Устройство обнаружения контрабанды

Полезная модель относится к области исследования и/или анализа материалов радиационными методами для обнаружения контрабанды, в том числе ядерных систем, закладываемых в транспортных средствах.

Техническим и физическим результатами полезной модели является экспресс - анализ материалов, достоверность контроля, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах и средах с большим Z ядерных веществ и изделий из них, а также оценка сигнатурных признаков материала по реакциям ядерного вещества за счет образования (рождения) высокоэнергетичных -квантов и ⁺-мюонов от распада ^--пионов и рождение мюонов ядерным веществом.

Технический результат достигается тем, что в устройстве обнаружения контрабанды содержится ускоритель ионов, выполненный по трехмерной схеме ускорения ионов до энергии ГэВ-ного уровня значений, с угловой расходимостью пучка меньшей 10 ^-3 рад и содержит инжектор импульсных ионных сгустков.

1 н.п.ф. 3 илл.

Полезная модель относится к области исследования и/или анализа материалов радиационными методами для обнаружения контрабанды, взрывчатки, взрывоопасных в том числе особо опасных - ядерных систем, закладываемых в транспортных средствах, может быть использовано в контрольно-пропускных пунктах и таможенных службах.

Известно устройство для анализа многокомпонентных материалов, которое содержит источник -излучения, детектор -излучения, усилитель, дискриминатор, контроллер и дисплей.

Исследуемый образец помещается между указанными источником и детектором, -излучение, проходя сквозь образец, ослабляется по интенсивности, сохраняя энергию -квантов. Далее -кванты регистрируют детектором -излучения, импульсы детектора усиливают, и через счетчик подают в вычислительное устройство (контроллер), после обработки информацию выводят на дисплей. Патент Великобритании №2088050, G 01 N 23/08,1998 г.

Недостатком устройства является низкая стабильность измерений.

Известно и устройство, содержащее циклотрон для ускорения дейтронов, конвертор (d, n) для создания потока быстрых монокинетических нейтронов, коллиматор нейтронного потока для получения пучка нейтронов карандашного типа, сканирующую систему для направления пучка нейтронов карандашного типа на инспектируемый объект и перемещения его по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения

внутреннего (скрытого) содержания объекта. Патент США №5076993, МПК: G 21 G 1/06, 1991 г. прототип.

Прототип имеет недостатки, которые не позволяют применить его для инспекции ядерных материалов, сокрытых в средах нейтронозамедляющих легкоэлементных веществ (типа воды, нефти, спирта и т.п.) или прикрытых защитными экранами из веществ большого атомного номера Z.

Настоящая полезная модель устраняет недостатки аналога и прототипа обеспечивает возможность просвечивания полностью заполненных контейнеров и цистерн - любых объектов - с высокой разрешающей способностью поточечного анализа содержимого инспектируемого объекта.

Техническим и физическим результатами полезной модели является экспресс - анализ материалов, достоверность контроля, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах и средах с большим Z специальных ядерных веществ и изделий из них, а также оценка сигнатурных признаков материала по реакциям ядерного вещества за счет образования (рождения) высокоэнергетичных -квантов и ⁺-мюонов от распада -пионов и рождение мюонов ядерным веществом; использование в качестве сигнатурного признака зарегистрированных -квантов.

Характеристические (мгновенные и запаздывающие) -кванты продуктов распада контрабанды используются для выявления специальных ядерных материалов в качестве сигнатурного признака.

Технический результат достигается тем, что в устройстве обнаружения контрабанды, содержащем ускоритель ионов, сканирующую систему по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма - излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого

содержания объекта, ускоритель ионов выполнен по трехмерной схеме ускорения ионов на бегущей обратной волне до энергии ГэВ-ного уровня значений, с угловой расходимостью пучка меньшей 10^-3 рад и содержит инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, при этом инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ - мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ - мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ - источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя, объединены в группы с ВЧ - питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры, источник ионов выполнен с возможностью изменения частоты следования моноимпульсов ионов путем изменения частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку

отклоняющей пучок электромагнитной системы или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов.

При прохождении ГэВ-ного пучка через исследуемый объект (контейнер, цистерна и т.п.) угловая расходимость пучка меньшая, чем 10^-3 рад сохраняется, при этом практически сохраняется и диаметр 1.5-2 см инспектирующего луча.

В этом случае будет обеспечиваться минимальная дискретность выявляемого микрообъема 2*2*3 см ³.

При проведении скоростной инспекции диаметр инспектирующего пучка можно варьировать вплоть до размеров превышающих размеры контейнера (цистерны).

Коллимированный высокоэнергетический пучок протонов с диаметром пучка ˜2 см и с угловой расходимостью менее 10^-3 рад, создают в ускорителе, компактность которого обеспечена выполнением его по трехмерной схеме.

