DE4103448A1 - Verfahren und vorrichtung zur schnellbestimmung von sprengstoffen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur schnellbestimmung von sprengstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Schnellbestimmung von Sprengstoffen in Transportcontainern.
Angesichts ansteigendem Terrorismus gewinnt die schnelle
Entscheidung über das Vorhandensein von Sprengstoff in Gepäckstücken
oder anderen Transportcontainern zunehmend an
Bedeutung.
Normalerweise steht für eine solche Bestimmung relativ wenig
Zeit zur Verfügung, wenn etwa an Sicherheitschecks auf internationalen
Flughäfen gedacht werden sollte. Das Verfahren und
die Vorrichtung müssen demzufolge eine ja/nein Entscheidung
mit hoher statistischer Sicherheit in Sekunden ermöglichen.
Für die Indentifizierung, d. h. die Bestimmung des Sprengstofftyps,
steht dann mehr Zeit zur Verfügung.
Der Nachweis von Sprengstoff erfolgt bisher nach bekannten
Methoden der analytischen Chemie wie z. B. Gaschromatographie,
HPLC, Massenspektrometrie, GCMS, ESR und ggf. NMR. Diese
Methoden fordern jedoch die Verfügbarkeit von Proben der
nachzuweisenden Substanzen. Das können z. B. die Dämpfe der
Sprengstoffe sein, die in geringen Konzentrationen in der
Luft - entsprechend den Dampfdrücken - auftreten. Daraus aber
wird deutlich, daß Probennahme und Bestimmung im Spurenbereich
gewöhnlich eine rasche Gepäckkontrolle ausschließen, da
der erforderliche Zeitaufwand viel zu hoch ist.
Bekannt ist ein kernphysikalisches Verfahren zur Bestimmung
von Sprengstoffen in Gepäckstücken (Godzani, Proc. of XIXth
Japan. Conf. on Radiation and Radioisotopes, 14.-16. Nov. 1989,
Tokio, S. 208-244), das die inelastische Streuung von
Neutronen nutzt, infolge derer die Streukerne prompte Gammastrahlung
aussenden, die mittels eines Halbleiterdetektors
spektrometrisch gemessen werden kann. Nachteil des Verfahrens
ist die Notwendigkeit von Neutronenquellen hoher Intensitäten.
Cf-Quellen und Neutronengeneratoren sind in ihrer Emitanz
begrenzt. Die gleichmäßige Bestrahlkung eines Gepäckstückes
erfordert eine hohe Divergenz des Strahles, so daß
die Bestrahlungszeiten und damit die Inspektionszeiten lang
sind, wenn eine hohe statistische Sicherheit erreicht werden
soll.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur schnellen Bestimmung des Vorhandenseins
von Sprengstoffen in Transportcontainern und deren Identifizierung
ohne Probennahme anzugeben.
Die Erfindung wird dadurch gelöst, daß der zu untersuchende
Container kurzzeitig einer energiereichen Quantenstrahlung
ausgesetzt wird, die eine solche Kernreaktion (auch Kernphotoeffekt)
mit dem zu bestimmenden Element bewirkt, daß ein
kurzlebiger Positronstrahler entsteht. Anschließend wird die
Intensität der bei Annihilation des vom Kern ausgesandten
Positrons mit Hüllenelektronen entstehenden 511 keV-Strahlung
gemessen. Die Strahlungsintensität wird dann als Maß für die
Konzentration der Kerne ¹⁶O, ¹⁴N und ¹²C pro Volumeneinheit
in dem zu untersuchenden Container verwendet und danach wird
aus den Konzentrationen der Kerne ¹⁶O, ¹⁴N und ¹²C auf das
Vorhandensein und die Position von Sprengstoffen geschlossen.
Gleichzeitig mit der Messung der Intensität der bei der
Annihilation des vom Kern ausgesandten Positrons mit Hüllenelektronen
entstehenden Strahlung wird die zeitliche Änderung
der integralen Strahlungsintensität gemessen, die als Maß für
die Konzentrationsverhältnisse der unterschiedliche Halbwertszeiten
aufweisenden Kerne ¹⁵O, ¹³N und ¹¹C verwendet
wird. Aus den Konzentrationsverhältnissen dieser Kerne wird
die Art des Sprengstoffen identifiziert.
Sprengstoffe wie Nitroglyzerin, Trimethyläthan, Pikrinsäure,
Trinitrotoluol oder Nitromethan, bestehen im wesentlichen aus
Kohlenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff. Hohe
Sauerstoff- und Stickstoffanteile im Molekül sind für die
Sprengstoffe typisch. Das Verhältnis zwischen Sauerstoff und
Stickstoff ermöglicht die Identifizierung der Sprengstoffart.
