СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ДЕЛЯЩИХСЯ МАТЕРИАЛОВ
METHOD OF DETECTING FISSILE MATERIALS

Изобретение относится к ядерной физике и может быть использовано для дистанционного обнаружения и анализа контрабандных материалов: наркотиков, взрывчатых веществ, делящихся веществ при таможенном досмотре, патрулировании транспортных коридоров, государственных границ.
В настоящее время для экспресс-анализа контрабандных материалов развиваются методы их активного облучения с целью увеличения скорости деления и последующей регистрации частиц мгновенной реакции веществ на пучок элементарных частиц зондирования.
Существуют промышленные разработки источников радиоактивного излучения различного целевого назначения [см., например, Патенты RU №2237938, 2004 г., №2235377, 2003 г., а также В.П.Сытин, Ф.П.Теплов, Г.В.Череватенко «Радиоактивные источники ионизирующих излучений», Энергоатомиздат, М.: 1984 г., с.6-8].
Существующие методы идентификации атомных элементов основаны на измерении амплитудно-временных сигналов откликов этих элементов на проникающее зондирование, с последующим корреляционным анализом путем компьютерной обработки. При приеме сигналов-откликов используют различные детекторы-дискриминаторы.
Известно «Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения», [Патент RU №2264674, H01J, G01T, 1/185, 2003 г.] - аналог.
3
Устройство для регистрации гамма-нейтронного излучения включает цилиндрическую ионизационную камеру с экранирующей сеткой, источник высоковольтного питания, зарядочувствительный усилитель, в качестве катода использован корпус детектора с внешним изоляционным покрытием, при этом в качестве рабочего вещества использован сверхчистый ксенон, при давлении 40…50 атм и соответственно с плотностью 0,3…0,6 г/см с добавлением водорода в количестве 0,2…0,3% от общего содержания ксенона, кроме того, металлическая сетка, находящаяся внутри ионизационной камеры, имеет степень неэффективности σ~(3…5)%.
Недостатком является то, что сигнал на выходе устройства-аналога пропорционален суммарной мощности потока гамма-нейтронного излучения, что не позволяет, в последующих трактах, разделить этот поток на составляющие по энергетическому спектру отдельных гамма-квантов.
2
3
Известна промышленная разработка сцинтилляционного счетчика ГНЦ ИФВЭ г.Протвино [см., например, Интернет: http://theory.asu.ru/~raikin/Physics/PCR/RCRC/2008_StPetersberg/RCRC2008/proc/EAS/EAS_20.pdf] - аналог. Счетчик представляет собой двухслойную сборку сцинтилляционных пластин с общей площадью 1 м. Каждый слой собран из пластин 20×20×0,5 см. Светосбор осуществляется с помощью спектросмещающих волокон-файберов. В каждой пластине имеются 4 канавки с шагом 3,6 см глубиной 2,2 мм на расстоянии 4,6 см от краев. В эти канавки вклеены файберы диаметром 1 мм. Концы файберов собраны в жгут, проклеены и отполированы. Торец жгута закреплен вплотную к фотокатоду фазоэлектронного умножителя, с выхода которого сигнал посредством аналогово-цифрового преобразователя квантуется в стандартной шкале отсчетов 0…255 уровней.
Недостатком аналога является невозможность восстановления исходного энергетического спектра частиц радиационного потока после усиления сигнала фотоэлектронным умножителем.
Ближайшим аналогом к заявляемому техническому решению является «Система определения контрабанды способом активации импульсом быстрых нейтронов», Патент US, G01G, 1/06, №5076993, 1993 г. [см., например, Реферативный журнал, ИСМ, №7, М.: 1993 г., «Ядерная физика. Ядерная техника»].
Устройство содержит блок облучения обследуемого объекта коллимированным импульсным пучком быстрых нейтронов с длительностью импульса менее 5 нс, первый детектор реагирует на гамма-излучение за счет активации объекта нейтронами, идентификационное устройство определяет атомный элемент по пику гамма-спектра, локационное устройство определяет приблизительное положение внутри объекта каждого источника гамма-излучения без необходимости детектирования связанных частиц. Второй детектор на основании показаний упомянутых устройств определяет распределение и концентрацию по меньшей мере одного атомного элемента в объекте, определяя присутствие контрабанды.
К недостаткам ближайшего аналога следует отнести:
- недостоверность идентификации атомного элемента по пику амплитуды сигнала, т.е. одному из нескольких одновременно существующих признаков;
- невозможность вычленения (восстановления) из регистрируемого сигнала энергетического спектра частиц отклика атомного элемента на проникающее зондирование, т.е. потеря формы спектра сигнала-отклика как важнейшего признака идентификации.
