Патент на изобретение №2150105

(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕЛЯЩИХСЯ И ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к технике обнаружения и контроля за содержанием взрывчатых и делящихся веществ в исследуемых объектах и может быть использовано в аэропортах и пунктах таможенного контроля. Сущность изобретения состоит в способе обнаружения делящихся и взрывчатых веществ, заключающемся в облучении исследуемого объекта импульсным потоком нейтронного излучения, генерируемого импульсным пучком ускоренных ионов водорода из мишени, и измерении временных и энергетических спектров вторичного нейтронного и гамма-излучений от исследуемого объекта. В этом способе для обнаружения делящихся веществ в моменты импульсов измеряют выходы нейтронного и гамма-излучений и в промежутках между импульсами измеряют их временное распределение, а для обнаружения взрывчатых веществ в моменты импульсов измеряют энергетический спектр мгновенного гамма-излучения из реакций неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах характерных элементов взрывчатых веществ – азота, кислорода и углерода, и в промежутках между импульсами в период термализации нейтронов измеряют интегральные и энергетические характеристики гамма-излучения из реакций радиационного захвата медленных и тепловых нейтронов ядрами азота, а далее до начала следующего импульса нейтронного излучения измеряют энергетические спектры гамма-излучения короткоживущих радионуклидов, образующихся при взаимодействии нейтронов с ядрами упомянутых характерных элементов. Техническим результатом является объединение в одном процессе средств обнаружения делящихся и взрывчатых веществ, повышение чувствительности по характерным элементам делящихся и взрывчатых веществ и производительности исследования. 1 ил.

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля за несанкционированным провозом недекларированных грузов и может быть использовано при создании соответствующих средств контроля для оснащения таможенных служб воздушного, морского и других видов транспорта.

Известны различные способы обнаружения делящихся и взрывчатых веществ, основанные на определении ядерно-физических параметров вещества и не объединенные единым процессом.

Известен активный способ идентификации делящихся веществ путем облучения исследуемого объекта коротким импульсом нейтронов и измерения зависимости от времени спектра гамма-излучения [Данилов М.М. и др., Эксперименты для разработки метода дистанционной идентификации делящихся и других веществ. – Атомная энергия, т. 77, вып. 6. декабрь 1994, с.424-426]. В экспериментах использовались электронный ускоритель с длительностью импульса электронного пучка 22 нс, нейтронопроизводящая мишень в виде свинцовой ловушки и детекторы гамма-квантов. Низкий уровень фона случайных совпадений делает возможным обнаружение делящихся веществ на большом расстоянии.

Для реализации этого способа требуется применение наносекундных импульсов нейтронного излучения и быстродействующей ядерно-физической аппаратуры, что возможно только в условиях крупных ядерно-физических центров.

В настоящее время для обнаружения взрывчатых веществ нашли практическое применение различные способы, использующие ядерные излучения. Перспективность анализа с использованием ядерно-физических методов для поиска взрывчатых веществ обусловлена тем, что взрывчатые вещества в отличие от обычных веществ, имеют уникальное сочетание высоких концентраций атомов азота и кислорода. Высокое содержание азота в контролируемом объекте служит сигналом вероятного присутствия взрывчатых веществ, а высокие концентрации атомов азота и кислорода однозначно свидетельствуют о его наличии. Важно подчеркнуть, что ядерно-физические методы позволяют наиболее эффективно выявлять присутствие замаскированных взрывчатых веществ.

В частности, известен способ нейтронно-радиационного анализа TNA (The Thermal Neutron Analysis), используемый в системе SNOOPE для поиска взрывчатых веществ в багаже, установленной в ряде американских и зарубежных аэропортов [Henderson B.W. FAA Stays Undecided on Deploying TNA Amid Conflicting Views and Test Results-Aviation Week & Space Technology, March 25, 1991, p. 55- 56] . Использование нейтронно-радиационного анализа TNA для обнаружения взрывчатых веществ направлено на определение содержания, азота в контролируемом объекте путем регистрации гамма-квантов с энергией 10.829 МэВ, образующихся в результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами азота.

Как показали испытания и опыт эксплуатации, самым серьезным недостатком систем типа TNA является недопустимо высокий уровень ложных тревог.

Наиболее перспективным представляется способ обнаружения взрывчатых веществ путем анализа неупругого рассеяния быстрых нейтронов PFNA (Pulsed Fast Neutron Analysis) с использованием импульсных источников нейтронов. В этом способе достигается высокая чувствительность по характерным элементам взрывчатых веществ и производительность анализа. Способ PFNA основан на регистрации гамма-квантов, возникающих при неупругом рассеянии быстрых нейтронов на ядрах азота, кислорода и углерода, составляющих основу взрывчатых веществ. Сечение возбуждения уровня с энергией 2.31 МэВ ядра N¹⁴ составляет 70 мб, с энергией 4.44 МэВ ядра C¹² – 200 мб, с энергией 6.17 МэВ ядра O¹⁶ – 100 мб [Grodzins L., Nuclear techniques for finding chemical explosives in airport luggage – Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res., 1991, V, B 56/57, p. 829-833. Это более чем на порядок выше сечения радиационного захвата теплового нейтрона ядром N¹⁴ (10 мб). Важным достоинством способа PFNA является возможность одновременного определения концентрации атомов азота, углерода и, что самое важное, кислорода, что однозначно указывает на наличие взрывчатых веществ. Применение этого способа практически исключает возможность появления ложных тревог. Однако, к настоящему времени не создано ни одной опытной, а тем более реальной коммерческой системы обнаружения взрывчатых веществ на основе PFNA [Nuclear Techniques Being Developed to Provide More Discriminating Explosive Detection Capability – Aviation Week & Space Technology, March 25,1991, p. 62].

