Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала



Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала
Устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала

 


Владельцы патента RU 2589269:

КИОТО ЮНИВЕРСИТИ (JP)

Изобретение относится к устройству и способу обнаружения ядерного материала, возможно спрятанного в контейнере и т.п. Устройство обнаружения ядерного материала для обнаружения ядерного материала в объекте содержит: источник нейтронов, выполненный с возможностью генерации нейтронов, используемых для облучения объекта; блок детектирования, выполненный с возможностью детектирования нейтронов, включая первичные нейтроны, испускаемые из источника нейтронов, и вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала; и блок обработки, выполненный с возможностью выполнения анализа реакторного шума на основе данных, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов, причем источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов в импульсном режиме, а блок обработки выполнен с возможностью выполнения анализа реакторного шума на основе данных, полученных путем исключения из данных временного ряда, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов, данных временного интервала, включающего временной промежуток генерации, в течение которого источник нейтронов генерирует нейтроны в импульсном режиме. Технический результат - повышение эффективности обнаружения ядерного материала. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 14 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу обнаружения ядерного материала, возможно спрятанного в контейнере и т.п.

Уровень техники

По всему миру возрастает угроза терроризма с применением ядерных материалов (специальных ядерных материалов), таких как уран-235 и плутоний-239. Для заблаговременного предотвращения террористических угроз таким организациям, как «Инициатива портового контроля» (Megaports Initiative) в Соединенных Штатах необходимо развитие технологии для обнаружения ядерного материала, спрятанного в контейнере и т.п.

Тем не менее, в настоящее время отсутствуют технологии, способные с высокой надежностью осуществлять неразрушающий контроль с использованием простого устройства, например портативного устройства, применительно к контейнеру, если есть подозрение, что в нем спрятан ядерный материал.

Например, одним из способов обнаружения ядерного материала может быть облучение контейнера сильным излучением, таким как рентгеновское излучение и т.п., и измерение нейтронов и гамма лучей, генерируемых в результате ядерных реакций в ядерном материале внутри контейнера. Тем не менее, в таком случае, для генерации сильного излучения необходим ускоритель частиц большого размера, и применять такой ускоритель на практике в виде переносного устройства чрезвычайно сложно.

В патентном документе 1 описано небольшое и простое устройство проверки/анализа, использующее нейтроны, и предназначенное для проверки и анализа образца путем облучения образца (материала) нейтронами, генерируемыми при реакции ядерного синтеза, с последующим использованием рассеяния нейтронов, нейтронной радиографии, анализа индуцированного нейтронами мгновенного гамма-излучения, нейтронно-активационного анализа или анализ отражающей нейтроны поверхности.

Список источников

Патентный документ 1: опубликованная заявка на патент JP 2003-315289.

Сущность изобретения

Техническая задача

В устройстве, раскрытом в патентном документе 1, используют технологию, в которой из нейтронов, генерируемых источником нейтронов, выделяют нейтроны, обладающие особой длиной волны, отобранные нейтроны, обладающие особой длиной волны, используют для облучения образца, и детектируют нейтроны, рассеянные образцом.

Тем не менее, обнаружение ядерного материала, возможно спрятанного в контейнере и т.п., по существу невозможно с применением такой технологии, и эту технологию нельзя свести к практическому использованию в виде устройства обнаружения ядерного материала.

Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в создании устройства обнаружения ядерного материала и способа обнаружения ядерного материала, которые способны с высокой эффективностью обнаруживать ядерный материал, и которые можно применять на практике.

Решение задачи

Настоящее изобретение представляет собой устройство обнаружения ядерного материала, предназначенное для обнаружения ядерного материала в объекте. Устройство обнаружения ядерного материала включает в себя: источник нейтронов, выполненный с возможностью генерации нейтронов, используемых для облучения объекта; блок детектирования, способный детектировать нейтроны, включая первичные нейтроны, испускаемые из источника нейтронов, и вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала; и блок обработки, выполненный с возможностью осуществления анализа реакторного шума на основе данных, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов. Источник нейтронов генерирует нейтроны в импульсном режиме. Блок обработки выполняет анализ реакторного шума на основе данных, полученных путем исключения из данных временного ряда, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов, данных временного интервала, включающего временной промежуток генерации, в течение которого источник нейтронов генерирует нейтроны в импульсном режиме.

Нейтроны, детектированные блоком детектирования, включают в себя первичные нейтроны, испускаемые источником нейтронов, и, если в объекте скрыт ядерный материал, вторичные нейтроны, полученные при ядерной реакции деления ядерного материала. Для обнаружения ядерного материала необходимо детектировать вторичные нейтроны, однако детектирование вторичных нейтронов становится затруднительным из-за воздействия первичных нейтронов (т.е. первичные нейтроны являются фоном).

Таким образом, в настоящем изобретении нейтроны (первичные нейтроны) испускаются из источника нейтронов в импульсном режиме, и выполняется анализ реакторного шума, заключающийся в исключении из данных временного ряда, полученных путем детектирования нейтронов блоком детектирования, данных временного интервала, в течение которого ожидается сильное воздействие первичных нейтронов. Таким образом, может быть усилена способность обнаруживать ядерный материал, и можно получить устройство обнаружения ядерного материала, применимое на практике.

Более того, предпочтительно, чтобы блок обработки в дополнение к формированию данных временного ряда отбирал данные, полученные путем исключения данных указанного временного интервала из данных временного ряда, и выполнял анализ реакторного шума на основе отобранных данных, чтобы получить составляющую шума.

В этом случае данные временного интервала, в котором имеет место сильное воздействие первичных нейтронов, генерируемых источником нейтронов в импульсном режиме, можно исключить из данных временного ряда, и можно отобрать данные временного интервала, в котором воздействие первичных нейтронов слабое. На основе отобранных данных временного интервала можно выполнить анализ реакторного шума с тем, чтобы получить составляющая шума (Y-значение).

Более того, предпочтительно, чтобы блок обработки задавал в качестве указанного временного интервала промежуток от момента начала генерации нейтронов, генерируемых источником нейтронов в импульсном режиме, до момента после истечения периода, в 500-5000 раз превышающего время генерации нейтронов, и исключал данные указанного временного интервала из данных временного ряда.

В этом случае можно эффективно исключить воздействие первичных нейтронов, генерируемых источником нейтронов в импульсном режиме, и благодаря сокращению количества данных, исключенных из данных временного ряда, можно уменьшить статистическую ошибку в процессе анализа реакторного шума.

Более того, предпочтительно, чтобы источник нейтронов генерировал нейтроны, используя реакцию ядерного синтеза двух атомов дейтерия.

Если сравнивать реакцию ядерного синтеза дейтерия и трития (далее также называемую реакцией DT-синтеза), то хотя реакция синтеза двух атомов дейтерия (далее называемая также реакцией DD-синтеза) хуже с точки зрения количества генерируемых нейтронов, скрытый ядерный материал можно обнаружить даже при использовании в источнике нейтронов реакции DD-синтеза, так как способность обнаружения ядерного материала можно улучшить, как описано выше. Более того, так как в реакции DD-синтеза не используется тритий, устройство безопасно, и с ним можно легко обращаться.

Более того, предпочтительно, чтобы, источник нейтронов и/или блок детектирования были установлены на подвижном корпусе, который перемещается относительно поверхности дороги.

Чтобы установить источник нейтронов на подвижный корпус, необходимо уменьшить размер источника нейтронов. Так как способность обнаружения ядерного материала можно улучшить, как описано выше, то для генерации нейтронов достаточно источника нейтронов небольшого размера, вместо источника нейтронов большого размера для генерации большого количества нейтронов. В результате, становится возможной установка источника нейтронов на подвижный корпус. В дополнение, так как можно улучшить способность обнаружения ядерного материала, блок детектирования можно уменьшить в размерах, и становится возможной установка блока детектирования на подвижный корпус.

