УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТИПА ОТРАВЛЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ

Устройство для определения типа отравляющих веществ
Устройство предназначено для определения через оболочку типа боевых отравляющих веществ (ОВ), находящихся в снарядах, авиабомбах, контейнерах, кассетах и т. п.
При определении типа ОВ в ряде случаев проводят исследование или анализ материалов, жидких или газообразных, радиационными методами с помощью нейтронного излучения.
Отбор проб из химических боеприпасов, особенно после их длительного хранения, является сложной, малопроизводительной и крайне опасной операцией как для персонала, так и для окружающего населения. Высокая токсичность боевых отравляющих веществ требует наличия у персонала устройства для определения типа отравляющих веществ, находящихся в герметичных емкостях, без отбора пробы. Актуальность этой задачи связана с подготовкой и реализацией программ обнаружения, инспектирования и уничтожения химических боеприпасов согласно международному законодательству.
Известно акустическое устройство для определения типа ОВ, содержащее источник излучения, детектор и компьютерный блок оценки сигналов (см. например, Julio.G. Rodrigues. Verification technologies, first/second quarters, 1992.).
Акустическое устройство обладает низкой селективностью.
Известно устройство для определения типа отравляющих веществ, содержащее радионуклидный источник нейтронов и полупроводниковый детектор, систему считывания сигнала.
В основе работы устройства лежит принцип нейтронно-активационного анализа, реализованного в портативном варианте. Объект облучают потоком нейтронов от переносного источника (Cf-252, альфа-п источник) и с помощью порта
C06 D7/00 GOl N23/09
тивного гамма-спектрометра на основе портативного детектора высокого разрешения регистрируют гамма-кванты радиационного захвата или гамма-кванты, испускаемые возбужденными ядрами исследуемого вещества при неупругом рассеянии нейтронов.
Химический состав боевых отравляющих веществ (ОВ) приводится в таблице 1.
Элементный состав (вес. %) боевых отравляющих веществ)
Таблица 1.
) S. Budavari, ed., The Merck Index, Eleventh Edition (Rahway, N. J.: Merck &Cc., Inc., 1989)
Из приведенной таблицы следует, что для определения типа ОВ может быть использована следующая логика идентификации но наличию наиболее надежно регистрируемых элементов:
Возможность регистрации необходимых для идентификации ОВ элементов, была оценена, исходя из следующих предположений:
-используется источник Cf-252, испускающий 10 нейтронов/сек, и полупроводниковый детектор ДГДК-150, расположенные на эффективном расстоянии 30 см от оси снаряда;
-содержание ОВ в снаряде - 3 кг;
-толщина стальной оболочки снаряда принимается 0,7 см.
Для каждого химического элемента рассматривались как реакции радиационного захвата, так и неупругое рассеяние нейтронов. В первом случае (радиационный захват) все нейтроны от источника считались тепловыми, что реально предполагает наличие слабопоглощающего замедлителя (например, вода или парафин) между источником и ОВ. Во втором случае оценивалось сечение пороговой реакции по спектру нейтронов спонтанного деления Cf-252. Из двух каналов реакции выбирался наиболее эффективный с точки зрения выхода образующихся гамма-квантов. Результаты для всех элементов, кроме кислорода и угТаблица 2.
лерода, имеющих очень малые сечения нейтронной активации, приведены в таблице 3 в виде ожидаемого числа имцульсов в фотоцике выбранной энергии за время измерения 1000 сек.
Оценка числа имцульсов в фотопике выбранной энергии
Из приведенных данных видно, что прототип ( А. J. Cafferey and others. IEEE Transactions On Nuclear Sciense, v. 39, p. 1422, 1992) имеет следующие недостатки:
-низкое быстродействие;
-больщая радиационная опасность для обслуживающего персонала;
-низкая селективность обнаружения элементов из-за постоянного потока нейтронов;
ТаблицаЗ. за время регистрации 1000 сек
Данное устройство устраняет указанные недостатки. Техническим результатом устройства являются:
-новышение безонасности и оперативности работ, т.к. в выключенном состоянии нейтронный генератор не создает потоков излучения и совершенно безопасен как при хранении, так и при транспортировке;
-во много раз сокращается время измерения;
-уменьшаются вес и габариты установки, значительно облегчается транспортировка устройства за счет отсутствия транспортного контейнера, необходимого для радионуклидного источника нейтронов, появляется возможность использования устройства в нолевых условиях с питанием от аккумуляторов;
-обеспечивается более высокая радиационная безопасность для обслуживающего персонала;
-использование импульсного нейтронного генератора расширяет круг определяемых элементов, в т.ч. за счет углерода и кислорода по гамма-излучению 4,43 МэВ и 6,1 МэВ , соответственно, что позволяет повысить надежность идентификации ОВ.
Влияние толщины и материала оболочки на результаты измерений может быть учтено но у-излучению неупругого рассеяния и радиационного захвата на ядрах элементов, входящих в состав оболочки. Более точно влияние оболочки и ее толщины может быть учтено путем измерения толщины оболочки по поглощению или рассеянию гамма-излучения от дополнительного радионуклидного гамма-источника. Регистрация гамма-из.11учения в этом случае проводится имеющимся в устройстве детектором до включения нейтронного генератора. Данные по измерению толщины оболочки емкости, содержащей ОВ, вводятся в блок управления и обработки информации и учитываются. Это позволяет новысить точность определения ключевых элементов, определяющих состав ОВ.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для определения типа отравляющих веществ, содержащем источник проникающего излучения, детектор и систему управления и обработки сигнала, источник проникающего излучения выполнен в виде импульсного нейтронного генератора, а детектор - в
виде регистратора у-излучения, которые разделены экраном, детектор и источник расположены в защитно-экранирующих блоках, рядом с источником проникающего излучения расположен монитор нейтронного потока, а с другой стороны экрана расположен радионуклидный у-источник, последовательно с регистратором у-излучения соединен спектрометр у-излучения, выход которого соединен с компьютерным блоком управления и обработки сигналов, а выходы импульсного нейтронного генератора, монитора нейтронного потока и дополнительного радионуклидного источника у-излучения также соединены с компьютерным блоком управления и обработки сигнала.
Сущность полезной модели поясняется на фигурах 1 и 2.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для определения типа отравляющих веществ, где 1 - импульсный нейтронный генератор; 2 - защитноэкранирующий блок источника нейтронного излучения; 3 - экран; 4 - защитноэкранирующий блок у-детектора; 5 - детектор у-излучения; 6 - спектрометр уизлучения; 7 - монитор нейтронного потока; 8 - компьютерный блок управления и регистрапии сигналов; 9 - дополнительный радионуклидный у-источник.
На фиг. 2 представлена зависимость от времени интенсивности у-излучения объекта при облучении нейтронами.
Устройство работает следующим образом. На исследуемый объект (на фиг. 1 показан пунктирно) направляется импульс нейтронов от импульсного нейтронного генератора 1, расположенного в защитно-экранирующем блоке 2, экран 3 уменьшает прямое нейтронное излучение, попадающее на детектор у-излучения 4, окруженный для защиты от фонового у-излучения защитно-экранирующим блоком 5. Сигналы со спектрометра у-излучения 6 и монитора нейтронного потока 7 поступают на компьютерный блок управления и регистрации сигналов 8, который содержит системы амплитудной и временной селекции импульсов (на фиг. 1 не показаны). В зависимости от предполагаемого типа ОВ блок 8 задает последовательность сигналов управления нейтронным генератором 1, спектрометром у-излучения 6 и монитором нейтронного потока 7. Такое управление обеспечивает необходимую селективность и чувствительность определения типа ОВ. Дополнительный радионуклидный у-источник 9 включается в начале процесса измерений для определения и учета толщины оболочки снаряда, контейнера и т.п.
Определение типа ОВ, находящихся в герметичных емкостях, без отбора пробы основано на учете макросодержания элементов, определяющих тип ОВ (водорода, углерода, азота, кислорода, фтора, серы, фосфора, хлора, мышьяка), с помощью проникающего излучения нейтронов и гамма-квантов. Определение элементов основывается на регистрации гамма-квантов, сопровождающих неупругое рассеяние нейтронов (п,п ), гамма-квантов, появляющихся при радиационном захвате (п,у), а также гамма-квантов наведенного излучения после активации нейтронами. Как первичное излучение нейтронов, так и регистрируемое излучение гамма-квантов обладает высокой проникающей способностью, что позволяет вести определение типа ОВ через стенки различных емкостей. Селективность анализа определяется ядерными свойствами элементов, а также условиями активации и измерения наведенного излучения.
Для определения типа ОВ используется логика идентификации по наличию надежно регистрируемых ключевых элементов, например: зарин, зоман фтор, фосфор; табун - фосфор; VX - фосфор, сера; иприт - сера, хлор; люизит хлор, мышьяк. Зарин и зоман можно различить по содержанию углерода и фосфора (С - 34 % и 46 %, Р - 22 % и 17 %, соответственно, как приведено в таблицах).
Взаимодействие нейтронов от нейтронного генератора, работающего в импульсном режиме, с ядрами элементов, входящих в состав ОВ и материала оболочек, описывается так (фиг. 2):
-в течение первых микросекунд преобладает процесс неупругого рассеяния быстрых нейтронов (п,п ) и регистрируется сопутствующее гамма-излучение;
-в течение первых сотен микросекунд по мере замедления нейтронов (термализации нейтронов) регистрируется гамма-излучение реакции радиационного захвата (п,у);
-в период времени после 1 мс регистрируется наведенная радиоактивность, определяемая периодом полураспада образующихся радионуклидов.
Использование не только амплитудной, но и временной селекции импульсов улучшает определение макроэлементов, входящих в состав ОВ, и облегчает распознавание их типов. Сравнение всех видов импульсов позволяет провести экспресс-анализ и определить вид боевого отравляющего вещества.