Ist die eindeutige Identifizierung der Substanz mittels der
Bestimmung des Verhältnisses N/O nicht möglich, wird außerdem
noch das Verhältnis C/O bestimmt.
Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Stickstoffkerne bilden kurzlebige
Radionuklide gemäß nachstehender Kernreaktion, wenn
sie energiereicher Quantenstrahlung ausgesetzt werden:
- (1) ¹⁶O (γ, n) ¹⁵O
- (2) ¹⁴N (γ, n) ¹³N
- (3) ¹²C (γ, n) ¹¹C
Die entstehenden kurzlebigen Kerne ¹⁵O, ¹³N, ¹¹C sind Positronstrahler,
die unter Aussendung von Positronen mit den
Halbwertszeiten T 1/2 = 2,03 min, T 1/2 = 9,96 min,
T 1/2 = 20,4 min zerfallen. Die Aktivierungsschwellenenergie
für diese Kerne liegen entsprechend bei E = 15,67; 10,55;
18,72 MeV. Die emittierenden Positronen treten mit Elektronen
ihrer Umgebung in Wechselwirkung und annihilieren unter Aussenden
von 2 entgegengerichteten Quanten mit Energien von je
511 keV.
Zur Bestimmung von den zu untersuchenden Substanzen wird die
Energie der einfallenden Quanten E so gewählt, daß nur Stickstoffkerne
oder nur Sauerstoff- und Stickstoffkerne bzw.
Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlenstoffkerne aktiviert werden
können. Da die Kerndichten für O und N in den zu untersuchenden
Substanzen relativ hoch sind im Vergleich zu anderen
organischen Substanzen, wird von diesen eine vom Untergrund
deutlich erhöhte Strahlungsintensität von 511 keV-
Quanten auftreten, die gemessen wird. Darüber hinaus kann für
die Koordinatenzuordnung der zu untersuchenden Substanz die
Tatsache ausgenutzt werden, daß pro Zerfallsakt 2 entgegengesetzte
Quanten entstehen. Wenn für die prinzipielle Entscheidung
darüber, ob der Nachweis erhöhter Sauerstoffkerndichten
ausreicht, so gestattet die simultane Bestimmung des Stickstoffs
(Kohlenstoffs) die Identifizierung der O- und N-haltigen
organischen Substanz. Dies ist möglich aufgrund der
unterschiedlichen Zerfallszeiten der ¹⁵O-, ¹³N- und ¹¹C-
Kerne. Bei Aufnahme der integralen Zerfallskurven kann das
N/O-Verhältnis (C/O-Verhältnis) leicht bestimmt und bei
Kenntnis der Zusammensetzung der zu untersuchenden O- und N-
haltigen organischen Substanz diese eindeutig identifiziert
werden.
Die energiereiche Quantenstrahlung, der der zu untersuchende
Transportcontainer ausgesetzt wird, wird nach einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung als Bremsstrahlung relativistischer
Elektronen bereitgestellt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Schnellbestimmung von
Sprengstoffen besteht aus einer Hochspannungsquelle oder
einem Mikrowellengenerator, die oder der einen Beschleuniger
zur Erzeugung schneller Elektronen speist, einem Bremsstrahltarget,
auf das die schnellen Elektroden treffen und einen
aufgeweiteten Photonenstrahl erzeugen, der auf den zu untersuchenden
Transportcontainer gelenkt wird, einem den Container
erfassenden oder umschließenden Strahlendetektor, an dem
eine Auswerteinheit angeschlossen ist, sowie einem Transportsystem.
Mit Hilfe eines Elektronenbeschleunigers (Linearbeschleuniger
oder Zirkularbeschleuniger) werden Elektronen mit einer Energie
E erzeugt, die die zur Aktivierung erforderliche
Schwellwertenergie übersteigt. Der Elektronenstrahl wird auf
ein Bremsstrahltarget aus Wolfram, Tantal u. a. gerichtet, in
dem Bremsstrahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum und
einer Grenzenergie E entsteht.
Die schnellen Elektronen, die im Beschleuniger erzeugt werden,
treffen so auf das Bremsstrahltarget, daß ein aufgeweiteter
Photonenstrahl, dessen Querschnitt den Dimensionen des
zu untersuchenden Containers entspricht, entsteht.
Um Gepäckstücke zu erfassen, muß der Querschnitt der Quantenstrahlung
aufgeweitet werden. Dies erfolgt entweder durch
ein geeignetes Streutarget oder eine elektrische oder magnetische
Ablenkeinheit, die den Elektronenstrahl periodisch
auslenkt, bevor er auf das Bremsstrahltarget gelangt.
Moderne Elektronenbeschleuniger erreichen Ausgangsleistungen
von ca. 1 kW. Im Energiebereich größer 10 MeV werden ca. 10%
der Elektronenstrahlleistung in Bremsstrahlleistung umgewandelt.
