройство идентификации делящихся материалов включает тракт импульсного зондирования объектов пучком элементарных частиц, приемный тракт сигнала отклика, при этом тракты зондирования и приема размещены соосно на телеуправляемой платформе подвижного носителя с возможностью ее работы в режиме кругового обзора и сканирования в вертикальной плоскости по телекоммуникационной программе от ПЭВМ, синхронизирующей работу также приемного и передающего тракта в части регулирования длительности и скважности пакета зондирующих импульсов, причем приемный тракт последовательно содержит селектор сигнала по амплитуде в составе детектора мгновенной реакции материала на зондирование, порогового устройства с регулируемой телекоммуникационно величиной порогового напряжения; селектор сигнала по длительности в составе усилителя заряда, дифференцирующей цепочки фронта сигнала отклика, таймера с регулируемой телекоммуникационно длительностью интервала отсечки сигнала; селектор сигнала по форме в составе пикового детектора аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства и ПЭВМ программного вычисления степени подобия функции текущего сигнала с эталонным сигналом путем расчета функции их взаимной корреляции, по ширине интервала корреляции которой принимается решение о типе атомного элемента. Технический результат: обеспечение дистанционного зондирования делящихся материалов, а также обеспечение их достоверного обнаружения и идентификации. 5 ил.

Устройство идентификации делящихся материалов, включающее тракт импульсного зондирования объектов их возможного размещения пучком элементарных частиц, приемный тракт сигнала отклика материала на зондирование, идентификационное устройство определения атомного элемента по пику гамма-спектра сигнала отклика, отличающееся тем, что тракты зондирования и приема размещены соосно на телеуправляемой платформе подвижного носителя с возможностью ее работы в режиме кругового обзора и сканирования в вертикальной плоскости по телекоммуникационной программе от ПЭВМ, синхронизирующей работу также приемного и передающего тракта в части регулирования длительности и скважности пакета зондирующих импульсов, а приемный тракт последовательно содержит селектор сигнала по амплитуде в составе детектора мгновенной реакции материала на зондирование, порогового устройства с регулируемой телекоммуникационно величиной порогового напряжения, селектор сигнала по длительности в составе усилителя заряда, дифференцирующей цепочки фронта сигнала отклика, таймера с регулируемой телекоммуникационно длительностью интервала отсечки сигнала, селектор сигнала по форме в составе пикового детектора аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства и ПЭВМ программного вычисления степени подобия функции текущего сигнала с эталонным сигналом путем расчета функции их взаимной корреляции, по ширине интервала корреляции которой принимается решение о типе атомного элемента.