ПЕРЕНОСНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ СКРЫТЫХ ВЕЩЕСТВ (ВАРИАНТЫ)
PORTABLE DEVICE FOR IDENTIFYING HIDDEN SUBSTANCES (VARIANTS)

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности для неразрушающего дистанционного контроля различных скрытых веществ. Оно может быть применено для идентификации в полевых и стационарных условиях взрывчатых, наркотических или сильнодействующих ядовитых веществ, скрытых в объектах досмотра малого размера (сумки, портфели). Кроме того, в пассивном режиме, при выключенном нейтронном генераторе, 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, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при этом досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор.
Все данные существенные признаки, кроме выполнения детектора γ-излучения на основе кристалла LYSO есть и в предлагаемых вариантах технического решения.
Недостатками данного устройства, препятствующими его внедрению в практику обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ, являются следующие:
1. Использование детектора гамма-квантов на основе кристалла LYSO, обладающего достаточно высоким уровнем собственной радиоактивности, не позволяет получить хорошее энергетическое разрешение по спектрометрическому каналу регистрации гамма-квантов и накладывает ограничение на величину максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения. Энергетическое разрешение спектрометрического гамма-канала составляет 20% на линии гамма-излучения с энергией 0,511 МэВ.
2. Использование спинтиллятора LYSO с достаточно большим временем высвечивания (50 нс) ограничивает возможность получения временного разрешения системы (альфа-гамма)-совпадений, необходимого для обнаружения опасных веществ малой массы, на уровне 50 г.
3. Отсутствие термокоррекции спектров гамма-излучения, полученных с помощью гамма-детектора, приводит к смещению положения пиков характеристического гамма-излучения, что, в свою очередь, приводит к ошибкам в определении искомых веществ и увеличивает число ложных тревог.
4. Система наведения пучка меченых нейтронов на объект досмотра на основе лазерного генератора вертикальной линии, проходящей через центр пучка меченых нейтронов, позволяет совмещать ее только с вертикальной линией, проходящей через центральную точку области обследования объекта досмотра, без учета его реальной формы.
Предлагаемое изобретение по обоим вариантам предлагаемой конструкции предназначено для решения следующих технических задач - получение максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения, повышение временного разрешения системы, повышение чувствительности гамма-детектора, снижение количества ошибок, связанных с отсутствием компенсации изменения 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.
3
3
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 и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при том досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, в отличие от прототипа, детектор γ-излучения выполнен на основе кристалла LaBr, лазерные генераторы линии установлены 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 LaBr, 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.
3
3
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 и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при этом досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, в отличие от прототипа, детектор γ-излучения выполнен на основе кристаллов LaBr, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr, 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 этом 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.
3
Дополнительно по обоим вариантам технического решения, для уменьшения времени набора статистики, требуемой для корректной идентификации скрытых опасных веществ, предлагаемое устройство может содержать дополнительный детектор γ-излучения на основе кристалла LaBr, расположенный параллельно первому гамма-детектору, сориентированный аналогично ему и также снабженный защитой от пучка меченых нейтронов; для удобства работы с разноудаленными объектами устройство может содержать модуль намотки (катушку) соединительных кабелей Ethernet и питания.
3
3
Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, по варианту один являются следующие: детектор γ-излучения выполнен на основе кристалла LaBr, лазерные генераторы линии установлены 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 LaBr, 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.
3
3
Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, по варианту два являются следующие: детектор γ-излучения выполнен на основе кристаллов LaBr, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr, 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 этом 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.
3
Дополнительно по обоим вариантам предлагаемое устройство может содержать дополнительный детектор γ-излучения на основе кристалла LaBr, расположенный параллельно первому гамма-детектору, сориентированный аналогично ему и также снабженный защитой от пучка меченых нейтронов; также устройство может содержать модуль намотки (катушку) соединительных кабелей Ethernet и питания.
Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными из прототипа достигаются следующие технические результаты:
3
137
1. Детектор гамма-квантов на основе кристалла LaBr имеет энергетическое разрешение на линии Cs в 3 раза лучше, чем у детектора на основе LYSO. Это обстоятельство крайне важно для достоверной идентификации скрытых взрывчатых, наркотических и сильнодействующих ядовитых веществ, базирующейся на определении интенсивностей пиков характеристического гамма-излучения, возникающего в результате взаимодействия потока быстрых нейтронов с энергией 14.1 МэВ с ядрами углерода, азота и кислорода.
t
2. Высокое временное разрешение системы (альфа-гамма) - совпадений (Г=1,2-1,3 нс - ширина пика альфа-гамма совпадений на полувысоте) позволяет существенно уменьшить минимально детектируемую массу скрытого опасного вещества до 50 г.
