Способ обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов



 


Владельцы патента RU 2427827:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) (RU)

Использование: для обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов. Сущность заключается в том, что образуют и модулируют поток нуклидов водорода, ускоряют их к мишени, генерируют нейтроны на мишени, облучают нейтронами объект контроля, регистрируют гамма-кванты радиационного захвата или неупругого рассеяния и фиксируют времена прихода гамма-импульсов к детектору с заданным энергетическим распределением, соответствующим ядрам элементов, составляющих опасное вещество, при этом изменяют направление потока ускоренных нуклидов водорода относительно первоначального сначала по вертикали, а затем по горизонтали, регистрацию гамма-квантов и фиксацию их времени прихода к детектору осуществляют после каждого изменения направления оси симметрии нейтронного потока, далее определяют пространственные координаты искомого предмета в декартовой системе координат с помощью соответствующей системы уравнений. Технический результат: повышение экспрессности и удобства измерений.

 

Предлагаемое изобретение относится к ядерным методам интроскопии, конкретно, к технике обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов в крупногабаритных средствах транспортировки (большегрузные контейнеры, автомобили и т.д.) с помощью нейтронных полей, генерируемых в ускорителях нуклидов водорода.

Известны средства обнаружения и идентификации взрывчатых и наркотических веществ, использующие взаимодействие нейтронов с ядрами элементов, составляющих эти вещества [1]. К таким взаимодействиям относятся ядерные реакции неупругого рассеяния, радиационного захвата и активации, в результате протекания которых образуются гамма-кванты. По их спектру можно осуществлять указанную идентификацию.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов контроля в большегрузных контейнерах и автомобилях, описанный в работе [2], который может быть взят за прототип.

Согласно способу-прототипу образуют, модулируют и ускоряют к мишени поток нуклидов водорода, генерируют нейтроны на мишени и облучают нейтронами объект контроля с трех пространственно разнесенных точек, для чего изменяют положение мишени ускорителя относительно объекта контроля путем поступательного перемещения ускорителя или объекта контроля перпендикулярно направлению ускорения нуклидов водорода и определяют пространственные координаты искомого предмета в декартовой системе координат, жестко связанной с объектом контроля, с помощью специальной системы из трех алгебраических уравнений.

Недостатком указанного способа является необходимость пространственного поступательного перемещения ускорителя или объекта контроля, что не позволяет обеспечить достаточную экспрессность и удобство измерений.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение экспрессности и удобства измерений.

Этот результат достигается тем, что в известном способе [2], включающем образование, модуляцию и ускорение к мишени нуклидов водорода, генерацию нейтронов, облучение нейтронами объекта контроля, регистрацию гамма-квантов радиационного захвата или неупругого рассеяния для заданной энергетической области их спектра, соответствующей спектру идентифицируемого опасного вещества, заложенному в компьютерной программе обработки информации и фиксацию времени прихода гамма-квантов к детектору относительно нейтронной вспышки, согласно предлагаемому способу, изменяют направление потока ускоренных нуклидов водорода относительно первоначального, сначала по вертикали, а затем по горизонтали, регистрацию гамма-квантов и фиксацию времени их прихода к детектору осуществляют после каждого изменения направления потока ускоренных нуклидов водорода, а затем определяют пространственные координаты (x, y, z) искомого предмета в системе, связанной с объектом контроля, при выборе за начало отсчета точки расположения мишени, с помощью системы уравнений:

где i=1, 2, 3 - номер измерения, τi - времена прихода гамма-квантов к детектору,

,

i, j, k - орты прямоугольной системы координат, с - скорость света, rD - радиус-вектор детектора гамма-квантов,

,

Т - кинетическая энергия ускоренного нуклида водорода, Q - энергетический выход ядерной реакции образования нейтрона в мишени ускорителя, А - атомный номер ядра-реагента в мишени ускорителя, М - масса нейтрона, k - атомная масса нуклида водорода,

,

,

α, β - вертикальный и горизонтальный углы ориентации оси симметрии излучаемого нейтронного потока.

Система расчетных уравнений (1-2) получается при рассмотрении процесса образования нейтрона в мишени в результате (p, n) или (d, n) ядерной реакции. В соответствии с законом сохранения энергии имеет место следующее соотношение:

где Тя - кинетическая энергия образовавшегося нового ядра, V - скорость нейтрона.

Закон сохранения импульса удобно записать с учетом оговоренных выше условий ориентации мишени ускорителя относительно объекта контроля в следующем виде:

где n - единичный вектор, определяющий направление потока ускоренных нуклидов водорода, nя - единичный вектор, определяющий направление движения нового ядра.

Из уравнений (3), (4) следует формула для скорости нейтрона:

.

Каждому из трех проводимых измерений соответствует свое направление оси симметрии нейтронного потока, определяемое направлением потока ускоренных нуклидов водорода, задаваемым единичными векторами:

n1={0,0,1}; n2={sinα,0,cosα}; n3={0, sinβ, cosβ}.

Таким образом, время подлета нейтрона к искомому предмету при i-м измерении будет определяться следующим выражением:

.