Damit sind Bestrahlungszeiten pro Transportcontainer im
Sekundenbereich und darunter ausreichend, um die notwendige
Zahl kurzlebiger Nuklide zu erzeugen. Nach Bestrahlung wird
der die zu untersuchende Substanz enthaltende Container in
die Meßposition der Vorrichtung gebracht und die austretende
registriert. In weiteren Ausgestaltungen der Erfindung besteht
der den Container umhüllende oder erfassende Detektor
aus einem Array von kleineren Detektoren oder ist ein Halbleiterdetektor
oder besteht aus einem Array verschiedener
Halbleiterstrukturen. Tritt eine erhöhte Strahlenintensität
auf, ist dies ein Hinweis auf vorhandene Explosiva. Weiter
werden die Koordinaten der Detektoren, die zur gleichen Zeit
einen Strahlungseinfall (Koinzidenz) anzeigen, in Abhängigkeit
von der Zeit registriert und gespeichert. Mit Hilfe
eines Bildverarbeitungssystems können die Bereiche erhöhter
Strahlungsintensität als Indikator für vorhandene Sprengstoffe
in der untersuchten Probe 3-dimensional dargestellt
und auf ein Display gebracht werden. Durch Darstellung der
Strahlungsverteilung in verschiedenen Zeitebenen wird das
N/O-Verhältnis (C/O-Verhältnis) ableitbar, also die Identifizierung
der zu untersuchenden Substanz möglich.
Dem Zerfallsgesetz entsprechend klingt die Zahl der induzierten
radioaktiven Kerne rasch ab. Für die notwendige statistische
Sicherheit der Messung ist eine induzierte Aktivität von
1000 Bg pro cm² ausreichend. Diese ist für Sauerstoff bereits
nach 20 Minuten auf 1 Bq/cm² abgeklungen, so daß kaum ein
Strahlenrisiko auftritt. Die vorgeschlagene Vorrichtung wird
entsprechend den Regeln zum Betrieb von Elektronenbeschleunigern
gestaltet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere
darin, daß für die Bestimmung des Vorhandenseins von
Sprengstoffen in Transportbehältern und deren Identifizierung
nur ein geringer Zeitaufwand und keine Probennahme notwendig
sind.
Durch Bestimmung der N/O- und C/O-Verhältnisse aus der integralen
Zerfallskurve kann ein Sprengstoff im Container ohne
Probennahme identifiziert werden. Durch die Einstellung einer
geeigneten Elektronenenergie E wird entweder nur Stickstoff
oder nur Stickstoff und Sauerstoff aktiviert und damit der
gesamte induzierte Strahlungspegel des Containers reduziert.
Die erfindungsgemäße Lösung kann ebenfalls zum
berührungslosen Nachweis von Suchtmitteln in Containern
eingesetzt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und im folgenden näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
bestehend aus Mikrowellengenerator 1, Zirkularbeschleuniger
2, Wolframtarget 3, Meßprobe 4 und Szintillationsdetektor
5.
In Fig. 2 sind die auf Bestrahlungszeit tB und Strahlstrom iµ
normierten Intensitäten von Annihilationsstrahlung gleicher
Volumina von Wasser A, Pikrinsäure B, Glukose C und Leerprobe
D in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt.
Ein mikrowellengespeister 1 Zirkulationsbeschleuniger 2 vom Typ
Mikroton lieferte einen Elektronenstrom der Energie von
21,5 MeV und 3 µA, der auf ein Wolframtarget 3 auftrifft und
zu 10% in Bremsstrahlung mit der Grenzenergie von 21,5 MeV
umgewandelt wird. Hinter dem Wolframtarget 3 befanden sich
als Meßproben 4 Waser A, Pikrinsäure B, Puderzucker C und
eine Leerprobe D. Der Strahlquerschnitt betrug ca. 10-4 m².
Nach Bestrahlungszeiten von weniger als 10 Sekunden wurde die
integrale Strahlungsintensität der Meßproben 4 sowie einer
Leerprobe D mit Hilfe eines Szintillationsdetektors 5 als
Zeitfunktion bestimmt. Die Messungen begannen etwa 3 Minuten
nach Bestrahlungsende. Bei einem Geometriefaktor von 0,1
wurden Aktivitäten (IProbe) zwischen 10³ und 10⁶ Bq gemessen.
