Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ
Устройство предназначено для обнаружения скрытых взрывчатых веществ и может быть использовано в мобильных комплексах при проведении гуманитарного разминирования и в стационарных пунктах при досмотре ручной клади и багажа. Между излучателем тепловых нейтронов (1) с источником нейтронов (2) и образцом (4) расположен плоский тонкий гетерогенный сцинтилляционный детектор (6). Детектор содержит чередующиеся слои конвертирующего материала (7) и примыкающие к ним детектирующие слои сцинтиллятора (8). Все слои сцинтиллятора в целом и каждый слой в отдельности подключены к системе обработки информации. Повышается чувствительность устройства за счет улучшения отношения полезного сигнала к фону. 2 ил.
Полезная модель относится к устройствам обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) с помощью определения наличия азота, содержащегося практически во всех ВВ, путем облучения последних тепловыми нейтронами с одновременной регистрацией вторичного гамма-излучения с энергией 10,8 МэВ (нейтрон-радиационный метод). Полезная модель может быть использована в составе мобильных комплексов при проведении гуманитарного разминирования, а также в стационарных пунктах при досмотре клади и багажа.
Применение нейтрон-радиационного метода для обнаружения ВВ 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 его облучении в изотропном нейтронном поле внутри камеры, и они не применимы в полевых условиях при одностороннем облучении ВВ нейтронами внешнего источника.
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. A422(1999)918). Значительная часть работ EXPLODET
по обнаружению ВВ нейтрон-радиационным методом опубликована в ЕХPLODET REPORT 1998-2002.
Ближайшим техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство (М.Cinausero, F.Deak, D.Fabris et al. Characterization of a Gamma Spectroscopy Tool for Humanitarian Demining. INTERCIENCIA, v.26 (2001) 117, М. Palomba et al. The Monte Carlo Code CSSE for the Simulation of Realistic Thermal Neutron Sensor Devices for Humanitarium Demining. Nucl. Instr. and Meth. A498(2003)384-396). 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 NaI(Tl). Во всех известных устройствах для обнаружения ВВ нейтрон-радиационным методом используется сцинтилляционный блок детектирования гамма-излучения с использованием больших неорганических сцин-тилляторов NaI(Tl), CsI(Tl), BGO. Для повышения эффективности регистрации гамма-излучения может использоваться несколько сцинтилляторов.
Недостатком такого устройства, как и других устройств обнаружения ВВ нейтронно-радиационным методом, является то, что при гуманитарном разминировании известное устройство обеспечивает чувствительность обнаружения ВВ весом не менее 1 кг и не позволяет обнаруживать, например, противопехотные мины, содержащие ВВ весом ˜40 граммов. 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.
Задача, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в создании мобильного устройства для обнаружения зарядов ВВ весом от 40 граммов, например, противопехотных мин.
Технический результат заключается в обеспечении нечувствительности устройства к фону нейтронов и низкоэнергетичных гамма-квантов, что позволяет повысить мощность используемого источника нейтронов и качественно улучшить отношение полезного сигнала к фону в области энергий гамма-квантов 9-11 МэВ.
Для получения такого технического результата в предлагаемом устройстве, состоящем из излучателя тепловых нейтронов, блока детектирования гамма-излучения, блока обработки информации, согласно заявляемой полезной модели, блок детектирования, выполнен виде широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД) жесткого гамма-излучения и состоит из набора слоев конвертора гамма-излучения и слоев сцинтиллятора, примыкающих к слоям конвертора, все слои сцинтиллятора в целом и каждый слой в отдельности подключены к системе обработки информации.
В результате проведенного заявителем анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленной полезной модели, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату
отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле на полезную модель.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности «новизна».
Устройство иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1, 2. На фиг.1 показан общий вид устройства для обнаружения скрытых ВВ, на фиг.2 - график энергетической зависимости эффективности регистрации излучения для ГСД и NaI(Тl)-детектора.
