СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ СКРЫТЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И НАРКОТИКОВ
METHOD OF IDENTIFYING CONCEALED EXPLOSIVES AND NARCOTIC DRUGS

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических средств (НС) методом фотоядерного детектирования и может быть использовано в стационарных и подвижных установках, например, при досмотре багажа авиапассажиров, таможенном досмотре или разминировании территорий в рамках гуманитарных акций.
12
12
14
13
1/2
γ
γ п
Известный метод фотоядерного детектирования скрытых ВВ и НС был предложен в [1] и развит в [2-4]. Этот метод относится к эффективным и быстродействующим методам прямого обнаружения ВВ и НС и заключается в регистрации продуктов распада короткоживущих изотопов В (бор-12) и N (азот-12), имеющих периоды полураспада Т≅20,2 и 11,0 мс соответственно. Эти изотопы образуются на ядрах N (содержание изотопа в естественной смеси η≅99,63%) и С (η≅1,107%), чьи химические элементы азот и углерод составляют основу всех современных ВВ и природных НС при их облучении падающими гамма-квантами с энергией Е, большей пороговых значений Е, в результате следующих фотоядерных реакций:
γ
1/2
12
12
12
12
12
12
Выбор этих реакций в качестве маркирующих обеспечивает высокую селективность обнаружения веществ, содержащих азот и/или углерод, т.к. при облучении любых других химических элементов гамма-пучком с Е<~55 МэВ практически не образуются никакие другие изотопы с T≈(1÷100) мс. Изотопы В и N являются β-активными и в процессе распада испускают электроны и позитроны с максимальной энергией ~13 МэВ и ~17 МэВ соответственно, которые, тормозясь в веществе, в свою очередь испускают вторичные гамма-кванты. Все вторичные гамма-кванты как только что указанные тормозные, так и от девозбуждения образуемых в распадах ядер С, а также от аннигиляции испускаемых при распадах N позитронов, вместе с электронами и позитронами составляют вторичные продукты распадов и могут быть зарегистрированы детектором. Следовательно, если облучить обследуемый объект импульсом длительностью порядка нескольких микросекунд достаточно энергичного гамма-излучения, то в последующем за ним временном интервале до ~100 мс он откликнется при наличии в нем достаточной концентрации азота и/или углерода потоком вторичных частиц от распада изотопов В и N. В противном случае этого потока в измеряемый промежуток времени не будет.
Таким образом, ввиду уникальности и малости периодов полураспада радионуклидов, образующихся при указанном облучении азота и/или углерода, и с учетом того, что как инициирующее облучение, так и полезный сигнал формируются потоками гамма-излучения, обладающего большой проникающей способностью, детектор ВВ и НС, использующий фотоядерный метод обнаружения, должен обладать высокими эксплуатационными характеристиками: большой чувствительностью по глубине обнаружения в скрывающем веществе и быстродействием, что подтверждается результатами компьютерного моделирования его работы [5].
Успех реализации любого метода обнаружения ВВ и НС во многом определяется его селективностью. При использовании фотоядерной методики наряду с «полезными» сигналами от ВВ и НС возможно появление «ложных» сигналов от веществ, не являющихся ВВ или НС, но содержащих азот или углерод. Особое значение подавление ложных срабатываний имеет в установках для досмотра багажа авиапассажиров, когда источниками ложных сигналов могут быть различные объекты, содержащие прежде всего углерод (полимерные материалы, натуральные ткани или пищевые продукты). При работе фотоядерного детектора в акциях по гуманитарному разминированию источниками ложных сигналов могут стать различные биологические объекты в почве и азотосодержащие удобрения.
В работе [4] предложен способ идентификации скрытых ВВ и НС, выбранный в качестве прототипа, основанный на анализе временного распределения сигналов вторичного излучения при использовании фотоядерного метода обнаружения.
12
12
12
12
Суть этого способа заключается в следующем. При однократном облучении исследуемого вещества, содержащего азот и/или углерод, пучком гамма-квантов с энергией более 31 МэВ в нем в результате реакций (1)-(3) образуются ядра короткоживущих изотопов В и N. Относительная концентрация этих изотопов однозначно связана с относительной концентрацией азота и углерода в облучаемом веществе и определяет уникальный «портрет» исследуемого вещества. Распадаясь, изотопы В и N формируют поток вторичного излучения, форма временной зависимости которого определяется периодами полураспада изотопов и их начальной относительной концентрацией. Как известно, закон изменения числа радиоактивных ядер одного элемента со временем есть:
0
1/2
где N(t) - число нераспавшихся ядер к моменту времени t; N - исходное число образованных ядер (при t=0); λ - константа распада (λ=ln(2)/T).
