Устройство для обнаружения взрывчатых веществ
Назначение Устройство предназначено для обнаружения скрытых взрывчатых веществ, закладываемых террористами на железных дорогах. Сущность Устройство для обнаружения взрывчатых веществ состоит из блока излучателей нейтронов, модуля детектирования гамма-излучения, а также модуля обработки сигналов, причем, блок излучателей состоит из источников быстрых и тепловых нейтронов, а модуль детектирования выполнен в виде двух блоков: сцинтилляционного спектрометра на основе кристаллов NaJ-Tl и широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД). Технический результат Повышение эффективности регистрации гамма-квантов и упрощение конструкциимобильной системы обнаружения взрывчатых веществ.
Полезная модель относится к устройствам для обнаружения взрывчатых веществ (ВВ), скрытых под железнодорожным полотном. Полезная модель может быть использована в составе железнодорожных комплексов радиационного контроля взрывчатых веществ.
Применение нейтрон-радиационного метода для обнаружения ВВ с использованием тепловых нейтронов (ТН-метода) широко известно. Известны стационарные устройства для обнаружения ВВ в контролируемых предметах, преимущественно в авиабагаже (патент Российской Федерации 
2046324, G01N 23/222, опубл. 20.10.1995 г.; патент Российской Федерации 2276352, G01N 23/222, опубл. 10.05.2006 г.; патент Российской Федерации 2280248, G01N 23/222, опубл. 20.07.2006 г.), содержащие камеру из замедлителя нейтронов, в которую помещается багаж, источник быстрых нейтронов и блоки детектирования гамма-излучения.
Недостатком этих устройств является то, что они ориентированы на обнаружение ВВ при их облучении в изотропном поле тепловых нейтронов внутри камеры облучения, они не применимы для обнаружения ВВ в области железнодорожного полотна при облучении ВВ нейтронами внешнего источника в одном направлении.
В рамках координационного проекта МАГАТЭ «Применение ядерных технологий для обнаружения противопехотных мин» с 1998 года в Италии стартовала программа EXPLODET (EXPLOsive DETection) (G.Viesti et al. The EXPLODET Project: Advanced Nuclear Techniques for Humanitarian Demining. Nucl. Instr. and Meth. A 422 (1999) 918). Значительная часть работ EXPLODET по обнаружению ВВ нейтрон-радиационным методом опубликована в EX-PLODET REPORT 1998-2002. В качестве аналога можно назвать известное устройство для обнаружения ВВ (М.Cinausero, F.Deak, D.Fabris et ai. Characterization of a Gamma Spectroscopy Tool for Humanitarian Demining. INTERCIENCIA, v.26 (2001) 117). Устройство состоит из излучателя тепловых нейтронов, блока детектирования и блока обработки информации. Тепловые нейтроны источника, проникая в грунт, достигают ядер азота, содержащихся в ВВ, и в результате реакции радиационного захвата индуцируют гамма-кванты с энергией 10,8 МэВ, регистрация которых осуществляется с помощью блока детектирования, расположенного рядом с блоком излучателя на фиксированном расстоянии от поверхности грунта. В качестве блока детектирования используется сцинтилляционный гамма-спектрометр с большим кристаллом Nal(Tl). Во всех известных устройствах для обнаружения ВВ нейтрон-радиационным методом используется сцинтилляционный блок детектирования гамма-излучения с использованием больших неорганических сцинтилляторов Nal(Tl), CsI(Tl) или BGO. Для повышения эффективности регистрации гамма-излучения может использоваться несколько сцинтилляторов.
Недостатком такого устройства, как и других устройств обнаружения ВВ неитронно-радиационным ТН-методом, является то, что известное устройство обеспечивает чувствительность обнаружения только значительных количеств ВВ весом не менее 1 кг. Это обусловлено тем, что используемый детектор обладает высокой чувствительностью к мягкому гамма-излучению, приводящей к высокой загрузке тракта регистрации, наложением импульсов от гамма-лучей, образованных при взаимодействии нейтронов как с материалом детектора, так и с окружающими материалами. Как следствие - низкое отношение полезного сигнала к фону (~10 -1) в области энергий гамма-квантов 9-11 МэВ.
