УСТРОЙСТВО НЕЙТРОННОГО АНАЛИЗА С ВСТРОЕННЫМ БЛОКОМ КАЛИБРОВКИ МЕХАНИЧЕСКИМ

Полезная модель предназначена для анализа материалов методом меченых нейтронов и может быть использована для обнаружения и идентификации органических веществ, в том числе взрывчатых веществ.
Известно устройство анализа материалов посредством меченых нейтронов (прототип), реализующее автоматическую энергетическую калибровку для двусторонней геометрии (объект досмотра располагается между нейтронным генератором и гамма-детекторами) посредством ввода в область меченых нейтронов сцинтилляционных кислородосодержащих гамма-детекторов. Патент РФ на полезную модель №137122, МПК G01N 23/222, 27.01.2014.
Прототип реализует автоматическую калибровку следующим образом: меченые нейтроны, испускаемые нейтронным генератором, соответствующие калибровочному пикселю альфа-детектора, попадают в кислородосодержащий гамма-детектор, расположенный за объектом досмотра на минимальном расстоянии S=3vt (v - скорость меченых нейтронов, t - временное разрешение при измерении альфа-гамма-совпадений) во избежание смешивания откликов от объекта досмотра и от гамма-детекторов, выдвинутых в область меченых нейтронов.
Полученные при помощи аппаратуры сбора данных кислородные гамма-линии 3,76 мэВ и 6,12 МэВ, используются для определения параметров k и b калибровочной функции:
где А - это значение амплитуды сигнала в каналах; k и b - это параметры калибровочной функции (1).
Недостатком прототипа является уменьшение количества регистрируемого сигнала от объекта досмотра, обусловленное необходимостью отодвигать гамма-детекторы от объекта досмотра на расстояние S=3vt (v - скорость меченых нейтронов, t - временное разрешение при измерении альфа-гамма-совпадений) во избежание смешивания откликов от объекта досмотра и гамма-детекторов, выдвинутых в область меченых нейтронов.
Полезная модель устраняет недостатки прототипа.
Техническим результатом является увеличение количества регистрируемого сигнала от объекта досмотра. Это достигается путем уменьшения необходимого расстояния между гамма-детекторами и объектом досмотра, так как минимальное расстояние S отсчитывается от блока калибровки механического, а не от гамма-детектора.
Технический результат достигается тем, что в устройство нейтронного анализа с встроенным блоком калибровки механическим между механической защитой гамма-детектора и гамма-детектором установлен блок калибровки механический, включающий чувствительный элемент, состоящий из материала, дающего в результате реакций неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов гамма-пики углерода 4439 кэВ и кремния 1779 кэВ, чувствительный элемент состоит из двух соединенных друг с другом торцами при помощи пластины прямоугольных параллелепипедов графита и кремния, каждый из которых задней стороной прикреплен к пластине, соединенной с направляющей по вертикали и с направляющей по горизонтали, которые могут вертикально и горизонтально перемещаться относительно зоны меченых нейтронов; аппаратура сбора данных одновременно с регистрацией событий при облучении объекта досмотра мечеными нейтронами регистрирует спектры сигналов с гамма-детектора при условии совпадений сигналов в гамма-детекторе и сигналов, регистрируемых калибровочными областями альфа-детектора в заданном временном окне, соответствующем расположению прямоугольных параллелепипедов графита и кремния, обеспечивая возможность автоматической калибровки энергетической шкалы гамма-детектора с использованием полученных спектров сигналов с гамма-детектора и наличия в них калибровочных гамма-пиков, возникающих при неупругом рассеянии быстрых нейтронов на параллелепипедах графита и кремния, расстояние S между объектом досмотра и блоком калибровки механическим вдоль потока меченых нейтронов составляет не менее S=3vt, где v - скорость меченых нейтронов, t - временное разрешение при измерении альфа-гамма-совпадений; нейтронный генератор со встроенным многопиксельным альфа-детектором, гамма-детектор, механическая защита гамма-детектора, блок калибровки механический и аппаратура сбора данных прикреплены к корпусу, при этом гамма-детектор располагается максимально близко к месту размещения объекта досмотра на верхней поверхности корпуса, а механическая защита гамма-детектора и гамма-детектор не пересекают границу зоны меченых нейтронов.
Перечень обозначений позиций, представленных на фиг. 1-4:
1 - прямоугольной формы параллелепипед графита
2 - прямоугольной формы параллелепипед кремния
3 - пластина
4 - направляющая по вертикали
5 - направляющая по горизонтали
6 - блок калибровки механический;
7 - гамма-детектор;
8 - механическая защита гамма-детектора 7 от прямого воздействия нейтронов нейтронного генератора 9;
9 - нейтронный генератор со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10;
10 - многопиксельный альфа-детектор;
11 - объект досмотра;
12 - зона меченых нейтронов;
13 - аппаратура сбора данных; 14-ЭВМ;
15 - корпус;
16 - калибровочная область альфа-детектора 10, соответствующая графиту;
17 - калибровочная область альфа-детектора 10, соответствующая кремнию.
На фиг. 1 изображен блок калибровки механический, состоящий из двух скрепленных параллелепипедов - параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния при помощи пластины 3 и двух направляющих 4 и 5 по вертикали и горизонтали, соответственно.
На фиг. 2 изображено устройство нейтронного анализа с встроенным блоком 6 калибровки механическим, состоящее из корпуса 15, внутри которого размещены и закреплены гамма-детектор 7, нейтронный генератор 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, аппаратура 13 сбора данных, имеющая разъем для подключения ЭВМ 14, механическая защита 8 и блок 6 калибровки (вид сбоку), введенный в зону 12 меченых нейтронов, определяемой многопиксельным альфа-детектором 10, встроенным в нейтронный генератор 9. Объект 11 досмотра располагается в зоне 12 меченых нейтронов на верхней поверхности корпуса 15.
На фиг. 3 показан вид спереди со стороны нейтронного генератора 9 блока 6 калибровки, и расположение его относительно гамма-детектора 7 и границы зоны 12 меченых нейтронов.
На фиг. 4 представлен вид сверху на многопиксельный альфа-детектор 10 с указанием двух калибровочных областей 16 и 17 альфа-детектора 10, состоящих из калибровочных альфа-пикселей и соответствующих параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния.
На фиг. 5 и 6 представлены примеры гамма-спектров от параллелепипеда 2 кремния (Si) и параллелепипеда 1 графита (С) и результат аппроксимации их гамма-линий 1779 кэВ (Si) и 4439 кэВ (С) функцией Гаусса с учетом подложки в виде наклонной прямой линии (значения по оси абсцисс приводятся в условных единицах (каналах), по оси ординат приводится количество отсчетов).
На фиг. 7 представлен пример исходного неоткалиброванного амплитудного гамма-спектра от объекта 11 досмотра, в качестве которого выступал имитатор тротила (значения по оси абсцисс приводятся в условных единицах (каналах), по оси ординат приводится количество отсчетов).
На фиг. 8 представлен вид откалиброванного энергетического гамма-спектра от имитатора тротила, полученный после выполнения автоматической калибровки (значения по оси абсцисс приводятся в МэВ, по оси ординат приводится количество отсчетов).
Устройство нейтронного анализа с встроенным блоком 6 калибровки механическим (фиг. 2) содержит нейтронный генератор 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, гамма-детектор 7, механическую защиту 8 гамма-детектора 7 от прямого воздействия нейтронов нейтронного генератора 9, аппаратуру сбора данных 13, соединенную с нейтронным генератором 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10 и гамма-детектором 7, имеющую разъем для подключения ЭВМ 14, и записывающую при условии срабатывания гамма-детектора 7 и альфа-детектора 10 в заданном временном окне, соответствующем объекту 11 досмотра, величину амплитуды сигнала с гамма-детектора 7, время появления сигнала с гамма-детектора 7 относительно сигнала от альфа-детектора 10, номер сработавшего пикселя альфа-детектора 10, блок 6 калибровки механический, установленный между механической защитой 8 гамма-детектора 7 и гамма-детектором 7. При этом блок 6 калибровки механический содержит чувствительный элемент, состоящий из материала, дающего в результате реакций неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов гамма-пики углерода 4439 кэВ и кремния 1779 кэВ. Чувствительный элемент состоит из двух соединенных друг с другом торцами при помощи пластины 3 прямоугольных параллелепипедов 1 графита и 2 кремния, каждый из которых задней стороной прикреплен к пластине 3, соединенной с направляющей 4 по вертикали и с направляющей 5 по горизонтали, которые могут вертикально и горизонтально перемещаться относительно зоны 12 меченых нейтронов. Аппаратура 13 сбора данных одновременно с регистрацией событий при облучении объекта 11 досмотра мечеными нейтронами регистрирует спектры сигналов с гамма-детектора 7 при условии совпадений сигналов в гамма-детекторе 7 и сигналов, регистрируемых калибровочными областями 16 и 17 альфа-детектора 10 в заданном временном окне, соответствующем расположению прямоугольных параллелепипедов 1 графита и 2 кремния, обеспечивая возможность автоматической калибровки энергетической шкалы гамма-детектора 7 с использованием полученных спектров сигналов с гамма-детектора 7 и наличия в них калибровочных гамма-пиков, возникающих при неупругом рассеянии быстрых нейтронов на параллелепипедах 1 графита и 2 кремния. Расстояние S между объектом 11 досмотра и блоком 6 калибровки механическим вдоль потока меченых нейтронов составляет не менее S=3vt, где v - скорость меченых нейтронов, t - временное разрешение при измерении альфа-гамма-совпадений. Нейтронный генератор 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, гамма-детектор 7, механическая защита 8 гамма-детектора 7, блок 6 калибровки механический и аппаратура 13 сбора данных прикреплены к корпусу 15, при этом гамма-детектор 7 располагается максимально близко к месту размещения объекта 11 досмотра на верхней поверхности корпуса 15, а механическая защита 8 гамма-детектора 7 и гамма-детектор 7 не пересекают границу зоны 12 меченых нейтронов. Корпус 15 обеспечивает постоянство заданной геометрии измерения, путем жесткой фиксации внутри него относительно друг друга нейтронного генератора 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, гамма-детектора 7, механической защиты 8 гамма-детектора 7 и блока 6 калибровки механического.
Блок 6 калибровки механический (фиг. 1) содержит параллелепипед 1 графита и параллелепипед 2 кремния, пластину 3, направляющие 4 и 5 по горизонтали и по вертикали, соответственно, обеспечивающие позиционирование и перемещение параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния относительно границы зоны 12 меченых нейтронов (фиг. 2, 3).
Блок 6 калибровки механический, включающий чувствительный элемент, состоящий из материала, дающего в результате реакций неупругого рассеяния 14 МэВ нейтронов гамма-пики углерода 4439 кэВ и кремния 1779 кэВ, элемент состоит из двух соединенных друг с другом торцами при помощи пластины 3 прямоугольных параллелепипедов - параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, каждый из которых задней стороной прикреплен, например, приклеен к пластине 3, соединенной с направляющими 4 и 5 по вертикали и по горизонтали, соответственно.
Блок 6 калибровки входит в состав устройства нейтронного анализа с встроенным блоком 6 калибровки механическим (фиг. 2) и располагается в нем максимально близко к гамма-детектору 7, выступая, на предустановленное расстояние, за границу зоны 12 меченых нейтронов (фиг. 2, 3), между гамма-детектором 7 и его механической защитой 8 от прямого воздействия нейтронов нейтронного генератора 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, калибровочные области 16 и 17 которого (фиг. 4), соответствуют параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния, соответственно. При этом объект 11 досмотра размещается с другой стороны гамма-детектора 7 внутри границы зоны 12 меченых нейтронов на верхней поверхности корпуса 15 (фиг. 2).
Устройство работает следующим образом
Объект 11 досмотра размещается на верхней поверхности корпуса 15 внутри зоны 12 меченых нейтронов (фиг. 2). Размеры зоны 12 меченых нейтронов на верхней поверхности корпуса 15 определяются размерами объекта 11 досмотра, что в свою очередь определяет расстояние от нейтронного генератора 9 до верхней поверхности корпуса 15. Так, например, при расстоянии 50 см между мишенью нейтронного генератора 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10 (размеры альфа-детектора 32×32 мм, расстояние 100 мм между плоскостью альфа-детектора 10 и мишенью нейтронного генератора 9) и верхней поверхностью корпуса 15 размеры зоны 12 меченых нейтронов на верхней поверхности корпуса 15 составят 16×16 см.
С ЭВМ 14, подключенной к аппаратуре 13 сбора данных запускается нейтронный генератор 9 со встроенным альфа-детектором 10 и происходит классический анализ объекта досмотра методом меченых нейтронов [1], а именно, быстрые 14 МэВ меченые нейтроны, попадая в объект 11, в результате реакций неупругого рассеяния образуют гамма-излучение от него, после чего регистрируется аппаратурой 13 сбора данных информация о каждом альфа-гамма-совпадении в виде номера сработавшего альфа-пикселя многопиксельного альфа-детектора 10, времени регистрации гамма-детектором 7 гамма-кванта относительно времени регистрации альфа-детектором 10 соответствующей меченому нейтрону альфа-частицы в заданном временном окне, соответствующем объекту 11, и амплитуды гамма-кванта.
Блок 6 калибровки (фиг. 1) устанавливается внутри корпуса 15 максимально близко к гамма-детектору 7 (фиг. 2), между гамма-детектором 7 и механической защитой 8 гамма-детектора 7 от прямого нейтронного излучения нейтронного генератора 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, калибровочные области 16 и 17 которого (фиг. 4), соответствуют параллелепипеду 1 графита и параллелепипеду 2 кремния. При этом объект 11 досмотра размещается сверху на верхней поверхности 15 с другой стороны гамма-детектора 7 (фиг. 2).
Сперва, до измерения объекта 11 досмотра при помощи двух направляющих 4 и 5 по вертикали и по горизонтали, соответственно, осуществляется регулировка долей параллелепипеда 1 графита и параллелепипед 2 кремния, находящихся внутри границы зоны 12 меченых нейтронов, путем перемещения пластины 3 с прикрепленными к ней параллелепипедами 1 и 2 (фиг. 3). Доли выбираются исходя из плотности параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, времени измерения объекта 11 досмотра, гамма-спектра и уровня фоновых событий, регистрируемых гамма-детектором 7 в результате попадания нейтронов генератора 9 в окружающие его объекты помимо объекта 11 досмотра.
Размер и форма параллелепипедов 1 и 2 определяется размерами границ зоны 12 меченых нейтронов в области размещения блока 6 калибровки, гамма-детектора 7 и пространственным разрешением устройства нейтронного анализа материалов, определяемым нейтронным генератором 9 со встроенным многопиксельным альфа-детектором 10, а также временем измерения, интенсивностью излучения нейтронного генератора 9, плотностью материалов параллелепипедов 1 и 2.
7
3
Например, при размерах границ зоны 12 меченых нейтронов 10×10 см и пространственного разрешения 1,5 см устройства нейтронного анализа материалов в области размещения блока 6 калибровки, чувствительной области гамма-детектора 7,6×∅7,6 см, интенсивности нейтронного генератора 9 составляющей 5×10 нейтр./с, плотности параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния не менее 1,8 г/см, времени измерения от 1 до 10 минут, параллелепипеды 1 и 2 будут иметь прямоугольную форму с размерами в диапазоне (В×Ш×Г), см: (10-13)×(3-5)×(1×3). Таким образом, прямоугольная форма параллелепипедов обусловлена непосредственно размерами зоны меченых нейтронов.
Si
C
Si
C
Меченые нейтроны нейтронного генератора 9, соответствующие калибровочным областям 16 и 17 альфа-детектора 10, во время измерения объекта 11 досмотра попадают соответственно в доли параллелепипеда 1 графита и параллелепипеда 2 кремния, находящиеся внутри границы зоны 12 меченых нейтронов, вызывая неупругое рассеяние нейтронов с образованием интенсивных гамма-линий углерода 4439 кэВ (σ≈187 мб [2]) и кремния 1779 кэВ (σ≈403 мб [1]), которые, попадая в гамма-детектор 7, регистрируется аппаратурой 13 сбора данных в заданном временном окне, соответствующем расположению параллелепипедов 1 и 2, в виде информации об альфа-гамма-совпадениях, аналогичной информации об альфа-гамма-совпадениях, получаемой аппаратурой 13 сбора данных для объекта 11 досмотра. Данные линии кремния и графита идеально подходят для реализации процедуры калибровки, не только потому, что имеют большие сечения взаимодействия, но и потому, что не перекрываются другими гамма-линиями, что важно для точности определения положения центра пика при помощи его аппроксимации. На фиг. 5 и 6 представлены примеры гамма-спектров от кремния и графита, а также результат аппроксимации их гамма-линий кремния 1779 кэВ (Si) и графита 4439 кэВ (С) функцией Гаусса с учетом подложки в виде наклонной прямой линии. На основании данных аппроксимаций определяются параметры аппроксимации гамма-пиков кремния A и графита А, характеризующие положения центров пиков, выраженных в каналах. Полученные параметры A и А используется для определения параметров k и b калибровочной функции (1) по классическим формулам:
Найденная калибровочная функция (1) позволяет выполнить автоматическую энергетическую калибровку гамма-отклика от объекта 11 досмотра. На фиг. 7 и 8 показаны примеры исходного неоткалиброванного амплитудного гамма-спектра от имитатора тротила (значения по оси абсцисс приводятся в условных единицах, по оси ординат приводится количество отсчетов) и результат его автоматической калибровки в виде энергетического спектра (значения по оси абсцисс приводятся в МэВ). Как видно на примере откалиброванного гамма-спектра имитатора тротила, автоматическая калибровка корректно определяет энергию гамма-пиков, соответствующих химическим элементам кислорода - 6,13 МэВ, углерода - 4,44 МэВ и азота - 2,31 МэВ, содержащимся в имитаторе тротила, что подтверждает возможность реализации автоматической калибровки при помощи блока 6 калибровки.
После выполнения автоматической энергетической калибровки спектров, набранных в виде альфа-гамма-совпадений амплитуд гамма-квантов, происходит их анализ, и ЭВМ 14 выдает результаты анализа объекта 11 досмотра.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно увеличение количества регистрируемого сигнала от объекта досмотра путем уменьшения необходимого расстояния между гамма-детекторами и объектом досмотра.
Литература:
1 Быстрицкий, В.М. Использование метода меченых нейтронов для поиска скрытых взрывчатых веществ / В.М. Быстрицкий, А.И. Иванов и др. // Сборник материалов межотраслевой научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе» Москва, 2003, 26-30 мая. - М.: ВНИИА, 2004.
2 Simakov S.P., Pavlik A. et. al. Status of Experimental and Evaluated Discrete Gamma-Ray Production at En=14.5 MeV. IAEA, 1998 - https://www-nds. ieaa.org/publications/indc/indc-ccp-0413.