Добавляя в это выражение время движения гамма-кванта от искомого предмета до детектора, приходим к выражению (1):

Для реализации предлагаемого способа может быть использован резонансный ускоритель протонов или дейтронов с энергией от 2 до 10МэВ.

В процессе контроля осуществляется ускорение протонов или дейтронов к мишени, содержащей необходимый нуклид-реагент (например, тритий или дейтерий). В объеме мишени в результате (p, n) или (d, n) ядерной реакции образуется поток быстрых нейтронов.

Изменение направления потока ускоренных нуклидов водорода можно осуществлять как механическим поворотом ускорителя, так и путем отклонения пучка нуклидов водорода в вертикальном и горизонтальном направлении с помощью управляемых электрических или магнитных дефлекторов, установленных в рабочем объеме ускорителя на трассе пучка, перед мишенью.

Когда фронт нейтронного потока достигает скрытого объекта, генерируется поток гамма-квантов, часть из которых достигает детектора, расположенного рядом с мишенью ускорителя.

Определяя время прихода импульса гамма-излучения с заданным энергетическим распределением, соответствующим ядрам элементов, составляющих опасное вещество, к детектору для трех различных направлений оси симметрии излучаемого нейтронного потока, подставляя эти значения в систему уравнений (1) и решая эту систему, находим координаты искомого скрытого опасного предмета. В частности, если предметом обнаружения является взрывчатое вещество (гексоген, октоген и т.д.), то идентификация должна проводиться по энергетическим гамма-спектрам азота, углерода, кислорода и водорода.

Для снятия спектрограмм может быть использован гамма-спектрометр, подключенный к системе детектирования, состоящей из сцинтилляционного кристалла, преобразователя светового сигнала в электрический и многоканального амплитудного анализатора. В качестве таких кристаллов могут быть использованы соединения NaI(T1), CsJ(T1), LiI(Eu), ViGe3O12, CdWO4 и т.д., в которых под действием гамма-квантов возбуждаются короткие вспышки света (сцинтилляции). Причем энергия такой вспышки пропорциональна энергии регистрируемого фотона.

Сцинтиллирующий объем оптически связан с электронным фотоумножителем или светодиодом, которые преобразовывают световые вспышки в электрические импульсы. Их амплитуды, после процесса формирования и калибровки, также оказываются пропорциональными энергиям гамма-квантов. Далее поток этих импульсов поступает в многоканальный амплитудный анализатор, который выдает информацию об энергетическом спектре гамма-квантов. После его компьютерной обработки по известным алгоритмам, используемым, например, при гамма-спектрометрическом элементном анализе горных пород [3], вырабатывается окончательный сигнал на фиксацию времени τi. Этот сигнал компьютер выдает после совпадения измеренного спектра гамма-излучения с эталонным, заданным в компьютере.

Описанная процедура измерений осуществляется три раза, чтобы число уравнений в системе (1) было равно числу неизвестных. В принципе, для повышения точности измерений контроль можно проводить и для большего числа положений оси симметрии нейтронного потока. При этом система уравнений (1) становится переопределенной, и для ее решения следует привлекать аппарат метода наименьших квадратов.

Рассмотрим в качестве примера реализации предлагаемого способа контроль контейнера с характерным линейным размером ~10 м. В этом случае, при точности локализации опасного предмета ~10%, расстояние между передним и задним фронтом нейтронного пакета не должно превышать величины Δr~1 м.

Пусть в качестве генератора нейтронов используется резонансный ускоритель дейтронов с метало-тритиевой мишенью на энергию 2 МэВ. Энергия нейтронов в этом случае оценивается примерно в 15 МэВ. Это соответствует скорости нейтрона V≈5.107 м/с. Тогда для обеспечения необходимой степени локализации длительность импульса дейтронного тока на мишень не должна превышать величину

,

что вполне достижимо для ионного резонансного ускорителя.

Порядок расстояния мишень- объект- (L~10 м) оценивается в соответствии с неравенством, приведенным в прототипе [2]:

0.5L<h<L<H<2.5L,

где h, H соответственно минимальное и максимальное удаление мишени ускорителя от объекта контроля.

В качестве системы регистрации могут быть использованы стандартные средства спектрометрии гамма-полей, применяемые, например, в ядерной геофизике [3].

Предлагаемый способ позволит существенно увеличить эффективность обнаружения, локализации и идентификации скрытых опасных предметов в крупногабаритных средствах транспортировки за счет повышения чувствительности и достоверности контроля, а также экспрессности измерений.

Источники информации

1. Maglich B.C. et al. 4th International Symposium on Technology and the Mine Problems, March 13-16, Naval Postgraduate Schol, Monterey, California, p.89.

2. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Шиканов А.Е. Способ обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов. Патент РФ на изобретение № 2356036 с приоритетом от 27.07.2007.

3. Разведочная ядерная геофизика. Справочник геофизика. М.: Недра, 1986, 432 с.