Задача, решаемая заявляемым способом, состоит в повышении достоверности идентификации путем использования дополнительного параллельного тракта приема, в котором энергетический спектр частиц потока радиации отклика атомного элемента на проникающее облучение последовательно, пропорционально преобразуется в спектр видимого диапазона, регистрации амплитудно-частотной характеристики преобразованного сигнала и идентификации атомного элемента путем сравнения формы текущих сигналов в двух приемных трактах с формой эталонных сигналов из базы данных.
Технический результат достигается тем, что в способе идентификации делящихся материалов, включающем импульсное зондирование объектов их возможного размещения пучком элементарных частиц, прием и преобразование потока радиации отклика материалов на пучок зондирования в электрический сигнал посредством гамма-детекторов, определение типа атомного элемента по форме амплитудно-временного сигнала мгновенного отклика атомного элемента на зондирование, дополнительно при приеме используют параллельный тракт, в котором энергетический спектр потока радиации отклика последовательно, пропорционально преобразуют в спектр видимого диапазона, регистрируют спектр видимого диапазона путем пропускания его через линейно перестраиваемый от СВЧ-генератора акусто-оптический фильтр с разверткой от генератора пилообразного напряжения, систему измерений из соосно расположенных трактов зондирования и приема размещают на телеуправляемой платформе подвижного носителя, синхронизируют тракты зондирования и приема телекоммуникационной программой от компьютера, проводят сравнения формы амплитудно-временного сигнала и формы спектра видимого диапазона текущих сигналов приемных трактов с формами эталонных сигналов из базы данных, по минимуму среднеквадратического отклонения этих форм принимают решение о виде атомного элемента.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - последовательность преобразования спектра в параллельном тракте приема:
а) энергетический спектр частиц на входе;
б) ультрафиолетовый спектр выхода сцинтиллятора;
в) спектр видимого диапазона на выходе файберов;
фиг.2 - динамика линейной перестройки амплитудно-частотной характеристики акустооптического фильтра;
фиг.3 - диаграммы временной синхронизации работы передающего и приемных трактов;
фиг.4 - текущие формы сигналов приемных трактов:
а) амплитудно-временного;
б) амплитудно-частотного;
фиг.5 - функциональная схема устройства, реализующего способ.
Техническая сущность способа состоит в следующем.
Атомные элементы отличаются энергией связи ядра, высвобождаемой при ядерных реакциях. Диапазон энергии излучаемых гамма-квантов атомных элементов и их изотопов занимает интервал от 1,1 МэВ до 8,8 МэВ.
Селектируемыми признаками при идентификации атомных элементов могут быть:
- энергетический спектр гамма-квантов и частиц при распаде ядра;
- соотношение между спектрами мгновенного и запаздывающего излучений;
- форма регистрируемого сигнала и его амплитудно-частотная характеристика.
В заявленном способе для измерения энергетического спектра частиц отклика атомного элемента на проникающее облучение используют, параллельно приемному тракту регистрации амплитудно-временного сигнала, дополнительный приемный тракт, в котором реализован метод последовательного, пропорционального преобразования энергетического спектра отклика в спектр видимого диапазона. Последовательность преобразования иллюстрируется фиг.1.
14
10
Энергетический спектр частиц сигнала-отклика преобразуют в спектр ультрафиолетового излучения посредством слойки сцинтилляторных пластин из твердого раствора антрацена (CH) в полистироле. Антрацен дает максимальный световой выход, причем интенсивность световой вспышки пропорциональна энергии частиц в радиационном потоке [см. счетчик-аналог].
Спектр ультрафиолетового излучения преобразуют в спектр видимого диапазона посредством оптических волокон - файберов. Поверхность файберов покрыта тонким слоем вещества - люмогена, преобразующего УФИ в видимый диапазон. Типы файберов-конверторов в диапазоне преобразования УФИ (15-350 нм) в видимый диапазон (400-650 нм) [см. Интернет: http://www.metrolux.de/contenido/cms/uv-and-ir-converter/].
Анализ спектра видимого диапазона проводят посредством перестраиваемого акустооптического фильтра (AOTF). Типы AOTF [см., например, Иванов А.Б. «Волоконная оптика: компоненты, системы, передача измерения». М.: Компания Сайрус Системс, 1999 г., стр.180-182]. Акустооптический фильтр представляет собой кристалл (пьезоэлектрик), в котором под воздействием СВЧ-генератора накачки в диапазоне 60…70 МГц наблюдается анизотропная дифракция Брегга, т.е. формируется дифракционная решетка с изменяемым показателем преломления, благодаря чему достигается перестраиваемая фильтрация.
