СПОСОБ НЕИНТРУЗИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА Российский патент 2014 года по МПК G01N23/222 

Область техники и уровень техники

Настоящее изобретение касается способа неинтрузивного обнаружения по меньшей мере, одного химического элемента, присутствующего в жидкости или в твердой фазе.

Изобретение находит свое применение, например, для обнаружения взрывчатого(ых) вещества(веществ), химического оружия или наркотика(ов) в области гражданской безопасности (осмотр багажа, грузовых контейнеров и т.д.), выявления контрабанды (таможенный контроль), разминирования (гражданская оборона или военная область) или для характеристики материалов, входящих в состав радиоактивных отходов ядерной промышленности.

Известны различные способы неинтрузивного обнаружения химических элементов. Некоторые из этих способов основаны на применении нейтронных измерений.

Среди способов, основанных на применении нейтронных измерений, некоторые идентифицируют химические элементы путем обнаружения захватного гамма-излучения (n, γ), вызываемого тепловыми нейтронами, или путем обнаружения гамма-излучения неупругого рассеяния (n, n'γ), или путем обнаружения гамма-излучения, возникающего в результате других реакций, вызываемых быстрыми нейтронами, а именно (n, p), (n, d), (n, t), (n, α) и т.д. В дальнейшем тексте описания выражение «гамма-излучение неупругого взаимодействия» будет использоваться для любого гамма-излучения, индуцируемого быстрыми нейтронами.

Обнаружение излучения захвата, индуцируемого тепловыми нейтронами, является более чувствительным при использовании пульсирующего источника нейтронов, так как отношение сигнала (захватное излучение) к шуму (излучение неупругого взаимодействия) между импульсами является максимальным. Этот тип обнаружения представлен в патенте US 6393085 B1. В этом документе описано также возможное обнаружение гамма-излучений неупругого взаимодействия, но во время импульсов, однако такой способ обладает намного меньшей чувствительностью, чем при использовании счетчика связанных частиц (TPA), который позволяет пространственно локализовать проверяемый объект при помощи измерения времени пролета нейтронов, принцип которого описан в патентной заявке US 2007/0241283 A1. Короче говоря, каждый нейтрон испускается одновременно с α-частицей и в противоположном направлении. Обнаружение α-частицы позволяет определить направление испускания нейтрона, а измерение времени, разделяющего обнаружение α-частицы и γ-излучения неупругого взаимодействия, индуцируемого нейтроном, позволяет определить время пролета нейтрона. Таким образом, получают средство для трехмерной локализации места взаимодействия и, следовательно, для устранения последствий в рассматриваемой зоне и соответственно значительно улучшают отношение сигнала к шуму по сравнению с импульсным исследованием. Вместе с тем, поскольку эмиссия счетчика TPA является непрерывной, при этом методе обнаружение захватного излучения не является оптимальным с точки зрения отношения сигнала к шуму. Проблема заключается в том, что ни один, ни другой из этих методов, один из которых основан на пульсирующем источнике, а другой на счетчике частиц TPA, не позволяет обнаруживать с максимальной чувствительностью одновременно захватное излучение и излучение неупругого взаимодействия и, следовательно, удовлетворительно идентифицировать все выявляемые элементы. Сразу после завершения первого метода необходимо осуществлять второй метод для расширения области обнаруживаемых элементов или для повышения уровня достоверности присутствия элементов, обнаруживаемых обоими методами. Общая продолжительность операции обнаружения является, таким образом, относительно большой, что является основным недостатком с точки зрения обеспечения безопасности.

Изобретение не имеет этого недостатка.

Раскрытие изобретения

Объектом настоящего изобретения является способ обнаружения химического элемента в объекте путем нейтронного облучения объекта. Нейтронное облучение объекта представляет собой, с одной стороны, непрерывное испускание нейтронов из нейтронного генератора связанных частиц и, с другой стороны, испускание нейтронных импульсов, которые накладываются на непрерывное испускание нейтронов, при этом нейтронные импульсы получают посредством импульсного генератора нейтронов, который генерирует нейтронные импульсы с длительностью импульса T2, при этом два последовательных нейтронных импульса разделены интервалом T4, при этом непрерывное импульсное нейтронное облучение объекта вызывает захватное гамма-излучение и гамма-излучение неупругого взаимодействия.

Согласно частному варианту изобретения способ дополнительно содержит:

- обнаружение гамма-излучения неупругого взаимодействия и захватного гамма-излучения при помощи технологии связанной частицы в течение интервалов T4, разделяющих импульсы длительностью T2,

- формирование в диапазоне времени пролета нейтронов относительно объекта первого спектра гамма-излучения на основании гамма-излучения неупругого взаимодействия и захватного гамма-излучения, обнаруженных на этапе обнаружения при помощи технологии связанной частицы,

- формирование в диапазоне времени, отличном от диапазона времени пролета нейтронов относительно объекта, или в любом другом диапазоне времени пролета нейтронов относительно любого другого объекта, который может находиться рядом с объектом, случайного спектра фона, связанного со случайными совпадениями, на основании гамма-излучения неупругого взаимодействия и захватного гамма-излучения, обнаруженных на этапе обнаружения при помощи технологии связанной частицы,

- формирование на основании случайного спектра фона, связанного со случайными совпадениями, случайного спектра фона, нормированного по временному диапазону относительно объекта,

- вычитание первого спектра гамма-излучения и нормированного случайного спектра фона для формирования второго спектра гамма-излучения, и

- этап поиска присутствия химического элемента в объекте при помощи второго спектра гамма-излучения и контрольных спектров химических элементов, которые могут быть обнаружены, для получения первых данных, которые могут свидетельствовать о присутствии или отсутствии химического элемента в объекте.

