МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ СКРЫТЫХ ВЕЩЕСТВ (ВАРИАНТЫ)
MOBILE DEVICE FOR IDENTIFYING CONCEALED SUBSTANCES (VERSIONS)

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 объектах малого и среднего размеров (сумки, портфели, чемоданы, сейфы). Кроме того, в пассивном режиме, при выключенном источнике нейтронов, изделие может служить детектором радиоактивных веществ.
Известно устройство для идентификации 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, выполнен на основе кристалла LYSO 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.
Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками по обоим вариантам предлагаемого технического решения, являются следующие: устройство для идентификации скрытых веществ содержит источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения на основе сцинтилляционного кристалла 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 снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при том досмотровый модуль снабжен системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор.
Недостатками данного устройства, препятствующими его внедрению в практику обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ, являются следующие.
1. Низкая эффективность регистрации гамма-квантов характеристического ядерного излучения в результате использования одного гамма-детектора не позволяет за разумные времена (до 15 мин) производить набор требуемой статистики для корректной идентификации скрытых опасных веществ малой массы, на уровне 50 г.
2. 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 идентификации искомых веществ, что приводит к увеличению количества ложных тревог.
3. 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 максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения.
4. Отсутствие возможности использовать устройство для идентификации опасных веществ в полевых условиях при наличии осадков в виде дождя и снега и под водой (отсутствие герметичности корпуса досмотрового модуля, в том числе связанное с наличием светопрозрачного окна).
5. Система наведения пучка меченых нейтронов на объект досмотра на основе лазерного генератора вертикальной линии, проходящей через центр совокупности пучков меченых нейтронов, позволяет совмещать ее только с вертикальной линией, проходящей через центральную точку области обследования объекта досмотра, без учета его реальной формы.
Предлагаемое изобретение по обоим вариантам предлагаемой конструкции предназначено для решения следующих технических задач: возможность работы на открытом воздухе при наличии осадков в виде дождя и снега, повышение эффективности регистрации характеристического ядерного гамма-излучения, повышение энергетического разрешения системы регистрации, снятие ограничения на величину максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения, снижение количества ошибок, связанных с отсутствием термокоррекции гамма-спектров необходимой при изменении температуры окружающей среды, повышение точности наведения и контроля площади облучения исследуемого объекта. Дополнительно по второму варианту конструкции решается техническая задача уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого опасного вещества.
Для решения данных технических задач по варианту один технического решения устройство для идентификации скрытых веществ, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения на основе сцинтилляционного кристалла 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-излучення 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 снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при том досмотровый модуль снабжен системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, в отличие от прототипа, корпус досмотрового модуля выполнен герметичным из электроизолирующего материала и содержит еще не менее трех детекторов γ-излучения, при этом все детекторы расположены сбоку от нейтронного генератора в виде матрицы, имеющей общую защиту от потока меченых монохроматических нейтронов; лазерные генераторы линии установлены на корпусе досмотрового модуля снаружи с возможностью их снятия-установки и с возможностью указания на объекте досмотра границ области облучения его потоком меченых монохроматических нейтронов; спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле детектора γ-излучения, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления.
Для решения данных технических задач по варианту два технического решения устройство для идентификации скрытых веществ, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения на основе сцинтилляционного кристалла 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 снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при том досмотровый модуль снабжен системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, в отличие от прототипа, корпус досмотрового модуля выполнен герметичным из электроизолирующего материала и содержит еще не менее трех детекторов γ-излучения, при этом все детекторы расположены сбоку от нейтронного генератора в виде матрицы, имеющей общую защиту от потока меченых монохроматических нейтронов; лазерные генераторы линии установлены на корпусе досмотрового модуля снаружи с возможностью их снятия-установки и с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов; спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле детектора γ-излучения, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления; 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 линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра границ области облучения его потоком меченых монохроматических нейтронов, соответствующей пикселям детектора α-частиц.