Для распада интересуемых изотопов двух элементов получаем:
при t=0:
(N-12)
(B-12)
12
12
где λ и λ - константы распада для N и В, соответственно;
0(N-12)
0(B-12)
12
12
N и N - числа образовавшихся ядер N и В, соответственно;
0Σ
12
12
N - суммарное число образовавшихся ядер радиоактивных изотопов В и N.
12
12
12
12
Анализируя после окончания импульса облучения форму и ход временной зависимости потока вторичного излучения от распадов В и N, можно определить начальную относительную концентрацию изотопов В и N и идентифицировать исследуемое вещество.
12
12
Результаты анализа временного спектра продуктов распада изотопов В и N представляются в виде значений параметра k, определенного как:
B-12
0(B-12)
0∑
N-12
0(N-12)
0∑
где k=N/N, k=N/N.
Знание значения k позволяет определить принадлежность облученного вещества к ВВ и НС, а путем сравнения результатов, полученных при работе детектора с результатами, полученными при облучении эталонных образцов, идентифицировать ВВ и НС.
12
12
Однако в реальных условиях работы заявленным в [4] устройством регистрируется дифференциальный временной спектр, где в каждом измеряемом временном интервале (bin) регистрируется количество распадов этих изотопов, т.е. n{t}=(dN/dt)×Δt, так что измеряемое в процессе работы установки временное распределение регистрируемых детектором событий от распадов изотопов N и В описывается выражением:
где Δt - ширина канала измеряемого временного распределения.
0Σ
Определенная сложность обработки получаемых сигналов обусловлена тем, что накопление сигналов для построения временного распределения в реальном детекторе ВВ и НС можно проводить лишь в течение некоторого ограниченного временного интервала. В первые несколько миллисекунд после окончания облучения в гамма-детектор поступают многочисленные гамма-кванты, связанные прежде всего с реакциями (n,γ), вызываемыми фотонейтронами, которые способны сильно исказить результаты измерений. Поэтому анализ временного спектра можно начинать только после окончания импульса облучения с некоторой задержкой. С другой стороны, продолжительность накопления также ограничена требованиями обеспечения заданного быстродействия детектора. Последнее особенно актуально при режиме сканирования обследуемого образца, когда для получения полной картины необходимо провести многократное облучение различных зон. Таким образом, из-за ограничений, накладываемых на временной интервал накопления распадной кривой, оказывается невозможным непосредственное измерение величины N и прямое вычисление значения k, что снижает производительность установки, а также точность и достоверность полученных результатов.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение точности и достоверности работы фотоядерного детектора обнаружения ВВ и НС при одновременном увеличении его производительности.
12
12
Поставленная задача решается заявляемым способом, суть которого заключается в следующем. После окончания облучения обследуемого объекта импульсом первичного гамма-излучения регистрация временного спектра вторичного излучения начинается с временной задержкой длительностью в несколько миллисекунд и длится на протяжении времени, сравнимом с периодами полураспада изотопов В и N. После этого зарегистрированный временной спектр сигналов преобразуется из дифференциальной в интегральную форму. Затем путем анализа нескольких участков интегрального временного спектра вычисляются соответствующие этим временным интервалам значения k. Далее, анализируя совокупность вычисленных значений k, определяется принадлежность облученного вещества к азот- или углеродсодержащим веществам.
0(N-12)
0(B-12)
Предлагаемый способ позволяет определять значение k, исходя из двух измеренных значений n(t), соответствующих разным моментам времени t. В этом случае получим систему из двух уравнений, линейных по отношению к искомым N и N:
0(N-12)
0(B-12)
0(N-12)
0(N-12)
0(B-12)
i
Решение системы (9) даст значения N, N и k=N/(N+N). Применяя описанную процедуру к совокупности значений i и j=i+1, можно получить последовательность значений k, относящихся к каждому интервалу Δt временного спектра.
0(N-12)
0(B-12)
2
1
1
2
Чтобы уменьшить статистическую погрешность при определении величин N, N и соответственно k, вызванную относительно небольшой статистикой, накопленной в каждом отдельном канале временного распределения, можно перейти от дифференциальной формы описания процесса распада изотопов к его интегральному описанию и работать с суммарным числом событий, накопленных в нескольких каналах, соответствующих, скажем, временному промежутку (t-t). В этом случае разница между количеством нераспавшихся ядер к моментам времени t и t равна:
2
1
2
1
4
3
где  - сумма событий, зарегистрированных в каналах, соответствующих интервалу (t-t). А если взять два временных промежутка (t-t) и (t-t), то из соответствующих уравнений типа (10) получим систему, аналогичную системе (9):
2
1
4
3
0(N-12)
0(B-12)
где  и  - суммы сигналов, накопленные в каналах, соответствующих временным интервалам (t-t) и (t-t). Решение системы (11) относительно значений N и N позволяет найти и значения k.