Согласно еще одному частному варианту изобретения, способ дополнительно содержит:

- обнаружение при помощи метода импульсного нейтронного опроса захватного гамма-излучения и гамма-излучения неупругого взаимодействия, с одной стороны, в течение длительности импульсов T2 и, с другой стороны, во время интервалов T4, разделяющих импульсы с длительностью T2,

- формирование третьего спектра гамма-излучения на основании захватного гамма-излучения и гамма-излучения неупругого взаимодействия, обнаруженных во время интервалов T4 при помощи метода импульсного нейтронного запроса,

- формирование, на основании третьего спектра гамма-излучения, первых данных, характеризующих по меньшей мере одну линию захватного излучения химического элемента,

- формирование четвертого спектра гамма-излучения, состоящего из множества энергетических каналов, на основании излучения неупругого взаимодействия, обнаруженного во время длительности импульсов T2 при помощи технологии импульсного нейтронного опроса,

- формирование нормированного спектра гамма-излучения на основании четвертого спектра гамма-излучения, при этом формирование нормированного спектра гамма-излучения осуществляют путем умножения содержимого каждого энергетического канала четвертого спектра гамма-излучения на коэффициент нормирования F, по существу пропорциональный числу нейтронов, испускаемых во время интервала T4 и по существу обратно пропорциональный числу нейтронов, испускаемых в течение длительности T2,

- формирование на основании нормированного спектра гамма-излучения вторых данных, характеризующих фон гамма-излучения неупругого взаимодействия,

- этап вычитания первых данных и вторых данных,

- этап подтверждения присутствия или отсутствия химического элемента в объекте в зависимости от результата этапа вычитания, и

- если присутствие химического элемента в объекте подтверждено, дополнительный этап, на котором получают вторые данные, которые могут подтвердить или отменить подтверждение присутствия химического элемента на основании результата этапа подтверждения и весовых данных, относящихся к различным линиям захватного гамма-излучения химического элемента, причем значения весовых коэффициентов присваивают в зависимости от вероятности обнаружения и риска интерференции, связанных с каждой линией.

Согласно дополнительному признаку изобретения, коэффициент нормирования F получают при помощи уравнения:

F=(I₄×T4)/(I₂×T2)×[(1-ТМ(Т4))/(1-ТМ(Т2))],

где ТМ(T4) и ТМ(T2) соответственно представляют собой мертвое время обрабатывающей электроники, которая обрабатывает электрические сигналы, получаемые при обнаружении гамма-излучения во время интервалов T4, и мертвое время обрабатывающей электроники, которая обрабатывает электрические сигналы, получаемые при обнаружении гамма-излучения в течение длительностей T2.

Согласно еще одному дополнительному признаку изобретения, на этапе принятия решения выдается тревожный сигнал, если первые данные или вторые данные подтверждают присутствие химического элемента.

Согласно еще одному дополнительному признаку изобретения, если подтверждается присутствие нескольких химических элементов, способ содержит дополнительный этап вычисления относительного содержания всех или части химических элементов, присутствие которых подтверждено.

Согласно еще одному дополнительному признаку способа в соответствии с настоящим изобретением, обнаружение, при помощи технологии связанной частицы, захватного гамма-излучения и гамма-излучения неупругого взаимодействия во время интервалов T4, которые разделяют импульсы с длительностью T2, осуществляют при помощи детектора, предпочтительно выполненного с возможностью обнаружения гамма-излучения неупругого взаимодействия.

Согласно еще одному дополнительному признаку способа в соответствии с настоящим изобретением, обнаружение, при помощи метода импульсного нейтронного опроса, захватного гамма-излучения и гамма-излучения неупругого взаимодействия, с одной стороны, во время импульсов длительностью T2 и, с другой стороны, во время интервалов T4, разделяющих импульсы продолжительностью T2, осуществляют при помощи детектора, предпочтительно выполненного с возможностью обнаружения захватного гамма-излучения.

Одновременное использование нейтронного генератора связанных частиц G1, который непрерывно испускает нейтроны, и импульсного нейтронного генератора G2, который испускает нейтронные импульсы, имеет априорный недостаток при обнаружении излучений захвата по причине присутствия остаточной нейтронной эмиссии между импульсами генератора G2, которая связана с непрерывным излучением генератора G1. Действительно, эта остаточная эмиссия ухудшает отношение сигнала (излучения захвата) к шуму (излучения неупругого взаимодействия). Предпочтительно способ в соответствии с настоящим изобретением предлагает средства для устранения этого недостатка. В рамках изобретения комбинированное использование генераторов G1 и G2 позволяет получить в ходе одного считывания измерения, пригодные с точки зрения чувствительности, для захватного гамма-излучения, обнаруживаемого путем импульсного нейтронного опроса, и для гамма-излучения неупругого взаимодействия, обнаруживаемого методом связанной частицы. За счет этого расширяется поле обнаруживаемых элементов без увеличения времени считывания. Кроме того, для элементов, обнаруживаемых обоими методами, повышается уровень надежности обнаружения.

В рамках системы обнаружения в соответствии с настоящим изобретением можно использовать большую часть периода T нейтронных импульсов (как правило, 95%) для одновременного обнаружения двух типов излучения - индуцируемого тепловыми нейтронами (захват) и быстрыми нейтронами (неупругое излучение и реакции (n, α), (n, p) и т.д.).

Краткое описание чертежей

Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:

фиг.1 - принципиальная схема системы неинтрузивного обнаружения, в которой применяют способ в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.2 - спектр испускания нейтронов в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.3 - этапы цикла обработки неинтрузивного способа обнаружения в соответствии с настоящим изобретением;

фиг.4 - пример временного спектра для метода связанной частицы;

фиг.5 - элементарные этапы отдельного этапа цикла обработки, показанного на фиг.3;

фиг.6 - пик обнаружения полосы гамма в спектре гамма-излучения.

