Способ исследования неизвестного состава подводного грунта и устройство для реализации этого способа

 

Изобретение относится к области морской геологии и касается вопросов поиска и идентификации с помощью неразрушающего экспресс-анализа элементного состава вещества подводных объектов. Сущность изобретения заключается в облучении грунта неизвестного состава повторяющимися импульсами потока нейтронов, генерируемых двумя импульсными нейтронными генераторами. Регистрируют вторичное фотонное (гамма)излучение блоком детектирования, расположенным вблизи грунта и связанным с анализирующей аппаратурой. Дополнительно регистрируют вторичные нейтроны блоком детектирования, который снабжен фильтром из тяжелого металла, например висмута, и вторичное фотонное (гамма)излучение блоком детектирования, который экранирован фильтром из легкого вещества, например гидрида лития. Регистрацию вторичного фотонного (гамма)излучения и вторичных нейтронов ведут в течение последовательных ограниченных интервалов времени в промежутках между импульсами первичных нейтронов. Используя накопленные аппаратурные спектры, вычисляют значения критерия идентификации, которые затем сопоставляют с пороговым значением, заранее введенным и хранящимся в анализирующей аппаратуре, после чего идентифицируют вид грунта. 2 c.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области морской геологии и касается вопросов поиска и идентификации с помощью неразрушающего экспресс-анализа элементного состава вещества подводных объектов естественного и искусственного (техногенного) происхождения, как входящих в состав подводного грунта, например, месторождений минералов, так и внедренных в грунт в результате деятельности человека, например, утерянных боеприпасов.

Известны способы исследования неизвестного состава подводного грунта с помощью неразрушающего анализа элементного состава вещества, для чего вещество облучается первичным излучением - нейтронами, а об элементном составе вещества судят по аппаратурным спектрам вторичного излучения вещества - гамма-квантов (см. , например, В.А.Мейер, П.А.Ваганов, Г.А. Пшеничный "Методы ядерной геофизики", Ленинград, изд. ЛГУ, 1988 г., стр. 214-218).

Однако, эти известные способы реализуются с помощью изотопных источников нейтронов, которые неудобно эксплуатировать по причине их большой радиационной опасности, возникающей ввиду большого (не менее 107 - 108 н/с) потока нейтронов источника, необходимого для реализации того или иного из указанных способов.

Известен способ исследования неизвестного состава грунта, принятый за прототип и лишенный описанного недостатка (см. патент Великобритании N 1 396 642, публикация N 4497 от 04.06.75 г. (формулу изобретения см. "Изобретения за рубежом", 1975, вып. 30, N 11, с.25). Этот способ включает определение аппаратурных спектров фотонного (гамма)излучения неизвестных материалов, находящихся в грунте и облучаемых импульсами потока нейтронов, после каждого импульса потока нейтронов в течение интервала времени, заключенного между импульсами потока нейтронов.

Тем самым в течение заданного времени излучения нейтронов импульсным нейтронным источником суммируется информация о спектре захватного гамма-излучения облучаемого материала. Затем, согласно способу-прототипу, накопленная информация - зарегистрированный аппаратурный спектр сравнивается последовательно с каждым из предварительно записанных (запомненных) эталонных спектров. При совпадении зарегистрированного аппаратурного спектра с каким-либо эталонным спектром производится правильная идентификация неизвестного материала.

Однако, способ-прототип обладает следующими недостатками.

Во-первых, используется неполная информация, содержащаяся во вторичном излучении того или иного неизвестного объекта. Ведь при облучении нейтронами какого-либо объекта возникает не только захватное гамма-излучение, но и вторичные нейтроны, рожденные при какой-либо ядерной реакции, например, рассеянии, испускании двух нейтронов, делении ядра.

Во-вторых, в способе-прототипе не используется информация, связанная с распределением во времени потока вторичного излучения, возникающего, в основном, после замедления и диффузии нейтронов в подводной среде и облучаемых объектах, элементный состав которых, как известно, сильно влияет на время замедления, диффузии и жизни нейтронов в них.