3. Система термокоррекции гамма-детекторов позволяет без проведения калибровки гамма-канала стандартными источниками-квантов автоматически производить учет эффекта температурного сдвига положения пиков характеристического гамма-излучения в диапазоне температур 20÷50С°. Наличие данной системы обеспечивает идентификацию скрытых опасных веществ на уровне 98% вероятности, при вероятности ложных срабатываний 2%.
4. 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.
5. Использование по варианту два многоэлементного стрипового кремниевого альфа-детектора позволяет существенно уменьшить минимально детектируемую массу опасного вещества до 50 г.
6. Наличие 2 гамма-детекторов позволяет примерно в 2 раза уменьшить время набора статистики, требуемой для корректной идентификации скрытых опасных веществ.
7. 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.
Предлагаемое техническое решение может найти применение в различных мобильных и стационарных системах проверки наличия и идентификации скрытых веществ в объектах малого размера.
Переносные системы могут быть также использованы для досмотра неопознанных объектов в метро, на железнодорожных вокзалах, в аэропортах и других общественных местах, а также для дистанционного досмотра легковых автомобилей.
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 изображена общая схема устройства.
На фиг.2 изображена функциональная схема работы системы термокоррекции.
На фиг.3 изображен разрез многоканального стрипового детектора α-частиц.
В состав изображенного на фиг.1 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, два расположенных параллельно (рядом или один над другим) детектора γ-излучения 6, 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. Детектор α-частиц на схеме не обозначен, поскольку встроен в нейтронный генератор 10. Модуль досмотра выполнен на базе универсального контейнера с габаритными размерами 740×510×410 мм. Общий вес контейнера с аппаратурой 31 кг. Наведение на объект досмотра осуществляется с помощью генераторов лазерных линий 9. Соединение с модулем управления 14 осуществляется через разъемы 5. Модули соединены между собой двумя кабелями 13, по которым осуществляется Ethernet-соединение и передается питание 220 В. В модуле управления 14 находится ноутбук с программами приема-обработки данных и интерфейсом пользователя и источник питания 15 на 220 В. Для наведения на объект контроля в передней стенке контейнера модуля досмотра 12 имеется светопрозрачное окно 8.
На фиг.2 изображена функциональная схема системы термокоррекции спектров характеристического γ-излучения, регистрируемого детекторами γ-излучения 6. 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.
3
3
3
Термодатчик 17 установлен в корпусе детектора γ-излучения 6, непосредственно на кристалле LaBr в тепловом контакте с ним (детектор γ-излучения 6 включает в себя кристалл LaBr), 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 LaBr, 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 нейтронном генераторе 10 и предназначены для отображения на объекте горизонтальных и вертикальных линий, указывающих область облучения объекта потоком меченых нейтронов, соответствующую пикселям детектора α-частиц.
Предложенное устройство работает следующим образом. Досмотровый модуль 12 подносится к объекту контроля. Соединительные провода 13 разматываются с катушки 16 на требуемую длину для безопасного размещения модуля управления 14. Включается система лазерного наведения 9, которая позволяет правильно выставить меченые пучки нейтронов для облучения требуемой области на объекте контроля. Лазерные генераторы линий 9 жестко связаны с корпусом НГ 10, показывают направление меченых пучков. Модуль досмотра 12 облучает объект контроля несколькими пучками меченых нейтронов.
Ось меченых пучков НГ 10 направлена под углом к плоскости передней стенки чемодана. Это обусловлено тем, что размещение аппаратуры в модуле досмотра 12 выбиралось так, чтобы расстояние между объектом и нейтронным генератором 10 и расстояние между объектом и 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 интервале энергий гамма-квантов 50-3000 кэВ) с соответствующей величиной, измеренной ранее в фоновых экспозициях. При этом производится сравнение чисел гамма-квантов, зарегистрированных досмотровым модулем в диапазоне энергий 50-3000 кэВ, при наличии и отсутствии (фоновое измерение) объекта контроля. В случае превышения измеренной скорости счета событий, зарегистрированных детектором γ-излучения над уровнем естественного фона, на экране монитора модуля управления 14 появляется информация, свидетельствующая о том, что объект досмотра содержит радиоактивное вещество.