Сущность полезной модели поясняется на фиг.1, фиг.2, фиг.3. На фиг.1 представлены распределения E_z(z) и P(z) ВЧ - мощности по длине ускоряющих структур (м) в любой точке z вдоль ускоряющей структуры.

На фиг.2 представлена блок-схема ускорителя, где: 1 -источник ускоряемых частиц, 2 - инжектор ускоряемых частиц; 3 -система высоковольтного питания инжектора; 4 - система управления инжектором и источником, находящимся под высоким инжекционным потенциалом; 5 - последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона. При этом размеры ячеек ускоряющих структур монотонно возрастают. 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкоэнергетической части ускорителя, выполненной в виде

последовательности сверхпроводящих соленоидов с соответствующим обеспечением; 7 - система поворотных магнитов, 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя, объединенных в группы с ВЧ - питанием от одного клистрона.

На фиг.3 представлена структурная схема устройства обнаружения контрабанды, где: 1 - источник ускоряемых частиц; 2 -инжектор ускоряемых частиц; 5 - последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона; 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкочастотной части ускорителя; 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя; 9 - инспектирующий пучок; 10 - инспектируемый объект; 11 - контрабанда; 12 - сигнатурные гамма кванты; 13 - датчик момента выхода моносгустка из ускорителя. 14 - детекторы сигнатурных гамма квантов; 15 - детекторы мгновенных и запаздывающих нейтронов, плюс мезонов. 16 - информационные каналы с детекторов на обрабатывающий центр 17; 17 - обрабатывающий информацию с детекторов центр; 18 - монитор.

Устройство обнаружения контрабанды работает следующим образом. Инспектирующий пучок 9 направляют на инспектируемый объект 10. Перемещением пучка (или объекта) обеспечивают сканирование объекта. Протоны ГэВ-ного уровня энергии проходят насквозь инспектируемый объект 10, при этом диаметр и угловая расходимость пучка практически не меняются (по крайней мере, до тех пор, пока энергия протонов не уменьшится до существенно меньшего, чем 100 МэВ, значения). При прохождение инспектируемого объекта 10 ГэВ-ные протоны взаимодействуют с

ядерным веществом. Попадание протона в ядро характеризуется рядом реакций: образования -пионов и ⁺-мюонов и -квантов; мгновенным распадом °-пионов на два высокоэнергетических -кванта (с энергией Еу ˜70 МэВ); перезарядкой ^--мезонов на протонах с образованием °-мезонов и перезарядкой ^--мезонов на протонах с испусканием 131 МэВ-ных -квантов; рождением высокоэнергетических ⁺-мюонов, расщеплением ядер и испусканием характеристических мгновенных и запаздывающих гамма квантов 12. Высокоэнергетические (Еу ˜70 МэВ и Еу=131 МэВ) гамма-кванты и ⁺-мюоны являются сигнатурными признаками 12, их регистрируют детекторами гамма- и мюонного-излучения 14, 15, 16.

Высокая энергия гамма квантов гарантирует беспрепятственное прохождение их через содержимое инспектируемого объекта.

Дополнительным каналом выявления специальных ядерных материалов служит регистрация характеристических мгновенных и запаздывающих гамма квантов осколков деления этих ядер.

Применение ускоренных протонов, сформированных в моноимпульсы субнаносекундной длительности, в сочетании с времяпролетной методикой регистрации гамма-квантов (и ⁺-мюонов) и сканированием этими моноимпульсами поверхности инспектируемого объекта 10 позволяет определить точное местонахождение контрабандного ядерного вещества 11 внутри инспектируемого объекта 10 и сформировать поточечное высококонтрастное трехмерное изображение контрабандных материалов 11 и выявить их месторасположение среди веществ содержащихся в инспектируемом объекте 10.

Ускоритель (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) устройства обнаружения контрабанды работает следующим образом:

В нашем случае (фиг.1) распределения E_z(z) и P(z) ВЧ-мощности в любой точке z вдоль каждой ускоряющей структуры равномерно. Суммарная длина структур составляет 50-120 м при применении одного стандартного 4-МВт-ного источника ВЧ-питания ускорителя на частоте 433 МГц, а приращение энергии ускоряемых ионов составляет около 100 МэВ. Распределения E_z(z) и P(z) и приращение энергии сгустка ионов постоянны при изменении числа ускоряемых протонов. Эквивалентный ток можно варьировать от нулевого значения до 2000 мА при этом величина приращения энергии ускоряемых протонов остается неизменной. В этом случае в ускоряющих структурах активная ВЧ - мощность источника ВЧ -питания ускорителя расходуется только на покрытие омических потерь. Ускорение в последовательности структур одиночного моноимпульса (вне зависимости от числа ускоряемых частиц), позволяет этому сгустку (моноимпульсу) взаимодействовать с тем значением компонента E_z(z), которое установилось в структурах в отсутствие нагрузки током.

