УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ СКРЫТЫХ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ПОД ВОДОЙ
DEVICE TO DETECT AND IDENTIFY HIDDEN HAZARDOUS SUBSTANCES UNDER WATER

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением интенсивности вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности для обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ (далее ОВ) - взрывчатых, сильнодействующих ядовитых и радиоактивных, находящихся под водой, с помощью облучения объекта досмотра быстрыми мечеными нейтронами с измерением спектров вторичных гамма-квантов.
Известно устройство для обнаружения и идентификации ОВ - патент РФ №114369, содержащее источник меченых 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 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, детектор γ-излучения выполнен на основе кристалла BGO, 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 BGO, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя и одноплатного миникомпьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным миникомпьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления; устройство содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания.
Общими существенными признаками предлагаемого технического решения, совпадающими с существенными признаками прототипа являются следующие - устройство для обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ, содержащее источник меченых 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 - рабочего модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в рабочем 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 монохроматических нейтронов; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, 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 и одноплатного миникомпьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным миникомпьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления; устройство содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания.
Известная конструкция-прототип позволяет обнаруживать ОВ, находящиеся в наземных объектах, однако не позволяет производить обнаружение ОВ под водой, что вызвано отсутствием герметичности устройства, его высокой плавучестью, малоэффективностью системы лазерного наведения под водой. Если в наземных условиях возможно обнаружение ОВ, находящегося на расстояниях до 1.5 м от источника нейтронов (нейтронного генератора - НГ), то под водой наличие слоя воды толщиной ~20 см между НГ и ОВ приводит к уменьшению интенсивности нейтронного потока, падающего на объект облучения, примерно в 5 раз. Это, в свою очередь, приводит не только к увеличению времени набора статистики, необходимой для четкого обнаружения ОВ, но и к существенному ухудшению отношения сигнал/шум, что может приводить к уменьшению вероятности обнаружения ОВ.
Предлагаемая конструкция устройства предназначена для решения следующих задач:
- обеспечение возможности обнаружения и идентификации ОВ под водой;
- фиксация устройства под водой;
- обеспечение возможности обнаружения ОВ под водой на расстояниях между объектом облучения и источником нейтронов до 60 см;
- наведение пучков меченых нейтронов на объект досмотра под водой;
- обеспечения регулирования расстояния до обследуемого объекта.
Для решения данных задач в устройстве для обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ, содержащем 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 - рабочего 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 монохроматических нейтронов; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, 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 и одноплатного миникомпьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным миникомпьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления; устройство содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания, в отличие от прототипа, рабочий модуль размещен в герметичном полимерном контейнере для подводных работ, выполненном с возможностью вакуумирования, снабженном соответствующими водонепроницаемыми разъемами для подвода кабелей Ethernet и питания, к стенке герметичного корпуса контейнера по направлению потока меченых монохроматических нейтронов крепится с помощью фланца водонепроницаемый патрубок, ось которого совпадает с направлением центрального пучка меченых монохроматических нейтронов; при этом патрубок выполнен в виде сильфона с возможностью продольных деформаций, а размер его поперечного сечения выбран исходя из условия пропускания всего потока меченых монохроматических нейтронов; контейнер для подводных работ снабжен опорами, а также системой его затопления, например, грузом-якорем и тросом на барабане с приводом; соединительные кабеля Ethernet и питания размещены в гибком шланге для подводных работ.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, являются следующие - рабочий модуль размещен в герметичном полимерном контейнере для подводных работ, выполненном с возможностью вакуумирования, снабженном соответствующими водонепроницаемыми разъемами для подвода кабелей Ethernet и питания, к стенке герметичного корпуса контейнера по направлению потока меченых монохроматических нейтронов крепится с помощью фланца водонепроницаемый патрубок, ось которого совпадает с направлением центрального пучка меченых монохроматических нейтронов; при этом патрубок выполнен в виде сильфона с возможностью продольных деформаций, а размер его поперечного сечения выбран исходя из условия пропускания всего потока меченых монохроматических нейтронов; контейнер для подводных работ снабжен опорами, а также системой его затопления, соединительные кабеля Ethernet и питания размещены в гибком шланге для подводных работ.
Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными из прототипа достигаются следующие технические результаты:
1. За счет размещения рабочего модуля в герметичном полимерном контейнере для подводных работ, снабженном соответствующими влагонепроницаемыми разъемами, наличия опор, а также системы затопления, размещения соединительных кабелей Ethernet и питания в гибком шланге для подводных работ, обеспечена возможность обнаружения ОВ подводой.
2. За счет наличия опор, а также системы затопления обеспечена фиксация модуля под водой.
3. Наличие водонепроницаемого патрубка, заполненного воздухом (может быть и вакуумирован), позволяет практически полностью ликвидировать экранирующий слой воды, расположенный между НГ и объектом облучения. В результате этого не происходит ослабления потока меченых нейтронов в направлении объекта досмотра. Это, в свою очередь, приводит к существенному уменьшению времени набора статистики, требуемой для обнаружения ОВ с большой вероятностью. Наличие сильфонного исполнения трубы усиливает данный результат.
4. Что особенно важно, не требуется какая - либо дополнительная система наведения пучка меченых нейтронов на объект облучения, просто конец патрубка подводится как указка к поверхности исследуемому объекту.
Предлагаемое техническое решение может найти применение при поиске и детектировании размещенных под водой ОВ - мин и других взрывных устройств, сильноядовитых и радиоактивных веществ. Также можно использовать данное устройство и для обнаружения других веществ, содержащих серу, фосфор, хлор, углерод, кислород, азот, марганец, калий, титан и т.п.
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, 2.
На фиг.1 изображена общая схема устройства, базирующегося на катере.
На фиг.2 изображен укрупнено контейнер с модулем досмотра над объектом досмотра.
В состав изображенного на фиг.1, 2 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, детектор γ-излучения 6, защита 7 детектора γ-излучения 6, блок его питания 1, блок электроники сбора данных 2 со встроенным блоком питания, Ethernet - разветвитель 4 и блоки питания 11 детектора α-частиц. Детектор α-частиц на схеме не обозначен, поскольку встроен в нейтронный генератор. Модуль досмотра выполнен на базе универсального контейнера 21 с габаритными размерами 740×510×410 мм. Общий вес контейнера с аппаратурой 40 кг. Модуль досмотра размещается на поддоне 22, к которому крепятся четыре металлических опоры 23 и на котором располагается груз (грузы) 24 (порядка 150 кг) для его затопления. Погружение контейнера 21 досмотрового модуля 12 в воду осуществляется с помощью лебедки 25, установленной на катере 26, и металлических тросов 19, прикрепленных к поддону 22. Наведение пучка меченых нейтронов на объект досмотра осуществляется с помощью водонепроницаемого патрубка 17, который как может быть просто заполнен воздухом, так и вакуумирован, главное, что бы между контейнером и объектом досмотра 20 был обеспечен минимальный экранирующий слой воды. Соединение с модулем управления 14 осуществляется через водонепроницаемые разъемы 5 и гибкий шланг 18. 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 к нижней стенке контейнера 21 модуля досмотра 12 крепится с помощью фланца 9 водонепроницаемый патрубок 17 в виде металлического цилиндрического стакана (сильфона) длиной 30-60 см (в зависимости от поставленной задачи) и толщиной стенки 1-2 мм.
В обычной обстановке (в режиме готовности) на катере 8 располагаются все перечисленные элементы установки.
В случае возникновения необходимости просканировать какую-то область дна, катер 8 доставляет установку в область, находящуюся непосредственно над объектом досмотра 20. Водолаз (водолазы) спускается с катера 8 в воду и другой человек, находящийся в катере, с помощью специальной лебедки 25 и свинцовых грузов 24 (порядка 150 кг.) осуществляет опускание контейнера 21 с модулем досмотра 12 в воду. Водолаз, поддерживая контейнер 21, располагает его над объектом досмотра 20 так, чтобы опоры 23 поддона 22 контейнера 21 достигли дна водоема. При этом, надо расположить поддон 22 так, чтобы водонепроницаемый патрубок 17 для наведения пучка меченых нейтронов на объектом досмотра 20 находился на достаточно близком расстоянии от его поверхности - 5-10 мм (с учетом раскладки патрубка 17). Достигнув устойчивого положения контейнера 21, водолаз всплывает и переходит в катер 26. Затем включается нейтронный генератор 10 и производится облучение необходимой области объекта досмотра 20. В случае обнаружения ОВ (может и других искомых веществ) в объекте досмотра 20 производится извлечение контейнера 21 из воды и сообщается информация в специальные службы о координатах нахождения ОВ. Если же при данном положении контейнера 21 относительно объекта досмотра 20 ОВ не обнаружены в нем, то при значительном размере объекта досмотра 20 вновь производится перемещение контейнера 21 относительно объекта досмотра 20. Затем процедура повторяется до тех пор, пока весь объект досмотра 20 не будет обследован.