Линейную девиацию частоты СВЧ-генератора метрового диапазона волн (60…70 МГц) осуществляют подключением реактивного элемента (типа реактивной лампы) по схеме [см. «Справочник по радиоэлектронике» под редакцией А.А.Куликовского, М.: Энергия, 1968 г., с.50, рис.12-78. Реактивная лампа]. Девиация частоты достигается подачей дополнительного смещения на сетку в виде пилообразного напряжения развертки.
Генератор пилообразного напряжения развертки с возможностью подачи на его вход синхронизирующих импульсов [см. там же «Справочник по радиоэлектронике», с.238, рис.15-52].
Динамика перестройки акустооптического фильтра накачкой его СВЧ-генератором с девиацией частоты пилообразными импульсами развертки иллюстрируется фиг.2.
Вид текущих сигналов, регистрируемых на выходе приемных трактов, иллюстрируется графиками фиг.4. Наиболее информативным параметром сигнала является его форма (так называемая «сигнатура»). Установлено, что психологически восприятие образа объекта оператором происходит по контурному рисунку (узору, форме). Для формирования формы (образа) сигнала в заявленном устройстве используют регулирование задержки импульса пилообразного напряжения развертки (посредством таймера), а также отсечку длительности времени регистрации сигналов в обоих приемных трактах. Последнее позволяет получать сигналы как мгновенных откликов атомных элементов на облучение, так и их запаздывающего излучения. Существуют математические процедуры сравнения формы текущих сигналов с формами эталонных сигналов из базы данных. Одна из таких процедур реализует «идентификацию образа» путем расчета минимального среднеквадратического отклонения между сравниваемыми функциями. Поскольку амплитуда принимаемого сигнала зависит от дальности зондирования, то предварительно осуществляют нормирование сравниваемых функций. Затем осуществляют совмещение максимумов сравниваемых функций (мгновенной реакции отклика или максимума АЧХ), поскольку атомные элементы, в первую очередь, отличаются энергией связи атомных ядер. Расчет среднеквадратического отклонения функций реализуют программным методом.
Текст программы расчета среднеквадратического отклонения функций.
Известно, что минимум среднеквадратического отклонения двух функций (x, y) реализует процедура расчета коэффициента их взаимной корреляции:
который стремится к единице при совпадении формы сигналов.
В первом приближении достоверность идентификации атомного элемента по форме сигналов в амплитудном и спектральном каналах приемных трактов можно вычислить по формуле:
достов.
1
2
Р=[1-(1- K)·(1-К)],
1
2
где K, K- коэффициенты корреляции текущих сигналов в приемных трактах с эталонными из базы данных.
Пример реализации способа
Заявленный способ может быть реализован по схеме фиг.5. Устройство, реализующее способ (фиг.5), содержит подвижный носитель 1 с установленной на нем телеуправляемой платформой 2 с соосно расположенными на платформе трактом 3 импульсного зондирования объектов возможного размещения делящегося материала и двух параллельных приемных трактов 4, 5 сигналов-откликов материалов на проникающее излучение. Тракт зондирования 3 содержит модулятор 6 и генератор пачки зондирующих импульсов 7. Тракт 4 приема амплитудно-временных сигналов содержит последовательно подключенные дискриминатор гамма-квантов 8, пороговое устройство 9, усилитель зарядов 10, аналогово-цифровой преобразователь 11, запоминающее устройство 12. К выходу усилителя 10 параллельно подключена цепочка из дифференцирующего звена 13 и таймера 14. Тракт 5 приема спектральных сигналов содержит последовательно подключенные слойку пластин сцинтилляторов 15, файберы 16, уложенные в профильные канавки пластин, жгут 17 отполированных концов файберов с приклеенной к концу жгута светособирающей линзой 18, акустооптический фильтр 19, лавинный фотодиодный умножитель 20, аналогово-цифровой преобразователь 21, буферное запоминающее устройство 22. Акустооптический фильтр модулируется СВЧ-генератором накачки 23 с линейной перестройкой генерируемой частоты посредством генератора пилообразного напряжения 24. Временная синхронизация работы элементов устройства реализуется компьютером 25 в составе элементов: процессора 26, оперативного запоминающего устройства 27, винчестера 28, дисплея 29, принтера 30, клавиатуры 31. Компьютер, на основе телекоммуникационной программы, закладываемой в ОЗУ 27, задает режим импульсного зондирования, управляя модулятором 4, обеспечивает запирание приемных трактов на время излучения пачки зондирующих импульсов, пересылку массивов зарегистрированных сигналов-откликов из буферных запоминающих устройств для их визуализации и обработки в компьютере. В компьютере формируется также программа сканирования пространства телеуправляемой платформой 2, которая пересылается в блок 33 привода платформы. База эталонных сигналов записывается в блок 32.
