СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЯДЕРНОГО ВЕЩЕСТВА ПОСРЕДСТВОМ НЕЙТРОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ
METHOD FOR DETECTING NUCLEAR SUBSTANCE BY NEUTRON EXAMINATION AND RELATED DETECTION SYSTEM

Область техники и уровень техники
Изобретение касается способа детектирования ядерного вещества посредством нейтронного исследования. Изобретение касается также системы детектирования ядерного вещества, в которой применяют способ в соответствии с изобретением.
Ядерное вещество можно обнаруживать при помощи обычных пассивных измерений при условии, что между ядерным веществом и осуществляющим измерения детектором нет экрана защиты от нейтронов и гамма-излучений, испускаемых ядерным веществом. В случае, когда испускание нейтронов закрыто экраном, следует предусмотреть активные системы нейтронного исследования, например, такие как детектирование посредством нейтронного исследования.
Детектирование ядерного вещества посредством нейтронного исследования осуществляют, принудительно вызывая процесс деления в ядерном веществе. Каждое деление приводит к одновременному испусканию нескольких нейтронов (обычно 4-5 нейтронов) и гамма-лучей (обычно 6-8 гамма-квантов). Обнаружение нейтронов и гамма-излучения в ходе реакции деления осуществляют по совпадению. Ядерное вещество отличается от неядерного вещества тем, что нейтроны и гамма-кванты, испускаемые с совпадением, присутствуют в большем количестве в случае ядерного вещества, чем в случае неядерного вещества. Кроме того, дискретизация во времени, применяемая при помощи метода связанной частицы, позволяет с достаточной точностью различать совпадения, связанные с частицами деления, от совпадений, связанных с неядерными материалами.
Известные устройства детектирования нейтронов и гамма-квантов представляют собой детекторы, располагаемые вокруг исследуемого объекта. Детектор располагают близко друг от друга для обеспечения высокой эффективности детектирования. Однако при этом возникает явление, мешающее детектированию, называемое явлением перекрестного влияния. Перекрестное влияние происходит, когда нейтрон или гамма-квант, обнаруженный в первом детекторе, проникает в соседний детектор, который тоже его обнаруживает. Это приводит к ложному совпадению, так как происходит обнаружение двух сигналов, которые соответствуют не двум разным частицам, а одной и той же частице.
Для решения проблемы перекрестного влияния в настоящее время существуют следующие решения:
- удаление детекторов друг от друга,
- размещение стенок между детекторами или
- систематическая отбраковка совпадений для двух соседних детекторов.
Однако эти решения имеют ряд недостатков. Удаление детекторов снижает эффективность детектирования по причине сокращения полезного углового охвата, что очень сильно влияет на вероятность обнаружения совпадений высокого порядка. Установка стенок между детекторами тоже сокращает полезный угловой охват, так как разделительные стенки не приспособлены для детектирования. Кроме того, эти стенки увеличивают размер и массу системы детектирования. Наконец, систематическая отбраковка совпадений для двух соседних детекторов значительно снижает эффективность детектирования.
В документе WO 2007/144589 A2 раскрыты детектор излучения высокой энергии и соответствующий способ. Детектор содержит матрицу из пикселей-детекторов и систему схем считывания, которые собирают заряды, обнаруженные пикселями-детекторами.
В документе FR 2945631 A1 раскрыт принцип анализа объекта посредством нейтронного исследования при помощи счетчика связанных частиц.
Способ согласно заявленному изобретению не имеет вышеупомянутых недостатков.