Следует отметить, что в качестве подвижного корпуса можно использовать автомобиль, такой как грузовик и т.п., у которого есть грузовая платформа, а на грузовую платформу можно установить источник нейтронов и/или блок детектирования.

Более того, может иметься один подвижный корпус, и можно установить на этот подвижный корпус и источник нейтронов, и блок детектирования, либо может иметься два подвижных корпуса, и можно установить источник нейтронов и блок детектирования на отдельных подвижных корпусах.

Более того, направление от источника нейтронов к объекту и направление от объекта к блоку детектирования предпочтительно являются пересекающимися.

В этом случае можно предотвратить непосредственное облучение блока детектирования нейтронами, испускаемыми в направлении от источника нейтронов к объекту.

Кроме того, предпочтительно, чтобы источник нейтронов был выполнен с возможностью генерации нейтронов с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия; блок детектирования обладал возможностью детектирования нейтрона вместе с его энергией; а блок обработки был выполнен с возможностью определения того, что нейтроны, детектированные блоком детектирования, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию нейтронов, которые были сгенерированы при реакции ядерного синтеза и достигли блока детектирования.

В этом случае, если нейтроны генерируют источником нейтронов с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия (реакцию DD-синтеза), то максимальная энергия первичных нейтронов, достигших блока детектирования, принимает определенное значение (2,45 МэВ). С другой стороны, вторичные нейтроны, генерируемые в ядерном материале, который необходимо обнаружить, включают в себя большее количество нейтронов, обладающих энергией выше указанной определенной величины (2,45 МэВ). Таким образом, если установить в качестве детектируемых нейтроны, обладающие энергией выше максимальной энергии нейтронов, генерируемых при реакции DD-синтеза, первичные нейтроны не будут являться фоном, и можно установить наличие ядерного материала, если обнаружен нейтрон, энергия которого превышает указанную максимальную энергию.

Более того, можно параллельно выполнять обнаружение (первый процесс обнаружения) ядерного материала посредством анализа реакторного шума, и обнаружение (второй процесс обнаружения) ядерного материала на основе детектирования нейтронов, энергия которых превышает указанную максимальную энергию. В этом случае надежность обнаружения ядерного материала увеличивается, так как один из процессов детектирования дублирует другой процесс обнаружения, а второй процесс обнаружения дублирует первый процесс обнаружения.

Более того, настоящее изобретение представляет собой способ обнаружения ядерного материала, предназначенный для обнаружения ядерного материала в объекте. Способ включает в себя следующие этапы: облучение объекта нейтронами в импульсном режиме; детектирование нейтронов, включая первичные нейтроны, используемые для облучения, и вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала; и анализ реакторного шума на основе данных, полученных посредством детектирования. В настоящем изобретении, анализ реакторного шума выполняется на основе данных, полученных путем исключения из данных временного ряда, полученных путем детектирования нейтронов, данных временного интервала, включающего временной промежуток генерации, во время которого генерируют нейтроны в импульсном режиме.

С помощью настоящего изобретения можно получить действия и эффекты аналогичные действиям и эффектам устройства обнаружения ядерного материала.

Следует отметить, что технология, применяемая для обнаружения ядерного материала в устройстве обнаружения ядерного материала и в способе обнаружения ядерного материала настоящего изобретения, не является рассеянием нейтронов, нейтронной радиографией, анализом индуцированного нейтронами мгновенного гамма-излучения, нейтронно-активационным анализом или анализом отражающей нейтроны поверхности, описанными в патентном документе 1, а представляет собой технологию измерения нейтронов, генерируемых при ядерной реакции деления, индуцированной облучением нейтронами.

Полезные эффекты изобретения

В настоящем изобретении выполняют анализ реакторного шума, состоящий в исключении из данных временного ряда, полученных при детектировании нейтронов, данных временного интервала, в течение которого ожидается сильное воздействие первичных нейтронов, генерируемых в импульсном режиме. Таким образом, возможна обработка на основе данных, которые меньше подвержены воздействию первичных нейтронов. В результате можно улучшить способность обнаружения ядерного материала, и становится возможным получить устройство обнаружения ядерного материала и способ обнаружения ядерного материала, которые можно применять на практике.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - схема расположения, показывающая один вариант устройства обнаружения ядерного материала настоящего изобретения.

Фиг. 2 - поясняющий рисунок для описания работы источника нейтронов.

Фиг. 3 - поясняющий график данных, сформированных блоком обработки.

Фиг. 4 - поясняющий график для описания работы блока обработки.

Фиг. 5 - поясняющий график данных, сформированных блоком обработки.

Фиг. 6 - поясняющий рисунок, показывающий схематическую конфигурацию экспериментального устройства.

Фиг. 7 - графики, показывающие Y-значения, полученные блоком обработки посредством статистической обработки.

Фиг. 8 - поясняющий график энергии нейтронов.

Фиг. 9 - поясняющий рисунок, показывающий вычислительную архитектуру для моделирования измерения энергии нейтронов.

Фиг. 10 - график, показывающий энергетический спектр нейтронов, обнаруженных блоком детектирования.

Фиг. 11 - вид в плане, показывающий модификацию устройства обнаружения ядерного материала.

Фиг. 12 - вид в плане, показывающий еще одну модификацию устройства обнаружения ядерного материала.

Фиг. 13 - график, показывающий Y-значения, полученные блоком обработки посредством статистической обработки (в случае применения сигналов от множества детекторов).

Фиг. 14 - график, показывающий распределение высоты волн, полученное при измерении нейтронов, генерируемых источником нейтронов посредством реакции DD-синтеза, с использованием жидкого сцинтиллятора.

Варианты осуществления изобретения

Ниже, на основании чертежей описаны варианты осуществления настоящего изобретения.

1. Общая конфигурация устройства обнаружения ядерного материала

На фиг. 1 приведен вид в плане, показывающий один вариант устройства обнаружения ядерного материала настоящего изобретения. Устройство 1 обнаружения ядерного материала (далее - устройство 1 обнаружения) представляет собой устройство, выполненное с возможностью, используя генерируемые нейтроны, обнаруживать ядерный материал 4 (специальный ядерный материал), возможно, скрытый в контейнере 3, который является объектом контроля. Например, во время процедуры распределения контейнера 3 с помощью устройства 1 обнаружения необходимо обнаружить ядерный материал 4, такой как уран-235 или плутоний-239, скрытый в контейнере 3. На фиг. 1 показана ситуация, при которой 1 кг урана-235, для усложнения обнаружения покрытый защитным материалом 5 (железо толщиной 2 см), скрыт в контейнере 3.

Устройство 1 обнаружения настоящего изобретения может быть установлено на транспортное средство, и представляет собой устройство, которое наносит небольшой ущерб с точки зрения радиоактивного загрязнения, даже если с небольшой вероятностью произойдет авария. Таким образом, устройство 1 обнаружения имеет небольшой размер и может быть установлено на грузовую платформу автомобиля, например, грузовика, и имеет источник 10 нейтронов, выполненный с возможностью генерации нейтронов. Источник 10 нейтронов генерирует нейтроны с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия (далее реакция DD-синтеза).

Устройство 1 обнаружения включает в себя источник 10 нейтронов, выполненный с возможностью генерации нейтронов, применяемых для облучения контейнера 3, блок 20 детектирования, который может детектировать нейтроны, и блок 30 обработки, выполненный с возможностью выполнять обработку данных на основе данных, полученных при детектировании нейтронов блоком 20 детектирования. Устройство 1 обнаружения также включает в себя коллиматор 11 (защитный корпус), чтобы эффективно облучать контейнер 3 генерируемыми нейтронами.