1
2
3
4
0(N-12)
0(B-12)
При соответствующем выборе t, t, t и t интегральное описание позволяет получать значения N, N и k (назовем их здесь «оптимальными»), связанные с полным числом событий, накопленных во всех каналах измеренного временного спектра, и заданные с наилучшей доступной в проведенном измерении статистической точностью (или близкой к ней).
0(N-12)
0(B-12)
1
кон
0(N-12)
0(B-12)
1
0(N-12)
(N-12)
1
0(B-12)
(B-12)
1
В то же время интегральное описание позволяет получать также со сравнительно высокой статистической точностью значения N, N, которые можно приписать тем или иным способом временным интервалам измеренного спектра. Одним из таких способов, который предлагается здесь, является следующий: для измеренного временного спектра в интервале от начального момента времени t до конечного t находятся определенные выше «оптимальные» интегральные значения N и N, а также N(t)=N×exp(-λ×t)+N×exp(-λ×t) (в согласии с уравнением (5)), далее путем последовательного поканального вычитания находятся:
и т.д. В итоге из экспериментальных данных по измерению дифференциального спектра строится интегральное распределение N(t) для ограниченного временного интервала. Это распределение имеет значительно большую статистическую обеспеченность и позволяет со значительно лучшей точностью определить параметр k (используя (5)-(7)) как функцию k(t) во всем анализируемом временном интервале.
Получение такой последовательности значений k(t) в каждой измеренной точке дает информацию о достоверности результата идентификации вещества на наличие азота и/или углерода или об их отсутствии. В идеальном случае при наличии азота и/или углерода функция k(t) описывается прямой с углом наклона к временной оси, равным нулю. В противном случае аппроксимирующая функцию k(t) прямая имеет угол наклона к временной оси, сильно отличающийся от нуля. Это описание может служить дополнительным критерием достоверности результата. Кроме того, указанное выше «оптимальное» значение k дает значение «фотоядерного портрета вещества», т.е. характеризует наличие в веществе азота и/или углерода и их относительные концентрации.
Таким образом, заявляемое изобретение в отличие от прототипа [4] предлагает способ анализа измеренных фотоядерным детектором данных, полученных в реальных условиях, и вводит новый критерий, определяющий достоверность обнаружения веществ, содержащих азот или углерод, а именно:
1. Предложен способ перехода к описанию измеренных дифференциальных спектров к интегральной форме, что существенно повышает статистическую точность измерений.
2. Предложен способ анализа временных спектров в ограниченном временном интервале. Ограничение со стороны малых времен позволяет ослабить влияние на временной спектр фоновых процессов, обусловленных прежде всего фотонейтронами, образующимися при взаимодействии электронного пучка с отдельными частями установки. Ограничение со стороны больших времен увеличивает общее быстродействие детектора.
3. Предложен критерий достоверности результата, основанный на анализе зависимости от времени значений k, вычисленных для различных временных интервалов.
Изобретение иллюстрируется следующим примером.
Для подтверждения эффективности заявляемого способа было проведено моделирование его применения к задаче поиска и идентификации скрытых взрывчатых веществ в условиях, имитирующих инспекцию багажа, в установках контроля в аэропортах, таможенных терминалах и т.п.
ист
0(N-12)
0∑
изм
12
С помощью компьютерного моделирования, учитывающего процессы, происходящие в облучаемом образце, выход вторичного излучения и его регистрацию детектором вторичного излучения, моделировалась процедура обнаружения и идентификации ВВ. Определялось значение параметра k, равное отношению образовавшихся в образце ядер изотопа N(N) к общему числу образованных ядер радионуклидов N, и строился временной спектр событий, зарегистрированных детектором. Далее этот спектр обрабатывался с помощью вышеописанной процедуры, и определялись значения k, соответствующие выбранным временным интервалам.
2
Приведенные ниже результаты компьютерного моделирования были получены при следующих начальных условиях: образец облучался в течение 6 мкс пучком гамма-квантов, генерируемым в вольфрамовой тормозной мишени толщиной 0,35 мм при падении на нее электронов с энергией 55 МэВ и током 30 мА в импульсе длительностью 6 мкс. Детектор вторичного излучения площадью 1 м находился от образца на расстоянии 60 см, и эффективность детектора составляла 100%. Для моделирования использовались в качестве мишеней тротил, массой 100 г, графит, массой 100 г и генерировался фоновый спектр, адекватный загрузке детектора фоном от ядерных реакций типа (n,γ), вызываемых фотонейтронами. Ниже приведены результаты, полученные при моделировании облучения мишени одним импульсом ускорителя.