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности является способ обнаружения делящихся веществ, заключающийся в облучении исследуемого объекта импульсным потоком нейтронного излучения, генерируемого импульсным пучком ускоренных ионов водорода из гетерогенной мишени, и измерении временных спектров вторичного нейтронного излучения [Ворогушин М.Ф. и др.] К вопросу дистанционного определения делящихся веществ с использованием линейного ускорителя ионов водорода. Препринт П-0946, М.: ЦНИИатоминформ, 1996, с. 17-23]. Для реализации этого способа предложено использовать линейный ускоритель ионов водорода (протонов, дейтронов) с энергией 15-25 МэВ и длительностью импульса порядка 10-100 мкс и проводить поканальное сложение временных спектров, измеренных за несколько промежутков времени методом синхронного детектора. Изменение выхода нейтронов более чем на порядок при фиксированном расстоянии от исследуемого объекта однозначно указывает на наличие делящегося вещества. Импульсный режим работы ускорителя позволяет в полной мере реализовать достоинства метода синхронного детектора: при каждом сложении полезный сигнал увеличивается в n раз, а фон растет в где n – число циклов.

Указанный способ не позволяет, однако, обнаружить наличие взрывчатых веществ в исследуемом объекте.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи расширения номенклатуры обнаруживаемых веществ (как делящихся, так и взрывчатых) при проведении одного анализа, повышения вероятности их обнаружения в исследуемых объектах и снижения уровня ложных тревог при инспекции исследуемых объектов.

Сущность изобретения состоит в способе обнаружения делящихся и взрывчатых веществ, заключающемся в облучении исследуемого объекта импульсным потоком нейтронного излучения, генерируемого импульсным пучком ускоренных ионов водорода из мишени, и измерении временных и энергетических спектров вторичного нейтронного и гамма-излучения от исследуемого объекта. В этом способе для обнаружения делящихся веществ в моменты импульсов измеряют выходы нейтронного и гамма-излучений и в промежутках между импульсами измеряют их временное распределение, а для обнаружения взрывчатых веществ в моменты импульсов измеряют энергетический спектр мгновенного гамма-излучения из реакций неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах характерных элементов взрывчатых веществ – азота, кислорода и углерода и в промежутках между импульсами в период термализации нейтронов измеряют интегральные и энергетические характеристики гамма-излучения из реакций радиационного захвата медленных и тепловых нейтронов ядрами азота, а далее, до начала следующего импульса нейтронного излучения, измеряют энергетические спектры гамма-излучения короткоживущих радионуклидов, образующихся при взаимодействии нейтронов с ядрами упомянутых характерных элементов взрывчатых веществ.

Техническим результатом, возникающим при использовании изобретения, является объединение в одном процессе средств надежного обнаружения делящихся и взрывчатых веществ, повышение чувствительности по характерным элементам делящихся и взрывчатых веществ и производительности исследования. Способ позволяет получать достоверные результаты в условиях малой статистики, что существенно повышает вероятность обнаружения искомых элементов при их низких концентрациях.

Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства обнаружения делящихся и взрывчатых веществ. В состав устройства входят мишенное устройство 1, система детектирования 2 для идентификации делящихся веществ, локальная радиационная защита 3, система детектирования 4 для обнаружения взрывчатых веществ и система транспортировки (на чертеже не показана) исследуемых объектов 5. В качестве источника генерации импульсного нейтронного излучения используется малогабаритный высокочастотный линейный ускоритель ионов водорода с рабочей частотой 433 МГц (на чертеже не показан), позволяющий получать высокие потоки нейтронов (10¹⁴ н/имп. с) при сравнительно небольших массогабаритных характеристиках устройства обнаружения (размеры – 4х2х1.5 м без систем питания, вес – не более 4000 кг). Наличие оптимизированной локальной биологической защиты позволяет размещать такой комплекс в помещениях, не оборудованных дополнительными фундаментами и средствами радиационной защиты. Потребление электроэнергии комплексом от сети не более 35 кВт. Система детектирования 4 для обнаружения взрывчатых веществ представляет собой матрицу сцинцилляционных детекторов, полностью “просматривающих” исследуемый объект. Каждая ячейка матрицы состоит из кристалла NaI(Tl) или BGO размером 80х80 (63х63 для BGO) в сборке с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ-110) или фотодиодом. Увеличение числа детекторов требуется для исследования крупногабаритных объектов. Система детектирования 2 для обнаружения делящихся веществ состоит из двух детекторов большой эффективности на основе “быстрой” пластмассы. С наибольшей достоверностью измерять выход и временное распределение нейтронов и гамма-излучения в условиях малой статистики позволяет метод синхронного детектора, на принципах которого строится система измерений, о которой, а также о возможных аналогах системы измерения временных характеристик нейтронного излучения, достаточно подробно изложено в вышеупомянутом Препринте П-0946.

