PL225474B1 - Urządzenie oraz sposób do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym - Google Patents

Urządzenie oraz sposób do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym

Info

Publication number
PL225474B1
PL225474B1 PL409388A PL40938814A PL225474B1 PL 225474 B1 PL225474 B1 PL 225474B1 PL 409388 A PL409388 A PL 409388A PL 40938814 A PL40938814 A PL 40938814A PL 225474 B1 PL225474 B1 PL 225474B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
neutron
gamma
detector
guide
gamma quantum
Prior art date
Application number
PL409388A
Other languages
English (en)
Other versions
PL409388A1 (pl
Inventor
Michał Silarski
Paweł Moskal
Original Assignee
Univ Jagiellonski
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Univ Jagiellonski filed Critical Univ Jagiellonski
Priority to PL409388A priority Critical patent/PL225474B1/pl
Priority to US15/509,013 priority patent/US10126257B2/en
Priority to PCT/PL2015/050021 priority patent/WO2016036264A1/en
Priority to EP15738491.8A priority patent/EP3189356B1/en
Priority to JP2017513058A priority patent/JP6580675B2/ja
Publication of PL409388A1 publication Critical patent/PL409388A1/pl
Publication of PL225474B1 publication Critical patent/PL225474B1/pl

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/221—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material by activation analysis
    • G01N23/222—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material by activation analysis using neutron activation analysis [NAA]
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
    • G01V5/20—Detecting prohibited goods, e.g. weapons, explosives, hazardous substances, contraband or smuggled objects
    • G01V5/22—Active interrogation, i.e. by irradiating objects or goods using external radiation sources, e.g. using gamma rays or cosmic rays
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/637—Specific applications or type of materials liquid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00—Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60—Specific applications or type of materials
    • G01N2223/652—Specific applications or type of materials impurities, foreign matter, trace amounts
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Description

Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest urządzenie oraz sposób nieinwazyjnego wykrywania substancji niebezpiecznych, takich jak niewybuchy, miny, gazy bojowe itp., w środowisku wodnym. Prezentowane urządzenie oraz sposób opierają się na zjawisku neutronowej aktywacji substancji i pomiarze widm charakterystycznych kwantów gamma powstałych po naświetleniu substancji wiązką neutronową.
Obecnie znane w stanie techniki sposoby wykrywania substancji niebezpiecznych oparte są przede wszystkim na wykorzystaniu promieniowania rentgenowskiego, które oddziałując z elektronami, pozwalają na określenie rozkładu gęstości i kształtów badanych przedmiotów, lecz nie pozwalają na ich identyfikację. W systemach bezpieczeństwa lotnisk stosuje się również analizę śladowych ilości substancji, natomiast w praktyce antyterrorystycznej wykorzystywane są urządzenia bazujące na metodach radarowych oraz detektorach indukcyjnych. Niestety pozwalają one tylko na wykrycie obecności elementów metalowych lub określenie kształtu obiektów pod powierzchnią gruntu. Dlatego wykrycie każdego podejrzanego przedmiotu wymaga dodatkowej weryfikacji przez człowieka. Ograniczeń wyżej wymienionych metod nie mają urządzenia bazujące na analizie stechiometrii badanej substancji za pomocą naświetlania wiązką neutronów i pomiarze widma energii emitowanych kwantów gamma.
Zalegające na dnie mórz, oceanów czy rzek pozostałości wojenne stanowią wciąż duży problem, szczególnie w strefach intensywnych działań wojennych i płytkich akwenów wodnych. Zatopione niewybuchy, bojowe pociski oraz miny z okresu II Wojny Światowej stanowią poważne zagrożenie dla żeglugi, a substancje toksyczne zawarte w niektórych pociskach, np. gazy bojowe, są poważnym problemem ekologicznym. W Morzu Bałtyckim zatopiono po II Wojnie Światowej łącznie ponad 15000 ton szkodliwych substancji, najwięcej w Głębi Gotlandzkiej i Głębi Bornholmskiej. Oprócz oficjalnych miejsc zatopienia chemikaliów w Bałtyku znajduje się też dużo nieznanych jeszcze składowisk broni położonych głównie na trasach dawnych konwojów morskich. Część ze wspomnianych pocisków k oroduje już na tyle mocno, że zawarte w nich gazy bojowe, takie jak iperyt czy tabun, wydostają się do morza powodując skażenie dna. W temperaturze wód Bałtyku gaz ten zamarza i skażenie sięga tylko kilku metrów w okolicy składowiska. Dla człowieka najbardziej niebezpieczne jest spożywanie ryb pływających w okolicach składowisk ze względu na ich częste choroby oraz wady genetyczne. Mogą jednak istnieć nieznane składowiska, które położone płytko, mogą stanowić bezpośrednie zagrożenie, np. dla rybaków podczas połowów. Wykrycie oraz zidentyfikowanie pozostałości wojennych zalegających na dnie Morza Bałtyckiego jest kluczowe w toczących się nieustannie pracach nad oczyszczaniem go z substancji niebezpiecznych.
Zdecydowana większość substancji niebezpiecznych to związki organiczne lub ich mieszaniny. Zbudowane są one przede wszystkim z wodoru, tlenu, węgla i azotu. Cechy te pozwalają na wyodrębnienie np. materiałów wybuchowych lub narkotyków ukrytych wśród innych substancji podczas analizy stechiometrycznej podejrzanych przedmiotów.
W zgłoszeniach patentowych WO 1999049311 A3 (opubl. 2000-0120), US 20030165212 A1 (opubl. 2003-09-04) oraz WO 2004025245 A3 (opubl. 2004-05-13) opisano urządzenie oraz sposób wykrywania substancji niebezpiecznych ukrytych pod ziemią, w budynkach lub pojazdach wykorzystującą, wytwarzane za pomocą generatora, izotropowe wiązki prędkich neutronów z dobrze określoną energią E = 14 MeV. Penetrujące badany materiał neutrony oddziałują z jądrami atomów nieznanej substancji powodując ich wzbudzenia. W konsekwencji naświetlanie neutronami prowadzi do emisji kwantów gamma charakterystycznych dla danego pierwiastka. Są one rejestrowane przez detektor, a określenie liczby oraz energii emitowanych kwantów gamma pozwala na określenie stechiometrii badanej substancji i w konsekwencji prowadzi do jej identyfikacji. W zgłoszeniu patentowym US 20060227920 A1 opisano urządzenie, które poza oddziaływaniem neutronów prędkich, wykorzystuje również kwanty gamma powstające w procesie wychwytu termicznych neutronów, powstających w badanym obiekcie w wyniku wielokrotnych rozproszeń pierwotnie padającej wiązki. Pozwala to na określenie zawartości wodoru w badanym obiekcie oraz zwiększa czułość metody.
W środowisku wodnym do wykrywania min oraz niebezpiecznych substancji chemicznych wyk orzystuje się przede wszystkim sonary, które jednak pozwalają tylko na określenie położenia oraz kształtu obiektu, nie dając informacji o składzie chemicznym. W zgłoszeniu patentowym WO 2012089584 A1 (opubl. 2012-07-05) opisano również urządzenie oraz sposób wykrywania ukrytych min podwodnych w oparciu o źródła neutronów oraz detekcję charakterystycznych kwantów gamma. Generowane z małą energią oraz częstotliwością neutrony są wyhamowywane (moderowane) przez wodę znajdującą się pomiędzy urządzeniem a badanym obiektem i docierają do niego z bardzo małą
PL 225 474 B1 energią jako neutrony termiczne. Detektor wspomnianego urządzenia pozwala na detekcję energii oraz liczby kwantów gamma powstałych w radiacyjnym pochłanianiu termicznych neutronów. Rejestrowane są również inne cząstki powstałe w oddziaływaniu neutronów z otoczeniem. Identyfikacja ukrytej miny odbywa się poprzez poszukiwanie anomalii w obserwowanych widmach kwantów gamma oraz liczności docierających do detektora neutronów wtórnych.
W publikacji V. Valkovic i in., „An underwater system for explosive detection”, Proc. SPIE 6540, Optics and Photonics in Global Homeland Security III, 654013 (May 04, 2007), zostały opisane próby zastosowania aktywacji prędkimi neutronami z detektorem odizolowanym od generatora i umieszczonym na ramieniu robota do podwodnej detekcji niebezpiecznych materiałów. Zastosowanie specjalnego ramienia robota pozwala na zmianę odległości detektora od badanego przedmiotu oraz zmniejsza tłumienie promieniowania gamma poruszającego się w wodzie.