Дополнительно по обоим вариантам технического решения, для удобства работы с разноудаленными объектами устройство может содержать модуль намотки (катушку) соединительных кабелей Ethernet и питания. Кроме того, наиболее приемлемым сцинтиллятором для детектора γ-излучения является кристалл ВGO (кристалл ортогермоната висмута), который по сравнению со сцинтиллятором LYSO не обладает естественной радиоактивностью, что позволяет получить хорошее энергетическое разрешение по спектрометрическому каналу регистрации гамма-квантов и не накладывает ограничение на величину максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, по варианту один являются следующие: корпус досмотрового модуля выполнен герметичным из электроизолирующего материала и содержит еще не менее трех детекторов γ-излучения, при этом все детекторы расположены сбоку от нейтронного генератора в виде матрицы, имеющей общую защиту от потока меченых монохроматических нейтронов; лазерные генераторы линии установлены на корпусе досмотрового модуля снаружи с возможностью их снятия-установки и с возможностью указания на объекте досмотра границ области облучения его потоком меченых монохроматических нейтронов; спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле детектора γ-излучения, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, по варианту два являются следующие: корпус досмотрового модуля выполнен герметичным из электроизолирующего материала и содержит еще не менее трех детекторов γ-излучения, при этом все детекторы расположены сбоку от нейтронного генератора в виде матрицы, имеющей общую защиту от потока меченых монохроматических нейтронов; лазерные генераторы линии установлены на корпусе досмотрового модуля снаружи с возможностью их снятия-установки и с возможностью указания на объекте досмотра границ области облучения его потоком меченых монохроматических нейтронов; спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле детектора γ-излучения, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления; 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 линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов, соответствующей пикселям детектора α-частиц.
Дополнительно по обоим вариантам предлагаемое устройство может содержать модуль намотки (катушку) соединительных кабелей Ethernet и питания. Кроме того, сцинтилляционный кристалл детектора γ-излучения выполнен из BGO.
Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными из прототипа достигаются следующие технические результаты.
1. 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÷50°С (что особенно важно при данном выполнении модуля досмотра герметичным). Наличие данной системы обеспечивает идентификацию скрытых опасных веществ на уровне 98% вероятности при вероятности ложных срабатываний 2%.
2. Размещение модуля досмотра в герметичном корпусе позволяет производить идентификацию опасных веществ при наличии атмосферных осадков в виде дождя и снега и даже использовать данный модуль под водой.
3. Повышение эффективности регистрации гамма-квантов характеристического ядерного излучения позволяет производить набор требуемой статистики для корректной идентификации скрытых опасных веществ за более короткое время.
4. Улучшение энергетического разрешения по спектрометрическому каналу регистрации гамма-квантов позволит повысить достоверность идентификации скрытых опасных веществ.
5. Повышение величины максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения позволит осуществить набор требуемой статистики для корректной идентификации скрытых опасных веществ за более короткое время.
6. Выполнение лазерных генераторов линии с возможностью индикации на объекте досмотра формы пучка монохроматических нейтронов позволяет сократить и визуализировать процесс наведения и определения места расположения обнаруженных веществ, а по варианту два решения и более точно определить это местоположение.
7. Использование по варианту два многоэлементного стрипового кремниевого альфа-детектора позволяет существенно уменьшить минимально детектируемую массу опасного вещества до 50 г.
8. Наличие 4-х гамма-детекторов позволяет примерно в 4 раза уменьшить время набора статистики, требуемой для корректной идентификации скрытых опасных веществ.
9. Наличие модуля намотки 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.
10. Наличие 4-х детекторов γ-излучения позволяет при отсутствии необходимости быстрого определения детектируемого вещества использовать нейтронный генератор на пониженной мощности, что существенно увеличивает его ресурс работы.
11. Использование предлагаемого расположения четырех гамма-детекторов относительно нейтронного генератора позволяет существенно уменьшить вес досмотрового модуля (на 20 кг) за счет уменьшения числа защитных устройств, применяющихся всегда для защиты каждого из гамма - детекторов от потока меченых нейтронов при существенном увеличении светосилы мобильного устройства (см. п.8).
Предлагаемое техническое решение может найти применение в различных мобильных и стационарных системах проверки наличия и идентификации скрытых веществ в различного типа объектах малого и среднего размеров (сумки, портфели, чемоданы, сейфы).
Мобильные системы могут быть также использованы для досмотра неопознанных объектов в метро, на железнодорожных вокзалах, в аэропортах и других общественных местах.
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, 2, 3 и 4.
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.
На фиг.4 изображен узел нейтронного генератора, защиты и детекторов γ-излучения.
В состав изображенного на фиг.1, 4 устройства 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, четыре детектора γ-излучения (например, на основе кристаллов BGO), размещенные с одной стороны от нейтронного генератора (возможен вариант и с двух сторон, но за счет защиты 7 значительно увеличиваются габариты устройства; возможен вариант и большего количества детекторов γ-излучения, но в этом случае вес модуля 12 становится неоправданно тяжелым для погрузки-разгрузки), защита 7 детекторов γ-излучения 6, блоки их питания 1, блок электроники сбора данных 2 со встроенным блоком питания, Ethernet-разветвитель 4 и блок питания 11 детектора α-частиц. Детекторы γ-излучения могут быть размещены в модуле 12 как под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, так и параллельно ему. Детектор α-частиц на схеме не обозначен, поскольку встроен в нейтронный генератор. Модуль досмотра выполнен на базе универсального контейнера с габаритными размерами 870×510×440 мм (Д×Ш×В). Общий вес контейнера с аппаратурой 55 кг. Наведение на объект досмотра осуществляется с помощью генераторов лазерных линий 9. Соединение с модулем управления 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. Система термокоррекции включает в себя термодатчик 17, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 18, одноплатный компьютер 19, подключенный к модулю управления 14 с интерфейсом и блоком управления программ приема и обработки данных.
Термодатчик 17 установлен в корпусе детектора γ-излучения 6, непосредственно на кристалле ВGO в тепловом контакте с ним (детектора γ-излучения 6 включает в себя кристалл BGO, фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 20 и высоковольтный делитель 21 к нему). Высоковольтное питание детектора γ-излучения 6 осуществляется с помощью блока высоковольтного питания 1. На термодатчик 17 подается постоянное напряжение +5 В через плату АЦП 18. Сигнал с термодатчика 17, пропорциональный температуре кристалла BGO, преобразовывается в цифровой код. С помощью одноплатного компьютера 19, на котором установлена плата АЦП 18, обрабатывается цифровой сигнал с термодатчика 17 и определяется коэффициент температурной коррекции амплитуды сигнала, поступившего с детектора γ-излучения 6 в данный момент на модуль управления 14 с блоком программ приема и обработки данных. Сигнал с детектора γ-излучения 6 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, 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 23 и 25 (р- и n - стрипы соответственно), расположенных на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц, сторонах полупроводникового (Si) кристалла 24, при этом сигнальные элементы 23, 25 выполнены в виде параллельных полос, направление которых на одной стороне кристалла 24 перпендикулярно направлению полос на другой стороне кремниевого кристалла 24. При том пересечения полос сигнальных элементов 23 и 25 образуют пиксели детектора α-частиц. Измерение координат α-частицы происходит в момент совпадения сигналов с любых двух сигнальных элементов 23 и 25, расположенных на противоположных сторонах детектора α-частиц.
Лазерные генераторы линий 9 установлены на модуле досмотра 12 и предназначены для отображения на объекте горизонтальных и вертикальных линий, указывающих область облучения объекта потоком меченых нейтронов, соответствующую пикселям детектора α-частиц. Лазерные генераторы линий 9 закреплены на панели 26, устанавливаемой в пазы модуля 12, например, по типу соединения «ласточкин хвост».
Предложенное устройство работает следующим образом. Досмотровый модуль 12 подносится к объекту контроля. Соединительные провода 13 разматываются с катушки 16 на требуемую длину для безопасного размещения модуля управления 14. На корпус модуля 12 устанавливается панель 26. 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.
В данном случае 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 детекторами γ-излучения 6 были минимальными. Это условие необходимо для повышения скорости набора статистики. Кроме того, детекторы γ-излучения 6 должны быть защищены от излучений НГ 10. Для этого введена защита 7 детекторов гамма-излучения 6.
Цикл измерения включает в себя запуск генератора нейтронов 10, накопление и анализ данных, поступающих с детектора α-частиц и детекторов γ-излучения 6, 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 детекторов γ-излучения, что исключает необходимость проведения калибровки спектрометрических каналов детекторов 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 указанном интервале энергий гамма-квантов) 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 гамма-детектором над уровнем естественного фона, на экране монитора модуля контроля появляется информация, свидетельствующая о том, что объект досмотра содержит радиоактивное вещество.