Способ обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов, при котором образуют и модулируют поток нуклидов водорода, ускоряют их к мишени, генерируют нейтроны на мишени, облучают нейтронами объект контроля, регистрируют гамма-кванты радиационного захвата или неупругого рассеяния и фиксируют времена прихода гамма-импульсов к детектору с заданным энергетическим распределением, соответствующим ядрам элементов, составляющих опасное вещество, отличающийся тем, что изменяют направление потока ускоренных нуклидов водорода относительно первоначального, сначала по вертикали, а затем по горизонтали, регистрацию гамма-квантов и фиксацию их времени прихода к детектору осуществляют после каждого изменения направления оси симметрии нейтронного потока, далее определяют пространственные координаты искомого предмета в декартовой системе координат с помощью системы уравнений:

где i=1,2,3,
r=ix+jy+kz,





i, j, k - орты прямоугольной системы координат,
х, у, z - координаты искомого предмета,
τi - время прихода гамма-квантов с энергией в заданной энергетической области,
с - скорость света,
rD - радиус вектор детектора гамма-квантов,
Т - кинетическая энергия ускоренного нуклида водорода,
Q - энергетический выход ядерной реакции образования нейтрона в мишени ускорителя,
А - атомный номер ядра-реагента в мишени ускорителя,
М - масса нейтрона,
k - атомная масса нуклида водорода,
α, β - вертикальный и горизонтальный углы ориентации оси симметрии излучаемого нейтронного потока.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для элементного (и изотопного) анализа поверхности вещества, тонких пленок, наноструктур. .

Изобретение относится к радиографии, а именно к получению изображений с помощью нейтронного, рентгеновского и гамма-излучений, к детектированию ядерных излучений, к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами, и может быть использовано для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах, в неразрушающем контроле в атомной энергетике, машиностроении, строительстве и других отраслях радиографическими и томографическими методами.

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии с использованием нейтронов, в частности, для неразрушающего дистанционного контроля различных скрытых веществ.

Изобретение относится к ядерным методам интроскопии, конкретно к технике обнаружения и идентификации скрытых опасных предметов в крупногабаритных средствах транспортировки (большегрузные контейнеры, автомобили и т.д.) с помощью нейтронных полей, генерируемых в ускорителях заряженных частиц.

Изобретение относится к области анализа материалов с использованием облучения их различными видами излучений, в частности рентгеновским, нейтронным и электромагнитным излучением, вызывающим ядерный квадрупольный резонанс, и преимущественно может быть использовано для обнаружения взрывчатых веществ в контролируемых предметах без вскрытия последних.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может использоваться при детектировании малого количества атомов щелочного металла (ЩМ), создании контролируемых источников паров (атомов) щелочных металлов, а также для контроля различных процессов в нанотехнологии.

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения.

Изобретение относится к методам исследования внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами и может быть использовано для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах и т.д.

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектов, а именно к анализу объектов радиационными методами, например с помощью нейтронного, рентгеновского или гамма-излучения.

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности для неразрушающего дистанционного контроля различных скрытых веществ

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических средств (НС) методом фотоядерного детектирования и может быть использовано в стационарных и подвижных установках при, например, досмотре багажа авиапассажиров, таможенном досмотре или разминировании территорий в рамках гуманитарных акций

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических средств (НС) методом фотоядерного детектирования и может быть использовано в стационарных и подвижных установках, например, при досмотре багажа авиапассажиров, таможенном досмотре или разминировании территорий в рамках гуманитарных акций

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности, для идентификации в полевых и стационарных условиях взрывчатых, наркотических или сильнодействующих ядовитых веществ, скрытых в различного типа объектах малого и среднего размеров (сумки, портфели, чемоданы, сейфы)

Изобретение относится к области экологии, а именно к оценке загрязнения атмосферного воздуха населенных территорий тяжелыми металлами и другими химическими элементами по степени их накопления в эпифитном мхе Pylaisia polyantha (Hedw.) B.S.G

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии с использованием нейтронов, в частности для неразрушающего дистанционного контроля различных скрытых веществ

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности, для идентификации в полевых и стационарных условиях взрывчатых, наркотических или сильнодействующих ядовитых веществ, скрытых в различного типа легковых автомобилях

Изобретение относится к области элементного анализа - качественного обнаружения и количественного определения содержания элементов и элементного состава веществ, материалов и различных объектов

Использование: для обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ под водой. Сущность заключается в том, что устройство для обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ под водой содержит герметичный корпус, в котором размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детектор γ-излучения с защитой от потока меченых монохроматических нейтронов, при этом герметичный корпус контейнера снабжен соединенным с ним водонепроницаемьм вакуумированным или газонаполненным патрубком, ось которого совпадает с направлением центрального пучка меченых монохроматических нейтронов; при этом патрубок выполнен в виде сильфона с возможностью продольных деформаций, а размер его поперечного сечения выбран исходя из условия пропускания всего потока меченых монохроматических нейтронов. Технический результат: обеспечение возможности обнаружения опасных веществ с большой вероятностью, а также обеспечение возможности исключения соприкосновения устройства с объектом досмотра. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх