УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ СКРЫТЫХ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И НАРКОТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
DEVICE FOR DETECTION OF HIDDEN EXPLOSIVES AND NARCOTIC SUBSTANCES

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 при, например, досмотре багажа авиапассажиров, таможенном досмотре или разминировании территорий в рамках гуманитарных акций.
Детектор скрытых ВВ и НС, использующий метод обнаружения, основанный на фотоядерной методике, идентифицирует скрытое вещество по входящему в его состав азоту и/или углероду - химическим элементам, составляющим основу современных ВВ и природных НС. Суть фотоядерного метода, предложенного в [1] и развитого в [2-5], состоит в следующем. Если досматриваемый объект, содержащий азот и/или углерод, облучить потоком гамма-квантов достаточно высокой энергии, то в нем будут происходить следующие фотоядерные реакции:
γп
1/2
где Е - энергетический порог для падающих γ-квантов, вызывающих реакцию, T - период полураспада радионуклида.
12
12
Изотопы В и N являются β-активными и в процессе распада испускают соответственно электроны с максимальной энергией ~13 МэВ и позитроны с максимальной энергией ~17 МэВ, которые, тормозясь в веществе, в свою очередь испускают γ-кванты. Эти вторичные испускаемые γ-кванты могут быть зарегистрированы детектором γ-излучения. При этом для формирования сигнала обнаружения достаточно измерять только временной спектр событий, регистрируемых таким детектором вторичного излучения.
12
12
То обстоятельство, что реакции (I÷III) имеют ряд особенностей, в частности генерируемые ими изотопы В и N имеют уникально короткие и заметно отличающиеся друг от друга времена жизни, а также то, что они вызываются и заканчиваются потоками проникающего гамма-излучения, позволяет на их основе создать высокоэффективный детектор ВВ и НС, обладающий высокими быстродействием, чувствительностью, проникающей способностью и низкой вероятностью возникновения ложных срабатываний [5].
Таким образом, детектор ВВ и НС, использующий фотоядерный метод обнаружения, должен включать в себя два основных узла: импульсный генератор первичного потока высокоэнергичных падающих гамма-квантов, облучающих обследуемый объект, и систему регистрации вторичного гамма-излучения.
3
6
3
Известна экспериментальная установка для исследования фотоядерного метода детектирования, описанная в [2], [3], близкая к предлагаемому устройству (прототип). Установка состоит из 50 МэВ-ного микротрона, тормозной мишени и системы регистрации вторичного излучения. Электронный пучок длительностью 5 мкс с импульсным током 1 мА и частотой 1 Гц направлялся на танталовую тормозную мишень и генерировал пучок гамма-излучения, облучавший обследуемый объект. Вторичное излучение, связанное с распадами образованных в результате облучения радионуклидов, регистрировалось четырьмя гамма-детекторами, представляющими собой цилиндры органических сцинтилляторов диаметром ~13 см и длиной ~6 см, торцы которых находились в оптическом контакте с фотокатодами фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Одним из основных недостатков этой установки является ее низкое быстродействие. Так в эксперименте по обнаружению азот- и/или углеродсодержащих веществ для набора необходимого статистического материала 300 граммовую упаковку меламина (CNH) потребовалось облучить приблизительно 1500 раз, что заняло около 25 минут.
Еще один недостаток этой установки связан с применением в ней для регистрации вторичного излучения органических сцинтилляторов. Несмотря на то, что детекторы на основе органических сцинтилляторов получили широкое распространение в экспериментальной ядерной физике, однако их использование для регистрации вторичного излучения в фотоядерных детекторах ВВ и НС имеет ряд недостатков. Это прежде всего связано с тем, что при работе в пучках жесткого гамма-излучения возникает большое количество фотонейтронов с максимальной кинетической энергией примерно равной кинетической энергии электронов из ускорителя, уменьшенной на энергию связи нейтрона. Фотонейтроны же в свою очередь могут активировать углерод, входящий в состав органического сцинтиллятора, вызывая, в частности, при наличии у них достаточно высокой энергии ядерную реакцию:
Пороговое значение кинетической энергии нейтронов для этой реакции ≅12,6 МэВ, что значительно ниже кинетической энергии электронов в пучке ускорителя. Таким образом, часть вызванных нейтронами фоновых сигналов от углерода, находящегося в объеме органического сцинтиллятора, может полностью имитировать искомые сигналы от азота и углерода в облучаемом объекте, что может затруднить процесс обнаружения, привести к снижению чувствительности детектора ВВ и НС и увеличить вероятность ложных срабатываний.
