Система и способ детектирования с помощью пучков частиц высокой энергии

Авторы патента:


Система и способ детектирования с помощью пучков частиц высокой энергии
Система и способ детектирования с помощью пучков частиц высокой энергии
Система и способ детектирования с помощью пучков частиц высокой энергии

 


Владельцы патента RU 2428681:

САЖ ИННОВАСЬОН ИНК. (MU)

Использование: для получения из закрытого и герметизированного объекта характеристик, относящихся к химическим элементам или соединениям, содержащимся в объекте. Сущность заключается в том, что система детектирования содержит источник (500) частиц для генерации импульсного потока (140) частиц высокой энергии, включающих в себя нейтроны и гамма-фотоны, и направления указанного потока к исследуемому объекту (600), при этом частицы взаимодействуют с ядрами атомов материала(лов) указанного объекта, детекторный блок (400), содержащий, по меньшей мере, три детектора (411, 421, 431; 412, 422, 432; 413, 423, 433), реагирующих на нейтроны и гамма-фотоны в соответствующих диапазонах энергий, исходящих из объекта и попадающих на детекторы в отклике на указанный поток частиц высокой энергии, при этом детекторы выполнены с возможностью работы в режиме детектирования тока, с тем чтобы вырабатывать сигналы тока, представляющие гамма-фотоны и нейтроны, попадающие на детекторы, с течением времени, и блок (800) обработки данных, соединенный с выходами детекторов, выполненный с возможностью формирования отличительной характеристики из указанных сигналов, полученных после направления на объект импульсного потока, включая параметры сигнала, зависящие от времени, и с возможностью сравнения указанной характеристики с хранящимися эталонными характеристиками. Технический результат: повышение эффективности обнаружения как обычной контрабанды, так и ядерных материалов. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технологии активного нейтронного опроса, а более конкретно - к системе детектирования с помощью нейтронов и гамма-фотонов для опроса и детектирования материалов или соединений в объектах.

Уровень техники

Так называемый «нейтронный опрос» является единственной неинвазивной технологией, известной на сегодняшний день, которая позволяет получать из закрытого и герметизированного объекта характеристику, относящуюся к химическим элементам или соединениям, содержащимся в объекте.

Такая технология имеет значительное преимущество перед рентгеноскопией и аналогичными технологиями, которые позволяют отличать объекты только по форме и плотности материала; и используется в различных областях, например, при обнаружении взрывчатых веществ, радиоактивных материалов или контрабандных товаров, к примеру наркотиков в объектах или зданиях.

Разработан ряд технологий детектирования на основе нейтронов в зависимости от практического применения.

К примеру, для проверки багажа в аэропортах была предпринята попытка использования термонейтронного анализа (TNA). Более конкретно, нейтроны малой энергии вызывают выделение азотом, содержащимся в определенных взрывчатых веществах, гамма-лучей, а радиоактивными материалами - собственных нейтронов. Однако досмотровые установки TNA первого поколения давали недопустимый процент ложных срабатываний из-за большого числа азотсодержащих объектов в обычном багаже. Кроме того, TNA требует использования замедлителей для превращения быстрых нейтронов, поступающих от источника, в тепловые нейтроны.

Предложен также анализ багажа с помощью пучка быстрых и тепловых нейтронов (PFTNA) для обнаружения контрабанды, к примеру, взрывчатки и наркотиков. Данный способ объединяет регистрацию гамма-излучения в результате нескольких различных взаимодействий нейтронов в единой системе и использует короткоимпульсный пучок нейтронов высокой энергии для детального исследования с помощью быстрых нейтронов (FNA). Это позволяет разделить во времени данные опросов FNA и TNA и улучшить качество и статистику измеряемых характеристик гамма-излучения.

Обычно используется импульсный генератор нейтронов на основе дейтерий-тритиевой реакции для создания короткого импульса (несколько мкс) нейтронов 14 МэВ. Нейтроны данного импульса испытывают неупругое рассеивание в исследуемом объекте. Гамма-излучение состоит, в основном, из мгновенных гамма-фотонов, образованных в ходе реакций (n. n′γ) и (n. p′γ). Импульс повторяется с частотой 10 кГц и спектры мгновенных гамма-фотонов, образованных за счет нейтронов высокой энергии, регистрируются обычной гамма-спектроскопией с подсчетом одиночных фотонов. Из данных спектров можно получить отличительные гамма-характеристики таких элементов как С и О. Подобная система обнаружения объектов раскрыта в документах WO-99/53344А и "Vourvopoulos G. et al. "Система обнаружения спрятанных взрывчатых веществ с помощью пучков быстрых и тепловых нейтронов», Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section В: взаимодействия лучей с материалами и атомами, Elsevier, Amsterdam, NL, vol.B79, n° 1/4, 2 June 1993, pp.585-588, XP 000381502.

В таких системах часть быстрых нейтронов в промежутке между импульсами продолжает сталкиваться с окружающим материалом, в частности легкими элементами, и замедляться до тепловой энергии.

Если нейтрон обладает энергией ниже 1 эВ, то он может быть легко захвачен такими элементами как H, N или Fe, при этом в результате реакций (n.γ) захвата образуются мгновенные гамма-фотоны. На основе гамма-излучения, зарегистрированного в течение данного промежутка времени, строится отдельный спектр реакций тепловых нейтронов. В документе DE раскрыт такой подход.

После заданного числа импульсов наступает длительная пауза, в течение которой регистрируются гамма-фотоны, испущенные такими элементами как O, Al Si, которые активировались и распадаются в ходе запаздывающей гамма-реакции.

При периодическом повторении трех данных операций строятся три отдельных спектра, соответствующих реакции с быстрыми нейтронами, реакции с тепловыми нейтронами и реакции запаздывающей активации. Три данных спектра позволяют, в принципе, четко определить все четыре основных элемента высоковзрывчатых веществ.

Фактически вещество можно идентифицировать с помощью PFTNA путем проверки атомных отношений, к примеру, отношение атомов углерода к атомам кислорода (C/O), как описано в документе US-5200626 A. Для этого измеряют отношение интенсивностей гамма-излучений углерода и кислорода и применяют отношение сечений реакций данных элементов, вызывающих гамма-излучение.

В отличие от процесса FNA с присущими смешанными гамма-сигналами, возникшими в результате процесса TNA, в процессе PFTNA происходит разделение спектров вследствие процессов FNA и TNA, что улучшает идентифицирование интересующих элементов, при детектировании взрывчатых веществ.

Благодаря малой и фиксированной продолжительности испускания и улавливания гамма-лучей в ходе процесса FNA, отношение сигнал-шум отличительных гамма-характеристик C и O повышается по сравнению с обычной технологией FNA.

Однако данное улучшение существенно только при очень малом количестве реакций захвата тепловых нейтронов в течение процесса FNA. Если взрывчатка занимает малую область тары, то в остальной области также будет излучаться сигнал вследствие реакций захвата тепловых нейтронов. В результате существенно уменьшится отношение сигнал-шум сигнала и увеличится время получения полезных данных.

Кроме того, если в проверяемом багаже между наружной тарой и содержимым присутствует большое количество пластиковых материалов, то распознавание взрывчатки с помощью измерения отношения C/O или N/O значительно усложнится.

Другая известная технология - PFNA (анализ с помощью импульсного потока быстрых нейтронов) - основана на измерении отношения скорости и энергии быстрого нейтрона, в результате пространственную область взаимодействия нейтронов можно регистрировать с помощью очень короткого импульса нейтронов высокой энергии длительностью несколько наносекунд с момента пролета (TOF) нейтрона через исследуемый объект.

Для получения информации о TOF используется моноэнергетический импульс быстрых нейтронов, так что можно вычислить расположение нейтрона в пространстве в любой заданный момент времени. Если при столкновении быстрого нейтрона с элементом испустился гамма-фотон, то время регистрации (а значит, и испускания) данного гамма-фотона можно связать с заданным положением в объекте. При использовании периодического сверхкороткого импульса нейтронов и измерении времени его регистрации относительно времени испускания импульса нейтронов, а также энергии гамма-излучения, можно вычислить плотность ряда элементов в объемном материале, вдоль траектории быстрого нейтрона.

В частности, с помощью реакций с испусканием мгновенных гамма-фотонов из быстрых нейтронов можно вычислить относительную концентрацию элементов C, N, O в заданной единице объема - вокселе. По отношениям трех данных элементов можно выявить наличие и определить расположение взрывчатки.

Кроме того, при регистрации гамма-лучей с помощью подходящих детекторов и сканировании импульса нейтронного пучка по двум осям можно в принципе построить объемное изображение концентрации элемента в различных вокселях.

Технология PFNA подходит, в частности, для исследования малого количества взрывчатки, спрятанной в большом предмете с относительно малой средней плотностью.

Однако для получения приемлемого пространственного разрешения необходимо использовать сверхкороткий моноэнергетический импульс нейтронов. Обычно такой импульс генерируется в линейном ускорителе. Хотя системы PFNA на основе таких ускорителей успешно применялись при проверке грузовых контейнеров и безопасности воздушного пространства, линейный ускоритель таких систем громоздок и требует использования массивных защитных экранов, поэтому данная технология не подходит для разминирования или использования в аэропортах.

Кроме того, все существующие технологии обнаружения объектов с помощью нейтронных реакций позволяют точно определять химический состав образца, но характеризуются малым быстродействием (для одной операции детектирования обычно необходимо несколько минут).

Данный недостаток является следствием стандартного счета фотонов для построения гамма-спектра, а значит детектирования химических элементов образца.

Причина в том, что детектор может принять за раз только один фотон и должен ждать в течение временного интервала регистрации для анализа энергии фотона, до того как сможет поступить следующий фотон.

При очень интенсивном нейтронном импульсе невозможно зарегистрировать каждый гамма-фотон или отраженный нейтрон из-за слияния импульсов. Действительно, если за заданное время измерения образовалось более одного нейтрона, то система воспринимает фотоны поступающими «одновременно» и не различает их.

Таким образом, максимальная скорость регистрации и анализа одиночного фотона ограничивает максимальную плотность потока нейтронов в одиночном импульсе.

Как упомянуто выше, для построения полезного спектра с достаточно большим отношением сигнал-шум необходимо время детектирования несколько минут, т.е. от

106 или более измерений длительностью от 1 микросекунды каждое.

Кроме того, источник нейтронов в известных системах содержит радиоактивные элементы или электрические генераторы с радиоактивными мишенями, что крайне нежелательно, в частности, при использовании в гражданской практике.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков обычных нейтронных технологий для проверки предметов.

Более конкретно, кроме рентабельности и приемлемых габаритов система должна характеризоваться высокой надежностью и очень быстрым временем детектирования.

Задачей настоящего изобретения является создание новой технологии обнаружения материалов с помощью импульсного потока нейтронов вместо обычной технологии подсчета одиночных фотонов для получения характеристик фотонов и нейтронов, активируемых и отражаемых от объекта.

Другой задачей настоящего изобретения является создание многофункциональной системы обнаружения, охватывающей широкий диапазон энергии, включая его изменение во времени, с помощью одного измерения.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы распознавания, которая позволяет значительно снизить процент ложных срабатываний и улучшить вывод данных для оператора.

Следующей задачей настоящего изобретения является создание системы для обнаружения как обычной контрабанды, к примеру наркотиков, так и определенных ядерных материалов, которые могут быть спрятаны в металлических контейнерах, которые не прозрачны для обычных рентгеновских систем контроля.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание системы обнаружения, которая устраняет ограничение из-за слияния импульсов.

Другой задачей настоящего изобретения является создание системы обнаружения, которая позволяет детектировать наличие большого количества взрывчатки в багаже в аэропорту или фугасах с помощью одиночного нейтронного импульса высокой интенсивности и за короткое время.

Таким образом, настоящее изобретение предусматривает систему обнаружения, которая содержит:

- источник частиц для генерации импульсного потока энергетичных частиц, включающих в себя нейтроны и гамма-фотоны, и направления указанного потока к исследуемому предмету, при этом предполагается, что частицы взаимодействуют с ядрами атомов материала(лов) указанного предмета,

- детекторный блок, который содержит, по меньшей мере, три детектора, реагирующих на нейтроны и гамма-фотоны в соответствующих диапазонах энергий, поступающие из указанного предмета и падающие на детекторы, в отклике на указанный поток частиц высокой энергии, при этом детекторы выполнены с возможностью работать в режиме регистрации тока, подавать сигналы тока, соответствующие попаданию гамма-фотонов и нейтронов во времени, и

- блок обработки данных, соединенный с выходами детекторов, который генерирует характеристику из указанных сигналов, отслеживающих воздействие указанных импульсных потоков на указанный предмет, включая параметры сигнала в зависимости от времени, после направления импульсного потока на объект, и сравнивает указанную характеристику с сохраненными эталонными характеристиками.

Данная система имеет следующие предпочтительные, но не ограничивающие аспекты:

*каждый детектор содержит полосовой фильтр на соответствующую энергию;

*каждый детектор содержит сцинтиллятор, соединенный с фотоумножителем с помощью набора гибких волоконно-оптических кабелей;

*источник нейтронов и гамма-фотонов содержит:

- первый и второй электроды,

- плазменный ионный источник на первом электроде,

- устройство управления плазменным ионным источником для распространения ионной плазмы, содержащей дейтроны, ко второму электроду;

- средства приложения к электродам короткого высоковольтного импульса во время, когда ионная плазма находится в переходном состоянии и дейтроны распределены в пространстве на расстоянии от второго электрода, с тем, чтобы ускорить дейтроны в направлении второго электрода, преодолевая предел тока пространственного заряда, характерного для обычного электровакуумном диода; и

- второй электрод образует литиевую мишень, на которой при взаимодействии дейтронов и лития генерируются нейтроны, при этом нейтроны взаимодействуют с мишенью с образованием гамма-фотонов.

*данные нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 3 МэВ, для обнаружения радиоактивных материалов;

*данные нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 5 МэВ, для обнаружения углеродсодержащих материалов без взаимодействия с окружающими элементами;

*данные нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 8 МэВ, для обнаружения взрывчатки вследствие взаимодействия со всеми четырьмя элементами H, C, N, O, обычно содержащимися во взрывчатке;

*сигналы от сборок датчиков соответствуют одиночному импульсу частиц, включающих в себя нейтроны и гамма-фотоны, которые генерируются данным источником.

Второй объект настоящего изобретения касается способа обнаружения свойств материалов, веществ или соединений, содержащихся в объектах, с помощью следующих операций:

- направление на исследуемый объект импульсного потока быстрых частиц, включающих в себя нейтроны и гамма-фотоны, которые взаимодействуют с ядрами атомов материала(лов) данного объекта;

- регистрация нейтронов и гамма-фотонов, поступающих от данного объекта после направления на него упомянутого потока; частицы регистрируются, по меньшей мере, в двух различных диапазонах энергий в режиме детектирования тока для получения сигналов тока, соответствующих зависимости количества падающих на датчики гамма-фотонов и нейтронов от времени;

- подача сигналов тока с временным разрешением, соответствующих детектируемым нейтронам и гамма-фотонам;

- создание с помощью временных характеристик сигналов отличительной характеристики, и

- сравнение данной характеристики с эталонными характеристиками.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение будет лучше понято из нижеследующего описания предпочтительного варианта его выполнения; в данном описании сделаны ссылки на сопроводительные чертежи, на которых представлено следующее:

фиг.1 - схема системы детектирования согласно настоящему изобретению;

фиг.2 - детальное изображение детекторного блока, входящего в состав системы по фиг.1; и

фиг.3 - временная диаграмма типичного полученного сигнала по отношению к испусканию импульса и его попаданию на исследуемый объект.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

На фиг.1 изображена система 700 идентификации, соответствующая настоящему изобретению, которая содержит:

- систему 650 транспортировки проверяемых объектов 600;

- источник 500 частиц высокой энергии;

- детектор 400; и

- блок 800 обработки данных.

Источник 500 генерирует короткие импульсы быстрых частиц высокой интенсивности, включающих в себя нейтроны и гамма-фотоны, которые направляются к проверяемому объекту 600.

Источник содержит генератор 100 частиц, который генерирует поток быстрых частиц в соответствии с сигналами блока 200 импульсной мощности, управляемого блоком 300 управления.

Система генерирует короткоимпусный интенсивный поток частиц высокой энергии и направляет его к объекту 600, расположенному в контрольной зоне, к которой направлен коллиматор 130 пучка.

Можно использовать обычную систему 650 транспортировки для дискретного перемещения объекта 600, к примеру кусков багажа, через контрольную зону.

Источник 500 используется вместе с детектором 400 для регистрации гамма-фотонов и нейтронов, соответствующих материалам проверяемого объекта 600, после их взаимодействия с потоком быстрых частиц.

Как видно из фиг.2, детектор 400 содержит детектор 410 с широким набором энергетических характеристик для регистрации гамма-фотонов и нейтронов, которые отражаются от объекта 600, обращенного к источнику 500. Каждый детектор 410 чувствителен к определенному диапазону энергии гамма-фотонов и нейтронов, отражаемых от объекта.

Все детекторы предоставляют данные, которые могут быть обработаны на блоке 800 для получения уникальной характеристики искомых химических или радиоактивных материалов или соединений.

Обнаружение объектов в соответствии с настоящим изобретением основано на распознавании их отличительной гамма-характеристики с помощью одиночного импульса быстрых частиц (хотя возможно и детектирование с помощью множественных импульсов) вместо спектрометрии с разрешением по энергиям, которая проводится с помощью систем, соответствующих предыдущему уровню техники (см. WO-99/53344-A и DE-10323093-A1).

Блок 800 обработки данных анализирует сигналы, поступающие от детекторов, для создания гамма-характеристики объекта 600. Затем происходит статистическое сравнение вычисленной характеристики с эталонными характеристиками, хранящимися в базе данных, на предмет наличия определенных материалов или соединений в данном объекте.

Далее будет подробнее описаны различные компоненты системы.

Источник 500 частиц

Генератор 100 частиц приводится в действие блоком 200 импульсной мощности для генерации короткоиспульсных пучков 140 быстрых частиц.

Данные пучки 140 генерируются по требованию с помощью триггерного сигнала, подаваемого устройством 300 управления. В остальных случаях вся система 500 находится в состоянии «выключено».

Генератор 100 частиц расположен в вакуумной камере 150, содержащей два разнесенных электрода - катод 110 и мишень 120.

Обычно расстояние между двумя электродами 110 и 120 равно нескольким сантиметрам, а давление в камере - от 0,1 до 10 Па.

В блоке 200 питания предусмотрен генератор 220 высокого напряжения для приложения соответствующего импульса 225 напряжения к паре электродов (не показаны), принадлежащих катоду 110 и образующих плазморазрядный ионный источник.

Таким образом, вблизи электрода 110 образуется плазма низкого давления, имеющая плотность порядка 1013 частиц/см3 или более и состоящая из заряженных частиц, которые затем распространяются в камере 150. После заданного времени dt задержки генератор 210 импульсов, также предусмотренный в блоке 200 питания, генерирует импульс 215 высокого напряжения, который подается к электродам 110 и 120 для ускорения перемещения ко второму электроду 120 частиц плазмы с заданным знаком заряда.

Время dt задержки выбирается в зависимости от напряжения триггерного импульса 225 плазмы, импульса 215 ускоряющего напряжения, формы диода, образованного двумя электродами 110 и 120, и давления в камере 150.

Блок 300 управления запускает генератор 220, а затем - генератор 210 в соответствии с вышеупомянутым временем задержки.

Синхронизированные команды контролируют подачу 210 импульсов высокого напряжения для приложения с задержкой времени dt подходящего напряжения между электродами 110 и 120 и выделения из плазмы пучка заряженных частиц.

В примере осуществления настоящего изобретения генератор 210 импульсов высокого напряжения содержит обычный умножитель напряжения, расположенный за цепью сжатия импульса (не показаны).

Более конкретно, обычное сетевое напряжение, к примеру 220 В, частотой 50 Гц сначала повышается до 30 кВ с помощью обычного электронного преобразователя. Это напряжение используется для питания 4-каскадной цепи Маркса, управляемой триггерным сигналом, которая вырабатывает импульс напряжения 120 кВ. Это напряжение затем используется для питания схемы формирования импульса длительностью 5 нс и напряжением 120 кВ. Выход цепи формирования импульсов соединен с импульсным трансформатором, генерирующим окончательный импульс 215 напряжения 720 кВ длительностью 5 нс.

После приложения импульса 215 заряженные частицы плазмы ускоряются с образованием пучка заряженных частиц (ток частиц обычно превышает 1 кА), которые сталкиваются с электродом 120, служащим мишенью, с выделением энергии до 500 кэВ или более и образованием вследствие ядерной реакции потока быстрых частиц.

Принцип работы источника 500 состоит в том, что высокоэнергетический поток заряженных частиц образуется при непосредственном приложении ультракороткого импульса 215 высокого напряжения к электродам, между которыми ионная плазма находится в переходном состоянии; это позволяет избежать предела тока пространственного заряда, характерного для обыкновенного электровакуумного диода. К примеру, может быть генерирован пучок заряженных частиц с коротким импульсом (<10 нс), большим током (>кА), высокой энергией (>700 кэВ).

Источник частиц, описанный выше, генерирует изотропный поток 140 быстрых частиц 140. Для направления пучка к исследуемому объекту 600 предусмотрен специальный коллиматор 130.

Следует отметить, что блок 300 управления может также служить блоком наблюдения за процессами, обеспечивая управляющую и ситуационную информацию обо всех компонентах источника 500. Для этого блок 300 соединен с набором предохранительных датчиков и/или детекторов для автоблокировки и исправной работы источника 500.

Для высокой скорости скрининга источник 500 может быть запущен многократно, к примеру, несколько раз в секунду.

Источник 500 может быть использован для генерации пучков различных быстрых частиц. В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения настоящего изобретения такими частицами являются нейтроны и гамма-фотоны, которые образуются при столкновении пучка заряженных дейтронов высокой энергии длительностью около 10 нс (при токе порядка кА) с мишенью 120 из литиевого сплава; в результате генерируется поток 140 из более чем 108 нейтронов, который характеризуется длительностью импульса 10 нс, высокими эквивалентными значениями скорости 1016 нейтронов/секунду и широким спектром энергий до 14 МэВ.

Источник 500, описанный выше, позволяет регистрировать по существу все гамма-фотоны и нейтроны, отраженные от объекта за очень короткий промежуток времени.

Для сравнения отметим, что обычная герметизированная нейтронная трубка, которая описана, к примеру, в документе US-5200626-А, в основном генерирует импульсы длительностью 10 микросекунд, состоящие из малого количества нейтронов, при этом для получения эквивалентной плотности 108 нейтронов/сек потока частиц импульсы должны быть повторены с частотой 1 кГц или более, а для получения достаточных данных на основе излучения гамма-фотонов необходимо несколько минут. В результате мощность дозы радиоактивного излучения при использовании данной трубки превышает, по меньшей мере, на 2 порядка, мощность дозы при использовании настоящего изобретения.

В примере осуществления настоящего изобретения источник 500 генерирует одиночный импульс нейтронов, при этом с расстояния 3 м на объект 600 площадью 10 см2 будет приходиться нейтронный поток эквивалентной интенсивностью 1011 нейтронов/сек.

Детекторный блок 400

Как видно из фиг.2, детектор 400 содержит участок 410 регистрации гамма-фотонов, выполненный в виде детектора (в данном примере трех) 411, 412, 413.

Каждый детектор соединен с фотоумножителем 431, 432, 433 с помощью соответствующего набора гибких волоконно-оптических кабелей 421, 422, 423.

Каждый детектор предпочтительно выполнять в виде обычного пластикового сцинтиллятора (к примеру, хорошо известного NE102A) с соответствующей площадью поверхности, который чувствителен как к гамма-фотонам, так и нейтронам; данный детектор выдает сигнал, который соответствует гамма-фотонам и нейтронам, отражаемым от объекта 600, когда оно обращено к пучку 140, генерированному источником 500.

Размер каждого сцинтиллятора может составлять, к примеру, 180 мм×180 мм×25 мм. Использование большего числа сцинтилляторов позволяет существенно повысить отношение сигнал-шум.

Каждый детектор 411, 412 и 413 характеризуется выходным сигналом в пределах определенного энергетического спектра, и данный сигнал предпочтительно получать путем помещения материалов (не показаны) на пути следования нейтронов и гамма-фотонов от объекта 600 к соответствующему детектору, при этом материалы служат энергетическими полосовыми фильтрами в различных диапазонах энергий, соответствующих каждому датчику 411, 412 и 413.

Таким образом, амплитуда сигнала на выходе каждого датчика связана со спектральным составом данного диапазона, и датчики 411, 412 и 413 вырабатывают сигналы A, B и C, соответствующие количеству принятых излучения/частиц.

Следует признать, что при соединении сцинтилляторов с фотоумножителями с помощью гибких волоконно-оптических кабелей подходящей длины фотоумножители могут быть размещены на расстоянии от источника излучения и экранированы от действия быстрых частиц и электромагнитного излучения, вносящих в фотоумножители шумы.

Предпочтительно, чтобы фотоумножители 431, 432 и 433 работали в режиме детектирования тока для измерения в реальном времени динамики количества фотонов/частиц, падающих на соответствующие сцинтилляторы.

При этом вместо измерения энергии отдельных гамма-фотонов или нейтронов регистрируют изменение во времени сигнала тока, полученного за счет улавливания частиц и фотонов определенным датчиком 411, 412 и 413.

Таким образом, можно избежать скопления импульсов, при котором частицы падают на сцинтиллятор за очень малый промежуток, что обычно ведет к ошибкам их подсчета.

Выходные сигналы фотоумножителей 431, 432 и 433 поступают на аналого-цифровые преобразователи (обобщены цифрой 440), образуя поток цифровых данных, которые отражают количество фотонов/частиц, поступающих от облученного объекта 600; данные представлены в виде временной зависимости и соответствуют различным энергетическим диапазонам.

К примеру, может быть использован 4-канальный цифровой преобразователь переходного процесса Tektronix TDS3034 с максимальной частотой дискретизации 2,5 Г выборок/с и максимальной глубиной памяти данных 10 k выборок.

Предпочтительно записывать оцифрованные записи, к примеру, в течение 20 мкс после каждой подачи на объект пучка 140 частиц при скорости дискретизации не более 2 нс для умещения данных в памяти цифрового преобразователя.

Сигналы, поступающие от детекторного блока 400, объединяют результаты любого вида реакций нейтронов с материалами объекта 600, включая упругое, неупругое взаимодействия и захват нейтронов; данные реакции возникают под действием одиночного ультракороткого импульса 140 нейтронов высоких энергий, приводя к испусканию гамма-фотонов или нейтронов.

Более конкретно, детектор 400 регистрирует мгновенные и запаздывающие гамма-фотоны, образованные за счет быстрых и тепловых нейтронов, а также нейтроны, отраженные или испущенные образцом, в различные промежутки времени после испускания одиночного короткого импульса нейтронов.

Фиг.3 иллюстрирует пример типичной временной диаграммы регистрации сигнала в соответствии с генерацией нейтронного импульса.

В данном примере под объемным углом 4π испускается одиночный пучок P1 около 10 нейтронов, имеющий длительность 10 нс. С небольшим сдвигом во времени испускается немного более длительный второй пучок P2 гамма-фотонов. Гамма-пучок P2 образуется в результате взаимодействия нейтронного пучка P1 с веществом, которое окружает мишень, генерирующую нейтроны, а также в самой мишени.

Прямоугольники A1 и A2 соответствуют нейтронам импульса P1, достигающим объекта, который удален на 1 метр от источника, и гамма-фотонам импульса P2, достигающим данного объекта.

В нижней части фиг.3 изображены следующие зарегистрированные сигналы:

- уловленные сигналы S1 соответствует части гамма-импульса P2, непосредственно достигающего датчиков;

- затем сразу следуют сигналы S2, которые возникают за счет определенного количества гамма-импульса P2, отражаемого от объекта 600;

- через несколько десятков наносекунд появляются сигналы S3, состоящие из гамма-фотонов высокой энергии, которые образовались при непосредственном прохождении нейтронов высокой энергии через объект 600 и их неупругих столкновениях с ядрами атомов материала(лов) объекта; очень малая длина нейтронного импульса P и относительно малая скорость его прохождения через объект (нейтрон с энергией 10 МэВ проходит примерно на 4,4 см за одну наносекунду) обеспечивают хорошую пространственную селекцию; кроме того, высокая интенсивность потока нейтронов обеспечивает приемлемое отношение сигнал-шум данных, поступающих от датчиков;

- сигналы S3 являются гамма-фотонами, полученными при взаимодействии с объектом 600 большого количества запаздывающих нейтронов, которые образовались за счет отражения неколлимированных нейтронов в источнике;

- далее следуют (шкала времени - в микросекундах) сигналы S4, которые соответствуют нейтронам, отраженным от объекта;

- последние из зарегистрированных сигналов (через десять микросекунд или более, не показаны) соответствуют гамма-фотонам, которые образованы за счет нейтронов, «термализованных» в коллиматоре источника, а также испущены объектом и окружающей средой. Тепловые нейтроны поглощаются ядрами атомов материала(лов) объекта, которые, в свою очередь, генерируют гамма-фотоны.

Многие из данных взаимодействий соответствуют широкому набору элементов/соединений. Таким образом, при регистрации сигналов в течение большого промежутка времени (обычно десятков микросекунд) после начала подачи нейтронного импульса 140 и особенно при учете изменения сигналов во времени можно получить очень важную информацию.

Предпочтительно предусмотреть в каждой сборке датчиков (сцинтиллятор + оптоволокно + фотоумножитель) цепь регулировки усиления для компенсации разброса эффективностей соединения сцинтиллятора и оптоволокна.

Кроме того, детекторы предпочтительно калибровать с помощью серии измерений без энергетических фильтров перед детекторами, а затем - с аналогичными фильтрами на всех детекторах.

Все детекторные блоки калибруются аналогичным образом, и коэффициент усиления каждого детекторного блока регулируется так, чтобы отклонение сигнала на выходах всех блоков лежало в заданном диапазоне (к примеру, с разницей максимум в 2 раза).

Калибровку можно выполнять с помощью эталонного импульсного источника света, сопряженного с множеством оптоволокон, каждое из которых соединено с соответствующим фотоумножителем. Таким образом, каждый фотоумножитель будет облучен одним и тем же калибровочным источником света с помощью аналогичных отповолокон.

Можно также проводить автоматическую калибровку, к примеру, с помощью одного или нескольких образцов хорошо известных органических материалов, таких как меламин и политен. Такой способ позволяет компенсировать возможные отклонения чувствительностей датчиков.

Блок 800 обработки данных

Блок 800 обработки данных имеет соответствующую производительность по обработке сигналов A, B и C, поступающих от детектора 400.

Предпочтительно, чтобы обработка сигналов включала в себя заданный набор алгоритмов с учетом динамики сигналов во времени для создания отличительных характеристик, соответствующих каждому исследуемому объекту 600.

После анализа объекта его отличительная характеристика вносится в базу данных для сравнения с набором эталонных характеристик, соответствующих различным известным материалам, соединениям или веществам, с целью быстрого обнаружения любого из данных материалов, соединений или веществ и определения их количества.

Предпочтительно программировать блок 800 так, чтобы он предоставлял оператору информацию о различных материалах, соединениях или веществах в виде простых ответов да/нет за очень малый промежуток времени (время обработки сигналов согласно известному уровню техники составит от доли секунды до нескольких секунд).

Хотя настоящее изобретение описано в отношении предпочтительных вариантов его выполнения, лицам, сведущим в данной области техники, будет очевидно, что оно предусматривает множество вариаций и модификаций.

Ранее указано, что настоящее изобретение обычно применимо при проверке багажа в аэропортах и обнаружении закопанных объектов, к примеру фугасов и противопехотных мин, но оно может быть применимо и во множестве других областей.

1. Система детектирования, содержащая
источник (500) частиц для генерации импульсного потока (140) частиц высокой энергии, включающих в себя нейтроны и гамма-фотоны, и направления указанного потока к исследуемому объекту (600), при этом частицы взаимодействуют с ядрами атомов материала(ов) указанного объекта,
детекторный блок (400), содержащий, по меньшей мере, три детектора (411, 421, 431; 412, 422, 432; 413, 423, 433), реагирующих на нейтроны и гамма-фотоны в соответствующих диапазонах энергий, исходящих из объекта и попадающих на детекторы в отклике на указанный поток частиц высокой энергии, при этом детекторы выполнены с возможностью работы в режиме детектирования тока, чтобы вырабатывать сигналы тока, представляющие гамма-фотоны и нейтроны, попадающие на детекторы, с течением времени, и
блок (800) обработки данных, соединенный с выходами детекторов, выполненный с возможностью формирования отличительной характеристики из указанных сигналов, полученных после направления на объект импульсного потока, включая параметры сигнала, зависящие от времени, и с возможностью сравнения указанной характеристики с хранящимися эталонными характеристиками.

2. Система по п.1, в которой каждый детектор содержит полосовой фильтр соответствующего диапазона энергии.

3. Система по п.1, в которой каждый детектор содержит сцинтиллятор (411; 412; 413), соединенный с фотоумножителем (431; 432; 433) посредством набора гибких волоконно-оптических кабелей (421; 422; 423).

4. Система по п.2, в которой каждый детектор содержит сцинтиллятор (411; 412; 413), соединенный с фотоумножителем (431; 432; 433) посредством набора гибких волоконно-оптических кабелей (421; 422; 423).

5. Система по любому из пп.1-4, в которой указанный источник нейтронов и гамма-фотонов содержит первый и второй электроды (110, 120), плазменный ионный источник на первом электроде, устройство (220) управления плазменным ионным источником, обеспечивающее перемещение ионной плазмы, содержащей дейтроны, ко второму электроду, средства (210) приложения к электродам короткого высоковольтного импульса в промежутке времени, когда ионная плазма находится в переходном состоянии и дейтроны распределены в пространстве на расстоянии от второго электрода, так, чтобы дейтроны ускорялись в направлении второго электрода, преодолевая при этом ограничение по току, связанное с пространственным зарядом, обычного электровакуумного диода, при этом второй электрод (120) образует литиевую мишень, чтобы генерировать нейтроны на указанном втором электроде в результате дейтронно-литиевого взаимодействия, при этом нейтроны взаимодействуют с мишенью с образованием гамма-фотонов.

6. Система по любому из пп.1-4, в которой нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 3 МэВ.

7. Система по п.5, в которой нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 3 МэВ.

8. Система по любому из пп.1-4, в которой нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 5 МэВ.

9. Система по п.5, в которой нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 5 МэВ.

10. Система по любому из пп.1-4, в которой нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 8 МэВ.

11. Система по п.5, в которой нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 8 МэВ.

12. Система по любому из пп.1-4, 7, 9 11, в которой сигналы, вырабатываемые детекторами, соответствуют одному единичному импульсу нейтронов и гамма-фотонов, поступающих из указанного источника.

13. Система по п.5, в которой сигналы, вырабатываемые детекторами, соответствуют одному единичному импульсу нейтронов и гамма-фотонов, поступающих из указанного источника.

14. Система по п.6, в которой сигналы, вырабатываемые детекторами, соответствуют одному единичному импульсу нейтронов и гамма-фотонов, поступающих из указанного источника.

15. Система по п.8, в которой сигналы, вырабатываемые детекторами, соответствуют одному единичному импульсу нейтронов и гамма-фотонов, поступающих из указанного источника.

16. Система по п.10, в которой сигналы, вырабатываемые детекторами, соответствуют одному единичному импульсу нейтронов и гамма-фотонов, поступающих из указанного источника.

17. Способ обнаружения свойств материалов, веществ или соединений, содержащихся в объектах, содержащий следующие операции:
подача импульсного потока частиц высокой энергии, включающих в себя нейтроны и гамма-фотоны, на исследуемый объект, при этом частицы взаимодействуют с ядрами атомов материалов объекта,
детектирование нейтронов и гамма-фотонов, поступающих из объекта в отклике на указанную подачу, по меньшей мере, в двух различных диапазонах энергии и в режиме детектирования тока, чтобы вырабатывать сигналы тока, которые представляют попадающие на детекторы гамма-фотоны и нейтроны, с течением времени,
формирование сигналов тока с временным разрешением, представляющих детектируемые нейтроны и гамма-фотоны,
формирование из зависящих от времени параметров указанных сигналов отличительной характеристики и
сравнение указанной отличительной характеристики с хранящимися эталонными характеристиками.

18. Способ по п.17, в котором нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 3 МэВ.

19. Способ по п.17, в котором нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 5 МэВ.

20. Способ по п.17, в котором нейтроны имеют энергию, по меньшей мере, 8 МэВ.



 

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 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.

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 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 рабочий модуль размещен в герметичном полимерном контейнере для подводных работ, выполненном с возможностью вакуумирования, снабженном соответствующими водонепроницаемыми разъемами для подвода кабелей Ethernet и питания, к стенке герметичного корпуса контейнера по направлению потока меченых монохроматических нейтронов крепится с помощью фланца водонепроницаемый патрубок, 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; контейнер для подводных работ снабжен опорами, а также системой его затопления. Технический результат: обеспечение возможности обнаружения опасных веществ с большой вероятностью, а также обеспечение возможности исключения соприкосновения устройства с объектом досмотра. 2 ил.
Наверх