В настоящем варианте источник 10 нейтронов и коллиматор 11 установлены на грузовую платформу первого автомобиля (грузовика) Т1, а блок 20 детектирования и блок 30 обработки установлены на грузовую платформу второго автомобиля (грузовика) Т2.

Автомобили Т1 и Т2 останавливают около контейнера 3, так чтобы источник 10 нейтронов и блок 20 детектирования располагались рядом с контейнером 3, в котором возможно скрыт ядерный материал 4.

Затем, область радиусом около 5 метров объявляется запретной, чтобы не допустить облучение нейтронными лучами, генерируемыми источником 10 нейтронов, включается источник 10 нейтронов и, при облучении контейнера 3 нейтронами, выполняется измерение нейтронов с помощью блока 20 детектирования. Наличие 1 кг урана-235, скрытого в контейнере 3, обнаруживается при продолжительности проверки примерно 10 минут.

На фиг. 2 приведен поясняющий рисунок для описания работы источника 10 нейтронов. Как показано на фиг. 2, источник 10 нейтронов генерирует нейтроны в импульсном режиме в каждом заданном промежутке времени ΔН посредством реакции DD-синтеза. Заданный промежуток времени ΔН представляет собой период повторения импульсов, и длительность этого периода может быть установлена равной от 50 миллисекунд до 1 секунды (что дает частоту цикла генерации от 20 Гц до 1 Гц). В настоящем варианте нейтроны генерируются с интервалом 100 миллисекунд. Время ΔТр, в течение которого генерируются нейтроны, можно установить равным от 5 до 50 микросекунд, и в настоящем варианте оно установлено равным 10 микросекунд. Время ΔТр генерации нейтронов соответствует времени облучения нейтронами из источника 10 нейтронов. Следует отметить, что импульсный режим генерации может отличаться от пульсации с прямоугольными волнами, пульсации с дельтавидными волнами и т.п.

Источник 10 нейтронов генерирует нейтроны, например, путем создания плазмы в сферическом контейнере, диаметр которого равен несколько десятков сантиметров, и который заполнен газообразным дейтерием, чтобы индуцировать реакцию ядерного синтеза (реакцию DD-синтеза), заданную следующей формулой (1):

Если источник 10 нейтронов выполнен на основе реакции ядерного синтеза дейтерия и трития (реакции DT-синтеза), то плазму создают в аналогичном сферичном контейнере, заполненном смесью газообразного дейтерия и трития. В этом случае нейтроны генерируются при индуцированной реакции ядерного синтеза в соответствии со следующей формулой (2):

Следует отметить, что в скобках в правой части каждой из формул (1) и (2) представлены значения кинетической энергии каждой частицы, генерируемой при реакциях ядерного синтеза. Эти значения энергии определяют на основе закона сохранения энергии и закона сохранения импульса до и после реакций. В реакции DD-синтеза в соответствии с формулой (1) испускается моноэнергетический нейтрон (в формуле обозначенный «n») с энергией 2,45 МэВ; в то время как в реакции DT-синтеза в соответствии с формулой (2) испускается моноэнергетический нейтрон (в формуле обозначенный «n») с энергией 14,06 МэВ.

Блок 20 детектирования может детектировать нейтроны, и эти нейтроны включают нейтроны (называемые первичными нейтронами), испускаемые из источника 10 нейтронов, и, если в контейнере 3 скрыт ядерный материал 4, нейтроны (называемые вторичными нейтронами), генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала 4. Следует отметить, что в ядерном материале 4 кроме ядерной реакции деления, индуцированной первичными нейтронами, имеют место случаи, когда ядерная реакция деления вызвана вторичными нейтронами, генерируемыми при ядерной реакции деления ядерного материала 4.

Блок 20 детектирования включает в себя множество установленных рядом друг с другом детекторов. К тому же, могут использоваться детекторы различных типов. Кроме того, блок 20 детектирования может включать в себя множество типов детекторов. Например, блок 20 детектирования включает в себя детектор на основе гелия-3 и органический жидкий сцинтиллятор. Для первого процесса обнаружения, описанного ниже, блок 20 детектирования включает в себя детектор на основе гелия-3. Для второго процесса обнаружения, описанного ниже, блок 20 детектирования включает в себя органический жидкий сцинтиллятор.

Блок 30 обработки сформирован компьютером, у которого имеется процессор (CPU), запоминающее устройство и устройство ввода-вывода. На компьютере установлена компьютерная программа, предназначенная для выполнения процессов обнаружения ядерного материала на основе данных, полученных при детектировании блоком 20 детектирования. Выполняя компьютерную программу, компьютер выполняет функцию блока 30 обработки и осуществляет формирование данных заданного вида из выходных сигналов блока 20 детектирования, анализ реакторного шума и измерение энергии нейтронов, описанные ниже.

2. Процесс, выполняемый блоком 30 обработки

2.1. Формирование данных заданного вида из выходных сигналов блока 20 детектирования

Нейтроны, детектированные блоком 20 детектирования (детектором на основе гелия-3), содержат не только вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала, но также и первичные нейтроны, испускаемые источником 10 нейтронов. Когда блок 20 детектирования обнаруживает такой нейтрон, блок 20 детектирования выдает соответствующий сигнал детектирования, и блок 30 обработки получает сигнал детектирования, который затем обрабатывается для формирования данных заданного вида.

На фиг. 3 приведен поясняющий график данных, сформированных блоком 30 обработки. На фиг. 3 по горизонтальной оси откладывается время Т, а по вертикальной оси откладывается результат детектирования нейтронов, детектируемых блоком 20 детектирования. В частности, когда вторичный нейтрон достигает блока 20 детектирования, блок 20 детектирования выдает сигнал в блок 30 обработки. Таким образом, когда отдельный вторичный нейтрон достигает блока 20 детектирования, блок 30 обработки регистрирует один отсчет, указанный стрелкой А на фиг. 3. В одном цикле импульсной генерации нейтронов от момента времени Tp1 до Тр2, показанных на фиг. 3, посчитано шесть вторичных нейтронов.

Кривая, указанная стрелкой В на фиг. 3, отображает интенсивность счета первичных нейтронов, испускаемых источником 10 нейтронов и достигших блока 20 детектирования.

Как показано на фиг. 2, когда за каждый заданный промежуток времени ΔН генерируется нейтронный импульс, генерируемые нейтроны (первичные нейтроны) сталкиваются, например, с различными объектами в контейнере 3 и рассеиваются или поглощаются, и их число изменяется. Таким образом, изменение во времени интенсивности первичных нейтронов, достигающих блока 20 детектирования, принимает форму кривой, показанной стрелкой В в каждом отдельном цикле импульса от момента Tp1 до Тр2, показанных на фиг. 3.

Далее описана форма указанной кривой. Источник 10 нейтронов генерирует нейтронный импульс через заданные промежутки времени ΔН (частота цикла 10 Гц). На фиг. 3 момент начала (время начала генерации) генерации нейтронных импульсов обозначен через Tpn (n=1,2,3,…) и число (интенсивность счета) нейтронов, поступающих в блок 20 детектирования, достигает пика в промежутке времени непосредственно после момента Tpn. После этого пика число нейтронов снижается экспоненциально. Затем, при многократном повторении нейтронных импульсов источником 10 нейтронов, кривая, отображающая интенсивность излучения нейтронов, продолжается, как показано на фиг. 3. Как было описано выше, блок 30 обработки формирует данные D1 временного ряда (см. фиг. 3), показанные на фиг. 3 из сигнала, выдаваемого блоком 20 детектирования после детектирования нейтронов (первичных нейтронов и вторичных нейтронов).

Более того, как показано на фиг. 4, блок 30 обработки формирует данные, полученные путем исключения из данных D1 временного ряда данных первого временного интервала ΔА, включающего временной промежуток ΔТр генерации, в течение которого источник 10 нейтронов генерирует нейтроны в импульсном режиме. Данные временного ряда, полученные при выполнении этого исключения части данных, называют скорректированными данными D2 временного ряда (см. фиг. 5). Блок 30 обработки выполняет анализ реакторного шума, описанный ниже, на основе скорректированных данных D2 временного ряда.

Блок 30 обработки задает в качестве первого временного интервала ΔА промежуток от момента Tpn (n=1, 2, 3,…) начала генерации нейтронов, генерируемых в импульсном режиме источником 10 нейтронов, до момента после истечения периода, в 500-5000 раз превышающего продолжительность временного промежутка ΔТр генерации нейтронов, и исключает данные первого временного интервала ΔА из данных D1 временного ряда.

В настоящем варианте время ΔТр генерации нейтронов составляет 10 микросекунд, а 5000 таких промежутков, т.е. 50 миллисекунд, составляют первый временной интервал ΔА.

Как показано на фиг. 4, временной интервал, входящий в один цикл нейтронных импульсов, генерируемых источником 10 нейтронов, включает в себя первый временной интервал ΔА, содержащий временной промежуток ΔТр генерации нейтронных импульсов и второй временной интервал ΔВ, следующий за ним. Так как частота циклов генерации нейтронных импульсов равна 10 Гц (промежуток времени 100 миллисекунд), то если первый временной интервал ΔА равен 50 миллисекунд, то второй временной интервал ΔВ равен оставшимся 50 миллисекундам.

Данные, полученные путем расположения оставшихся данных второго временного интервала ΔВ в хронологическом порядке, становятся скорректированными данными D2 временного ряда. Таким образом, скорректированные данные D2 временного ряда (см. фиг. 5) состоят из данных, образованных из непрерывных данных второго временного интервала ΔВ.

Как показано на фиг. 4 и 5, блок 30 обработки, в дополнение к формированию данных D1 временного ряда, отбирает данные второго временного интервала ΔВ, полученные путем исключения данных первого временного интервала ΔА из данных D1 временного ряда в каждом цикле генерации нейтронов источником 10 нейтронов, и выполняет описанный ниже анализ реакторного шума на основе отобранных данных (скорректированных данных D2 временного ряда).

При этом блок 30 обработки выполняет процесс на основе распределения интенсивности счета нейтронов (нейтронного шума) во втором временном интервале ΔВ, после того, как до некоторой степени снизится интенсивность счета первичных нейтронов.

Среди нейтронов, обнаруженных блоком 20 детектирования в первом временном интервале ΔА, преобладают мгновенные нейтроны, генерируемые сразу после импульса нейтронного излучения источником 10 нейтронов; тогда как среди нейтронов, обнаруженных блоком 20 детектирования во втором временном интервале ΔВ, преобладают запаздывающие нейтроны, генерируемые с задержкой после импульса нейтронного излучения из источника 10 нейтронов. Таким образом, второй временной интервал ΔВ также называют интервалом задержки.

2.2. Анализ реакторного шума

Блок 30 обработки выполняет анализ реакторного шума на основе скорректированных данных D2 временного ряда, представленных на фиг. 5, и получает составляющую шума (Y-значение). Затем, блок 30 обработки определяет, превосходит или нет составляющая шума (Y-значение) необходимое значение (порог), и, если оказалось, что превосходит, заключает, что в контейнере 3 скрыт ядерный материал 4.

Составляющую шума (Y-значение) получают по следующей формуле (3):

Таким образом, для скорректированных данных D2 временного ряда, сформированных путем детектирования нейтронов блоком 20 детектирования в течение необходимого периода времени (например, 5 минут), начиная от старта генерации нейтронных импульсов; подсчитывают число отсчетов в пределах окна определенной ширины, вычисляют среднее и дисперсию отсчетов, полученных в течение необходимого периода времени, и на основе среднего и дисперсии получают величину (составляющую шума), называемую Y-значением анализа реакторного шума.

Затем, после изменения указанной ширины окна выполняют процесс, аналогичный описанному выше. В результате этого процесса получают графики (А) и (В), приведенные на фиг. 7 и описанные ниже на отдельном примере. В настоящем варианте, так как данные из интервала 50 миллисекунд второго временного интервала ΔВ по истечении 50 миллисекунд и до 100 миллисекунд, следующих за генерацией нейтронного импульса в каждом цикле нейтронных импульсов, анализируют как отдельный блок, то максимальное значение указанной ширины окна составляет 50 миллисекунд.

Технология, используемая устройством 1 обнаружения для обнаружения ядерного материала 4, представляет собой технологию измерения нейтронов, генерируемых при ядерной реакции деления, индуцированной нейтронным облучением. Таким образом, даже если ядерный материал 4 скрыт в контейнере 3, то, так как в ядерном материале 4 возникает цепная реакция деления ядер и детектированные нейтроны в результате этого отклоняются от распределения Пуассона, то можно исследовать наличие ядерного материала 4 путем получения Y-значения, которое является уровнем указанного отклонения.

2.3. Отдельный пример анализа реакторного шума

Далее описан отдельный пример процесса формирования данных D1 временного ряда и скорректированных данных D2 временного ряда, а также измерение нейтронного шума, включая анализ реакторного шума.

На фиг. 6 приведен поясняющий рисунок, показывающий схематическую конфигурацию экспериментального устройства для отдельного примера. Следует отметить, что в экспериментальном устройстве источник 10 нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов не с помощью реакции DD-синтеза, а посредством реакции ядерного синтеза дейтерия и трития (в дальнейшем также называемой реакцией DT-синтеза).

На тритиевую мишень 22 направляют импульсный пучок ионов дейтерия, и получают нейтроны в результате реакции DT-синтеза. Скорость получения нейтронов на тритиевой мишени 22, которая является точкой генерации, составляет в среднем 108 нейтронов в секунду.

При облучении высокообогащенного урана (ядерного материала 4) нейтронами, генерируемыми источником 10 нейтронов в импульсном режиме, нейтроны детектируются блоком 20 детектирования, содержащим детекторы 21 на основе гелия-3.

В этом примере, эксперимент по детектированию нейтронов выполнялся с помощью блока 20 детектирования для трех случаев: 0,5 кг, 0,25 кг высокообогащенного урана (ядерного материала 4), и случай, в котором отсутствует высокообогащенный уран (ядерный материал 4). Полученные данные D1 временного ряда со значениями интенсивности счета нейтронов, обнаруженных блоком 20 детектирования, показаны на фиг. 3. Из данных D1 временного ряда отобраны данные второго временного интервала ΔВ (интервала задержки), где преобладают запаздывающие нейтроны, и на котором меньше воздействие облучения нейтронными импульсами (см. фиг. 5). Затем, скорректированные данные D2 временного ряда, полученные путем отбора данных второго временного интервала ΔВ и расположения их в хронологическом порядке, подвергают статистической обработке блоком 30 обработки, чтобы вычислить составляющую шума, называемую Y-значением.

На фиг. 7 графики (А) и (В) показывают Y-значения, полученные блоком 30 обработки посредством статистической обработки. На фиг. 7, график (А) представляет случай, в котором имелось 0,5 кг высокообогащенного урана (ядерного материала 4) (стрелка К1), и для сравнения показан случай без высокообогащенного урана (стрелка К0). По горизонтальной оси откладывают ширину окна. На фиг. 7, график (В) показывает случай, в котором имелось 0,25 кг высокообогащенного урана (ядерного материала 4) (стрелка К2), и для сравнения показан случай без высокообогащенного урана (стрелка К0).

Как показано на каждом графике (А) и (В) на фиг. 7, по Y-значениям ясно видно наличие высокообогащенного урана (ядерного материала 4) и зависимость от его количества.