На всех фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.1 показана принципиальная схема системы неинтрузивного обнаружения, в которой применяют способ в соответствии с настоящим изобретением.

Вокруг объекта О, который может содержать предназначенные для обнаружения химические элементы, система обнаружения в соответствии с настоящим изобретением содержит нейтронный генератор связанных частиц G1, пульсирующий нейтронный генератор G2, два детектора D1 и D2, базы данных B₀, B₁, B₂, в которых хранятся данные, выдаваемые электронной схемой обработки E, базы контрольных данных B_RC и B_S, в которых хранятся соответственно данные, связанные с контрольными линиями захватного излучения и с контрольными спектрами гамма-излучения неупругого взаимодействия, и вычислительное устройство C, которое вычисляет сигнал, отражающий присутствие или отсутствие химического(их) элемента(ов) или опасных веществ, на основании данных, содержащихся в базах данных B₀, B₁, B₂, B_RC и B_S.

Нейтронные генераторы G1 и G2 испускают нейтроны, часть которых направлена на исследуемый объект. Нейтронные генераторы G1 и G2 работают одновременно (на фиг.2 показано изменение во времени интенсивности испускания нейтронов, излучаемых одновременно нейтронными генераторами G1 и G2). Гамма-излучение γ1 происходит в результате взаимодействия нейтронов, испускаемых генератором G1, с исследуемым объектом, и гамма-излучение γ2 происходит в результате взаимодействия нейтронов, испускаемых генератором G2, с исследуемым объектом. Каждое из гамма-излучений γ1 или γ2 может быть захватным гамма-излучением или гамма-излучением неупругого взаимодействия.

Каждый из детекторов D1 или D2 выполнен с возможностью обнаружения захватного излучения и/или излучения неупругого взаимодействия. Однако предпочтительно детектор D1 предназначен для обнаружения гамма-излучения неупругого взаимодействия при помощи метода связанной частицы (детектор D1 выбирают по причине его высокой эффективности обнаружения и его большого временного разрешения), и детектор D2 предпочтительно предназначен для обнаружения захватного гамма-излучения при помощи метода импульсного нейтронного запроса (детектор D2 выбирают по причине его хорошей разрешающей способности по энергии). Детектор D1 является, например, высокоэффективным кристаллическим сцинтиллятором, а детектор D2 является, например, кристаллическим полупроводниковым детектором с высоким энергетическим разрешением.

На фиг.1 представлен случай, когда ядро химического соединения X1 вступает во взаимодействие с нейтроном генератора G1, в результате которого происходит испускание излучения γ1, которое обнаруживает детектор D1, и когда ядро второго химического соединения X2 вступает во взаимодействие с нейтроном генератора G2, в результате которого происходит испускание излучения γ2, его обнаруживает детектор D2. Нейтрон, выходящий из генератора G1, индуцирует излучения γ1 в объекте О, в данном случае излучение неупругого взаимодействия, и это излучение γ1 обнаруживает детектор D1, а нейтрон, выходящий из генератора G2, замедляется по причине многочисленных столкновений в объекте О, затем индуцирует испускание гамма-излучения γ2 в объекте О, в данном случае захватное излучение, и это излучение γ2 обнаруживает детектор D2. Вместе с тем, изобретение охватывает все другие возможные случаи обнаружения, например, случаи, когда ядра одного и того же химического элемента обнаруживают при помощи двух гамма-излучений γ1 и γ2 или только при помощи одного из двух излучения γ1 или γ2.

Как известно, нейтронный генератор G1 связанных частиц испускает нейтроны за счет воздействия непрерывного пучка F1 дейтерия на тритиевую мишень Т1. Испускание нейтронов происходит в результате реакции, в которой α-частица появляется одновременно с нейтроном. Эту α-частицу обнаруживает детектор L локализации, который принадлежит к генератору G1. Детектор L локализации выполнен, например, в виде набора из N элементарных детекторов d_k (k=1, 2, …, N), объединенных в виде матрицы. Определение элементарного детектора d_k среди N детекторов, который обнаруживает α-частицу, позволяет точно определить направление, в котором испускается α-частица. В другом варианте выполнения изобретения детектор L локализации не состоит из набора элементарных детекторов, а представляет собой единый детекторный блок, на котором установлены несколько датчиков, и в этом случае локализацию α-частиц осуществляют путем вычисления барицентра. Поскольку испускание α-частицы и нейтрона происходит по существу в противоположных направлениях, определение направления, в котором испускается α-частица, позволяет узнать направление, в котором испускается нейтрон. Как только детектор L обнаруживает α-частицу, на электронную схему E поступает сигнал S1, который отражает обнаружение α-частицы. Сигнал S1 является сигналом синхронизации, который позволяет электронной схеме E учитывать импульс, излучаемый детектором D1. Сигнал S1 содержит также информацию, которая идентифицирует направление, в котором произошло испускание нейтрона (элементарный детектор d_k, который обнаружил α-частицу, в случае матричного детектора, или положение обнаружения в случае детекторного блока). Согласно описанному выше варианту выполнения, сигнал S1 синхронизации выдает детектор L. В другом варианте выполнения изобретения, сигнал S1 синхронизации выдает детектор D1, как только он принимает импульс гамма-излучения.