В-третьих, способ-прототип использует для идентификации конечный набор эталонных спектров и, тем самым, не дает объективного критерия идентификации в случае несовпадения зарегистрированного аппаратурного спектра с одним из эталонных.

Заявляемое изобретение решает задачу регистрации наиболее полной информации об облучаемом участке подводного грунта, содержащейся в аппаратурных энергетических спектрах вторичного излучения вещества грунта с учетом временного распределения этого вторичного излучения и идентификации неизвестного материала грунта на основе объективного количественного критерия идентификации, который вычисляется по математической формуле, учитывающей всю зарегистрированную информацию.

Это достигается тем, что в известном способе исследования подводного грунта неизвестного состава, согласно которому грунт неизвестного состава облучают повторяющимися импульсами потока нейтронов, регистрируют вторичное фотонное (гамма)излучение неизвестных материалов, находящихся в грунте, блоком детектирования, расположенным вблизи грунта и связанным с анализирующей аппаратурой, в которой накапливают аппаратурные спектры, после облучения грунта очередным импульсом потока нейтронов регистрируют вторичные нейтроны блоком детектирования, который экранирован фильтром из тяжелого вещества, например висмута, регистрацию вторичного фотонного (гамма)излучения дополнительно осуществляют блоком детектирования, который экранирован фильтром из легкого вещества, например гидрида лития, причем регистрацию вторичного фотонного (гамма)излучения и вторичных нейтронов ведут в течение последовательных ограниченных интервалов времени в промежутках между импульсами первичных нейтронов, с использованием накопленных аппаратурных спектров вычисляют значения критерия идентификации, которое затем сопоставляют с пороговым значением, заранее введенным и хранящимся в анализирующей аппаратуре, после чего идентифицируют вид грунта.

В заявляемом изобретении принята следующая математическая формула для вычисления критерия идентификации @ k - число интервалов разбиения временного амплитудного спектра блоков детектирования; s_j = 1,1 [exp(-1,1E_j) - exp(-1,1E_j+1)]; m - число интервалов разбиения аппаратурного энергетического спектра вторичного излучения: N_oij - число отсчетов в j-м энергетическом интервале [E_j, E_j+1] аппаратурного энергетического спектра вторичного излучения, зарегистрированного неэкранированным блоком детектирования в i-м интервале временного аппаратурного спектра (то есть между моментами времени t_i и t_i+1, отсчитанным от очередного импульса потока нейтронного источника); N_pbij - число отсчетов в j-м энергетическом интервале [E_j, E_j+1] аппаратурного энергетического спектра вторичного излучения, зарегистрированного блоком детектирования, экранированным тяжелым веществом, например висмутом, в i-м интервале временного аппаратурного спектра: N_pbij - число отсчетов в j-м энергетическом интервале [E_j, E_j+1] аппаратурного энергетического спектра вторичного излучения, зарегистрированного блоком детектирования, экранированным легким веществом, например гидридом лития, в i-м интервале временного аппаратурного спектра;
dE_j - величина интервала [E_j, E_j+1];


где p - номер энергетического интервала [E_p, E_p+1], содержащего один из пиков, образованных излучением с энергией E_n в аппаратурном энергетическом спектре при разбиении участка спектра в пределах E_n(1-э) < E_n < E_n(1+э) на 3 интервала: (p-1)-й и (p-2)-й, содержащее "провал" перед пиком, и p-й интервал, содержащий пик;
э - относительная энергетическая разрешающая способность каждого блока детектирования;


a_i = [N_hpb,i - N_hpb,i+1]/N_hpb,i;
N_hpb,i - число отсчетов в энергетическом интервале аппаратурного спектра от E= 2,23(1-э)МэВ до E=2,23(1+э)МэВ блока детектирования, экранированного тяжелым веществом, например висмутом.

Известно устройство для исследования подводного грунта неизвестного состава, принятое за прототип, включающее импульсный генератор нейтронов, блок детектирования вторичного фотонного (гамма)излучения, усилитель выходных импульсов блока детектирования, размещенные в герметичной капсуле и связанные с аппаратурой управления импульсным нейтронным генератором и анализирующей аппаратурой с линией задержки, и источником сигналов эталонного энергетического спектра (см. патент Великобритании N 1 396 642, публикация N 4497 от 04.06.75 г. (формулу изобретения см. "Изобретения за рубежом", 1975, вып. 30, N 11, с.25).

Это устройство позволяет регистрировать сигналы блока детектирования вторичного гамма-излучения, облучаемого участка грунта, запоминать их и, тем самым, накапливать аппаратурные энергетические спектры, которые затем сравниваются с эталонным спектром, и по совпадению спектров судить об элементном составе подводного грунта.

Однако, известное устройство обладает рядом недостатков.

Во-первых, это устройство не может выделить из потока вторичного излучения, падающего на блок детектирования, поток вторичных нейтронов, рожденных при взаимодействии первичных нейтронов с ядрами облучаемого участка грунта.

Во-вторых, это устройство не приспособлено для измерения временного распределения потока вторичного излучения.

В-третьих, информация, получаемая с этого устройства, не позволяет построить объективного критерия идентификации элементного состава исследуемого грунта, учитывающего наличие вторичных нейтронов и временное распределение потока вторичного излучения.

Заявляемое изобретение-устройство решает задачу выделения потока вторичных нейтронов и потока вторичного гамма-излучения из потока вторичного излучения, падающего на погружную часть устройства - герметичную капсулу.

Кроме того, заявляемое изобретение-устройство решает задачу измерения временного распределения как суммарного потока вторичного излучения, так и частичных его составляющих потоков вторичного нейтронного и гамма-излучения.

И, наконец, заявляемое изобретение-устройство решает задачу обеспечения возможности построения объективного критерия идентификации элементного состава облучаемого грунта, учитывающего информацию, накопленную в виде аппаратурных энергетических спектров вторичного нейтронного и гамма-излучения и временное распределение потока вторичного излучения.

Это достигается тем, что известное устройство для исследования подводного грунта неизвестного состава, включающее импульсный генератор нейтронов, блок детектирования вторичного фотонного (гамма)излучения, усилитель выходных импульсов блока детектирования, размещенные в герметичной капсуле и связанные с аппаратурой управления импульсным нейтронным генератором и анализирующей аппаратурой с линией задержки, дополнительно снабжено, по крайней мере, еще одним импульсным генератором нейтронов и двумя блоками детектирования вторичного излучения, один из которых экранирован фильтром из тяжелого вещества, например висмута, а другой - фильтром из легкого вещества, например гидрида лития, при этом оба импульсных генератора отделены от блоков детектирования радиационной защитой из легкого вещества, например гидрида лития, в анализирующую аппаратуру введено, по крайней мере, две дополнительных линии задержки выходных импульсов блоков детектирования, линии задержки соединены с блоком дискриминаторов-формирователей, соединенным с одной стороны с герметичной капсулой, а с другой - с блоком переключателей временных окон, соединенным с линиями задержки, причем блок переключателей временных окон соединен через интерфейс со счетно-решающим устройством.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена погружная часть устройства, размещенная в герметичной капсуле. На фиг. 2 изображена блок-схема части устройства, располагаемой на подводном или надводном носителе аппаратуры обработки сигналов погружной части и соединений ее с погружной частью.

В центре капсулы 1 расположен неэкранированный блок детектирования 2, относительно которого симметрично расположены экранированные блоки детектирования - блок 3, экранированный висмутовым фильтром 4, толщиной более одной длины релаксации средней энергии вторичного гамма-излучения, и блок 5, экранированный фильтром 6 из гидрида лития толщиной более одной длины релаксации средней энергии вторичных нейтронов. Два симметрично расположенных относительно центра капсулы однотипных нейтронных генератора 7, отделенных от блока детектирования радиационной защитой 8 в виде усеченных конусов из гидрида лития толщиной более одной длины релаксации первичных нейтронов.

Погружная часть заявляемого устройства через разъем 9 соединена с аппаратурой управления нейтронными генераторами и анализа сигналов блоков детектирования, располагаемой на борту надводного или подводного носителя.

