Патент на изобретение №2225018

(54) СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕДМЕТОВ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ ГРУНТА, В ЧАСТНОСТИ ПРОТИВОПЕХОТНЫХ МИН

(57) Реферат:

Изобретение относится к мониторингу верхних слоев грунтов для обнаружения в них различных предметов. Способ предусматривает облучение коллимированным пучком низкоэнергетических гамма-квантов (E 50-80 кэВ) поверхности грунта и детектирование отраженного излучения. В качестве источника излучения используют радиоактивный изотоп титан-44, имеющий низкий класс опасности, с периодом полураспада 47,3 года, энергией излучения 67,8 и 78,3 кэВ (соответственно относительные интенсивности 92 и 98%). Для компенсации в широком диапазоне вариаций высоты системы источник – детектор над излучаемой средой и обусловленного этим изменения показаний детектора используют три или более разнесенных в пространстве детектора. Измеренное значение при данной высоте приводится к выбранной стандартной высоте для той же координаты детектирования с помощью предварительно определенной корректирующей функции, зависящей от отношений регистрируемых значений для разных координат. Технический результат: повышение эффективности и безопасности. 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области технической физики, а именно к технологии мониторинга окружающей среды с использованием обратно рассеянных ядерных излучений.

Настоящее изобретение может быть использовано для обнаружения в верхних слоях грунтов противопехотных мин и других предметов антропогенного происхождения.

Детектирование обратно рассеянного рентгеновского и гамма-излучения широко используется в индустрии мониторинга, например, при определении толщины металла и других материалов, включений пустот в потоке жидкости через трубы для обнаружения контрабанды (Вандышев Б.А. Использование обратно рассеянного ионизирующего излучения для контроля объектов. Специальная техника 2, 1998. А. с. и патенты: СССР 1267927, 07.01.85; РФ 2040020, 20.07.95; США 5821862, 13.10.98; США 5862199, 19.01.99; США 5351689, 04.10.94; США 5068883, 26.11.91).

Мониторинг основывается на зависимости интенсивности обратно рассеянного гамма-излучения от среднего атомного номера (Z) среды. Сечение фотоэффекта, приводящего к поглощению гамма-излучения, изменяется приблизительно ~Z⁴ в области относительно мягкого рентгеновского и гамма-излучения с энергией до сотен килоэлектронвольт (кэВ). Следовательно, интенсивность обратно рассеянного излучения для веществ с меньшей плотностью и меньшим атомным номером (таких, как бумага, взрывчатые вещества, наркотики и другие вещества органического происхождения) будет больше, чем для веществ с большей плотностью и большим атомным номером (например, сталь, латунь, свинец и др.). Этот факт и является основополагающим для анализа состава среды по обратно рассеянному излучению.

Широкое применение в качестве источников гамма-излучения в этой области энергий нашли изотопы: ²⁴¹Am, (период полураспада 432.2 года, энергия гамма-квантов с максимальным выходом – 59.5 кэВ), ⁵⁷Со (период полураспада 271.8 дней, энергия гамма-квантов с максимальным выходом – 122 кэВ), ¹³³Ва (период полураспада 10.5 года, энергия гамма-квантов с максимальным выходом – 356 кэВ).

Наиболее низкоэнергетический источник ²⁴¹Am имеет высокий класс опасности, поскольку распад сопровождается испусканием -частиц. С увеличением энергии гамма-источника возрастает вес контейнера источника и габариты детектора, это влияет на портативность устройства.

Сохранение расстояния между системой источник-детектор и изучаемой средой во многих случаях бывает затруднительным. Изменение расстояния между источником-детектором и изучаемой средой существенно изменяет показания детектора рассеянных гамма-квантов, что нивелирует различие показаний детектора, обусловленных изменением средних атомных номеров сред, и приводит к снижению достоверности обнаружения предметов. Поэтому возникает проблема компенсации изменений показаний детектора при вариации геометрии системы.

За прототип выбран способ обнаружения предметов в грунте, включающий облучение пучком низкоэнергетических гамма-квантов поверхности грунта и детектирование отраженного излучения (патент США 3982125, 21.09.76). Компенсация вариации высоты системы источник-детектор над изучаемой средой происходит за счет использования показаний двух детекторов. Один из детекторов включает К-уровневый фильтр, второй – без фильтра. В качестве источника излучения рассмотрен ²⁴¹Am, материалом фильтра для которого является европий, непрозрачный для гамма-квантов выше энергии электронов К-уровня – 48.515 кэВ до энергии источника. Способ компенсации вариации высоты системы источник-детектор над излучаемой средой основывается на законе комптоновского рассеяния: энергия однократно рассеянных гамма-квантов зависит от угла рассеяния, а угол рассеяния изменяется с высотой системы источник-детектор над изучаемой средой. Отношение откликов детекторов без фильтра и с фильтром, который исключает детектирование однократно рассеянных гамма-квантов, является функцией чувствительности изменения высоты системы источник-детектор над изучаемой средой и используется для коррекции показаний детектора. Однако максимальное различие энергии гамма-квантов, излучаемых ²⁴¹Аm, при однократном рассеянии составляет ~ 20%, в то время как изменение показаний детектора из-за вариации высоты системы источник-детектор над изучаемой средой может превышать 1000%.

Все это обуславливает недостаток предложенного способа:
– источник ²⁴¹Аm имеет высокий класс опасности, что весьма существенно для полевых условий;
– не обеспечивается высокая точность компенсации показаний детектора при изменении высоты системы источник-детектор над изучаемой средой;
– изменение энергии источника гамма-излучения требует подбора нового материала фильтра, это может быть затруднительно.

Задачей, на которую направлено изобретение, является повышение эффективности и безопасности обнаружения предметов в верхних слоях грунтов.

Для этого предложен способ обнаружения предметов в верхних слоях грунтов, в частности противопехотных мин, заключающийся в облучении пучком низкоэнергетических гамма-квантов поверхности грунта и детектировании отраженного излучения, при этом в качестве источника излучения используют радиоактивный изотоп титан-44, имеющий низкий класс опасности.

Кроме того, детектируют пространственное распределение плотности потока отраженного гамма-излучения и приводят это значение при данной высоте системы источник-детектор к выбранной стандартной высоте для той же координаты детектирования с помощью предварительно определенной корректирующей функции, зависящей от отношений детектируемых значений для различных координат.

Кроме того, облучение ведут коллимированным пучком гамма-квантов с энергией 50-80 кэВ.

Такое осуществление способа за счет выбора в качестве источника излучения титана-44 с оптимальной энергией гамма-излучения обеспечит максимальную глубину обнаружения в грунте противопехотных мин и других предметов антропогенного происхождения, а также повысит безопасность проведения работ.

Выбор способа компенсации высоты системы источник-детектор над изучаемой средой обеспечит высокую чувствительность корректирующей функции и, следовательно, высокую точность коррекции показаний детектора.

В рассматриваемой низкоэнергетической области гамма-излучения (<1 МэВ) наибольшая глубина обнаружения в грунте противопехотных мин и других предметов антропогенного происхождения обеспечивается в диапазоне энергий гамма-излучения 50-80 кэВ. Оптимальность данной области энергий гамма-излучения обусловлена тем, что с ростом энергии гамма-излучения увеличивается проникающая способность, но уменьшается различие альбедных свойств грунта и расположенных в нем противопехотных мин и других предметов антропогенного происхождения.

В качестве источника гамма-излучения выбран радиоизотоп титан-44, имеющий низкий класс опасности, с периодом полураспада 47.3 года, энергией излучения 67.8 и 78.4 кэВ (соответственно относительные интенсивности 92 и 98%) (ENDF/B-VI Decay Data).

Компенсация в широком диапазоне вариаций высоты источник-детектор над изучаемой средой и обусловленного этим показаний детектора обеспечивается использованием трех или более разнесенных по пространству детекторов (или координатно-чувствительного детектора).

Способ осуществляется следующим образом.

Поверхность облучают источником излучения гамма-квантов – титаном-44.

Детекторы располагаются на разных радиусах относительно оси падающего луча гамма-излучения (нумерация в соответствии с возрастанием радиуса). В примере из трех детекторов используются отношения показания пар детекторов: первого и второго, первого и третьего.

При малых высотах системы источник-детектор над изучаемой средой используется первый и второй детекторы, расположенные на наименьших радиусах относительно оси падающего луча гамма-излучения, чтобы избежать отличий угловой зависимости рассеянного излучения от материала рассеивателя, которая заметна для рассматриваемых гамма-квантов при больших углах между падающим и отраженным лучами (>50^o) (Кимель Л.Р., Машкович В.П. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. М., Aтомиздат, 1972, с.252-254). Это обеспечивает универсальность отношений показаний данных детекторов для разных рассеивающих сред.

Для больших высот системы источник-детектор над изучаемой средой расстояние между первым и третьим детекторами выбирается таким образом, чтобы обеспечить достаточную чувствительность отношений показаний детекторов к изменению высоты.

Схема компенсации вариации высоты системы источник-детектор над изучаемой средой следующая.

Предварительно в стационарных условиях снимаются показания трех детекторов в возможном диапазоне изменения высот (в нашем примере от 3 до 25 см). Выбирается стандартная высота (приблизительно в середине исследуемого диапазона, в данном примере 15 см), к которой в дальнейшем с помощью корректирующей функции будут приводиться показания первого детектора для других высот. Определяются в зависимости от высоты:
– корректирующая функция Ф_к, являющаяся отношением показаний первого детектора для данной высоты к показаниям первого детектора для стандартной высоты;
– отношения показаний первого и второго детекторов (f_1-2);
– отношения показаний первого и третьего детекторов (f_1-3).

На основании полученных данных определяются зависимости корректирующей функции и высоты системы источник-детектор над изучаемой средой (h) от отношений показаний пар детекторов:
– Ф_к(f_1-2), Ф_к(f_1-3);
– h(f_1-2), h(f_1-3).

Выбирается критическая точка f_1-2 ^кр, меньше которой наблюдается сильная зависимость функций от аргумента f_1-2. При значениях f_1-2 меньше f_1-2 ^кр используется зависимость функций от аргумента f_1-3, при значениях f_1-2 больше f_1-2 ^кр – зависимость функций от аргумента f_1-2.

В рассмотренном примере в рабочей области средняя производная корректирующей функции от аргумента f_1-2 составляет 2, от аргумента f_1-3 – 0.4, что обеспечивает высокую чувствительность корректирующей функции от отношений показаний пар детекторов.

Определяемая с помощью предлагаемого способа высота h может служить как ориентир при поиске, так и имеет самостоятельное значение для определения расстояния от системы источник-детектор до поверхности изучаемой среды.

Таким образом, изобретение позволит повысить эффективность и безопасность проведения работ при обнаружении в верхних слоях грунтов предметов, в частности мин.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения предметов в верхних слоях грунтов, в частности противопехотных мин, заключающийся в облучении пучком низкоэнергетических гамма-квантов поверхности грунта и детектировании отраженного излучения, отличающийся тем, что в качестве источника излучения используют радиоактивный изотоп титан-44.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что детектируют пространственное распределение плотности потока отраженного гамма-излучения и приводят величину плотности потока при данной высоте системы источник – детектор к выбранной стандартной высоте для той же координаты детектирования с помощью предварительно определенной корректирующей функции, зависящей от отношений детектируемых значений для различных координат.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что облучение ведут коллимированным пучком гамма-квантов с энергией 50-80 кэВ.