Пульсирующий нейтронный генератор G2 испускает нейтроны в виде интенсивных нейтронных импульсов за счет воздействия пульсирующего пучка F2 дейтерия на тритиевую мишень Т2. Пульсирующий нейтронный генератор G2 выдает также импульсный электрический сигнал S2, который отображает временную форму нейтронных импульсов. Сигнал S2 передается на электронную схему обработки E. Сигнал S2 подает команду на электронную схему обработки E, чтобы она учитывала и идентифицировала импульсы, выдаваемые детектором D2, в течение каждого интенсивного нейтронного импульса, а также между двумя последовательными интенсивными нейтронными импульсами. Сигнал S2 подает также команду на электронную схему обработки E, чтобы она учитывала импульсы, выдаваемые детектором D1 только между двумя последовательными интенсивными нейтронными импульсами. Действительно, считывание сигнала при методе связанной частицы не должно происходить во время испускания интенсивных нейтронных импульсов, так как это может привести к сильному ухудшению отношения сигнала к шуму.

База данных B₀ хранит события EV0 неупругого взаимодействия, обнаруживаемые детектором D2 во время интенсивных нейтронных импульсов, в виде списка значений энергии E0, перенесенной в детектор D2, которые прямо пропорциональны амплитуде электрических импульсов, генерируемых детектором D2 под действием гамма-излучения. В дальнейшем тексте описания эти значения энергии будут называться просто «значениями энергии обнаруженных импульсов».

База данных B₁ хранит события EV1 неупругого взаимодействия и захвата нейтрона, обнаруживаемые детектором D2 между интенсивными нейтронными импульсами, в виде списка значений энергии E1 импульсов, генерированных детектором D2 под действием гамма-излучения.

База данных B₂ хранит остаточные события EV2 неупругого взаимодействия и захвата нейтрона, обнаруживаемые при помощи метода связанной частицы детектором D2 между интенсивными нейтронными импульсами. Как будет подробнее описано ниже, каждое событие EV2 объединяет совокупность данных, а именно, энергию гамма-излучения, время совпадения между обнаружением α-частицы и временем обнаружения соответствующего γ-излучения и информацию о положении обнаружения α-частицы.

Вычислительное устройство C вычисляет тревожный сигнал S(alerte) на основе данных, хранящихся в базах данных B₀, B₁, B₂, и контрольных данных, хранящихся в базах данных B_RC и B_S, что будет описано ниже со ссылками на фиг.3.

На фиг.2 показана интенсивность I нейтронов, одновременно испускаемых нейтронными генераторами G1 и G2. Нейтроны испускаются непрерывно трубкой генератора G1 с интенсивностью I₄, и интенсивные нейтронные импульсы испускаются с периодом T нейтронным генератором G2. Во время интенсивного нейтронного импульса общая интенсивность нейтронов, испускаемых трубками G1 и G2, изменяется от I₄ до I₂ в течение продолжительности T1 (например, равной 1 мкс), сохраняет по существу значение I₂ в течение продолжительности T2 (например, несколько десятков микросекунд) и уменьшается от I₂ до I₄ в течение продолжительности T3, по существу равной T1. Затем продолжительность T4 отделяет конец одного интенсивного нейтронного импульса от начала следующего интенсивного нейтронного импульса. С учетом одновременности испускания нейтронов трубками G1 и G2 необходимо подчеркнуть, что в отличие от известных решений в области пульсирующего нейтронного запроса число испускаемых нейтронов не возвращается к нулю между интенсивными нейтронными импульсами, а сохраняет не нулевое значение.

Во время продолжительности T2 испускания одного интенсивного нейтронного импульса и во время продолжительности T4, которая разделяет два интенсивных нейтронных импульса, сигнал синхронизации S2 переводит электронную схему E в состояние ожидания приема гамма-излучения от детектора D2. Если во время фазы продолжительности T2 интенсивного нейтронного испускания обнаружено гамма-излучение, то, вероятнее всего, оно связано с реакциями быстрых нейтронов, которые вызывают гамма-излучение неупругого взаимодействия, и с меньшей вероятностью, с тепловыми нейтронами. Если такое излучение обнаружено, его энергию измеряют, затем предпочтительно преобразуют в цифровые данные при помощи электронной схемы E. Цифровые данные, характеризующие измеренные таким образом значения энергии, образуют события EV0 (то есть значения энергии E0 импульсов), которые сохраняются в базе данных B₀. Если гамма-излучение обнаружено в течение периода T4, который разделяет два интенсивных нейтронных импульса, оно может происходить в результате реакции захвата или реакции неупругого взаимодействия. Энергию такого излучения измеряют, затем предпочтительно преобразуют в цифровые данные при помощи электронной схемы E. Цифровые данные, характеризующие измеренные таким образом, значения энергии, образуют события EV1 (то есть значения энергии E1 импульсов), которые сохраняются в базе данных B₁.

Кроме того, при обнаружении α-частицы в течение продолжительности Т4, сигнал S1 переводит электронную схему E в состояние ожидания гамма-излучения, обнаруженного детектором D1. Если гамма-излучение обнаружено вместе с α-частицей, энергию гамма-излучения измеряют, затем предпочтительно преобразуют в цифровые данные при помощи электронной схемы E. Электронная схема E вычисляет также продолжительность T_αγ, которая отделяет момент обнаружения α-частицы от обнаружения гамма-излучения. База данных B₂ содержит события EV2, которые были обнаружены детектором D1, в виде цифровых данных. Событие EV2 объединяет энергию E2 обнаруженного гамма-излучения, продолжительность T_αγ и данные i_k, которые идентифицируют положение, в котором α-частица была обнаружена на детекторе локализации L. Часть этих событий соответствует захватному гамма-излучению. Предпочтительно эту часть событий удаляют из спектра гамма-излучения, соответствующего наблюдаемому объекту, что будет описано ниже со ссылками на фиг.3.