На фиг.1 представлено устройство, содержащее полиэтиленовый излучатель тепловых нейтронов (1) с источником нейтронов (2) в свинцовой сфере (3). Между излучателем (1) и образцом (4) в грунте (5) располагается плоский тонкий гетерогенный сцинтилляционный детектор (6), содержащий чередующиеся слои конвертирующего материала (7) и примыкающие к ним детектирующие слои сцинтиллятора (8).
Устройство работает следующим образом.
Обнаружение ВВ осуществляется в результате регистрации детектором (6) гамма-квантов с энергией Е=10,8 МэВ, возникающих в азоте, содержащемся в образце ВВ (4), помещенного в грунт (5) при его облучении тепловыми нейтронами, образованными в излучателе тепловых нейтронов (1).
Регистрируемые гамма-кванты с энергией Е падают на фронтальную поверхность конвертирующих слоев (7) и, взаимодействуя с ними, создают поток электронов и позитронов, которые в зависимости от их энергии и пробега достигают детектирующих слоев сцинтиллятора (8), преобразующих энергию заряженных частиц в сцинтилляции-отсчеты, регистрируемые ФЭУ.
При этом 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 (N D). Соотношение между ND и 
несет информацию об энергетическом спектре падающего гамма-излучения.
Система обработки информации гетерогенного детектора позволяет работать при использовании высокоинтенсивного источника нейтронов (
108 н/с) с подавлением фоновой составляющей и выделением полезного сигнала - жесткой части спектра гамма-излучения (˜10,8 МэВ).
Излучатель тепловых нейтронов (1) из полиэтилена выполнен в виде цилиндра радиусом 19 см высотой 26,5 см и содержит источник нейтронов 252Cf (2) интенсивностью ˜107 нейтронов в секунду в свинцовой сфере (3) радиусом 1,5...4,5 см. Расстояние между источником нейтронов и нижним торцем излучателя 6,5 см. Излучатель удален от грунта (5) на 20 см. Образец (4), моделирующий химический состав ВВ, сделан из 800 грамм меламина (С 3Н6N6).
Плоская расчетная модель ГСД состоит из 10 конвертирующих слоев свинца толщиной 0,3 мм и соответствующих им 10 слоев сцинтиллятора толщиной 1,4 мм, так что общая толщина детектора составляет ˜2 см.
На фиг.2 представлены результаты выполненных методом Монте-Карло расчетов числа отсчетов детектора на один падающий квант от плоскопараллельного источника в зависимости от энергии N(E) для NaI(Tl)-детектора диаметром 15 см и высотой 10 см, а также величин ND(E) и N
(E) для вышеуказанной модели ГСД.
Из фиг.2 видно, что для рассмотренной модели ГСД гамма-кванты с энергией Е>10 МэВ приводят у одновременным отсчетам в трех сцинтилляционных
слоях, что позволяет дискриминировать фон гамма-излучения с энергией Е<10 МэВ и выделять полезный сигнал с помощью схемы тройных совпадений (схема двойных совпадений обуславливает порог регистрации гамма-квантов с энергией Е˜6-7 МэВ).
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 максимально существующей апертурой, можно повысить эффективность регистрации гамма-квантов в 10-20 раз.
Малая толщина ГСД (˜2 см) позволяет упростить проектирование устройства технологичной конструкции мобильной системы обнаружения ВВ.
Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
устройство, воплощающее заявленную полезную модель, при его осуществлении, предназначено для обнаружения скрытых ВВ;
для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в формуле на полезную модель, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
устройство для обнаружения скрытых ВВ, воплощенное в заявленной полезной модели, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем достигаемого технического результата.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».
Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ, состоящее из излучателя тепловых нейтронов, блока детектирования гамма-излучения, блока обработки информации, отличающееся тем, что блок детектирования выполнен в виде широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора жесткого гамма-излучения и состоит из набора слоев конвертора гамма-излучения и слоев сцинтиллятора, примыкающих к слоям конвертора, все слои сцинтиллятора в целом и каждый слой в отдельности подключены к системе обработки информации.
