ПЕРЕНОСНОЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ ОПАСНЫХ СКРЫТЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2013 года по МПК G01N23/222 

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности, для идентификации в полевых и стационарных условиях взрывчатых, наркотических или сильнодействующих ядовитых веществ, скрытых в различного типа легковых автомобилях. Кроме того, в пассивном режиме, при выключенном источнике нейтронов, изделие может служить детектором радиоактивных веществ.

Известно устройство для идентификации скрытых веществ (переносной обнаружитель опасных скрытых веществ) - патент РФ №2380690, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при том досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор.

Все данные существенные признаки, кроме выполнения детектора γ-излучения на основе кристалла LYSO, есть и в предлагаемом техническом решении.

Недостатками данного устройства, препятствующими его внедрению в практику обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ в автомобилях, являются следующие:

1. Использование детектора гамма-квантов на основе кристалла LYSO, обладающего достаточно высоким уровнем собственной радиоактивности, не позволяет получить хорошее энергетическое разрешение по спектрометрическому каналу регистрации гамма-квантов и накладывает ограничение на величину минимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения. Энергетическое разрешение спектрометрического гамма-канала составляет 20% на линии гамма-излучения с энергией 0,511 МэВ.

2. Габариты устройства не позволяют его использовать при обнаружении скрытых веществ в труднодоступных местах или при обследовании объектов досмотра, удаленных от устройства на расстояния более 1,5 метра.

3. Отсутствие термокоррекции спектров гамма-излучения, полученных с помощью гамма-детектора, приводит к смещению положения пиков характеристического гамма-излучения, что, в свою очередь, приводит к ошибкам в определении искомых веществ и увеличивает число ложных тревог.

4. Система наведения пучка меченых нейтронов на объект досмотра на основе лазерного генератора вертикальной линии, проходящей через центр пучка меченых нейтронов, позволяет совмещать ее только с вертикальной линией, проходящей через центральную точку области обследования объекта досмотра, без учета его реальной формы.

Предлагаемое изобретение предназначено для решения следующих технических задач - повышение светосилы устройства и чувствительности его по отношению к регистрируемому характеристическому ядерному гамма-излучению, повышение энергетического разрешения спектрометрического канала регистрации гамма-излучения, обеспечение возможности обнаружения и идентификации опасных скрытых веществ в труднодоступных местах, снижение количества ошибок, связанных с отсутствием термокоррекции гамма-спектров, необходимой при изменении температуры окружающей среды, повышение точности наведения потока меченых нейтронов на подозрительную область объекта досмотра. Дополнительно решается техническая задача уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого опасного вещества, а также задача удобства эксплуатации устройства.

Для решения данных технических задач переносной обнаружитель опасных скрытых веществ, содержащий источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детектор γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при том досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, в отличие от прототипа снабжен дополнительным внешним детектором γ-излучения, соединенным с досмотровым модулем линией высоковольтного питания и спектрометрическим каналом, при этом оба детектора γ-излучения (расположенный внутри модуля досмотра и внешний детектор) выполнены на основе кристаллов BGO; лазерные генераторы линий установлены с возможностью указания на объекте досмотра габаритных размеров области облучения его потоком меченых монохроматических нейтронов; спектрометрические каналы обоих детекторов γ-излучения снабжены системой термокоррекции, состоящей из термодатчиков, закрепленных на кристаллах BGO, в тепловом контакте с ними, амплитудно-цифрового преобразователя и одноплатного миникомпьютера, при этом термодатчики соединены линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным миникомпыотером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления.

Дополнительно, для повышения чувствительности прибора в плане обнаружения минимально возможной массы скрытого опасного вещества, сигнальные элементы многоканального кремниевого детектора α-частиц выполнены в виде полос (стрипов) и расположены на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц, сторонах полупроводникового кристалла, при этом полосы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос на другой стороне кристалла, при том пересечения полос сигнальных элементов образуют пиксели детектора α-частиц; лазерные генераторы линий установлены с возможностью указания на объекте досмотра областей облучения, соответствующих пикселям детектора α-частиц. Для повышения удобства работы с разноудаленными объектами обнаружитель содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания в виде катушки.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, являются следующие: обнаружитель снабжен дополнительным внешним детектором γ-излучения, соединенным с досмотровым модулем линией высоковольтного питания и спектрометрическим каналом, при этом оба детектора γ-излучения выполнены на основе кристаллов BGO; лазерные генераторы линий установлены с возможностью указания на объекте досмотра габаритных размеров области облучения его потока меченых монохроматических нейтронов; спектрометрические каналы обоих детекторов γ-излучения снабжены системой термокоррекции, состоящей из термодатчиков, закрепленных на кристаллах BGO, в тепловом контакте с ними, амплитудно-цифрового преобразователя и одноплатного миникомпьютера, при этом термодатчики соединены линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным миникомпьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления. Дополнительно, сигнальные элементы многоканального кремниевого детектора α-частиц выполнены в виде полос (стрипов) и расположены на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц, сторонах полупроводникового кристалла, при этом полосы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос на другой стороне кристалла, при том пересечения полос сигнальных элементов образуют пиксели детектора α-частиц; лазерные генераторы линий установлены с возможностью указания на объекте досмотра областей облучения, соответствующих пикселям детектора α-частиц. Также обнаружитель содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания в виде катушки.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными из прототипа достигаются следующие технические результаты:

1. Детекторы гамма-квантов на основе кристаллов BGO имеют энергетическое разрешение на линии ¹³⁷Cs в 2 раза лучше, чем у детектора на основе LYSO. Это обстоятельство крайне важно для достоверной идентификации скрытых взрывчатых, наркотических и сильнодействующих ядовитых веществ, базирующейся на определении интенсивностей пиков характеристического гамма-излучения, возникающего в результате взаимодействия потока быстрых нейтронов с энергией 14.1 МэВ с ядрами углерода, азота и кислорода.

2. Наличие дополнительного внешнего гамма-детектора на основе кристалла BGO, который может располагаться как можно ближе к области облучения объекта потоком меченых нейтронов, но вне его, позволяет выявлять и идентифицировать скрытые опасные вещества в труднодоступных местах (например, подозрительный предмет внутри припаркованного к стене автомобиля вблизи дальнего борта), тем самым существенно повысить чувствительность переносного устройства.

3. Система термокоррекции гамма-детекторов позволяет без проведения калибровки гамма-канала стандартными источниками квантов автоматически производить учет эффекта температурного сдвига положения пиков характеристического гамма-излучения в диапазоне температур - 20÷50С°. Наличие данной системы обеспечивает идентификацию скрытых опасных веществ на уровне 98% вероятности, при вероятности ложных срабатываний 2%.

4. Использование лазерных генераторов линии с индикацией на объекте досмотра габаритных размеров пучка монохроматических нейтронов позволяет сократить и визуализировать как процесс наведения пучка меченых нейтронов на объект досмотра, так и определение места расположения опасных веществ. Использование многоэлементного стрипового кремниевого альфа-детектора позволяет существенно уменьшить минимально детектируемую массу опасного вещества до 25 г.

6. Наличие модуля намотки в виде катушки соединительных кабелей Ethernet и питания между досмотровым модулем и модулем управления, входящего в состав переносного детектора скрытых опасных веществ, делает его удобным при эксплуатации в различных условиях.

Предлагаемое техническое решение может найти применение в различных мобильных и стационарных системах проверки наличия и идентификации скрытых опасных веществ в объектах малого и среднего размера. Переносные системы могут быть также использованы для досмотра неопознанных объектов в метро, на железнодорожных вокзалах, в аэропортах и других общественных местах, а также для дистанционного досмотра легковых автомобилей.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, 2 и 3.

На фиг.1 изображена общая схема устройства.

На фиг.2 изображена функциональная схема работы системы термокоррекции.

На фиг.3 изображен разрез многоканального стрипового детектора α-частиц.

В состав изображенного на фиг.1 обнаружителя входит модуль досмотра 12, модуль управления 14, модуль намотки - катушка 16 и соединительные кабели Ethernet и питания 13. В модуле досмотра 12 находится источник монохроматических нейтронов - нейтронный генератор (НГ) 10 с блоком управления 3, детектор γ-излучения 6 на основе кристалла ВGO, защита 7 кристалла BGO детектора γ-излучения 6, блок его питания 1, блок электроники сбора данных 2 со встроенным блоком питания, Ethernet-разветвитель 4 и блок питания 11 детектора α-частиц. Детектор α-частиц на схеме не обозначен, поскольку встроен в нейтронный генератор 10. Дополнительный внешний детектор γ-излучения 17 (также на основе кристалла ВGO) соединен с досмотровым модулем 12 линией высоковольтного питания 18 и спектрометрическим каналом 19. При этом в программе приема данных в блоке управления 3 устройством предусмотрено переключение с детектора 6, расположенного внутри модуля досмотра, на внешний гамма-детектор 17. Модуль досмотра выполнен на базе универсального контейнера с габаритными размерами 740×510×410 мм. Общий вес контейнера с аппаратурой 31 кг. Наведение на объект досмотра осуществляется с помощью генераторов лазерных линий 9. Соединение с модулем управления 14 осуществляется через разъемы 5. Модули соединены между собой двумя кабелями 13, по которым осуществляется Ethernet-соединение и передается питание 220 В. В модуле управления 14 находится ноутбук с программами приема-обработки данных и интерфейсом пользователя и источник питания 15 на 220 В. Для наведения на объект контроля в передней стенке контейнера модуля досмотра 12 имеется светопрозрачное окно 8.

На фиг.2 изображена функциональная схема системы термокоррекции спектров характеристического γ-излучения, регистрируемого детекторами γ-излучения 6 или 17. Система термокоррекции включает в себя термодатчик 20, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 21, одноплатный компьютер 22, подключенный к модулю управления 14 с интерфейсом и блоком управления программ приема и обработки данных.

Термодатчик 20 установлен в корпусах детекторов γ-излучения 6 и 17, непосредственно на кристаллах BGO в тепловом контакте с ними (детекторы γ-излучения 6 и 17 включают в себя кристаллы BGO), фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 23 и высоковольтный делитель 24 к нему. Высоковольтное питание детекторов γ-излучения 6 и 17 осуществляется с помощью блока высоковольтного питания 1. На термодатчик 20 подается постоянное напряжение +5 В через плату АЦП 21. Сигнал с термодатчика 17, пропорциональный температуре кристалла BGO, преобразовывается в цифровой код. С помощью одноплатного компьютера 22, на котором установлена плата АЦП 21, обрабатывается цифровой сигнал с термодатчика 20 и определяется коэффициент температурной коррекции амплитуды сигнала, поступившего с детекторов γ-излучения 6 и 17 в данный момент на модуль управления 14 с блоком программ приема и обработки данных. Сигнал с детектора γ-излучения 6 или 17 поступает в компьютер блока электроники сбора данных блока управления 3 и преобразуется в цифровой код. Все компьютеры системы термокоррекции и блока электроники сбора данных объединены в общую компьютерную сеть с помощью Ethernet-разветвителя 4. Цифровая информация о коэффициентах термокоррекции и об амплитуде сигнала с детектора γ-излучения 6 передается с помощью сетевого Ethernet-разветвителя 4 в модуль управления 14 с интерфейсом и блоком программ приема и обработки данных, с помощью которых производится анализ и построение амплитудных спектров сигналов с детектора γ-излучения 6 или 17, как с использованием найденных коэффициентов термокоррекции (корректированный спектр), соответствующих определенной температуре окружающей среды, так и без их учета (спектр без коррекции). Питание одноплатного компьютера осуществляется от блока питания постоянного напряжения +5 В (собственного или общего для других элементов, например, 11).

На фиг.3 изображен разрез многоэлементного двухстороннего стрипового детектора α-частиц, который содержит сигнальные элементы в виде полосок 25 и 26 (р⁺- и n⁺-стрипы соответственно), расположенных на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц, сторонах полупроводникового (Si) кристалла 24, при этом сигнальные элементы 25, 26 выполнены в виде параллельных полос, направление которых на одной стороне кристалла 27 перпендикулярно направлению полос на другой стороне кремниевого кристалла 27. При том пересечения полос сигнальных элементов 25 и 26 образуют пиксели детектора α-частиц. Измерение координат α-частицы происходит в момент совпадения сигналов с любых двух сигнальных элементов 25 и 26, расположенных на противоположных сторонах детектора α-частиц.

Лазерные генераторы линий 9 установлены на нейтронном генераторе 10 и предназначены для отображения на объекте горизонтальных и вертикальных линий, указывающих область облучения объекта потоком меченых нейтронов, соответствующую пикселям детектора α-частиц.

Предложенное устройство работает следующим образом.

При использовании внутреннего детектора γ-излучения 6 досмотровый модуль 12 подносится к объекту контроля. Соединительные провода 13 разматываются с катушки 16 на требуемую длину для безопасного размещения модуля управления 14. Включается система лазерного наведения 9, которая позволяет правильно выставить меченые пучки нейтронов для облучения требуемой области на объекте контроля. Лазерные генераторы линий 9 жестко связаны с корпусом НГ 10, показывают направление меченых пучков. Модуль досмотра 12 облучает объект контроля несколькими пучками меченых нейтронов. Ось меченых пучков НГ 10 направлена под углом к плоскости передней стенки чемодана. Это обусловлено тем, что размещение аппаратуры в модуле досмотра 12 выбиралось так, чтобы расстояние между объектом и нейтронным генератором 10 и расстояние между объектом и детектором γ-излучения 6 были минимальными. Это условие необходимо для повышения скорости набора статистики. Кроме того, детектор γ-излучения 6 должен быть защищен от излучений НГ 10. Для этого введена защита 7 детектора гамма-излучения 6.

При использовании внешнего детектора γ-излучения 17 досмотровый модуль 12 также приближается к объекту контроля. Соединительные провода 13 разматываются с катушки 16 на требуемую длину для безопасного размещения модуля управления 14. Включается система лазерного наведения 9, которая позволяет правильно выставить меченые пучки нейтронов для облучения требуемой области на объекте контроля. Лазерные генераторы линий 9 жестко связаны с корпусом НГ 10, показывают направление меченых пучков. В отличие от предыдущего варианта работы детектор γ-излучения 17 подносится непосредственно к объекту облучения, но вне зоны облучения мечеными пучками нейтронов (соответственно разматываются провода линии высоковольтного питания 18 и спектрометрического канала 19, которые могут стыковаться к досмотровому модулю 12 разъемом). При этом защита детектора γ-излучения 17 от излучений НГ 10 не требуется. Модуль досмотра 12 облучает объект контроля несколькими пучками меченых нейтронов.

Цикл измерения включает в себя: запуск генератора нейтронов 10, накопление и анализ данных, поступающих с детектора α-частиц и детектора γ-излучения 6 или 17, принятие решений в автоматическом режиме, протоколирование результатов измерения и архивирование данных, набранных за время измерения. В процессе измерения при изменении температуры окружающей среды автоматически производится термокоррекция амплитудных распределений сигналов, регистрируемых с помощью детектора γ-излучения, что исключает необходимость проведения калибровки спектрометрического канала детектора γ-излучения.

При выключенном нейтронном генераторе 10 (в пассивном режиме) изделие используется как детектор радиоактивных веществ. Для реализации этого предлагаемое устройство содержит блок программ, предназначенных для контроля уровня радиоактивности в объекте досмотра. Программа анализа данных автоматически производит сравнение результата измерения (усредненной скорости счета зарегистрированных событий в интервале энергий гамма-квантов 50-3000 кэВ) с соответствующей величиной, измеренной ранее в фоновых экспозициях. При этом производится сравнение чисел гамма-квантов, зарегистрированных досмотровым модулем в диапазоне энергий 50-3000 кэВ, при наличии и отсутствии (фоновое измерение) объекта контроля. В случае превышения измеренной скорости счета событий, зарегистрированных детектором γ-излучения над уровнем естественного фона, на экране монитора модуля управления 14 появляется информация, свидетельствующая о том, что объект досмотра содержит радиоактивное вещество.

Использование: для обнаружения опасных скрытых веществ. Сущность: устройство содержит источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных между собой, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов, при этом устройство снабжено дополнительным внешним детектором γ-излучения, соединенным с досмотровым модулем, оба детектора γ-излучения выполнены на основе кристаллов ВGO; лазерные генераторы линий установлены с возможностью указания на объекте досмотра габаритных размеров области облучения его потока меченых монохроматических нейтронов; спектрометрические каналы обоих детекторов γ-излучения снабжены системой термокоррекции, состоящей из термодатчиков, закрепленных на кристаллах BGO, в тепловом контакте с ними, амплитудно-цифрового преобразователя и одноплатного миникомпьютера, при этом термодатчики соединены линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен с одноплатным миникомпьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления. Технический результат: повышение светосилы, чувствительности устройства, а также повышение энергетического разрешения спектрометрического канала регистрации гамма-излучения и, кроме того, снижение количества ошибок, связанных с отсутствием термокоррекции гамма-спектров. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Переносной обнаружитель опасных скрытых веществ, содержащий источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45° относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; притом досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, отличающийся тем, что снабжен дополнительным внешним детектором γ-излучения, соединенным с досмотровым модулем линией высоковольтного питания и спектрометрическим каналом, при этом оба детектора γ-излучения выполнены на основе кристаллов BGO; лазерные генераторы линий установлены с возможностью указания на объекте досмотра габаритных размеров области облучения его потока меченых монохроматических нейтронов; спектрометрические каналы обоих детекторов γ-излучения снабжены системой термокоррекции, состоящей из термодатчиков, закрепленных на кристаллах ВGO, в тепловом контакте с ними, амплитудно-цифрового преобразователя и одноплатного миникомпьютера, при этом термодатчики соединены линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным миникомпьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления.

2. Обнаружитель по п.1, отличающийся тем, что сигнальные элементы многоканального кремниевого детектора α-частиц выполнены в виде полос и расположены на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц, сторонах полупроводникового кристалла, при этом полосы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос на другой стороне кристалла, притом пересечения полос сигнальных элементов образуют пиксели детектора α-частиц; лазерные генераторы линий установлены с возможностью указания на объекте досмотра областей облучения, соответствующих пикселям детектора α-частиц.

3. Обнаружитель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания в виде катушки.