Раскрытие изобретения
Изобретение касается способа детектирования ядерного вещества в объекте на основе подсчета событий, наступающих в объекте в результате нейтронного исследования объекта в течение времени ΔT, при этом способ содержит множество этапов детектирования импульсов совпадения при помощи метода связанных частиц, при этом этап детектирования импульсов совпадения при помощи метода связанных частиц осуществляют в течение времени δT, отсчитываемого от контрольного времени, соответствующего моменту обнаружения связанной частицы, отличающегося тем, что для каждого обнаружения импульсов совпадения содержит:
- идентификацию пикселей-детекторов по меньшей мере одной матрицы пикселей-детекторов, которые обнаруживают импульсы совпадения,
- проверку факта обнаружения по меньшей мере трех импульсов совпадения тремя разными пикселями-детекторами и в случае такого обнаружения
- выявление соседних пикселей среди пикселей, которые обнаружили импульсы совпадения,
- классификацию пикселей, обнаруживших импульсы совпадения, в виде соседних отдельных пикселей и/или групп соседних пикселей после идентификации соседних пикселей,
- подсчет отдельных пикселей и/или групп соседних пикселей, обнаруживших импульсы совпадения,
- подтверждение наступления события в течение времени δT, после подсчета, на этапе подсчета соседних отдельных пикселей и/или групп пикселей по меньшей мере трех отдельных пикселей и/или группы соседних пикселей,
при этом по всем обнаруженным направлениям совпадения способ содержит:
- подсчет числа подтвержденных событий, которые наступили сверх временного порога, отсчитываемого начиная от контрольного времени,
- определение шума счета, обнаруженного сверх временного порога,
- вычисление критического порога на основании шума счета,
- этап определения сигнала присутствия или отсутствия ядерного вещества в объекте на основании сравнения числа подтвержденных событий, подсчитанных на этапе подсчета, с критическим порогом, и
- вычисление вероятности, выражающей степень надежности, которая связана с сигналом присутствия или отсутствия ядерного вещества.
Согласно дополнительному отличительному признаку изобретения, шум счета, обнаруженный сверх временного порога, вычитают из числа подтвержденных событий, наступивших сверх временного порога, с тем  чтобы получить определение сигнала присутствия или отсутствия ядерного вещества в объекте в результате сравнения числа подтвержденных событий, подсчитанных на этапе подсчета, за вычетом шума счета, с критическим порогом.
Согласно другому дополнительному отличительному признаку изобретения, этап подсчета подтвержденных событий, наступивших сверх временного порога, отсчитываемого от контрольного времени, является этапом формирования гистограммы.
Согласно еще одному дополнительному отличительному признаку изобретения, время ΔT определяют заранее так, чтобы подсчет подтвержденных событий, наступивших сверх временного порога, определение шума счета, вычисление критического порога и этап определения сигнала присутствия или отсутствия ядерного вещества осуществлять после истечения времени ΔT.
Согласно еще одному дополнительному отличительному признаку изобретения, подсчет подтвержденных событий, наступивших сверх временного порога, определение шума счета, вычисление критического порога и этап определения сигнала присутствия или отсутствия ядерного вещества осуществляют по мере обнаружения последовательных совпадений.
Изобретение касается также системы детектирования, в которой применяют способ детектирования в соответствии с изобретением.
Важными преимуществами заявленного способа детектирования являются возможность охвата максимального телесного угла детектирования и отказ от необходимости отбраковки события, когда активированы соседние детекторы. Это позволяет максимизировать эффективность детектирования по сравнению с известными способами.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания предпочтительного варианта выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых:
Фиг.1 - принципиальная схема первого примера системы детектирования, выполненной с возможностью применения заявленного способа.
Фиг.2 - принципиальная схема второго примера системы детектирования, выполненной с возможностью применения заявленного способа.
Фиг.3 - блок-схема подтверждения события, применяемая в рамках заявленного способа детектировании.
Фиг.4 - пример обнаружения частиц пикселями-детекторами системы детектирования, в которой применяют заявленный способ.
Фиг.5 - блок-схема первого варианта заявленного способа детектирования.
Фиг.6 - формирование гистограммы, получаемой в рамках заявленного способа детектировании.
Фиг.7 - блок-схема второго варианта заявленного способа детектирования.
Подробное описание предпочтительного варианта выполнения изобретения
На фиг.1 представлена принципиальная схема первого примера системы детектирования, выполненной с возможностью применения заявленного способа.