Способ обнаружения делящихся и взрывчатых веществ осуществляется в соответствии со схемой, приведенной на чертеже, следующим образом. Запускается ускоритель и импульсный ускоренный пучок ионов водорода направляется на мишенное устройство 1, за которым системой транспортировки осуществляется установка исследуемых объектов 5 и их автоматизированная смена. Под действием импульсов ускоренного пучка ионов водорода из мишени 1 генерируется импульсный поток нейтронного излучения, который облучает исследуемый объект 5. Системы детектирования 2 и 4 регистрируют вторичное нейтронное и гамма-излучение от исследуемого объекта. Сигналы с детекторов системы детектирования 2 через усилительно-формирующий тракт поступают на сумматор и далее на временной анализатор, входящие в систему сбора и обработки информации (на чертеже не показана). Запуск временного анализатора осуществляется синхроимпульсом ускорителя. Информация с временного анализатора считывается в память компьютера и затем обрабатывается по специальной программе. Сигналы с каждого детектора системы 4 через усилительно-формирующий тракт поступают в восьмиразрядный аналого-цифровой преобразователь, накапливаются в модуле запоминающего устройства и затем обрабатываются по специальной программе. Программа обеспечивает селективный отбор оцифрованных спектрометрических сигналов от детекторов в промежутках между импульсами и их раздельное суммирование. Для идентификации делящихся веществ измеряется временное распределение нейтронного и гамма-излучений: в момент импульса – интегральный выход из исследуемого объекта, а в промежутках между импульсами – временной спектр. При ядерных взаимодействиях с объектами, содержащими делящиеся вещества, будут инициироваться реакции деления, характеризующиеся размножением нейтронов, состоящих из двух групп, мгновенных и запаздывающих. Их интенсивность будет определяться количеством делящегося вещества. Даже незначительное количество делящегося вещества существенно повышает поток нейтронов, изменяет их энергетическое и временное распределение. Основными характерными признаками присутствия делящегося вещества в исследуемом объекте, облучаемом импульсным потоком нейтронов, является увеличение общего выхода нейтронов, измеренных под определенным углом и изменение их энергетического распределения – появления группы высокоэнергетичных нейтронов, соответствующих реакции деления при измерении в момент импульса нейтронного источника и присутствии группы запаздывающих нейтронов при измерении в промежутках между импульсами. Аналогичная картина наблюдается и при исследовании гамма-излучения от объекта, содержащего делящееся вещество и облучаемого импульсным нейтронным потоком: так же увеличивается поток гамма-квантов за счет реакции деления в момент импульса нейтронного потока и так же появляется группа запаздывающего гамма-излучения, сопутствующего распаду короткоживущих радионуклидов с вылетом нейтрона. Временное распределение нейтронного и гамма-излучений идентичны. Импульсный режим работы ускорителя делает возможным реализацию трехзадачного режима измерений для идентификации взрывчатых веществ. В момент токовых импульсов ускорителя производится регистрация гамма-излучения, возникающего при неупругом рассеянии быстрых нейтронов на ядрах азота, кислорода и углерода. В промежутках между токовыми импульсами в период термализации нейтронов исследуется гамма-излучение из реакций радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами азота (2-4 мс) и до начала следующего импульса – измерение энергетических спектров гамма-излучения короткоживущих радионуклидов, образующихся при активации ядер характерных элементов взрывчатых веществ (азота, кислорода и углерода). Полученные энергетические спектры гамма-излучения обрабатываются для определения пространственного и количественного распределения элементов, входящих в состав взрывчатых веществ.

Формула изобретения

Способ обнаружения делящихся и взрывчатых веществ, заключающийся в облучении исследуемого объекта импульсным потоком нейтронного излучения, генерируемого импульсным пучком ускоренных ионов водорода из мишени, и измерении временных и энергетических спектров вторичного нейтронного и гамма-излучения от исследуемого объекта, отличающийся тем, что для обнаружения делящихся веществ в моменты импульсов измеряют выходы нейтронного и гамма-излучений и в промежутках между импульсами измеряют их временное распределение, а для обнаружения взрывчатых веществ в моменты импульсов измеряют энергетический спектр мгновенного гамма-излучения из реакций неупругого рассеяния быстрых нейтронов на ядрах характерных элементов взрывчатых веществ – азота, кислорода и углерода и в промежутках между импульсами в период термализации нейтронов измеряют интегральные и энергетические характеристики гамма-излучения из реакций радиационного захвата медленных и тепловых нейтронов ядрами азота, а далее до начала следующего импульса нейтронного излучения измеряют энергетические спектры гамма-излучения короткоживущих радионуклидов, образующихся при взаимодействии нейтронов с ядрами упомянутых характерных элементов взрывчатых веществ.

РИСУНКИ