На фиг. 2 пунктиром обозначена часть аппаратурных блоков, размещенных в герметичной капсуле.

На блок-схеме введены следующие обозначения (фиг. 2):
- D_o - неэкранированный блок детектирования вторичного излучения;
- D_pb - блок детектирования, экранированный висмутом;
- D_hb - блок детектирования, экранированный гидридом лития;
- 2ИНГ - два однотипных импульсных нейтронных генератора;
- БВВП - блок высоковольтного питания для D_o, D_pb и D_hb;
- БПЗИНГ - блок питания и импульсного запуска нейтронных генераторов;
- БЛЗ - блок линий задержки;
- БНПАВИ - блок низковольтного питания аппаратуры амплитудного и временного анализа импульсов блоков детектирования;
- БПВО - блок переключателей временных окон;
- ИФС - интерфейс;
- СРУ - счетно-решающее устройство.

Согласно заявляемому способу устройство работает следующим образом.

Герметичная капсула буксируется по подводному грунту со скоростью
v = l/t_н, (2)
где l - характерный размер предполагаемого объекта поиска, но не более длины герметичной капсулы, как в случае, например, рудного месторождения, в отличие от, например, утерянного боеприпаса, начиненного ядерно-делящимся, взрывчатым или отравляющим веществом;
t_н - время однократного замера потока вторичного излучения, т. е. время набора порции информации, необходимой для вычисления значения критерия идентификации участка подводного грунта в месте нахождения герметичной капсулы.

2ИНГ - два импульсных нейтронных генератора 7 (фиг. 1) создают в окружающей капсулу среде симметричное относительно блока 2 поле первичных нейтронов, которые, взаимодействуя с ядрами атомов грунта, создают симметричное относительно блока 2 поле вторичного излучения, обеспечивая тем самым для блоков 3 и 5 идентичные геометрические факторы ослабления вторичного излучения. Это создает условия регистрации поля вторичного излучения системой из трех блоков детектирования эквивалентные условиям регистрации подобного поля одним блоком детектирования, но обладающим избирательностью по отношению к нейтронам и гамма-излучению, заложенной в описанной выше системе из трех блоков D_o, D_pb и D_hb. Отсюда видна необходимость 2-х симметрично расположенных источников нейтронов в данной системе.

2ИНГ синхронно и с заданной частотой повторения 20 Гц излучают "пачки" по 107 нейтронов, то есть импульсы потока нейтронов длительностью 1 мкс, что обеспечивается блоком БПЗИНГ, питающим 2ИНГ и генерирующим запускающие электрические импульсы, которые одновременно подаются на блок БЛЗ. Блок БЛЗ задерживает на разные времена t_i, запускающие импульсы блока БПЗИНГ и подает их на блок БПВО, открывая схемы пропускания, из которых состоит БПВО. Тем самым обеспечиваются временные окна шириной dt_i - интервалы времени, в течение которых пропускаются импульсы блока БДФР на интерфейс ИФС, куда проходят, очевидно, импульсы с фиксированным временным распределением. Как видно из блок-схемы фиг. 2, импульсы блока БЛЗ управляют блоком БДФР, который нормально заперт и открывается импульсом с БЛЗ, который задержан относительно запускающего импульса блока БПЗИНГ на минимальное время t₁ из t_i.

Таким образом, через время t₁ после запускающего импульса БПЗИНГ открывается блок дискриминаторов-формирователей БДФР для импульсов блоков D_o, D_pb и D_hb и подвергает их амплитудному анализу, то есть преобразовывает поток импульсов с амплитудой от E_j до E_j+1 в потоки нормализованных импульсов, интенсивность которых равна интенсивности импульсов в интервале [E_j, E_j+1] аппаратурного энергетического спектра.