Система детектирования содержит:
- трубку связанных частиц TPA, которая испускает быстрые нейтроны n в направлении исследуемого объекта 1,
F
- детекторную структуру, образованную двумя матрицами пикселей-детекторов M1, M2, выполненными с возможностью обнаружения нейтронов n и гамма-квантов γ, испускаемых объектом 1,
- систему считывания сигналов, выдаваемых матрицами пикселей-детекторов, состоящую, как известно, из двух электронных боков считывания A1, A2, соответственно связанных с матрицами пикселей-детекторов M1, M2, и
- вычислительное устройство К, которое обрабатывает сигналы, выдаваемые системой считывания.
В трубке связанных частиц испускание α-частицы происходит одновременно с испусканием быстрого нейтрона n. Кроме того, известно, что α-частица испускается в направлении, противоположном направлению испускания быстрого нейтрона. Следовательно, обнаружение α-частицы, связанной с быстрым нейтроном, позволяет узнать момент, в который произошло испускание быстрого нейтрона, и направление испускания этого быстрого нейтрона. Таким образом, быстрый нейтрон оказывается «помеченным» связанной с ним α-частицей. В дальнейшем тексте описания быстрые нейтроны, испускаемые трубкой связанных частиц, будут также называться «мечеными» быстрыми нейтронами.
Пиксели-детекторы каждой из двух матриц примыкают друг к другу. Предпочтительно пиксели-детекторы являются органическими сцинтилляционными детекторами. Размер каждого пикселя-детектора определяют таким образом, чтобы каждый пиксель-детектор мог  эффективно самостоятельно обнаруживать нейтроны и гамма-кванты деления. Пиксельные матрицы M1, M2 расположены рядом друг с другом, и их детекторная поверхность обращена к исследуемому объекту 1. Детекторные поверхности образуют единую поверхность детектирования за исключением узкого пространства, разделяющего матрицы, которое обеспечивает проход для меченых нейтронов n исследования, испускаемых трубкой TPA.
Предпочтительно трубка связанных частиц TPA и исследуемый объект 1 расположены по обе стороны от детекторной поверхности, образованной двумя матрицами M1, M2. Оптимизация площади и толщины детекторных матриц M1, M2, а также размера пикселей зависит одновременно от физических параметров (средняя длина взаимодействия нейтронов и гамма-излучений в сцинтилляторе, эффективность детектирования…) и от рабочих условий, таких как портативность (вес, объем) и стоимость системы (число измерительных каналов).
F
o
o
Трубка связанных частиц TPA испускает серию меченых нейтронов n исследования в направлении объекта 1. Траектория нейтронов n проходит через пространство, разделяющее две пиксельные матрицы, после чего достигает объекта 1. Когда меченый нейтрон достигает объекта 1, в этом объекте происходит ядерная реакция деления, если он содержит ядерное вещество. Ядерная реакция деления производит быстрые нейтроны n и гамма-излучения γ, обнаруживаемые матрицами M1, M2. Импульсы, возникающие в результате обнаружения быстрых нейтронов и гамма-излучений, проходят обработку в электронных блоках считывания A1, A2 и в вычислительном устройстве К. Как было указано выше, при применении метода связанных частиц трубка TPA обнаруживает α-частицу во время испускания быстрого нейтрона n. Момент обнаружения α-частицы позволяет определить контрольный момент T, начиная от которого происходит отсчет моментов обнаружения нейтронов и гамма-квантов деления. Этот контрольный момент T является параметром, который применяют в электронных блоках считывания A1, A2 и в вычислительном устройстве К.
На фиг.2 представлена принципиальная схема второго примера системы детектирования, выполненной с возможностью применения заявленного способа. В примере, показанном на фиг.2, система детектирования содержит только одну матрицу M, причем указанная матрица M связана только с одним электронным блоком считывания A. В матрице M и в электронном блоке считывания A выполнено отверстие O, обеспечивающее проход для быстрых нейтронов n, испускаемых трубкой TPA в направлении объекта 1. Отверстие, выполненное в матрице M, имеет размеры по меньшей мере одного пикселя-детектора. Предпочтительно отверстие центровано относительно детекторной поверхности матрицы M.