Известно устройство для обнаружения взрывчатых веществ путем их облучения импульсными пучками быстрых нейтронов (БН-анализ) с энергией 14 МэВ (d-t-источник быстрых нейтронов) с одновременной регистрацией характеристического гамма-излучения элементов, возбуждаемых при неупругом рассеянии быстрых нейтронов. Энергии наиболее интенсивных гамма-квантов равны 4,43 (углерод), 2,31 (азот) и 6,13 МэВ (кислород) соответственно. (M.B.Goldberg. Applications of scintillators in security inspection system. Proceedings of the "CRYSTAL 2000' INTERNATIONAL WORKSHOP Heavy scintillators for scientific and industrial applications, September 1992, P.137-150). Однако, поскольку для большинства радиоактивных продуктов область излучения гамма-квантов расположена в пределах 5 кэВ - 3 МэВ регистрацию линии азота 2,1 МэВ приходится проводить на широком гамма-фоне, что снижает точность измерений.
Наиболее близким к заявляемому является известное устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ (патент РФ на полезную модель 65650, МПК G01N 23/222, заявл. 05.03.2007, опубл. 10.08.2007, Бюл 22), состоящее из излучателя тепловых нейтронов, блока детектирования гамма-излучения и блока обработки информации, причем блок детектирования выполнен виде широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД) для регистрации жесткого гамма-излучения. Он состоит из набора слоев конвертора гамма-излучения и слоев сцинтиллятора, примыкающих к слоям конвертора.
Обнаружение ВВ осуществляется в результате регистрации ГСД-детектором гамма-квантов с энергией Е=10,8 МэВ, возникающих в азоте, содержащемся в образце ВВ, размещенном в грунте, при облучении последнего тепловыми нейтронами.
Однако известное устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ позволяет обнаруживать ВВ только по одному элементу, по изотопу азота 15N, что не обеспечивает достаточно высокой надежности получаемой информации из-за возможности неконтролируемого вклада гамма-линий, связанных с материалом железнодорожных рельс и материалом их крепежа: 10,038 МэВ (0,03%) изотопа железа 38Fe и 9,298 МэВ (3,3%) изотопа железа 55Fe, что снижает чувствительность метода контроля.
Задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для обнаружения взрывчатых веществ, обладающего болей высокой чувствительностью и обеспечивающего получение более надежных результатов.
Эта задача решается с использованием комбинированного нейтрон-радиационного метода контроля путем облучении ВВ тепловыми нейтронами (ТН-анализ) и обнаружения в регистрируемом спектре вторичного гамма-излучения линии азота 15N 10,8 МэВ, и путем одновременного облучения ВВ импульсными пучками быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ, d-t-источник быстрых нейтронов (БН-анализ), и определения углерода, азота и кислорода, содержащихся практически во всех ВВ, путем спектрометрического анализа вторичного гамма-излучения с энергиями 4,43 (углерод), 2,31 (азот) и 6,13 МэВ (кислород).
Полезная модель предлагаемого устройства обнаружения взрывчатых веществ содержит блок излучателей из источников быстрых и тепловых нейтронов, модуль детектирования гамма-излучения, а также модуль управления и обработки сигналов, причем модуль детектирования гамма-излучения выполнен в виде двух блоков: сцинтилляционного спектрометрического детектора на основе кристаллов NaJ-Tl (используется один или несколько кристаллов NaJ-Tl для повышения чувствительности устройства) и широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД).
Схема предлагаемой полезной модели устройства железнодорожного базирования для обнаружения взрывчатых веществ приведена на Фиг.1 и Фиг.2. В состав устройства входят источник нейтронов, модуль детектирования, а также блок питания и обработки сигналов, управляемый дистанционно. Источник нейтронов выполнен в виде двух блоков, обозначенных одной и той же цифрой 1 на Фиг.2 Первый блок источника нейтронов, изготовленный на основе изотопа 252Ct с замедлителем из полиэтилена, является излучателем тепловых нейтронов (с плотностью потока тепловых нейтронов до 108 т.н./с. Второй блок выполнен в виде (d-t)-генератора (интенсивностью до 108-109 н/с) и является излучателем быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ. Источник нейтронов окружен биологической защитой 2 и 3, одним из компонентов которой может быть вода. Модуль детектирования гамма-излучения 4 (Фиг.1 и Фиг.2) выполнен в виде двух блоков: впередсмотрящего спектрометрического сцинтилляционного блока на основе кристаллов NaJ-Tl, 4a, Фиг.3, и блока широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД), 46, Фиг.3, с чередующимися слоями свинцовых конверторов и пластиковых сцинтилляторов. Блок питания и обработки сигналов 5, Фиг.1, управляется дистанционно для обеспечения радиационной безопасности персонала. Все модули и блоки устройства для обнаружения взрывчатых веществ могут быть размещены в переоборудованной для этих целей цистерне, свободная часть которой 6, Фиг.1, заполнена водой как замедлителем. Переоборудованная цистерна перемещается локомотивом, Фиг.4. Дистанционное управление устройством осуществляет персонал, находящийся в локомотиве или в специальном вагоне.