В условиях настоящего эксперимента наличие 0,25 кг высокообогащенного урана (ядерного материала 4) можно обнаружить за 10 минут. Таким образом, например, если количество урана, который является ядерным материалом 4, в варианте, показанном на фиг. 1, составляет 1 кг, значит количество урана в варианте, показанном на фиг. 1, в четыре раза больше количества урана в настоящем эксперименте. Так как скорость генерации нейтронов источником 10 нейтронов в настоящем эксперименте и в варианте, показанном на фиг. 1, равна в среднем 10 нейтронов в секунду, то наличие высокообогащенного урана в варианте, показанном на фиг. 1, можно определить в течение достаточно приемлемого с практической точки зрения периода времени с использованием блока 20 детектирования, имеющего, например, четыре детектора 21 на основе гелия-3 в варианте, показанном на фиг. 1.

Следует отметить, что хотя блок 20 детектирования включает в себя четыре детектора 21 на основе гелия-3, как описано выше, графики (А) и (В), приведенные на фиг. 7, представляют собой графики, отображающие Y-значения, полученные посредством статистической обработки сигналов от одного из четырех детекторов 21. Так и в настоящем примере, хотя Y-значения можно получить из сигналов от одного детектора 21, более предпочтительно получать Y-значения на основе сигналов от нескольких детекторов 21. Например, график, приведенный на фиг. 13, отображает Y-значения, полученные посредством статистической обработки сигналов от всех детекторов 21. График, приведенный на фиг. 13, аналогичен графику (А), приведенному на фиг. 7, с той точки зрения, что отображает Y-значения, полученные блоком 30 обработки посредством статистической обработки в случае, когда имелось 0,5 кг высокообогащенного урана (ядерного материала 4) (стрелка К1), и для сравнения показан случай, в котором не было высокообогащенного урана (стрелка К0). Тем не менее, график, приведенный на фиг. 13, отображает Y-значения, полученные посредством статистической обработки сигналов от всех девяти детекторов 21, содержащихся в блоке 20 детектирования.

В случае, представленном на фиг. 13, по сравнению со случаем графика (А) на фиг. 7, более явно видна разница между наличием и отсутствием высокообогащенного урана. В частности, как следует из разницы масштабов по горизонтальной оси графика, представленного на фиг. 13, и графика (А) на фиг. 7, в случае фиг.13 разница между наличием и отсутствием высокообогащенного урана появляется за более короткий период времени. Таким образом, получая Y-значения на основе сигналов от нескольких детекторов 21, можно более четко и за более короткий период времени выявить наличие или отсутствие высокообогащенного урана. Таким образом, увеличивая число детекторов 21, содержащихся в блоке 20 детектирования и используя сигналы от этих детекторов 21, можно дополнительно уточнить разницу между наличием или отсутствием высокообогащенного урана в виде Y-значений, и разницу можно определить за более короткий промежуток времени.

2.4. Обустройстве детектирования для выполнения измерения нейтронного шума, включая анализ реакторного шума

Нейтроны, обнаруженные блоком 20 детектирования, включают первичные нейтроны, испускаемые из источника 10 нейтронов, и, если в контейнере 3 скрыт ядерный материал 4, вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала 4. Хотя детектирование вторичных нейтронов необходимо для выявления наличия ядерного материала 4, детектирование вторичных нейтронов иногда становится затруднительным из-за воздействия первичных нейтронов. А именно, первичные нейтроны становятся фоном, из-за чего сложнее детектировать вторичные нейтроны.

Тем не менее, в устройстве 1 обнаружения в соответствии с настоящим вариантом нейтроны (первичные нейтроны) генерируются посредством источника 10 нейтронов в импульсном режиме, и анализ реакторного шума выполняется после исключения данных первого временного интервала ΔА, в течение которого ожидается сильное воздействие первичных нейтронов, из данных D1 временного ряда, полученных путем детектирования нейтронов блоком 20 детектирования. Таким образом, блок 30 обработки выполняет анализ реакторного шума на основе скорректированных данных D2 временного ряда, которые меньше подвержены воздействию первичных нейтронов.

Составляющую шума (Y-значение) получают следующим образом: исключают из данных D1 временного ряда данные первого временного интервала ΔА, которые подвержены более сильному воздействию первичных нейтронов, генерируемых источником 10 нейтронов в импульсном режиме; отбирают данные второго временного интервала ΔВ, которые подвержены воздействию первичных нейтронов в меньшей степени; и выполняют анализ реакторного шума на основе отобранных скорректированных данных D2 временного ряда второго временного интервала ΔВ.

В процессе анализа реакторного шума можно уловить характерную тенденцию, связанную с цепной реакцией деления ядер в ядерном материале 4, поэтому ядерный материал 4 можно обнаружить даже в присутствии испускаемых нейтронов, которые выступают в роли фона. Таким образом, так как разница между наличием и отсутствием ядерного материала 4 становится более явной при рассмотрении Y-значений, то можно улучшить способность обнаружения ядерного материала 4, и получить устройство детектирования, применимое на практике.

Как и в варианте, описанном выше (см. фиг. 4), блок 30 обработки задает в качестве первого временного интервала ΔА промежуток от момента (например, момента времени Tp1) начала генерации нейтронного импульса, генерируемых источником 10 нейтронов, до момента по истечении периода, в 500-5000 раз превышающего время ΔТр генерации нейтронов, и исключает данные первого временного интервала ΔА из данных D1 временного ряда. В результате, можно исключить воздействие первичных нейтронов, генерируемых источником 10 нейтронов в импульсном режиме, и уменьшить статистическую ошибку в процессе анализа реакторного шума посредством снижения, насколько это возможно, количества данных, исключенных из данных D1 временного ряда.

Более того, несмотря на то, что в описанном выше эксперименте, в качестве источника нейтронов применяют реакцию DT-синтеза, источник 10 нейтронов в устройстве 1 обнаружения, показанном на фиг. 1, использует реакцию DD-синтеза. И несмотря на то, что реакция DD-синтеза хуже с точки зрения количества генерируемых нейтронов, по сравнению с реакцией DT-синтеза, скрытый ядерный материал 4 можно обнаружить и при использовании в качестве источника 10 нейтронов реакции DD-синтеза, так как способность обнаружения ядерного материала 4 можно улучшить, благодаря функциям блока 20 детектирования и блока 30 обработки. Более того, так как в реакции DD-синтеза не используется тритий, то устройство безопасно, и просто в обращении.

В частности, хотя источник 10 нейтронов установлен на автомобиле Т1 (подвижном корпусе, который перемещается относительно поверхности дороги), как показано на фиг. 1, благодаря использованию реакции DD-синтеза, можно получить чистое устройство с низкой вероятностью радиоактивного загрязнения, даже если с небольшой вероятностью произойдет авария.

Более того, чтобы установить источник 10 нейтронов на автомобиль Т1, необходимо сократить размер источника 10 нейтронов. Так как способность обнаружения ядерного материала 4 можно улучшить, как описано выше, то для устройства 1 обнаружения настоящего изобретения, достаточно источника нейтронов небольшого размера, вместо источника нейтронов большого размера для генерации большого количества нейтронов. В результате, возможна установка источника 10 нейтронов на автомобиль Т1. В дополнение, так как способность обнаружения ядерного материала 4 можно улучшить, то число детекторов 21 можно сократить до необходимого минимума, и уменьшить общий размер блока 20 детектирования, что позволяет установить блок 20 детектирования на автомобиль Т2.

2.5. Измерение энергии нейтронов

Помимо обнаружения ядерного материала 4 на основе анализа реакторного шума, устройство 1 обнаружения, показанное на фиг. 1, также может обнаруживать ядерный материал 4 на основе измерения энергии нейтронов.

Для этого источник 10 нейтронов генерирует нейтроны с энергией 2,45 МэВ, с использованием реакции DD-синтеза двух атомов дейтерия. Скорость генерации нейтронов этим источником 10 нейтронов составляет в среднем 108 нейтронов в секунду.

Кроме того, блок 20 детектирования может детектировать нейтрон вместе с его энергией. Например, блок 20 детектирования включает в себя детектор 21, имеющий органический жидкий сцинтиллятор. Блок 30 обработки на основе сигнала детектирования от этого детектора 21 может получить энергетический спектр нейтронов.

Как показано в формуле (2), если применяется реакция DT-синтеза, то так как генерируют нейтроны, обладающие высокой энергией 14,06 МэВ, то существуют нейтроны, обладающие максимальной энергией 14,06 МэВ, даже если энергию снижают с использованием замедлителя. Если контейнер 3 облучают этими нейтронами, чтобы индуцировать деление ядер в ядерном материале 4, скрытом в контейнере 3, а измеряют излучаемые нейтроны (вторичные нейтроны), связанные с делением ядер, то среднее значение их энергии составляет примерно 2 МэВ, и оно ниже, чем 14,06 МэВ.

Таким образом, если измеряют нейтроны (вторичные нейтроны), генерируемые при делении ядер ядерного материала 4, то блоком 20 детектирования могут быть обнаружены нейтроны (первичные нейтроны), испущенные вначале, и эти нейтроны (первичные нейтроны) являются фоном. Этот фон возникает, по существу, из-за того, что энергия нейтронов, генерируемых при реакции DT-синтеза, составляет 14,06 МэВ.

Итак, в настоящем варианте применяют реакцию DD-синтеза, выраженную формулой (1).

Если применяется реакция DD-синтеза, то максимальная энергия нейтронов, генерируемых источником 10 нейтронов и достигших блока 20 детектирования, составляет 2,45 МэВ. Среди вторичных нейтронов, генерируемых при делении ядер ядерного материала 4, которые необходимо детектировать, энергией свыше 2,45 МэВ обладают приблизительно 30% от общего числа вторичных нейтронов, как показано на фиг. 8. По этой причине, если использовать конфигурацию для детектирования нейтрона, обладающего энергией свыше 2,45 МэВ, с помощью блока 20 детектирования и блока 30 обработки, то испускаемые нейтроны, по существу не будут являться фоном.

Таким образом, блок 30 обработки устройства 1 обнаружения в соответствии с настоящим вариантом, показанным на фиг. 1, может определять, что обнаруженные блоком 20 детектирования нейтроны, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию (т.е. 2,45 МэВ) нейтронов, генерируемых при реакции DD-синтеза и достигших блока 20 детектирования. Таким образом, среди вторичных нейтронов, генерируемых при ядерной реакции деления, индуцированной в ядерном материале 4 при облучении его нейтронами из источника 10 нейтронов, посредством блока 30 обработки измеряют составляющие, обладающие энергией свыше 2,45 МэВ.

Если установить в качестве детектируемых нейтроны, энергия которых превышает максимальную энергию (2,45 МэВ) нейтронов, генерируемых при реакции DD-синтеза, то первичные нейтроны не будут являться фоном, и блок 30 обработки может определить наличие ядерного материала 4, когда детектируется нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию (2,45 МэВ). Таким образом, при реакции DD-синтеза, если ядерный материал 4 отсутствует в контейнере 3, то блок 20 детектирования должен детектировать только нейтроны, энергия которых меньше или равна 2,45 МэВ. С другой стороны, если обнаружен нейтрон, энергия которого превышает или равна 2,45 МэВ, то можно заключить, что в контейнере 3 имеется ядерный материал 4.

В дополнение, можно обеспечить сокращение размера устройства 1 обнаружения, показанного на фиг. 1, не используя, например, устройство спектрального разделения нейтронов и трубку нейтроновода, так как нет необходимости в выборе нейтронов, которые надо излучить, в зависимости от их энергии.

Более того, использование в качестве источника 10 нейтронов термоядерного устройства разрядного типа настоящего варианта, можно получить устройство небольшого размера, которое можно установить на автомобиль, такой как грузовик, и можно получить необходимую интенсивность нейтронов. В дополнение, так как не используется тритий, то риск открытого радиоактивного загрязнения мал, и устройство можно удобным образом применять в качестве устройства обнаружения, которое можно перемещать на автомобиле и т.п.

2.6. Отдельный пример измерения энергии нейтронов

Далее описан отдельный пример измерения энергии нейтронов с помощью устройства 1 обнаружения, показанного на фиг. 1. Численное моделирование измерения энергии нейтронов было проведено с использованием расчетного кода методом Монте-Карло (MCNP - Monte Carlo N-Particle Transport Code) непрерывной энергии для варианта, показанного на фиг. 1. Вычислительная архитектура изображена на фиг.9. В качестве библиотеки ядерных данных использовалась библиотека JENDL3.3. 1 кг урана-235 разместили в центре сферического экранирующего объекта, выполненного из железа толщиной 2 см, а указанный экранирующий объект расположили в обычном транспортировочном контейнере (20′×8′×8′).

Источник нейтронов, основанный на реакции DD-синтеза, представлял собой точечный источник излучения с энергией 2,45 МэВ, а вокруг него был расположен полиэтиленовый коллиматор толщиной 5 см и шириной (диаметром) 130 см. Замедлитель нейтронов при этом моделировании не применялся. Используя расположение каждого устройства, как на фиг. 9, получили энергетические спектры нейтронов в блоке детектирования и скорость реакции упругого рассеяния между ядром водорода и нейтроном в органическом жидком сцинтилляторе.

Энергетические спектры нейтронов, детектированных блоком детектирования, показаны на фиг. 10. Случай, когда уран-235 отсутствовал, обозначен квадратными маркерами, и, как показано на фиг. 10, нейтроны, энергия которых больше или равна 2,45 МэВ, отсутствуют. С другой стороны, в случае, когда присутствует уран-235 (треугольные маркеры), ясно видно, что энергетический спектр нейтронов выходит за границу 2,45 МэВ, что вызвано индуцированной ядерной реакцией деления. Из результатов скорости реакции, полученных путем расчета, интенсивность нейтронов, обладающих энергией больше или равной 2,45 МэВ, составила 56 отсчетов в секунду.

На графике, приведенном на фиг. 14, представлен результат экспериментального измерения энергетического спектра нейтронов при отсутствии высокообогащенного урана, выполненного блоком 20 детектирования с использованием источника нейтронов, основанного на реакции DD-синтеза, и органического жидкого сцинтиллятора в качестве детектора. Таким образом, на фиг. 14 представлена оценка фона при отсутствии высокообогащенного урана. На графике на фиг. 14 каждая точка отображает результат измерения, а сплошная линия L отображает результат моделирования (расчетное значение падающего монохроматического нейтрона с энергией 2,45 МэВ) нейтронов, генерируемых при реакции DD-синтеза. Таким образом, область высокой энергии (область, равная или превосходящая 0,8 по горизонтальной оси на графике на фиг.14), охваченная сплошной линией L, представляет собой интересующую область энергий равных или превосходящих 2,45 МэВ. Результат, представленный на фиг. 14, говорит о том, что относительно общей интенсивности, составляющей приблизительно 1000 отсчетов в секунду, включая нейтроны от реакции DD-синтеза и другое излучение, фоновый сигнал, возникающий в области энергий равных или превосходящих 2,45 МэВ, составил приблизительно 2 отсчета в секунду.

В численном моделировании, вычислительная архитектура которого приведена на фиг.9, среди вторичных нейтронов, генерируемых ураном-235, измеренная общая интенсивность нейтронов составила приблизительно 200 отсчетов в секунду. Из них, интенсивность вторичных нейтронов, энергия которых больше или равна 2,45 МэВ, что является максимальной энергией испускаемых нейтронов, составила приблизительно 60 отсчетов в секунду.

Так как фоновый сигнал очень слабый и составляет приблизительно 2 отсчета в секунду, то даже при общей интенсивности в измерительном эксперименте (см. фиг. 14) в отсутствие урана примерно 1000 отсчетов в секунду, в случае наличия урана можно ожидать достаточное превышение фона, даже если принять в расчет статистическую ошибку. Таким образом, в варианте, показанном на фиг. 1, наличие 1 кг урана-235 можно обнаружить при продолжительности исследования, равной приблизительно 10 минут.

3. Обнаружение ядерного материала 4 посредством анализа реакторного шума и обнаружение ядерного материала путем измерения энергии нейтронов

В настоящем варианте осуществления можно параллельно выполнять обнаружение (первый процесс обнаружения) ядерного материала посредством анализа реакторного шума, и обнаружение (второй процесс обнаружения) ядерного материала на основе детектирования нейтронов, имеющих энергию выше 2,45 МэВ. В этом случае надежность обнаружения ядерного материала увеличивается, так как один из процессов детектирования служит в качестве дублирующего для второго процесса обнаружения, а второй процесс обнаружения служит в качестве дублирующего для первого процесса обнаружения.

Таким образом, в случае, когда ядерный материал 4 скрыт в контейнере 3, даже если наличие ядерного материала 4 отрицается из-за ошибки детектирования в первом процессе обнаружения, контейнер 3 изучают более подробно, если наличие ядерного материала подтверждается вторым процессом обнаружения, и можно обнаружить скрытый ядерный материал 4, не оставляя его невыявленным.

Следует отметить, что путем применения либо первого процесса обнаружения, либо второго процесса обнаружения вместо использования обоих, задача в предшествующем уровне техники решена и получены необходимые функциональные возможности для получения устройства обнаружения ядерного материала, которое можно применять на практике.

В частности, ниже описано устройство 1 обнаружения, обладающее возможностью выполнения только второго процесса обнаружения.

Устройство 1 обнаружения ядерного материала для обнаружения ядерного материала 4, возможно скрытого в объекте (контейнере 3), причем устройство 1 обнаружения включает в себя:

источник 10 нейтронов, выполненный с возможностью генерации нейтронов, используемых для облучения объекта, с применением реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия;

блок 20 детектирования, способный детектировать нейтроны вместе с их энергией, включая первичные нейтроны, испускаемые из источника 10 нейтронов, и вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала; и

блок 30 обработки, выполненный с возможностью выполнения обработки на основе данных, полученных путем детектирования нейтронов блоком 20 детектирования, причем

блок 30 обработки выполняет процесс определения того, что обнаруженные блоком 20 детектирования нейтроны, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию нейтронов, которые были сгенерированы при реакции ядерного синтеза и достигли блока 20 детектирования.

Для устройства 1 обнаружения, способного выполнять только второй процесс обнаружения, если нейтроны генерируются источником 10 нейтронов, использующим реакцию ядерного синтеза двух атомов дейтерия (реакцию DD-синтеза), то максимальная энергия первичных нейтронов, достигших блока 20 детектирования, принимает определенное значение (2,45 МэВ). С другой стороны, вторичные нейтроны, генерируемые в ядерном материале 4, который необходимо обнаружить, включают в себя большее количество нейтронов с энергией выше определенной величины (2,45 МэВ). Таким образом, если установить в качестве детектируемых нейтроны, обладающие энергией выше максимальной энергии нейтронов, генерируемых при реакции DD-синтеза, то первичные нейтроны не являются фоном, и можно определить наличие ядерного материала, если обнаруживается нейтрон, обладающий энергией выше максимальной энергии.

Необходимо отметить, что при обнаружении (втором процессе обнаружения) ядерного материала посредством измерения энергии нейтронов, хотя источник 10 нейтронов может генерировать нейтроны в импульсном режиме, нейтроны могут генерироваться не в импульсном режиме, а постоянно.

4. Модификация

Вариант, показанный на фиг.1, описывает случай, в котором и источник 10 нейтронов, и блок 20 детектирования установлены на автомобиле, однако, на автомобиле может быть установлен источник 10 нейтронов и/или блок 20 детектирования. Более того, автомобиль может не быть грузовиком, а представлять собой автомобиль, специально приспособленный для устройства 1 обнаружения. Также, несмотря на то, что было сказано, что подвижный корпус, на котором установлен источник 10 нейтронов и/или блок 20 детектирования, и который перемещается относительно поверхности дороги, представляет собой автомобиль, подвижный корпус может не являться автомобилем.

Более того, в варианте, описанном выше (фиг. 1), описан случай, в котором имеется два автомобиля, а источник 10 нейтронов и блок 20 детектирования установлены по-отдельности на автомобилях Т1 и Т2, соответственно. Тем не менее, как показано на фиг. 11, может иметься единственный автомобиль Т (подвижный корпус), и на этом автомобиле могут быть установлены и источник 10 нейтронов, и блок 20 детектирования. На фиг. 11 показано два блока 20 детектирования расположенные таким образом, что источник 10 нейтронов расположен между блоками 20 детектирования.

Более того, в варианте, показанном на фиг. 1, описан случай, в котором первый автомобиль Т1, на котором установлен небольшой источник 10 нейтронов и нейтронный коллиматор 11, и второй автомобиль Т2, на котором установлен блок 20 детектирования для измерения нейтронного шума и измерения энергии нейтронов, припаркованы с двух сторон по бокам контейнера 3. В этом случае направление излучения нейтронов от источника 10 нейтронов в сторону контейнера 3 совпадает с направлением детектирования, которое направлено от контейнера 3 в сторону блока 20 детектирования, для нейтронов, испускаемых из ядерного материала 4 в блок 20 детектирования.

Тем не менее, вместо этого варианта, направление излучения нейтронов от источника 10 нейтронов в сторону контейнера 3, и направление детектирования нейтронов от контейнера 3 в сторону блока 20 детектирования, предпочтительно являются пересекающимися.

Например, как показано на фиг.12, предпочтительно, чтобы источник 10 нейтронов был расположен напротив одной поверхности контейнера 3, выполненного в форме куба, а блок 20 детектирования был расположен напротив другой поверхности контейнера 3. В этом случае можно предотвратить непосредственное облучение первичными нейтронами, испускаемыми в направлении от источника 10 нейтронов в сторону контейнера 3, блока 20 детектирования, и можно более эффективно подавить воздействие первичных нейтронов на блок 20 детектирования.

Как показано на фиг. 11, если используется один автомобиль Т, то направление излучения нейтронов от источника 10 нейтронов в сторону контейнера 3 и направление детектирования нейтронов от контейнера 3 в сторону каждого из блоков 20 детектирования образуют V-образную форму, и эти направления являются пересекающимися друг с другом.

Более того, расположение источника 10 нейтронов и блока 20 детектирования может отличаться от показанного на фиг. 11 и 12, и, например, блок 20 детектирования может быть расположен сверху на контейнере 3 - на фигуре не показано.

В указанном варианте и в каждой из описанных выше модификаций, так как не применяют устройство спектрального разделения нейтронов для выделения нейтронов, имеющих особую длину волны, из всех нейтронов или трубку нейтроновода, предназначенную для направления нейтронов, то испускаемые нейтроны излучаются относительно контейнера 3 не в виде пучка, а широким диапазоном, и, тем самым, увеличивается исследуемый объем, что положительно сказывается на применении устройства 1 обнаружения на практике, а также позволяет обеспечить сокращение размера устройства.

Устройство 1 обнаружения настоящего варианта не ограничено представленными на фигурах вариантами и может быть выполнено в других вариантах, без отклонения от объема настоящего изобретения. То есть, указанные варианты (включая каждую из модификаций), описанные в этом документе, во всех аспектах являются поясняющими, а не ограничивающими. Объем защиты настоящего изобретения не ограничен вариантами, описанными выше, и включает в себя все конфигурации, раскрытые в объеме формулы изобретения, и все модификации эквивалентного объема.

Список ссылочных позиций

1 устройство обнаружения ядерного материала

3 контейнер (объект)

4 ядерный материал

Т1 автомобиль (подвижный корпус)

Т2 автомобиль (подвижный корпус)

10 источник нейтронов

20 блок детектирования

30 блок обработки

ΔΤр время генерации

ΔΗ заданное время

D1 данные временного ряда

ΔΑ первый временной интервал

ΔΒ второй временной интервал

1. Устройство обнаружения ядерного материала для обнаружения ядерного материала в объекте, содержащее:
источник нейтронов, выполненный с возможностью генерации нейтронов, используемых для облучения объекта;
блок детектирования, выполненный с возможностью детектирования нейтронов, включая первичные нейтроны, испускаемые из источника нейтронов, и вторичные нейтроны, генерируемые при ядерной реакции деления ядерного материала; и
блок обработки, выполненный с возможностью выполнения анализа реакторного шума на основе данных, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов, причем
источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов в импульсном режиме, а
блок обработки выполнен с возможностью выполнения анализа реакторного шума на основе данных, полученных путем исключения из данных временного ряда, полученных блоком детектирования при детектировании нейтронов, данных временного интервала, включающего временной промежуток генерации, в течение которого источник нейтронов генерирует нейтроны в импульсном режиме.

2. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 1, в котором блок обработки выполнен с возможностью в дополнение к формированию указанных данных временного ряда отбирать данные, полученные путем исключения данных указанного временного интервала из указанных данных временного ряда, и выполнять анализ реакторного шума на основе отобранных данных, с тем чтобы получить составляющую шума.

3. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 1 или 2, в котором блок обработки выполнен с возможностью задавать в качестве указанного временного интервала промежуток от момента начала генерации нейтронов, генерируемых источником нейтронов в импульсном режиме, до момента после истечения периода, в 500-5000 раз превышающего время генерации нейтронов, и исключать данные указанного временного интервала из указанных данных временного ряда.

4. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 1 или 2, в котором источник нейтронов генерирует нейтроны с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия.

5. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 1 или 2, в котором источник нейтронов и/или блок детектирования установлены на подвижном корпусе, который перемещается относительно поверхности дороги.

6. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 1 или 2, в котором направление от источника нейтронов к указанному объекту и направление от объекта к блоку детектирования являются пересекающимися.

7. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 1 или 2, в котором источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия;
блок детектирования предназначен для детектирования нейтрона вместе с его энергией; и
блок обработки предназначен для определения того, что нейтроны, обнаруженные блоком детектирования, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию нейтронов, которые были сгенерированы при реакции ядерного синтеза и достигли блока детектирования.

8. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 3, в котором источник нейтронов генерирует нейтроны с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия.

9. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 3, в котором источник нейтронов и/или блок детектирования установлены на подвижном корпусе, который перемещается относительно поверхности дороги.

10. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 4, в котором источник нейтронов и/или блок детектирования установлены на подвижном корпусе, который перемещается относительно поверхности дороги.

11. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 3, в котором направление от источника нейтронов к указанному объекту и направление от объекта к блоку детектирования являются пересекающимися.

12. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 4, в котором направление от источника нейтронов к указанному объекту и направление от объекта к блоку детектирования являются пересекающимися.

13. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 5, в котором направление от источника нейтронов к указанному объекту и направление от объекта к блоку детектирования являются пересекающимися.

14. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 3, в котором
источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия;
блок детектирования предназначен для детектирования нейтрона вместе с его энергией; и
блок обработки предназначен для определения того, что нейтроны, обнаруженные блоком детектирования, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию нейтронов, которые были сгенерированы при реакции ядерного синтеза и достигли блока детектирования.

15. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 4, в котором
источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия;
блок детектирования предназначен для детектирования нейтрона вместе с его энергией; и
блок обработки предназначен для определения того, что нейтроны, обнаруженные блоком детектирования, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию нейтронов, которые были сгенерированы при реакции ядерного синтеза и достигли блока детектирования.

16. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 5, в котором
источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия;
блок детектирования предназначен для детектирования нейтрона вместе с его энергией; и
блок обработки предназначен для определения того, что нейтроны, обнаруженные блоком детектирования, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию нейтронов, которые были сгенерированы при реакции ядерного синтеза и достигли блока детектирования.

17. Устройство обнаружения ядерного материала по п. 6, в котором
источник нейтронов выполнен с возможностью генерации нейтронов с использованием реакции ядерного синтеза двух атомов дейтерия;
блок детектирования предназначен для детектирования нейтрона вместе с его энергией; и
блок обработки предназначен для определения того, что нейтроны, обнаруженные блоком детектирования, включают нейтрон, энергия которого превышает максимальную энергию нейтронов, которые были сгенерированы при реакции ядерного синтеза и достигли блока детектирования.

18. Способ обнаружения ядерного материала для обнаружения ядерного материала в объекте, содержащий этапы, на которых:
облучают объект нейтронами в импульсном режиме;
детектируют нейтроны, включая первичные нейтроны, используемые для облучения, и вторичные нейтроны, образованные в результате ядерной реакции деления ядерного материала; и
выполняют анализ реакторного шума на основе данных, полученных при детектировании,
причем анализ реакторного шума выполняют на основе данных, полученных путем исключения из данных временного ряда, полученных при детектировании нейтронов, данных временного интервала, включающего временной промежуток генерации, в течение которого генерируются нейтроны в импульсном режиме.



 

Похожие патенты:

Использование: для бесконтактного измерения влажности материала с помощью нейтронного излучения. Сущность изобретения заключается в том, что контролируемый материал облучают быстрыми нейтронами с энергией 2,5 МэВ, измеряют поток быстрых нейтронов во время нейтронных импульсов, в промежутках между нейтронными импульсами регистрируют тепловые нейтроны, образующиеся в контролируемом материале, нормируют количество зарегистрированных тепловых нейтронов на поток быстрых нейтронов, определяют влажность контролируемого материала путем сравнения нормированного значения количества зарегистрированных тепловых нейтронов со значениями, полученными из калибровочных измерений с тестовыми образцами.

Использование: для исследования внутренней структуры объекта посредством нейтронной радиографии. Сущность заключается в том, что устройство нейтронной радиографии содержит источник проникающего излучения, систему перемещения объекта относительно источника излучения, блок формирования потока излучения в направлении исследуемого объекта, систему получения изображения объекта по поглощенному излучению, при этом данное устройство также содержит линейные нейтронные детекторы, установленные параллельно друг другу с обеих сторон от просвечиваемого объекта и гамма спектрометр, схему временного анализа событий, зарегистрированных в элементах позиционно-чувствительного детектора альфа частиц и в элементах линейных однокоординатных детекторах быстрых нейтронов, причем линейные детекторы, расположенные перед просвечиваемым объектом со стороны источника, экранированы посредством соответствующих экранов, содержащих водородосодержащие вещества, от нейтронов источника, идущих напрямую, а источник проникающего излучения выполнен в виде генератора нейтронов с позиционно-чувствительным детектором альфа частиц.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к контролю положения и/или размеров деталей известной формы по проекционному изображению объекта в потоке проникающего излучения.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно: контролю положения и/или размеров деталей известной формы по проекционному изображению объекта в потоке проникающего излучения.

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для получения терапевтических и диагностических пучков тепловых и промежуточных нейтронов различной геометрической конфигурации, спектрального состава и интенсивности, применяемых при нейтронной терапии злокачественных опухолей человека и животных на одном источнике нейтронов без его реконструкции.

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 исследованию материалов радиационными методами. .

Изобретение относится к области определения характеристик объектов с помощью ионизирующих излучений, конкретнее к области нейтронной дефектоскопии , и может быть использовано , например, для.контроля дефектов в тонких объектах из легких материалов .
Наверх