Кроме того, как показывает опыт, при работе с интенсивными импульсными пучками тормозного излучения в области средних энергий детектор вторичного гамма-излучения, использующий органические и неорганические сцинтилляторы, оказывается сильно загруженным фоновыми гамма-квантами с энергией менее 2 МэВ, возникающими в результате различных электромагнитных процессов. Поэтому для подавления этого фона желательно, чтобы детектор вторичного гамма-излучения имел порог срабатывания выше 2 МэВ. В случае органических и неорганических сцинтилляторов этого можно добиться только применением пороговых дискриминаторов в сигнальных цепях ФЭУ, что усложняет структуру детектора, но и при этом не устраняется сопутствующая подсветка фотокатода ФЭУ и может не устраняться ложная загрузка от наложенных импульсов, что также является фактором, затрудняющим обнаружение ВВ и НС.
Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение быстродействия, чувствительности и уменьшение вероятности ложных срабатываний при поиске скрытых ВВ и НС.
Для решения поставленной задачи предложено устройство, состоящее из разрезного микротрона на энергию 55 МэВ, тормозной мишени и системы регистрации вторичного излучения на основе черенковского водяного счетчика. Для повышения быстродействия детектора ВВ и НС число электронов, ускоряемое в одном импульсе микротрона, и соответственно число гамма-квантов, облучающих в одном импульсе обследуемый объект, по сравнению с прототипом, было увеличено более чем в 10 раз. Для увеличения чувствительности и уменьшения вероятности ложных срабатываний в заявляемом устройстве для регистрации вторичного излучения применен черенковский водяной счетчик (ЧВС), который имеет естественный энергетический порог регистрации около 2 МэВ. Это снижает загрузку от гамма-квантов низких энергий, возникающих в результате различных фоновых электромагнитных процессов. Кроме того, в отличие от органических сцинтилляционных счетчиков, использованных в прототипе, конструкция ЧВС не содержит углерода, который может создавать в детекторе ВВ и НС сигналы, приводящие к ложным срабатываниям детектора, обусловленные возникновением в теле счетчика реакции IV.
Разрезной микротрон построен по схеме, показанной на фиг.1, и состоит из системы инжекции, ускоряющей структуры, двух поворотных магнитов, системы ВЧ-питания, вакуумной системы, системы диагностики и коррекции пучка, системы управления.
Система инжекции состоит из 50 кэВ-ной трехэлектродной электронной пушки (9), магнита инжекции (11) (показаны на фиг.1 в виде сбоку) и соленоидальной линзы (12).
Ускоряющая структура (13) представляет собой бипериодическую ускоряющую структуру, работающую в режиме стоячей волны, с модой колебаний π/2, на частоте 2856 МГц и состоит из 7 ускоряющих ячеек и 6 ячеек связи.
Поворотный магнит (1, 6) представляет собой электромагнит с парой обмоток и полюсов, формирующих однородное магнитное поле индукцией 1 Т, парой дополнительных обмоток и полюсов, формирующих обратное магнитное поле и активным и пассивным экранами на входе в магнит.
Система ВЧ-питания состоит из клистрона, работающего в режиме самовозбуждения, и дистанционно управляемого устройства цепи обратной связи.
Вакуумная система состоит из двух вакуумных камер, размещенных между полюсами поворотных магнитов, линий проводки пучка с сильфонными вставками (2) и центральной вакуумной камеры, соединенной с магниторазрядным насосом.
Система диагностики и коррекции пучка состоит из магнитоиндукционных датчиков тока (5), корректирующих катушек (3), позволяющих корректировать направление движения пучка в дрейфовом промежутке между поворотными магнитами, и монитора синхротронного излучения, которое выводится через окно в вакуумной камере в поворотном магните и наблюдается с помощью телевизионной камеры.
Система управления построена на основе различных датчиков, предоставляющих информацию о динамике пучка и работе различных устройств и исполнительных устройств, которые посредством компьютера позволяют управлять работой микротрона.
Работа разрезного микротрона происходит следующим образом. Пучок от электронной пушки (9) инжектируется в ускоряющую структуру (УС) (13) через магнит инжекции (11) и соленоидальную линзу (12). После прохождения УС, электроны с энергией 5 МэВ за счет особой конфигурации магнитного поля на входе в магнит (1) отражаются на ось УС. Поскольку УС работает в режиме стоячей волны, пучок, движущийся в противоположном направлении, вторично ускоряется и, приобретя суммарную энергию 10 МэВ, поворачивается в магните (6) и начинает циркулировать по орбитам пока не приобретет энергию 55 МэВ. После этого с помощью магнита (4) он выводится из микротрона и направляется на тормозную мишень. Позиции (14)-, (8)-, (7) - траектории ускоряемого пучка электронов после первого, второго и 11-го (последнего) прохождений ускоряющей структуры, соответственно.
Основные характеристики разрезного микротрона приведены в таблице.
Максимальная энергия
55 МэВ
Выходной ток в импульсе
до 50 мА
Частота повторения импульсов
5-50 Гц
Количество оборотов
11
Прирост энергии на оборот
5 МэВ
Длительность импульса тока
до 16 мкс
Рабочая частота ВЧ
2856 МГц
Индукции магнитного поля поворотных магнитов
1.0 Т
Максимальная ВЧ мощность
5 МВт
3
В качестве детектора вторичного излучения в заявляемой установке используется черенковский водяной счетчик (ЧВС), схема которого с системой управления и регистрации сигналов изображена на фиг.2. ЧВС представляет собой металлический бак размером, 100×50×50 см, заполненный дистиллированной водой (15). Объем детектора просматривается четырьмя полусферическими ФЭУ с диаметром фотокатода 20 см (16).
При попадании в чувствительную среду ЧВС гамма-кванта вторичного излучения за счет фотоэффекта, Комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар в воде, заполняющей ЧВС, рождаются электроны и позитроны с соответствующими спектрами энергий, максимальные значения которых близки к энергии вызвавшего их появление гамма-кванта. Если энергия электрона или позитрона, движущегося в воде с показателем преломления n=1.33, превышает значение 0.775 МэВ, то такая частица начинает генерировать черенковское излучение, которое может быть зарегистрировано ФЭУ. Таким образом, ЧВС имеет естественный абсолютный энергетический порог регистрации падающих на него гамма-квантов ≅0.8 МэВ. На практике с учетом энергетического спектра рождающихся электронов и позитронов эффективное значение этого порога оказывается выше и может приближаться в нашем случае к значению ≅2 МэВ.
Работа детектора вторичного излучения осуществляется следующим образом. Стартовый генератор (19) запускает микротрон РАМ-55 (20) и выдает импульсы на систему высоковольтного питания ФЭУ (21) и временной анализатор (18). При этом система питания блокирует работу ФЭУ на все время импульса ускорителя, а временной анализатор запускается с регулируемой задержкой длительностью в несколько миллисекунд. Сигналы ФЭУ (16), возникающие при регистрации вторичного излучения, обрабатываются быстрой наносекундной электроникой (17). Для уменьшения фоновой загрузки от шумовых сигналов ФЭУ логика быстрой электроники счетчика осуществляет выбор совпадений сигналов от ФЭУ с множественностью ≥2. Отобранные логикой сигналы поступают на вход «стоп» временного анализатора (18), который оснащен гистограммной памятью, в которой происходит накопление временного спектра сигналов ЧВС. По прошествии заданного времени (~15-20 мс) временной анализатор перестает накапливать сигналы от ФЭУ и накопленный временной спектр из гистограммной памяти считывается в компьютер (22) для дальнейшей обработки.
Таким образом, использование ЧВС в детекторе ВВ и НС в качестве регистратора вторичного гамма-излучения имеет ряд преимуществ по сравнению с детекторами вторичного излучения на основе органических и неорганических сцинтилляторов:
1. ЧВС имеет физический порог ≅0,8 МэВ, что исключает регистрацию большей части «мягких» фоновых гамма-квантов, рождающихся в результате различных электромагнитных процессов, возникающих при облучении обследуемого объекта.
2. В чувствительном объеме ЧВС отсутствует углерод, присутствие которого в органических сцинтилляторах может имитировать наличие азота и/или углерода в обследуемом объекте.
3. Рабочее вещество ЧВС доступно, безопасно и дешево.
В совокупности с разрезным микротроном на энергию 55 МэВ все вышеописанные преимущества ЧВС позволяют обеспечить высокие эксплуатационные характеристики заявляемому детектору ВВ и НС и решить поставленную задачу:
- Обеспечить повышение быстродействия детектора ВВ и НС,
- Увеличить чувствительность детектора ВВ и НС,
- Понизить вероятность ложных срабатываний.
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1.
Для подтверждения работоспособности заявляемого изобретения было проведено компьютерное моделирование эффективности применения черенковского водяного счетчика к задаче регистрации вторичного излучения от 100 г тротила, скрытого 10 см слоем воды, при его облучении импульсом гамма-излучения с максимальной энергией 55 МэВ.
На фиг.3 представлен смоделированный энергетический спектр вторичных гамма-квантов (кривая 1), падающих на ЧВС. Кривые 2-6 соответствуют зависимостям числа регистрируемых ЧВС событий как функции от энергии падающих гамма-квантов. При этом каждая из кривых 2-6 соответствует случаю, когда ФЭУ и электроника регистрируют события, которые генерируют свыше 1, 25, 50, 75 или 100 фотонов черенковского излучения соответственно.
Из фиг.3 видно, что при регистрации события, вызванного одним попавшим на фотокатод фотоном, ЧВС имеет энергетический порог регистрации падающих на него гамма-квантов ≅0.8 МэВ. При этом в случае, если ФЭУ работает в режиме, когда регистрация одного события возникает только при попадании на фотокатод свыше 100 фотонов, то энергетический порог регистрации ЧВС возрастает до величины ≅2 МэВ, а эффективность регистрации, как показали дополнительные расчеты, снижается только в 2 раза по сравнению с режимом работы ФЭУ с регистрацией одиночных фотонов.
Таким образом, результаты моделирования работы ЧВС свидетельствуют о том, что с его помощью можно эффективно подавлять фоновые сигналы, которые могут быть вызваны различными электромагнитными процессами, сопровождающими облучение досматриваемого объекта пучком первичных гамма-квантов в детекторе ВВ и НС.
Пример 2.
Для подтверждения работоспособности заявляемого изобретения был проведен эксперимент по обнаружению и идентификации скрытых углерод- и/или азотсодержащих веществ. На фиг.4 приведена схема эксперимента. Электронный пучок (23) от заявляемого разрезного микротрона РАМ-55 с энергией 55 МэВ, длительностью 6 мкс и импульсным током 10 мА направлялся на тормозную мишень (24), выполненную в виде танталовой пластины толщиной 0,3 мм. Сгенерированный в мишени пучок тормозного излучения (25) облучал объект (27), скрытый слоем строительных кирпичей толщиной 6 см (26). Вторичное излучение (28) регистрировалось заявляемым черенковским водяным счетчиком (29).
Процедура проведения экспериментов состояла в измерении фона путем накопления временных спектров, когда кирпичный бокс для досматриваемого образца оставался пустым (опыт без образца), и записи этих спектров в память ЭВМ. После этого в этот бокс помещался исследуемый образец и процесс облучения и накопления данных повторялся. Вся информация была записана в память ЭВМ для последующей off-line обработки. В эксперименте частота повторения импульсов ускорителя была 10 Гц, длительность накопления временного спектра равнялась 80 мс при ширине одного канала (bin) 1 мс.
Обработка экспериментальных данных начиналась с «очистки» зарегистрированного временного спектра от фоновых сигналов, обусловленных в основном влиянием фотонейтронов, рождающихся при взаимодействии высокоэнергичных гамма-квантов зондирующего пучка с веществом конструкционных элементов установки. С этой целью из временного спектра, полученного при облучении исследуемого образца, вычитался временной спектр, который регистрировался установкой при отсутствии в ней этого образца.
2
2
В ходе эксперимента в качестве объектов, подлежащих обнаружению и идентификации, использовались пластина графита (углерод), упаковка мочевины ((NH)СО) и вещества, в состав которых углерод и азот не входят. В качестве примера на фиг.5 показан «очищенный» от фона временной спектр сигналов, полученный в опыте с углеродной пластиной при ее однократном облучении импульсом гамма-излучения. Проведенный анализ полученных временных спектров, выполненный по методике, описанной в [5], показал, что заявляемая установка способна за менее чем 0.1 с обнаружить и однозначно идентифицировать азот- и/или углеродсодержащее вещество.
Таким образом, приведенные примеры указывает на работоспособность и эффективность заявляемого устройства.
Источники информации
1. Патент США №4756866, 376/157.
2. W.P.Trower. Imaging Carbon and Nitrogen Concentrations and the Interdiction of Concealed Narcotics and Explosivies. Virginia Journal of Science, v.44, #3, 1993.
3. E.A.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 Universita di Firenze, Italy.
http://demining.jrc.it/aris/events/mine99/start.htm
4. Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ. Патент РФ №2185614. БИ №20, 2002 г.
5. Способ и устройство для обнаружения и идентификации скрытых взрывчатых веществ и наркотических средств. Патент РФ №2226686.