Совокупность измерений, произведенных за период T (T=T1+T2+T3+T4), образует цикл измерения. После Nm циклов измерений, например, после 600000 циклов измерения, соответствующих общей продолжительности измерения примерно десять минут, осуществляют цикл обработки.

На фиг.3 показаны различные этапы, выполняемые во время цикла обработки в соответствии с настоящим изобретением. Цикл обработки осуществляют при помощи вычислительного устройства C.

Сначала цикл обработки содержит совокупность этапов построения спектров, а именно:

- этап 1 построения спектра S₀ гамма-излучения на основании данных, хранящихся в базе данных B₀,

- этап 2 построения спектра S₁ гамма-излучения на основании данных, хранящихся в базе данных B₁,

- этап 3 построения спектра Sn гамма-излучения, не содержащего случайного шума, на основании данных, хранящихся в базе данных B₂, при этом этап 3 содержит этап 4 выбора событий, хранящихся в базе данных B₂, для определения среди них событий, соответствующих исследуемому объекту, этап 5 построения спектра шума Sb гамма-излучения исследуемого объекта на основании событий, выбранных на этапе 4, последовательность этапов e1, e2 для формирования нормированного спектра случайного шума Sa(n) на основании событий, хранящихся в базе данных B₂, и этап 6 вычитания спектра шума Sb гамма-излучения и нормированного спектра случайного шума Sa(n) для формирования спектра Sn гамма-излучения, не содержащего случайного шума, который содержит только события неупругого взаимодействия, индуцированные быстрыми нейтронами в исследуемом объекте.

За этапами 1, 2 и 3 построения спектров следуют этапы обработки спектров, а именно:

- этап 7 поиска химического(их) элемента(ов) на основании спектров S₀ и S₁, и

- этап 8 поиска химического(их) элемента(ов) на основании спектра Sn.

После этапов 7 и 8 обработки спектров следует этап 9 принятия решения.

Под этапом построения спектра на основании хранящихся данных следует понимать сам по себе известный этап построения гистограмм значений энергии событий, связанных с этими данными.

Далее следует описание этапа 3 построения спектра Sn, не содержащего случайного шума, на основании данных, хранящихся в базе данных B₂.

События неупругого взаимодействия и захвата нейтрона EV2, которые хранятся в базе данных B₂, представляют собой только события, которые происходят между нейтронными импульсами. Для этого электронная схема E содержит средства, которые на основании сигнала S₂, поступающего из пульсирующего генератора G2, выбирают события, обнаруживаемые детектором D1 в требуемых временных диапазонах.

Как было указано выше, этап 3 содержит этап 4 выбора событий, хранящихся в базе данных B₂. Этап 4 выбора событий, хранящихся в базе данных B₂, основан на известном методе связанной частицы. Этот этап является известным этапом, который позволяет определить среди всех событий, хранящихся в базе данных B₂, события, касающиеся исследуемого объекта.

На основании событий, выбранных таким образом на этапе 4, строят спектр Sb шума гамма-излучения исследуемого объекта на этапе 5. Этап 5 является известным этапом, аналогично вышеупомянутым этапам 1 и 2. За этапом 5 следует этап 6, на котором из спектра Sb вычитают нормированный спектр случайного шума Sa(n). Нормированный спектр Sa(n) случайного шума строят на последовательных этапах e1 и e2 на основании спектральных данных, хранящихся в базе данных B₂. Сначала на основании спектральных данных, хранящихся в базе данных B₂, формируют спектр Sa случайного шума (этап e1), a затем на основании спектра Sa случайного шума формируют нормированный спектр Sa(n) случайного шума (этап e2). Формирование нормированного спектра случайного шума Sa(n) подробнее описано ниже со ссылками на фиг.4.

На фиг.4 показан пример временного спектра, полученного при помощи метода связанной частицы. Этот спектр отображает время, разделяющее момент обнаружения альфа-частицы и гамма-излучения, на основании которого можно вывести значение времени пролета нейтронов. Например, спектр, показанный на фиг.4, содержит уровень шума b, характеризующий уровень случайных совпадений, выше которого находятся пик p1 очень слабой амплитуды, который соответствует γ-квантам, индуцированным в генераторе G1, пик p2 сильной амплитуды, который отображает истинные совпадения исследуемого объекта, и пик p3 средней амплитуды, который отображает события, не соответствующие исследуемому объекту. Временная ширина Δt пика p2 является временным диапазоном, относящимся к исследуемому объекту. На этапе e1, например, выбирают события временного спектра во временном диапазоне Δt(Sa), отрицательном относительно временного диапазона, связанного с исследуемым объектом, и отличным от временного диапазона, связанного с исследуемым объектом, затем на основании этих выбранных событий строят спектр Sa случайного фона, связанный со случайными совпадениями. Предпочтительно продолжительность Δt(Sa) превышает или равна временному диапазону Δt исследуемого объекта, что позволяет получить более высокую статистическую точность. Затем на этапе e2 спектр Sa нормируют по ширине Δt временного диапазона исследуемого объекта. Коэффициент нормирования равен Δt/Δt(Sa).

Нормированный спектр Sa(n), полученный после завершения этапа е2, вычитают из спектра шума Sb на этапе 6. В результате получают спектр Sn гамма-излучения исследуемого объекта, не содержащий случайного шума. Затем осуществляют поиск химического(их) элемента(ов) на основании спектра Sn при помощи алгоритма обработки, который применяют известным образом на этапе 8 (см. фиг.3). Поиск химического(их) элемента(ов) осуществляют при помощи контрольных данных, заранее внесенных в список, хранящийся в базе данных Bs. База данных Bs содержит данные полного спектра для каждого из химических элементов, которые могут быть обнаружены. Энергетическое разрешение детектора D1 не позволяет производить обработку по линиям в отличие от детектора D2. Следовательно, на этапе 8 применяют обратную свертку всего спектра Sn для выделения относительного участия каждого присутствующего элемента. Обратную свертку осуществляют с применением алгоритма коррекции при помощи данных, содержащихся в базе Bs. Затем часть событий в Sn, связанную с элементом X, нормируют по общему числу импульсов в Sn. Затем вычисляют процентное содержание F_x элемента в полном спектре со связанной с ним дисперсией σ(F_x). Элемент X считают обнаруженным, если, например, выполняется следующее неравенство:

σ(F_x)/F_x<50%

Этап 7 (фиг.3) поиска химического(их) элемента(ов) на основании спектров S₀ и S₁ осуществляют при помощи алгоритма обработки A1.

На фиг.5 показаны элементарные этапы алгоритма A1. Алгоритм A1 определяет присутствие химических элементов, которые соответствуют линиям гамма-излучения, внесенным в базу контрольных данных B_RC. Алгоритм А1 включает поиск возможных интерференций излучения неупругого взаимодействия посредством анализа спектра S₀.

Как известно, любой искомый элемент X характеризуется набором из n линий захватного гамма-излучения со значениями энергии E1^x, E2^x, …, En^x, характерными для природных изотопов элемента X. В рамках изобретения существует риск интерференции захватных линий, которые соответствуют искомым элементам, с линиями захватного излучения элементов, отличных от искомых элементов, или с линиями неупругого взаимодействия, связанными с остаточной эмиссией генератора G1 между интенсивными импульсами, излучаемыми генератором G2. Целью алгоритма А1 является выбор в списке линий, связанных с каждым искомым элементом X, - линий, имеющих достаточную интенсивность и с низким риском интерференции.

Алгоритм А1 содержит этап ES1 обработки спектра S₁, этап N нормирования спектра S₀, этап ES2 обработки нормированного спектра S₀, этап 16 вычитания, на котором результат этапа ES2 обработки вычитают из результата обработки ES1, этап 17 подтверждения линии и этап 18 определения присутствия элемента.

Этап ES1 обработки последовательно содержит этап 10 поиска пиков, этап 11 выделения чистых зон и этап 12 подтверждения обнаружения линий. Каждый из этих этапов сам по себе известен. За этапом 10 поиска пиков для каждого обнаруженного пика следует этап выделения чистой зоны А пика. На фиг.6 показан пик спектра гамма-излучения. Чистая зона А пика, показанного на фиг.6, является поверхностью пика, которая превышает уровень фона Комптона Вс. Линия E^x _i элемента X считается обнаруженной в спектре, если чистая зона A_S1(E^x _i) линии E^x _i удовлетворяет, например, уравнению:

σ[A_S1(E^x _i)]/A_S1(E^x _i)<50%,

при σ[A_S1(E^x _i)]=[A_S1(E^x _i)+2Bc_S1(E^x _i)]^1/2, где Bc_S1(E^x _i) является фоном Комптона, соответствующим линии E^x _i.

Этот критерий примерно соответствует уровню надежности 95% и может быть скорректирован в зависимости от требуемой степени ложной тревоги.

Целью этапа нормирования N является устранение нежелательных составляющих, содержащихся в спектре S₀. Этими нежелательными составляющими являются пики, соответствующие излучениям неупругого взаимодействия, связанным с остаточным испусканием генератора G2 между интенсивными импульсами, и находящиеся в такой близости от одной из линий захвата E1^x, E2^x, …, En^x искомого элемента, при которой способность энергетического разделения детектора D2 не позволяет отличить линию неупругого взаимодействия от линии захватного излучения. Этап нормирования N содержит вычисление коэффициента нормирования F. Коэффициент нормирования F по существу пропорционален числу нейтронов интенсивностью I₄, испускаемых в течение продолжительности T4, которая разделяет два импульса, и по существу обратно пропорционален числу нейтронов, испускаемых в течение продолжительности T2 нейтронного импульса интенсивностью I₂.

Коэффициент F можно, например, получить при помощи уравнения:

F=(I₄×Т₄)/(I₂×T₂)×[(1-ТМ(Т₄))/(1-ТМ(Т₂))],

где ТМ(Т4) и ТМ(Т2) являются соответственно временем ожидания электроники обработки E, которая обрабатывает электрические сигналы, поступающие в результате обнаружения гамма-излучений, обнаруживаемых в течение продолжительностей T4, и временем ожидания электроники обработки E, которая обрабатывает электрические сигналы, поступающие в результате обнаружения гамма-излучений, обнаруживаемых в течение продолжительностей T2.

Коэффициент F можно также получить эмпирическим путем, измерив значения интенсивности линий гамма-излучений неупругого взаимодействия во время фазы калибровки, осуществляемой в условиях, аналогичных условиям измерения при осмотре, в течение продолжительностей T2 и T4. При этом линии гамма-излучения, используемые для вычисления коэффициента F, выбирают точно по их интенсивности, по их энергии, а также поскольку они не имеют известной интерференции с захватным излучением. Затем строят нормированный спектр S₀(n), умножая число импульсов в каждом энергетическом канале спектра S₀ гамма-излучения на коэффициент F.