Die auf die Bestrahlungszeit tB und Strahlstrom iµ bezogenen
Strahlungsintensitäten der Proben,
zeigen, wie in Fig. 2 halblogarithmisch dargestellt, daß der
Sprengstoff Ekrasit B (pulverförmig) eine um den Faktor 3
höhere integrale Intensität als Wasser A aufweist. Die Leerprobe
D und der Puderzucker C weisen Aktivitäten auf, die um
den Faktor 30 geringer sind. Aus dem zeitlichen Abfall der
Aktivitäten wird deutlich, daß im Ekrasit B die drei kurzlebigen
Nuklide ¹⁵O, ¹³N und ¹¹C aktiviert wurden. Entsprechend
ihrer unterschiedlichen Halbwertszeiten ändern sich die Neigungen
der Zerfallskurve. Bei Approximation auf das Bestrahlungsende
und unter Berücksichtigung der unterschiedlichen
Bildungswahrscheinlichkeiten dieser Kerne können die Konzentrationsverhältnisse
von Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlenstoffkernen
in den Proben bestimmt werden.
Claims (9)
1. Verfahren zur Schnellbestimmung von Sprengstoffen in
Transportcontainern, dadurch gekennzeichnet,
- - daß der zu untersuchenden Container energiereicher Quantenstrahlung ausgesetzt wird, die infolge Kernreaktion aus Sauerstoff-, Stickstoff- und Kohlenstoffkernen kurzlebige Positronstrahler erzeugt,
- - daß die Intensität der bei der Anhibilation der von Kernen ausgesandten Positronen mit Hüllenelektronen entstehenden Strahlung gemessen wird,
- - daß die gemessene Strahlungsintensität als Maß für die Konzentration der Kerne ¹⁶O, ¹⁴N und ¹²C pro Volumeneinheit in der zu untersuchenden Substanz verwendet wird,
- - daß aus den Konzentrationen der Kerne ¹⁶O, ¹⁴N und ¹²C auf das Vorhandensein und die Positionen von Sprengstoffen geschlossen wird,
- - daß gleichzeitig die zeitliche Änderung der integralen Strahlungsintensität gemessen wird,
- - daß aus dem zeitlichen Verlauf der integralen Strahlungsintensität die Konzentrationsverhältnisse der unterschiedliche Halbwertszeiten aufweisenden Kerne ¹⁵O, ¹³N und ¹¹C bestimmt werden,
- - daß aus den Konzentrationsverhältnissen der Kerne ¹⁵O, ¹³N und ¹¹C auf den zu identifizierenden Sprengstoff geschlossen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
energiereiche Quantenstrahlung als Bremsstrahlung relativistischer
Elektronen bereitgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzenergie der Bremsstrahlung größer als die
Aktivierungsenergie des Stickstoffs 10,55 MeV aber kleiner
als die Aktivierungsenergie des Sauerstoffs 15,67 MeV ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzenergie der Bremsstrahlung größer als die
Aktivierungsenergie des Sauerstoff 15,67 MeV aber kleiner
als die Aktivierungsenergie des Kohlenstoffs 18,72 MeV
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Grenzenergie der Bremsstrahlung größer als die
Aktivierungsenergie des Kohlenstoffs 18,72 MeV ist.
6. Vorrichtung zur Schnellbestimmung von Sprengstoffen in
Transportcontainern, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung
besteht aus einer Hochspannungsquelle bzw. einem
Mikrowellengenerator, einem Beschleuniger zur Erzeugung
schneller Elektronen, der durch Hochspannungsquelle bzw.
Mikrowellengenerator gespeist wird, einem Bremsstrahltarget,
auf das die schnellen Elektronen so treffen, daß ein
aufgeweiteter Photonenstrahl entsteht, dessen Querschnitt
den Dimensionen des Transportcontainers entspricht, einem
hinter dem Bremsstrahltarget angeordneten zu untersuchenden
Transportcontainer, einem den Transportcontainer erfassenden
oder umschließenden Detektor zur Ermittlung der Intensität
der Positronenstrahlung und einer Auswerteeinheit zur
Bestimmung der Konzentration der Kerne.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Detektor aus einer Anordnung mehrerer kleinerer Detektoren
besteht.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Detektor ein Halbleiterdetektor ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Detektor aus Arrays verschiedener Halbleiterstrukturen
besteht.
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|---|---|---|---|
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| EP1546694A2 (de) * | 2002-10-04 | 2005-06-29 | Varian Medical Systems Technologies, Inc. | ABBILDUNGSVORRICHTUNG UND VERFAHREN MIT EREIGNISABHûNGIGER PHOTONENDETEKTION |
| EP1546694A4 (de) * | 2002-10-04 | 2008-08-13 | Varian Med Sys Tech Inc | ABBILDUNGSVORRICHTUNG UND VERFAHREN MIT EREIGNISABHûNGIGER PHOTONENDETEKTION |
| DE102009057276A1 (de) | 2009-12-02 | 2011-06-09 | IUT Institut für Umwelttechnologien GmbH | Verfahren zur Identifizierung von Sprengstoffen mittels Neutronenbeschuss |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE4103448C2 (de) | 1995-06-22 |
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