Стационарное распределение компонента E_z (z), соответствующее распределению в отсутствие сгустка, создается потоком ВЧ - мощности, направленным навстречу ускоряемому сгустку, и тем обстоятельством, что ускоряют частицы в моноимпульсе, используя накопленную (запасенную) в структурах энергию ВЧ - электромагнитного поля.

В процессе ускорения сгустка (моноимпульса), запасенная в структурах ВЧ - энергия трансформируется в кинетическую энергию ускоряемых частиц, стационарное электромагнитное поле, соответствующее значению изменится.

А именно: значения компонента E _z(z) бегущего навстречу сгустку электромагнитного поля от точки z, в которой в данный

момент находится сгусток, до инжекционного выходного по высокой частоте конца ускорителя нарушится, т.е. сразу за сгустком, достигшим точки z, - изменится, а от сгустка до ВЧ - источника не изменится.

Через некоторый интервал времени после прохождения сгустка (моноимпульса) стационарное распределение компонента E_z(z) во всех структурах восстановится, т.к. придет следующая порция энергии от ВЧ - источника во все, последовательно присоединенные к данному ВЧ - источнику, структуры.

Отметим, что число частиц, ускоряемых в моносгустке, можно произвольно изменять. Количество частиц можно варьировать по желанию потребителя при неизменности распределения компонента E_z(z) в структурах и, следовательно, неизменной энергии ускоренных частиц.

Ускорение проводят в многочастотном режиме на кратных частотах, вводя ВЧ - мощность в низкоэнергетическую часть ускорителя от ВЧ - клистрона метрового или длинно -дециметрового диапазона длин волн, а высокоэнергетическую часть - от ВЧ - клистронов коротко-дециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн, с фазированием ВЧ - источников от задающего генератора-синхронизатора. В этом случае можно применять как фокусировку продольным стационарным магнитным полем, так и аксиально-симметричным ВЧ - ускоряющим полем. При использовании для ускорения коротко-дециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн (в том числе и в низкоэнергетической части ускорителя) целесообразно применять фокусировку аксиально-симметричным ВЧ - полем.

В ускорителе для получения максимального к.п.д. преобразования ВЧ - мощности в кинетическую энергию

ускоряемого сгустка ионов, повышения темпа ускорения в последовательностях структур, питаемых от одного клистрона, расходуют лишь половину ВЧ - мощности клистрона - 0.5 Р_кл. Оставшиеся 0.5 Р_кл извлекают из выходных - по ВЧ - концов каждой 5 последовательности ускоряющих структур и направляют на входы волноводных 3-дБ-мостов. Установленные в схемы ВЧ - питания ускорителя волноводные 3 дБ - мосты сложения мощности на своих выходах обеспечивают значение ВЧ - мощности такое же, как и величина ВЧ - мощности от примененных клистронов Ркл, величины мощности на выходе клистрона, принимаемой за единицу. Это позволяет вдвое сэкономить на числе примененных клистронов и повысить в целом надежность и экономичность системы ВЧ -питания (уменьшив число активных элементов схемы заменой на пассивные высоконадежные элементы - мосты).

На входы мостов подают мощность по 0.5 Р_кл с двух последовательностей ускоряющих структур, а получившуюся 1 Р_кл с выхода моста направляют на вход третьей последовательности структур, достигая этим и максимального темпа ускорения, и максимального к.п.д., при этом повышается надежность и

ЭКОНОМНОСТЬ.

Для получения приращения энергии 120 МэВ суммарная длина структуры существенно сокращается и составляет менее 50 метров (при ВЧ - питании от одного 4-МВт-ного на частоте f=433 МГц клистрона). Ее выполняют составной из структур меньшей 25 длины 3-6 метровых.

ВЧ-мощность передают из одной структуры в другую по волноводным каналам с ВЧ - выхода последующей структуры на ВЧ - вход предыдущей (по ходу пучка) структуры.

Фазирование сгустка, выходящего из предыдущей структуры и поступающего на вход последующей структуры, относительно фазы ускоряющего компонента, корректируют фазовращателями, вставленными в волноводный канал связи, соединяющий рядом расположенные структуры.

После установления в последовательностях структур стационарного распределения ВЧ-поля, (в отсутствие ускоряемых частиц в ней) производят инжекцию следующего одиночного сгустка частиц, в течение промежутка времени равного обратному значению частоты ВЧ-питания низкоэнергетической части ускорителя. Следующий сгусток направляют в ускоритель после завершения в структурах переходного процесса, вызванного ускорением предыдущего сгустка, примерно через микросекунду.