За этапом N нормирования следует этап обработки ES2. Этап обработки ES2, как известно, содержит поиск пиков, присутствующих в нормированном спектре S₀(n) (этап 13), выделение чистых зон A_S0(nor)(E^x _i) пиков нормированного спектра (этап 14) и этап подтверждения обнаружения линии (этап 15). Из каждой чистой зоны захвата A_S1(E^x _i) линии E^x _i, полученной на этапе 12, вычитают на этапе 16 нормированную чистую зону A_S0(nor)(E^x _i), полученную на этапе 15. В случае, если на этапе 13 не обнаружено пика (что происходит чаще всего), нормированную чистую зону A_S0(nor)(E^x _i), связанную с энергией E^x _i, определяют как равную нулю. На выходе этапа 16 получают чистую зону An_S1(E^x _i), не содержащую влияний неупругого взаимодействия, а именно:

An_S1(E^x _i)=A_S1(E^x _i)-A_S0(nor)(E^x _i).

Линию захватного излучения элемента X подтверждают на этапе 17, если, например, выполняется следующее соотношение:

σ[An_S1,(E^x _i)]/An_S1(E^x _i)<50%, при:

σ[An_S1(E^x _i)]²=σ[A_S1(E^x _i)²+σ[A_S0(nor)(E^x _i)]²=[A_sl(E^xi)+2Bc_S1(E^x _i)]+F²[A_S0(E^x _i)+2Bc_S0(E^x _i)]

База данных B_RC содержит данные весовых коэффициентов W, относящиеся к каждой линии, которая может быть обнаружена. Весовые данные W линии элемента X зависят от вероятности обнаружения линии, от риска интерференции линии с идентичными линиями элементов, отличных от элемента X, и от общего числа линий, которые соответствуют элементу X. Сумма весовых коэффициентов всех линий одного элемента равна 1. На основании данных весовых коэффициентов W, хранящихся в базе B_RC, и информации подтверждения dV(E^x _i), полученной на этапе 17, для каждой линии захватного излучения со значением энергии E^x _i на этапе 18 вычисляют взвешенную сумму весовых коэффициентов линий, обнаруженных для элемента X. Использование нескольких линий, а не только одной наиболее интенсивной линии позволяет ограничить возможность того, что наиболее интенсивная линия может принадлежать на самом деле к элементу, не являющемуся предметом поиска, для которой возможность интерференции с этой линией не была предусмотрена. Таким образом, другие линии, ожидаемые для элемента X, хотя и являются потенциально менее интенсивными, позволяют подтвердить присутствие элемента. В принципе наиболее интенсивная линия имеет самый высокий весовой коэффициент W, если только она не имеет возможной известной интерференции с элементом, не являющимся предметом поиска, часто встречающимся в осматриваемых объектах или в их окружении. Определение весового коэффициента каждой линии E1^x, E2^x, …, En^x искомого элемента является результатом компромисса между чувствительностью обнаружения и риском интерференции. Элемент X считают обнаруженным, если вычисленная сумма весовых коэффициентов обнаруженных линий превышает регулируемый порог S, например, равный 0,5. В результате этапа 18 получают двоичные данные d_j ^x для отображения результата - произошло обнаружение элемента X или нет.

Этап 9 (см. фиг.3) является этапом принятия решения, который осуществляют при помощи алгоритма А4 на основании данных d_I ^x и d_j ^x, полученных на соответствующих этапах 8 и 7. По завершении этапа принятия решения производят тревожный сигнал S(alerte), если данные d_I ^x или d_j ^x подтверждают присутствие элемента X. На этапе принятия решения выдается сигнал отсутствия химического элемента, если данные, которые могут подтвердить или опровергнуть наличие химического элемента, не подтверждают его присутствие. Для некоторых запрещенных веществ наличие этих веществ позволяет исключить определение содержания некоторых химических элементов. Для этого, согласно усовершенствованному варианту способа в соответствии с настоящим изобретением, предусмотрено вычисление относительного содержания некоторых обнаруженных химических элементов, например, относительное содержание углерода (C), азота (N) и кислорода (O), чтобы отличить наркотики и взрывчатые вещества от безобидных веществ, которые тоже содержат эти химические элементы.

Использование: для обнаружения присутствия химического элемента в объекте путем нейтронного облучения объекта. Сущность: заключается в том, что выполняют нейтронное облучение объекта, используя непрерывное испускание нейтронов из нейтронного генератора (G1) связанных частиц и испускание нейтронных импульсов, которые накладываются на указанное непрерывное испускание нейтронов, при этом нейтронные импульсы получают посредством импульсного генератора (G2) нейтронов, который генерирует нейтронные импульсы с длительностью импульса T2, при этом два последовательных нейтронных импульса разделены интервалом T4, при этом непрерывное и импульсное нейтронное облучение объекта вызывает захватное гамма-излучение и гамма-излучение неупругого взаимодействия. Технический результат: обеспечение возможности обнаружить с максимальной чувствительностью одновременно захватное излучение и излучение неупругого взаимодействия и, как следствие, удовлетворительно идентифицировать все выявляемые элементы. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ обнаружения химического элемента (X) в объекте с помощью нейтронного облучения объекта, характеризующийся тем, что нейтронное облучение объекта представляет собой непрерывное испускание нейтронов из нейтронного генератора (G1) связанных частиц и испускание нейтронных импульсов, которые накладываются на указанное непрерывное испускание нейтронов, при этом нейтронные импульсы получают посредством импульсного генератора (G2) нейтронов, который генерирует нейтронные импульсы с длительностью импульса T2, при этом два последовательных нейтронных импульса разделены интервалом T4, при этом непрерывное и импульсное нейтронное облучение объекта вызывает захватное гамма-излучение и гамма-излучение неупругого взаимодействия.