Устройство работает следующим образом. Зондирующее нейтронное излучение при воздействии на взрывчатые вещества 7, расположенные в грунте 8, вызывает появление гамма-излучения с энергией 4,43 МэВ от изотопов углерода 12С, с энергией 2,31 МэВ от изотопов азота 14N и с энергией 6,13 МэВ от изотопов кислорода 16О в случае воздействия на их ядра быстрых нейтронов или появление гамма-излучения с энергией 10,8 МэВ, возникающего при захвате тепловых нейтронов ядрами азота 14N с последующим образованием ядер 15 N и испусканием вследствие этой ядерной реакции гамма-квантов с указанной энергией.
Регистрируемые гамма-кванты попадают в сцинтиллятор на основе NaJ-Tl (первый блок сцинтилляционного модуля) или на фронтальную поверхность конвертирующих слоев ГСД (второй блок сцинтилляционного модуля) и, взаимодействуя с ними, создают в первом случае световые вспышки-сцинтилляции, регистрируемые ФЭУ с последующим анализом их спектра, а во втором случае создают поток электронов и позитронов, которые в зависимости от их энергии и пробега достигают детектирующих слоев сцинтиллятора ГСД, преобразующих энергию заряженных частиц в сцинтилляции-отсчеты, регистрируемые ФЭУ. В ГСД сцинтилляционного модуля толщины конвертирующих слоев выбираются так, что фоновые гамма-кванты дают отсчеты только в одном слое сцинтиллятора (один отсчет на один гамма-квант), тогда как «жесткие» гамма-кванты, рождающие жесткие электроны и позитроны, приводят к одновременным отсчетам в нескольких слоях сцинтиллятора. Регистрация полезных сигналов осуществляется как с каждого i-ого сцинтилляционного слоя детектора (Ni , i=1,2,
M, где М - число сцинтилляционных слоев детектора), так и одновременно со всех сцинтилляционных слоев одним фотоумножителем (ND). Соотношение между ND и 
Ni; несет информацию об энергетическом спектре падающего гамма-излучения. Система обработки информации, поступающей от гетерогенного детектора, позволяет работать при использовании высокоинтенсивного источника нейтронов (>108 н/с) с подавлением фоновой составляющей и выделением полезных сигналов в широкой области спектра гамма - излучения (2,31, 4,43, 6,13 и - 10,8 МэВ), что повышает отношение эффект/фон в выделенных энергетических интервалах. Это качество отсутствует у параллельно используемого сцинтиблока на основе кристалла NaJ-Tl.
Обнаружение ВВ осуществляется по результатам регистрации спектрометрическим сцинтилляционным детектором на основе кристаллов NaJ-Tl или ГСД-детектором гамма-квантов с энергией 2,31, 4,43, 6,13 и-10,8 МэВ, возникающих вследствие ядерных реакций в азоте, углероде и кислороде, содержащихся в образце взрывчатых веществ 7, помещенного в грунт (8), при его одновременном облучении быстрыми и тепловыми нейтронами. Расчеты показывают, что нормированная на один падающий гамма-квант с энергией Е=10 МэВ эффективность его регистрации детектором NaI(Tl) и ГСД примерно одинаковая и определяется апертурой детекторов. Учитывая возможность использования ГСД большой апертуры по сравнению с использованием детекторов NaI(Tl) с апертурой, ограниченной размерами кристалла, можно повысить эффективность регистрации гамма-квантов в 10-20 раз. Малая толщина ГСД (~2 см) позволяет упростить проектирование устройства и конструкцию мобильной системы обнаружения ВВ.
Технический результат. Повышение чувствительности при обнаружении взрывчатых веществ, получение более надежных результатов благодаря одновременному применению ТН- и БН-методик и новой системе регистрации гамма-излучения.
Устройство для обнаружения взрывчатых веществ, состоящее из блока излучателей нейтронов, модуля детектирования гамма-излучения, а также модуля обработки сигналов, отличающееся тем, что блок излучателей состоит из источников быстрых и тепловых нейтронов, а модуль детектирования выполнен в виде двух блоков: сцинтилляционного спектрометра на основе кристаллов NaJ-Tl и широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД).