Системы детектирования, представленные на фиг.1 и 2, являются предпочтительными вариантами изобретения. Однако изобретение относится также и к другим вариантам выполнения, например, таким как система, которая содержит только одну сплошную детекторную матрицу (под «сплошной» матрицей следует понимать матрицу, не содержащую отверстия), смещенную относительно оси распространения быстрых нейтронов n (это соответствует случаю фиг.1, в котором одна из двух матриц M1, M2 отсутствует), или система, которая содержит по меньшей мере три матрицы, отделенные друг от друга (это соответствует случаю фиг.1, в котором рядом с матрицами M1, M2 присутствует по меньшей мере одна дополнительная матрица для увеличения плоскости детектирования).
На фиг.3 представлена блок-схема способа подтверждения события, который применяют в рамках заявленного способа детектирования.
Способ подтверждения события последовательно содержит:
o
- этап E1 обнаружения α-частицы при помощи метода связанных частиц, при этом обнаружение α-частицы приводит к считыванию контрольного времени T, которое запускает временное окно δT обнаружения совпадений,
- этап E2 подсчета импульсов совпадения с обнаруженной α-частицей,
- этап E3 идентификации пикселей системы детектирования, которые выдали импульсы совпадения,
- этап E4, на котором проверяют, выдали или нет три разных пикселя-детектора по меньшей мере три импульса совпадения, и, если да,
- этап E5 выявления соседних пикселей среди пикселей, которые выдали импульсы совпадения,
- этап E6 классификации пикселей, обнаруживших импульсы совпадения, в виде соседних отдельных пикселей и/или групп пикселей, выявленных на этапе E5,
- этап E7 подсчета соседних отдельных пикселей и/или групп пикселей, обнаруживших импульсы совпадения, и
- этап E8 подтверждения события, как только на этапе E7 подсчитаны по меньшей мере три соседних отдельных пикселя и/или групп пикселей.
В рамках изобретения два пикселя пиксельной матрицы называют «соседними», если они занимают одну общую сторону или один общий угол. Если система в соответствии с изобретением содержит две расположенные рядом пиксельные матрицы, столбец пикселей первой матрицы находится напротив столбца пикселей другой матрицы. Каждый пиксель столбца пикселей в этом случае является соседним для пиксельной матрицы, к которой он принадлежит, с пикселем согласно вышеупомянутому правилу, а для пиксельной матрицы, находящейся напротив, с любым пикселем находящегося напротив столбца пикселей. Если изобретение относится к пиксельной матрице, содержащей отверстие, каждый пиксель на краю отверстия является соседним с пикселем матрицы согласно вышеупомянутому правилу и, кроме того, со всеми пикселями, расположенными по краю отверстии, за исключением пикселей, с которыми он находится на одной линии и которые находятся дальше смежного или смежных с ним пикселя или пикселей. Точно так же, в рамках изобретения пиксель называют «отдельным», если он обнаруживает импульс, а соседние с ним пиксели импульса не обнаруживают.
1
o
Предпочтительно, когда событие подтверждено, независимо от того, содержит оно импульсы, получаемые из соседних отдельных пикселей и/или из групп пикселей, момент T, соответствующий подтвержденному событию, отсчитываемый с момента T, произвольно определяют как момент, когда был обнаружен первый импульс.
На фиг.4 в качестве не ограничительного примера показано обнаружение частиц при помощи пикселей-детекторов системы детектирования, представленной на фиг.1.
ij
ij
Все обнаруженные частицы (нейтроны и/или гамма-кванты) являются частицами совпадения с α-частицей. Матрицы M1, M2 являются, например, матрицами 8×8. Вместе с тем, в целом, матрицы, используемые в рамках изобретения, являются матрицами I×J, где I и J являются любыми целыми числами. Пиксели матрицы M1 обозначены x (пиксель строки ряда i и столбца ряда j), а пиксели матрицы M2 обозначены y (пиксель строки ряда i и столбца ряда j).