2. Способ по п.1, в котором:
обнаруживают гамма-излучение неупругого взаимодействия и захватное гамма-излучение при помощи технологии связанной частицы в течение интервалов T4, разделяющих импульсы длительностью T2,
формируют (4, 5) в диапазоне времени пролета нейтронов относительно объекта первый спектр (S_b) гамма-излучения на основании гамма-излучения неупругого взаимодействия и захватного гамма-излучения, обнаруженных на этапе обнаружения при помощи технологии связанной частицы,
формируют (e1) в диапазоне времени, отличном от диапазона времени пролета нейтронов относительно объекта, или в любом другом диапазоне времени пролета нейтронов относительно любого другого объекта, который находится рядом с указанным объектом, случайный спектр (Sa) фона, связанного со случайными совпадениями, на основании гамма-излучения неупругого взаимодействия и захватного гамма-излучения, обнаруженных на этапе обнаружения при помощи технологии (4) связанной частицы,
формируют (e2) на основании случайного спектра (Sa) фона, связанного со случайными совпадениями, нормированный случайный спектр (Sa(n)) фона по указанному временному диапазону относительно объекта,
вычитают (6) первый спектр (S_b) гамма-излучения и нормированный случайный спектр (Sa(n)) фона для формирования второго спектра (S_n) гамма-излучения, и
выполняют этап (8) поиска присутствия химического элемента в объекте при помощи второго спектра (S_n) гамма-излучения и контрольных спектров (B_s) химических элементов, подлежащих обнаружению, для получения первых данных (d_I ^x), свидетельствующих о присутствии или отсутствии химического элемента (X) в объекте.

3. Способ по п.2, в котором дополнительно:
обнаруживают захватное гамма-излучение и гамма-излучение неупругого взаимодействия при использовании метода импульсного нейтронного опроса в течение длительности импульсов T2 и во время интервалов T4, разделяющих импульсы с длительностью T2,
формируют (2) третий спектр (S₁) гамма-излучения на основании захватного гамма-излучения и гамма-излучения неупругого взаимодействия, обнаруженных во время интервалов T4 при использовании метода импульсного нейтронного опроса,
формируют (ES1) на основании третьего спектра (S₁) гамма-излучения первые данные (A_S1(E^x _i)), характеризующие по меньшей мере одну линию (E₁ ^x, E₂ ^x, …, E_n ^x) захватного излучения химического элемента (X),
формируют (1) четвертый спектр (S₀) гамма-излучения, состоящий из множества энергетических каналов, на основании излучения неупругого взаимодействия, обнаруженного в течение длительности импульсов T2 при использовании метода импульсного нейтронного опроса,
формируют (N) нормированный спектр (S_(nor)) гамма-излучения на основании четвертого спектра (S₀) гамма-излучения, при этом формирование нормированного спектра (S_(nor)) гамма-излучения осуществляют путем умножения содержимого каждого энергетического канала четвертого спектра гамма-излучения на коэффициент нормирования (F), по существу пропорциональный числу нейтронов, излученных во время интервала T4, и по существу обратно пропорциональный числу нейтронов, излученных в течение длительности T2,
формируют (ES2) на основании нормированного спектра (S_(nor)) гамма-излучения вторые данные (A_S0(nor)(E^x _i)), характеризующие фон гамма-излучения неупругого взаимодействия,
выполняют этап вычитания (16) первых данных (A_s1(E^x _i)) и вторых данных (A_S0(nor)(E^x _i)),
выполняют этап подтверждения (17) присутствия или отсутствия химического элемента (X) в объекте в зависимости от результата этапа вычитания, и
если присутствие химического элемента (X) в объекте подтверждено, выполняют дополнительный этап (18), на котором получают вторые данные (d_J ^x), позволяющие подтвердить или отменить подтверждение присутствия химического элемента (X) на основании результата этапа подтверждения (17) и данных весовых коэффициентов (W(E1^x), W(E2^x), …, (WEn^x)), относящихся к различным линиям захватного гамма-излучения химического элемента (X), причем значения весовых коэффициентов присваивают в зависимости от вероятности обнаружения и риска интерференции, связанных с каждой линией.

4. Способ по п.3, в котором коэффициент нормирования F получают при помощи уравнения:
F=(I₄×T4)/(I₂×T2)×[(1-ТМ(Т4))/(1-ТМ(Т2))],
где ТМ(Т4) и ТМ(Т2) соответственно представляют собой мертвое время обрабатывающей электроники (E), которая обрабатывает электрические сигналы, получаемые при обнаружении гамма-излучения во время интервалов T4, и мертвое время обрабатывающей электроники (E), которая обрабатывает электрические сигналы, получаемые при обнаружении гамма-излучения в течение длительностей T2.

5. Способ по п.3, в котором на этапе (9) принятия решения формируют тревожный сигнал (S(alerte)), если первые данные (d_I ^x) или вторые данные (d_J ^x) подтверждают присутствие химического элемента.

6. Способ по п.5, в котором, если подтверждается присутствие нескольких химических элементов, выполняют дополнительный этап, на котором вычисляют относительное содержание всех или части химических элементов, присутствие которых подтверждено.

7. Способ по п.2, в котором указанное обнаружение захватного гамма-излучения и гамма-излучения неупругого взаимодействия во время интервалов T4, разделяющих импульсы длительностью T2, осуществляют методом связанной частицы при помощи детектора (D1), предпочтительно выполненного с возможностью обнаружения гамма-излучения неупругого взаимодействия.

8. Способ по п.3, в котором указанное обнаружение при помощи технологии захватного гамма-излучения и гамма-излучения неупругого взаимодействия во время импульсов с длительностью T2 и во время интервалов T4, разделяющих импульсы длительностью T2, осуществляют методом импульсного нейтронного опроса при помощи детектора (D2), предпочтительно выполненного с возможностью обнаружения захватного гамма-излучения.