Устройство обнаружения скрытых веществ

 

Использование: в контрольно-пропускных пунктах, авто- и железнодорожных станциях, аэропортах, морских портах, таможенных службах. Сущность: в устройство, содержащее детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, введены источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, выполненный на основе ускорителя дейтронов и тритиевой мишени, детектор α-частиц, выполненный на основе пластического сцинтиллятора, и система регистрации α-γ совпадений, а указанный детектор γ-излучения расположен на расстоянии 30-40 см от исследуемого объекта. Технический результат: обеспечение возможности идентификации элементного состава, формы и положения скрыто перевозимых веществ (например, взрывчатки, наркотиков). 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области обнаружения контрабанды, а именно к дистанционному определению скрытого вещества и его положения в контейнере, и может быть использовано в контрольно-пропускных пунктах, авто- и железнодорожных станциях, аэропортах, морских портах, таможенных службах и т.д.

Известна портативная система обнаружения контрабанды CDS-2002 [1], содержащая источник γ-излучения, детектор рассеянного γ-излучения, усилитель сигналов детектора, селектор амплитуд импульсов рассеянного γ-излучения, микропроцессорный контроллер и дисплей, которая является аналогом данного изобретения. Недостатками указанной системы является то, что данный метод применим для просмотра пустых полостей глубиной не более 20 см, а также то, что система не может идентифицировать элементный состав скрыто перемещаемых веществ.

Известно также устройство для анализа многокомпонентных материалов [2], которое является прототипом данного изобретения. Указанное устройство содержит источник γ-излучения, детектор γ-излучения с регистрирующей электроникой. Исследуемый объект помещается между указанным источником и указанным детектором. γ-излучение, проходя сквозь указанный объект, ослабляется по интенсивности, сохраняя энергию γ-квантов. Далее γ-кванты регистрируются детектором γ-излучения, импульсы детектора усиливаются в усилителе, проходят дискриминатор и через счетчик попадают в вычислительное устройство (контроллер, ЭВМ и т.д.), и после обработки информация выводится на дисплей. Эта информация сравнивается с информацией, полученной без исследуемого объекта, и таким образом находится коэффициент ослабления интенсивности γ-излучения. По найденному коэффициенту ослабления и известному удельному коэффициенту ослабления для известного материала находится количество этого материала в исследуемом объекте.

Недостатком данного устройства является то, что оно не может идентифицировать элементный состав веществ и применимо лишь для исследования объектов с заранее известными компонентами. Определяется лишь количество каждого из этих компонентов и при этом не определяется форма и месторасположение скрытого материала в объекте.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно обеспечение возможности идентификации элементного состава, формы и положения скрыто перевозимых веществ (например, взрывчатки, наркотиков).

Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, выполненный на основе ускорителя дейтронов и тритиевой мишени, детектор α-частиц, выполненный на основе пластического сцинтиллятора и систему регистрации α-γ совпадений, а указанный детектор γ-излучения расположен на расстоянии 30-40 см от исследуемого объекта, при этом указанный детектор α-частиц выполнен на основе активированного полистирола толщиной 0,7 мм в виде матрицы с числом ячеек 2 х 2 размером 11 х 11 мм каждая, установленный на расстоянии 7,5 см от указанной мишени и защищенный алюминиевой фольгой толщиной 4-6 мкм.

Предлагаемое устройство представлено на чертеже, где 1 - ускоритель дейтронов, 2 - тритиевая мишень, 3 - матрица детектора α-частиц, 4 - детектор γ-излучения,5 - регистрирующая электроника, 6 - система регистрации α-γ-совпадений, 7 - исследуемый объект, 8 - скрытое вещество, 9 - вакуумная камера.