Каждый из таких потоков, как видно из фиг. 2, поступает из блока БДФР в БПВО по отдельной шине. Таким образом, согласно фиг. 2 на БПВО поступают импульсы с БДФР по пяти шинам для каждого из блоков D_o, D_pb и D_hb, что соответствует разбиению аппаратурного энергетического спектра каждого из блоков D_o, D_pb и D_hb на пять интервалов [E_j, E_j+1]. Эти импульсы могут пройти через БПВО на ИФС только в течение пятивременных интервалов [t_i, t_i+1], которые обеспечиваются отпиранием БПВО импульсами, поступающими по пяти шинам с БЛЗ. Итак, в данном случае амплитудно-временной спектр импульсов каждого из блоков D_o, D_pb и D_hb преобразуется в матрицу из 5х5 чисел, поступающих в ИФС и затем в СРУ.

В течение избранного интервала времени набора информации t_н, задаваемого блоком СРУ, генераторы 2ИНГ испускают ft_н пачек нейтронов (f=20 Гц), что проявляется в записи 5x5ft_н чисел, соответствующих преобразованному амплитудно-временному спектру каждого из блоков D_o, D_pb и D_hb. Очевидно, в общем случае допустимо и более подробное разбиение амплитудно-временного спектра, чем 5х5.

Итак, при непрерывно работающих генераторах 2ИНГ в течение каждого t_н набирается информация из 5x5ft_н чисел, позволяющая блоку СРУ вычислить значение критерия идентификации @ по формуле (1) и сравнить с пороговым значением @_пор, предварительно записанным и хранящимся в памяти СРУ.

При выполнении неравенства
@ @_пор (3)
блок СРУ выдает сигнал об обнаружении в подводном грунте объекта, для которого критерий идентификации имеет значение @_пор.

Очевидно, различным классам объектов должны соответствовать свои значения @_пор, которые можно предварительно записать в память СРУ и, затем, с их помощью классифицировать измеренные (наблюдаемые) значения @.

Формула изобретения

1. Способ исследования неизвестного состава подводного грунта, согласно которому грунт неизвестного состава облучают повторяющимися импульсами потока нейтронов, регистрируют вторичное фотонное (гамма)излучение неизвестных материалов, находящихся в грунте, блоком детектирования, расположенным вблизи грунта и связанным с анализирующей аппаратурой, в которой накапливают аппаратурные спектры, отличающийся тем, что после облучения грунта импульсным потоком нейтронов регистрируют вторичные нейтроны блоком детектирования, который экранирован фильтром из тяжелого вещества, например висмута, регистрацию вторичного фотонного (гамма) излучения дополнительно осуществляют блоком детектирования, который экранирован фильтром из легкого вещества, например гидрида лития, причем регистрацию вторичного фотонного (гамма) излучения и вторичных нейтронов ведут в течение последовательных ограниченных интервалов времени в промежутках между импульсами потока первичных нейтронов, с использованием накопленных аппаратурных спектров вычисляют значение критерия идентификации, которое затем сопоставляют с пороговым значением, заранее введенным и хранящимся в анализирующей аппаратуре, после чего идентифицируют вид грунта.

2. Устройство для исследования подводного грунта неизвестного состава, включающее импульсный генератор нейтронов, блок детектирования вторичного фотонного (гамма) излучения, усилитель выходных импульсов блока детектирования, размещенные в герметичной капсуле и связанные с аппаратурой управления, импульсным нейтронным генератором и анализирующей аппаратурой с линией задержки, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено по крайней мере еще одним импульсным генератором нейтронов и двумя блоками детектирования вторичного излучения, один из которых экранирован фильтром из тяжелого вещества, например висмута, а другой - фильтром из легкого вещества, например гидрида лития, причем толщина фильтров составляет не менее одной длины релаксации вторичного излучения, при этом оба импульсных генератора отделены от блоков детектирования радиационной защитой из легкого вещества, например гидрида лития, в анализирующую аппаратуру введено по крайней мере две дополнительные линии задержки отпирания нормально запертых блока дискриминаторов-формирователей и блока переключателей временных окон, линии задержки соединены с блоком дискриминаторов-формирователей, соединенным с одной стороны с герметичной капсулой, а с другой - с блоком переключателей временных окон, соединенным с линиями задержки, причем блок переключателей временных окон соединен через интерфейс со счетно-решающим устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2