В матрице M1:
73
74
64
63
- сначала одну и ту же частицу обнаруживают в пикселе x, затем в пикселях x, x, x,
14
- одну частицу обнаруживают в пикселе x, и
28
- одну частицу обнаруживают в пикселе x.
В матрице M2:
24
13
14
- сначала одну и ту же частицу обнаруживает пиксель y, затем пиксели y и y,
66
- одну частицу обнаруживает пиксель y,
67
- одну частицу обнаруживает пиксель y, и
28
31
- частицу, обнаруженную в пикселе x, обнаруживают также в пикселе y.
14
73
74
64
63
24
15
14
66
67
28
61
При этом для матрицы M1 считают, что одна частица обнаружена пикселем x и только одна частица обнаружена пикселями x, x, x и x. Для матрицы M2 считают, что только одна частица обнаружена пикселями y, y и y и что только одна частица обнаружена пикселями y и y. Для матриц M1 и M2, рассматриваемых одновременно, считают, что только одна частица обнаружена пикселями x и y.
На фиг.5 представлена блок-схема первого варианта заявленного способа детектирования.
C
s
s
s
o
s
s
o
Вышеупомянутые этапы E1-E8 повторяют в течение заранее установленного времени ΔT, например, равного 10 мин. Затем подсчитывают число N событий, наступающих в течение всего времени ΔT сверх временного порога T (этап E9). Временной порог T определяет момент, ниже которого считают, что наступившие события в основном не соответствуют делениям, происходящим в ядерном веществе. При этом события, наступившие ниже момента T, в основном считаются связанными с реакциями, которые происходят в не делящихся материалах, которые окружают ядерное вещество, например с реакциями неупругого рассеяния (n, n'γ). Действительно, если в исследуемом объекте присутствует ядерное вещество, то оно фактически скрыто в упаковках внешне безопасного вида (пакеты, предметы багажа, транспортные контейнеры и т.д.) и, кроме того, окружено специальными материалами, образующими эффективные экраны защиты против нейтронов и гамма-излучений, например, такими как полиэтилен, железо или свинец. Для этих материалов, учитывая множественные гамма- и нейтронные излучения, которые они могут испускать в результате взаимодействия с меченым нейтроном, число обнаружений часто является очень большим в моменты, наиболее близкие к моменту T, и, хотя события, реально связанные с делениями, могут быть обнаружены до момента T, риск ложной тревоги остается слишком высоким, если учитывать эти события. В зависимости от размеров исследуемого объекта и от расстояния между пикселями-детекторами и исследуемым объектом определяют временной порог T, который отсчитывают, начиная от времени T, и ниже которого события не принимаются во внимание.
o
s
Параллельно с повторением этапов E1-E8 осуществляют измерения случайного шума b, который присутствует за пределами окон считывания δT (этап E10). Эти измерения случайного шума b производят, например, известным способом в интервалы времени, которые предшествуют моментам T («отрицательные» значения времени). На основании шума b определяют (этап E11) присутствующий шум В за пределами последовательных моментов T.
После этапов E9 и E11, то есть по истечении времени ΔT на этапе E12 шум В вычитают из событий, подсчитанных на этапе E9. В результате этапа E12 получают число N подтвержденных событий.
al
al
al
Параллельно с этапом E12, на котором вычисляют число N подтвержденных событий, осуществляют этап E13 вычисления критического порога S. Критический порог S вычисляют на основании значения шума B и считают, например, равным двукратному типовому отклонению шума B. Затем число N подтвержденных событий сравнивают с критическим порогом S.
al
m
al
al
m
В результате сравнения N и S получают сигнал S, который указывает на присутствие (если S≤N) или отсутствие (если S>N) ядерного вещества. Сигнал S сопровождается вероятностью P, которая отражает уровень надежности, по которому следует рассматривать присутствие или отсутствие ядерного вещества, то есть риск ложной тревоги, когда отмечается присутствие ядерного вещества, и риск необнаружения, когда отмечается отсутствие ядерного вещества. Вероятность P вычисляют известным образом на основании N и шума B.