Управление элементами устройства осуществляется специальной телекоммуникационной программой от компьютера 25, циклически воспроизводимой при каждом временном цикле излучения пучка зондирующих импульсов и приема сигналов откликов. Динамика работы элементов иллюстрируется временными диаграммами фиг.3. Вначале программа генерирует «меандр», последовательность импульсов в стандартной шкале 0…6 В для управления модулятором 6, что иллюстрируется графиками фиг.3а. На время излучения пачки зондирующих импульсов приемные тракты 4, 5 заперты подачей запирающего напряжения на пороговое устройство 9 и реактивный элемент СВЧ-генератора 23, таким образом, что акустооптический фильтр 19 также заперт. Диаграмма запирающего напряжения иллюстрируется графиком фиг.3б.
С первым импульсом пачки зондирования формируется временная метка (1) на экране дисплея 29 для отсчета времени прихода сигнала-отклика и определения дальности до зондируемого объекта. После излучения пачки зондирующих импульсов напряжение запирания приемных трактов 4, 5 снимается, приемные тракты переводятся в режим ожидания сигнала-отклика. При появлении сигнала-отклика в приемном тракте 4 дифференцирующее звено 13 формирует импульс фронта сигнала, которым запускается таймер 14 и генератор пилообразного напряжения развертки 24 для записи спектров сигналов в приемном тракте 5. Одновременно, импульс фронта сигнала, формируемый звеном 13, служит второй меткой времени для определения дальности до зондируемого объекта, фиг.3в. Получаемые в приемных трактах 4, 5 сигналы откликов иллюстрируются графиками фиг.4 (а, б).
С одной стороны, приемный тракт 4 реализует метод, основанный на зависимости между длительностью зондирующего излучения и амплитудой сигнала мгновенного отклика делящегося материала на проникающее облучение (фиг.4а). С другой стороны, приемный тракт 5 позволяет зарегистрировать форму энергетического спектра частиц отклика делящегося материала на облучение, т.е. получить «сигнатуру», образ атомного элемента для последующей достоверной идентификации (фиг.4б). Имеется возможность, регулированием устанавливаемого времени таймера, производить отсечку длительности регистрации сигналов в каждом канале. Последнее обеспечивает прием как мгновенного, так и запаздывающего излучения атомных элементов. Варьированием интервала отсечки достигают повышения достоверности идентификации. Полученные сигналы подвергаются сравнению с эталонными сигналами атомных элементов, хранящихся в базе 32, по изложенной выше процедуре.
Все элементы устройства выполнены на существующей технической базе и по известным электронным схемам. Новыми элементами, по сравнению с аналогами, являются:
- двухосная телеуправляемая поворотная платформа, типа поворотной платформы орбитального комплекса «Мир», разработка РКК «Энергия» им. С.П.Королева [см. Патент RU №2295141, 2007 г. с.6];
- пороговое устройство [см. «Справочник по электронным устройствам, т.1, под редакцией А.А.Куликовского, Энергия, М.: 1978 г., стр.339-346];
- усилитель заряда, модель 2635 [см. Комплект виброизмерительной аппаратуры, фирма Bruel & Kjair, ENDEVCO, Дания].
-15
Другие элементы устройства выполнены на серийных промышленных разработках: лавинный фотодиод типа АРД (чувствительность ~ 10относительно темнового тока), аналогово-цифровой преобразователь, микросборка П-267, буферное запоминающее устройство микросборки ЛА-20 [см. Якубовский Б. и др. «Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы», справочник, М.: Радио и Связь, 1990 г.].
Поскольку точность синхронизации работы элементов устройства должна составлять единицы нс, используется специальный быстродействующий компьютер семейства компьютеров Ultra компании Sun Microsystems [см. http://www.solariscentral.org].
Следует ожидать, что эффективность идентификации атомных элементов по сигналам двух независимых приемных трактов, в которых реализованы два различных метода измерений по нескольким селектируемым признакам, будет на порядок выше, чем в известных аналогах.