Устройство работает следующим образом: Под действием пучка дейтронов, ускоренного в указанном ускорителе до энергии 100-150 КэВ, в тритиевой мишени рождаются монохроматические нейтроны с энергией 14 МэВ и сопутствующие им α-частицы с энергией 3,6 МэВ, вылетающие во взаимопротивоположных направлениях. При этом, если α-частица попадает в α-детектор, то при известной скорости α-частицы, расстоянию от мишени до детектора и моменту ее регистрации в детекторе определяется момент испускания соответствующего нейтрона. Точность определения момента испускания определяется временем высвечивания применяемого в детекторе α-частиц сцинтиллятора. Поэтому в предлагаемом устройстве применен активированный полистирол со временем высвечивания около 2 нс.

Поток соответствующих регистрируемым α-частицам нейтронов (при скорости ровно в 4 раза превышающей скорость α-частиц) пронизывает исследуемый объект. В веществе объекта нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов и порождают γ-излучение, энергетический спектр которого однозначно определяется атомным номером и атомной массой вещества, находящегося в исследуемом объекте.

Для измерения энергетических спектров испускаемого γ-излучения применяется γ-детектор, располагаемый за исследуемым объектом. Таким образом, по измеренному спектру γ-излучения устанавливается наличие в исследуемом объекте вещества того или иного элемента. Чувствительность предлагаемого устройства многократно повышается, если применяется система задержанных α-γ-совпадений, т. е. γ-излучение регистрируется только в узком временном интервале, равном времени высвечивания α-детектора, сдвинутом на разность времен пролета нейтрона от мишени до определенного места в исследуемом объекте и α-частицы от мишени до α-детектора.

Учитывается также время пролета испущенного кванта γ-излучения до γ-детектора.

Таким образом, определяется не только наличие в исследуемом объекте скрытого вещества, состоящего из определенных химических элементов, но также и расстояние от мишени до атомов указанного вещества, т.е. его геометрическая форма. Следует отметить, что применение в устройстве матричного детектора α-излучения позволяет установить с определенной точностью место расположения скрытого вещества в исследуемом объекте, а расположение γ-детекторов на расстоянии 30-40 см от исследуемого объекта в свою очередь позволяет осуществлять эффективную дискриминацию событий, обусловленных загрузкой γ-детекторов характеристическим γ-излучением исследуемого объекта (например, С, N, О - ядер)от фоновых событий загрузки γ-детекторов рассеянным нейтронным излучением, поскольку при таком расположении γ-детекторов фоновые импульсы нейтронного излучения приходят значительно позднее.

Предлагаемое устройство было испытано при обнаружении и идентификации скрытых веществ, таких как чистый углерод (графит), спирт (C₂H₅OH), карбомид (CH₄ON₂), аммоний (NH₄NO₃) и тринитротолуол (С₇Н₅N₃О₆)(ТНТ).

Например, в случае с ТНТ измерения проводились следующим образом. Образец ТНТ массой 1,5 кг помещался в плоский ящик с землей размером 20 х 60 х 10 см. ТНТ размещался у задней стенки ящика так, что толщина земли по направлению пучка нейтронов составляла 18 см. Было показано, что энергетические спектры γ-излучения, измеренные в интервале α-γ-совпадений 22-26 нс соответствуют спектрам ТНТ, т. е. не только ТНТ был обнаружен, но также установлены местонахождение и толщина его образца.

Литература: [1] Портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001 (инструкция по эксплуатации) 01.07.1998.

[2] Прототип - патент GB 2088050 А.

Формула изобретения

1. Устройство обнаружения скрытых веществ, содержащее детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, выполненный на основе ускорителя дейтронов и тритиевой мишени, детектор α-частиц, выполненный на основе пластического сцинтиллятора, заключенные в вакуумную камеру, и систему регистрации α-γ совпадений, при этом указанный детектор γ-излучения расположен на расстоянии 30-40 см от исследуемого объекта.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный детектор α-частиц выполнен на основе активированного полистирола толщиной 0,7 мм в виде матрицы с числом ячеек 2•2 размером 11•11 мм каждая, установленный на расстоянии 7,5 см от указанной мишени и защищенный алюминиевой фольгой толщиной 4-6 мкм.

РИСУНКИ

Рисунок 1