На фиг.6 представлена блок-схема второго варианта способа детектирования в соответствии с изобретением.
s
Согласно второму варианту заявленного способа детектирования, время ΔT не устанавливают заранее, и сравнение с критическим порогом числа подсчитанных подтвержденных событий, наступивших вне последовательных моментов T, происходит по мере обнаружений, которые отмечаются в последовательных окнах считывания. В данном случае этапам E9, E10, E11, E12, E13, E14 первого варианта заявленного способа, осуществляемым в течение всего заранее определенного времени ΔT, соответствуют этапы E17, E15, E16, E18, E19, E20, осуществляемые в зависимости от времени по мере последовательных обнаружений.
al
al
m
m
al
m
al
m
m
Таким образом, в результате этапа E18 в реальном времени получают число N(t) подсчитанных событий, не содержащих шума, которые могут соответствовать делениям, происходящим в ядерном веществе. Критический порог S(t) вычисляют на основании шума B(t) на этапе E19. После этого число N(t) сравнивают с критическим порогом S(t) во время этапа E20. После этапа E20 получают сигнал S(t), который отражает присутствие или отсутствие ядерного вещества, и вероятность P(t), которая отражает уровень надежности, по которому следует рассматривать сигнал S(t). Пока число N(t) остается ниже S(t), сигнал S(t) указывает на отсутствие ядерного вещества в объекте, и осуществляют новые этапы подтверждения. Как только число N(t) достигает критического порога S(t), сигнал S(t) указывает на присутствие ядерного вещества, и вероятность P(t) указывает на уровень надежности, связанный с этой информацией. На этом подсчет прерывают. Подсчет может быть продолжен по решению оператора для оценки изменения уровня надежности, связанного с информацией о присутствии ядерного вещества. Если же сигнал S(t) указывает на отсутствие ядерного вещества и на то, что уровень надежности, связанный с этой информацией об отсутствии ядерного вещества, является высоким в течение длительного времени, оператор прекращает подсчет.
s
s
C
Согласно вышеуказанным первому и второму вариантам заявленного способа, определение сигнала присутствия или отсутствия ядерного вещества происходит в результате сравнения числа подтвержденных событий, которые наступают сверх временного порога T, с критическим порогом, при этом значения числа подтвержденных событий и критического порога уменьшают, каждое, на шум счета B. В другом варианте осуществления изобретения определение сигнала присутствия или отсутствия ядерного вещества происходит в результате сравнения числа подтвержденных событий, которые наступают сверх временного порога T, с шумом счета, при этом их не уменьшают на шум счета. Сравнение числа N событий и критического порога тоже приводит к получению сигнала, который указывает на присутствие или отсутствие ядерного вещества в исследуемом объекте. При этом тоже вычисляют вероятность, с которой следует учитывать полученный сигнал.
На фиг.7 в качестве примера представлена гистограмма, полученная согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения.
1
o
s
s
s
В данном случае этап подсчета подтвержденных событий является этапом формирования гистограммы совокупности подтвержденных событий, которые наступают в течение времени ΔT. Как было указано выше, в гистограмме каждое событие позиционируют по моменту T, отсчитываемому, начиная от момента T. Среди подтвержденных событий посчитывают только те события, которые находятся за пределами момента T. Время δT окна считывания равно, например, 76 нс, а время T, например, равно 20 нс. Из фиг.7 ясно видно обнаружение большого числа импульсов ниже порога T. Гистограмма на фиг.7 включает в себя события шума (уровень шума Sb), суммирование которых в интервале ΔT является вышеупомянутым измерением шума B.