При низкочастотном питании начальной части ускорителя ускоряемый пучок фокусируют стационарным соленоидальным магнитным полем сверхпроводящих соленоидов 6. После того, как частицы будут сформированы в сгустки короткой фазовой протяженности, их фокусируют силами ускоряющего электромагнитного поля.

Компоновка ускорителя выполнена по 2D-двумерной схеме, если требуется иметь несколько выводов частиц разной энергии на одном геодезическом уровне; или по 3D-трехмерной схеме для наибольшей компактности.

Возможны варианты, например низкоэнергетическая часть плоская, высокоэнергетическая часть трехмерная пространственная фигура.

Источник заряженных частиц 1 инжектирует сгусток ионов, который краевым полем сверхпроводящего соленоида ускорителя (или отдельной магнитной линзы или электрическими полями

ускоряющей трубки инжектора ускорителя) сжимают до размеров 1-5 мм в диаметре и направляют на вход первой ускоряющей структуры. С конца этой структуры, противоположного инжекционному, в нее направляют ВЧ - энергию с выходного по ВЧ конца следующей структуры, которая, в свою очередь, соединена ВЧ - трактом с последующей структурой.

В первой структуре происходит захват сгустка в режим ускорения и формирование заданной фазовой протяженности сгустка. Затем сгусток ускоряют в поле обратной пространственной гармоники, распространяющейся попутно с ускоряемым сгустком навстречу потоку ВЧ - энергии от клистрона. После ускорения в этой структуре сгусток поступает в следующую структуру. В последующих структурах фазовая протяженность сгустка сокращается, что облегчает процесс ускорения и использования для дальнейшего ускорения ВЧ - питания более высокой частоты и позволяет фокусировать сгусток аксиально-симметричными силами ускоряющего поля при изменении значения равновесной фазы.

Количество секций ускорителя выбирают исходя из требования достижения конечной энергии ускоренных частиц.

Никаких дополнительных коллиматоров не используют. С помощью электромагнитной сканирующей системы пучок субнаносекундной длительности (длительности, меньшей длительности одного периода колебаний ВЧ - источника, запитывающего инжекционную секцию многосекционного на линейных ускоряющих структурах класса «структуры с аномальной дисперсией» ускорителя), направляют в любую точку на поверхности инспектируемого объекта 10.

Пересечение инспектирующего пучка 9 с инспектируемым объектом 10 выделяет малую поверхность с координатами (x _i,y_i)-

т.н. pixel. Координату z_i получают времяпролетным методом, вычисляя положение z_i по известному значению скорости ионов и моменту времени, когда импульс частиц направлен на объект. Этот момент фиксируется датчиком момента выхода моносгустка 13 из ускорителя. 14 - детекторы сигнатурных тем самым определяют трехмерное (х_i, y_i , z_i) положение микрообъема (voxel), из которого в данный (фиксированный), момент времени произошла эмиссия сигнатурных частиц 12 (сигнатурных гамма квантов, мгновенных и запаздывающих нейтронов, мю-плюс мезонов). Сигнатурные частицы 12 попадают на детекторы 14 сигнатурных гамма квантов; детекторы мгновенных и запаздывающих нейтронов, мю-плюс мезонов 15, а по информационным каналам 16 с детекторов 14 и 15 на обрабатывающий центр 17, а затем изображение контрабанды 11 выводится на монитор 18.

Характеристические гамма кванты 12 (с энергией ˜половины массы пиона и с энергией пиона, а также положительные мюоны) регистрируют спектрометрическими детекторами 14, информацию с которых от обрабатывающего центра 17 отображают в виде трехмерного изображения объема (voxel), (изображения контрабанды 11) эмиссирующего эти сигнатурные частицы 12 на контурном фоне инспектируемого объекта 10.

Устройство обнаружения контрабанды, содержащее ускоритель ионов, сканирующую систему по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма-излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого содержания объекта, отличающееся тем, что ускоритель ионов выполнен по трехмерной схеме ускорения ионов до энергии ГэВ-ного уровня значений, с угловой расходимостью пучка меньшей 10^-3 рад и содержит инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, при этом инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ-мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ-мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ-источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя, объединены в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры, источник ионов выполнен с возможностью изменения частоты следования моноимпульсов ионов путем изменения частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку отклоняющей пучок электромагнитной системы или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов, при этом система анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого содержания объекта, выполнена в виде датчика момента выхода моносгустка из ускорителя, детекторов сигнатурных гамма квантов, детекторов мгновенных и запаздывающих нейтронов и мю-плюс мезонов, информационные каналы детекторов соединены с входом обрабатывающего центра, а выход обрабатывающего центра соединен с входом монитора.