На фиг.1 показан дифференциальный временной спектр вторичного излучения, регистрируемый детектором, полученный при моделировании облучения образца, содержащего тротил (кривая 1), и типичный спектр, вызываемый фоновыми процессами (кривая 2). При этом предполагалось, что детектор вторичного излучения включался через 5 мс после окончания импульса облучения, регистрация событий происходила в течение 15 мс, а ширина канала временного анализатора составляла 1 мс.
12
12
i
На фиг.2 показан интегральный временной спектр N(t) вторичного излучения для тротила, полученный из дифференциального временного спектра (кривая 1 на фиг.1) с использованием процедуры (12). Физический смысл представленного на фиг.2 спектра - это кривая, описывающая число нераспавшихся ядер N и B в облученном веществе к каждому моменту времени t. Из сравнения соответствующих кривых на фиг.1 и 2 видно, что по сравнению с дифференциальным спектром интегральный спектр отличается значительно большей однородностью вычисленных значений, что в итоге приводит к большей точности определения параметра k.
С помощью заявляемого способа можно не только идентифицировать вещества, имеющие близкий элементный состав, но и отделять образцы, элементный состав которых отличается от заранее предполагаемого. Если в ходе облучения образуются радионуклиды с периодами полураспада, отличными от ожидаемых, то уравнение (11) для данного случая перестает правильно описывать протекающие распадные процессы, что выразится в том, что значения k, рассчитанные для разных временных интервалов, перестанут быть постоянными, что может служить важнейшим квалификационным признаком.
Примером неоднозначного определения параметра k с помощью заявляемого способа могут служить данные, представленные на фиг.3, где показаны зависимости k(t) для тротила (3), графита (4) и фонового процесса (5). Видно, что для фонового процесса наблюдается значительная нестабильность значений k, что позволяет надежно отделить ложный объект от искомых ВВ и НС.
ист
изм
В таблице представлены суммарные данные по моделированию процессов регистрации, где для разных детектируемых веществ указаны «истинные» значения k, которые вычислены из известного количества образовавшихся ядер радионуклидов, измеренные значения k, полученные в ходе обработки временных спектров по заявляемому способу, и тангенсы угла наклона прямых, аппроксимирующих k(t)-зависимость.
Bещество
k<sub>ист</sub>
k<sub>изм</sub>
Тангенс угла наклона k(t)
Тротил
0,72
0,696±0,062
0,003643
Графит
0,0
-0,04±0,07
0,004143
Фон
-
2,962±0,062
-0,173105
Таким образом, приведенный пример указывает на работоспособность заявляемого способа, который основан, в отличие от прототипа [4], на:
1. Способе перехода от измеренных дифференциальных спектров к интегральной форме представления убыли со временем числа ядер радионуклидов, что существенно повышает статистическую точность измерений.
2. Способе анализа временных спектров в ограниченном временном интервале. Ограничение со стороны малых времен позволяет исключить влияние на временной спектр фоновых процессов. Ограничение со стороны больших времен увеличивает общее быстродействие детектора.
3. Предложении критерия достоверности результата обнаружения азот- и/или углеродсодержащих веществ, который связан с анализом k-зависимости и повышении точности определения значения k.
Источники информации
1. Патент США №4756866, 376/157.
2. Е.А.Knapp, A.W.Saunders, and W.P.Trower. Direct Imaging of Explosives. Proceedings Euroconference on: Sensor systems and signal processing techniques applied to the detection of mines and unexploded ordnance, MINE'99, October 1-3, 1999. Villa Agape, Firenze, Italy Laboratorio Ultrasuoni e Controlli Non Distruttivi Università di Firenze, Italy. http.
3.Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ. Патент РФ №2185614.БИ №20, 2002 г.
4. Способ и устройство для обнаружения и идентификации скрытых взрывчатых веществ и наркотических средств. Патент РФ №2226686. (Бюл. №10)/14, 2004 г.
th
th
5. A.I.Karev, V.G.Raevsky, J.A.Konyaev, A.S.Rumyantsev, R.R.Iliutschenko. The High Efficiency Complex for Detection of Landmines. In Proceeding of NATO Advanced Research Workshop #977941 «Detection of Explosives and Land Mines: Methods and Field Experience», St.-Petersburg, 11-14 of September 2001, Russia, NATO-Series book, Kluwer Academic Publisher, Netherlands.