Ze względu na stosunkowo silne pochłanianie neutronów w wodzie wspomniane metody pozwalają jednak tylko na detekcję substancji umieszczonych na dnie zbiornika lub zakopanych płytko pod jego powierzchnią. Ponadto warstwa wody pomiędzy badanym przedmiotem a urządzeniem nie może przekroczyć czterech metrów, a silna absorpcja neutronów oraz kwantów gamma poruszających się w wodzie istotnie zwiększa czas naświetlania podejrzanego przedmiotu oraz utrudnia interpretacje wyników.
Problemem technicznym stawianym przed niniejszym wynalazkiem jest zaproponowanie takiego urządzenia oraz sposobu do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środow isku wodnym, który będzie charakteryzował się większą czułością oraz mniejszym szumem (redukcja tła), przez co będzie pozwalał na dokładniejszą detekcję substancji niebezpiecznych, nawet znajdujących się głęboko na dnie zbiornika wodnego, przy czym będzie pozwalał dodatkowo na określenie rozkładu gęstości niebezpiecznej substancji w badanym obiekcie. Nieoczekiwanie wspomniane problemy techniczne rozwiązał prezentowany wynalazek.
Pierwszym przedmiotem wynalazku jest urządzenie do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym zawierające szczelną obudowę, w której umieszczony jest generator prędkich neutronów obłożony detektorami cząstek a, oraz detektor kwantów gamma, przy czym generator prędkich neutronów emituje neutrony w kierunku badanego przedmiotu, a detektor kwantów gamma rejestruje wyemitowane przez jądra atomowe badanego przedmiotu kwanty gamma, charakteryzujący się tym, że zawiera dodatkowo prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma połączone odpowiednio z generatorem prędkich neutronów oraz detektorem kwantów gamma. W korzystnej realizacji wynalazku prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma mają postać cylindra z zamkniętymi podstawami, korzystnie teleskopowego. Równie korzystnie w prowadnicach neutronów i/lub kwantów gamma panuje próżnia lub są wypełnione gazem, korzystnie powietrzem, helem, argonem ... Korzystnie prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma wykonane są z materiału obejmującego: stal nierdzewną, aluminium, włókna węglowe. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma pokryte są od wewnątrz cienką warstwą materiału odbijającego prędkie neutrony, korzystnie grafitem. W następnej korzystnej realizacji wynalazku odległość pomiędzy prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma połączoną z generatorem prędkich neutronów a prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma połączona z detektorem kwantów gamma jest zmienna, przy czym kąt pomiędzy prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma a prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma zawiera się w przedziale od 0 do 90 stopni. Korzystnie detektor kwantów gamma stanowi układ detekcyjny półprzewodnikowy lub scyntylacyjny. Równie korzystnie generator prędkich neutronów posiada w pozycji przeciwległej do prowadnicy neutronów detektor cząstek a, a w pozycji prostopadłej do prowadnicy detektory cząstek a.
Drugim przedmiotem wynalazku jest sposób nieinwazyjnego wykrywania materiałów nie bezpiecznych w środowisku wodnym obejmujący następujące etapy:
a) generuje się prędkie neutrony o określonej energii z zakresu od ~5 MeV do ~20 MeV w generatorze prędkich neutronów,
b) kolimuje się prędkie neutrony wygenerowane w etapie a) w stronę badanego przedmiotu,
c) wykrywa się kwanty gamma wyemitowane w wyniku przejścia wzbudzonych prędkimi neutronami jąder pierwiastków badanego przedmiotu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, charakteryzujący się tym, że wygenerowane prędkie neutrony oraz wyemitowane kwanty gamma są transmitowane w prowadnicach neutronów i/lub kwantów gamma. Korzystnie kwanty gamma wykrywane są w koincydencji z cząstkami a rejestrowanymi przez detektor umieszczony naprzeciw
PL 225 474 B1 prowadnicy. Równie korzystnie odrzuca się sygnały z detektora kwantów gamma w koincydencji z sygnałami z pozostałych detektorów cząstek a. W korzystnej realizacji wynalazku mierzy się pozycję prowadnic neutronów i/lub kwantów gamma oraz czas rejestracji kwantów gamma w detektorze kwantów gamma w stosunku do sygnału z detektora cząstek a.
Urządzenie oraz sposób do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym według niniejszego wynalazku, dzięki wykorzystaniu specjalnie zaprojektowanych prowadnic prędkich neutronów i/lub kwantów gamma umożliwia detekcję substancji niebezpiecznych z większa dokładnością, pozwalając na wykrycie przedmiotów ukrytych głęboko w dnie zbiornika wody. Teleskopowa konstrukcja prowadnic pozwala na dobieranie w szerokim zakresie długości prowa dnic, przez co przeprowadzanie badania w zbiornikach o różnych głębokościach. Zastosowanie ruchomej prowadnicy neutronów i/lub kwantów gamma, połączonej z detektorem kwantów gamma, pozwala na zmianę kąta pomiędzy prowadnicami, a tym samym na detekcję na różnej głębokości i zmiennym obszarze, przez co możliwe jest określenie rozkładu gęstości badanej substancji. Pomiar kwantów gamma w koincydencji z kwantami zarejestrowanymi w detektorze cząstek a znajdującym się naprzeciw prowadnicy połączonej z generatorem prędkich neutronów pozwala znacząco zmniejszyć tło pomiarowe jeszcze bardziej zwiększając czułość i rozdzielczość zastosowanej metody pomiarowej.
Przykładowe realizacje wynalazku przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat urządzenia do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym, fig. 2 przedstawia schemat urządzenia przedstawionego na fig. 1 z pierwszym ustawieniem prowadnic, fig. 3 przedstawia schemat urządzenia przedstawionego na fig. 1 z drugim ustawieniem prowadnic, fig. 4 przedstawia przekrój poprzeczny prowadnicy kwantów gamma i/lub neutronów, fig. 5 przedstawia rzut od przodu prowadnicy kwantów gamma i/lub neutronów, fig. 6 przedstawia schemat systemu do zmiany położenia prowadnicy kwantów gamma i/lub neutronów.
P r z y k ł a d
Na figurze 1 przedstawiono ogólny schemat urządzenia do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym 100 będącym przedmiotem wynalazku. Generator neutronów 101 zderza jony deuteru 102 z tarczą trytową 103 w reakcji: D + T > a + n. Ze względu na znacznie większą energię uwalnianą w tej reakcji w porównaniu z energią deuteru, zarówno cząstka a 104 jak i neutron 105 produkowane są praktycznie izotropowo w każdym kierunku w przestrzeni oraz poruszają się względem siebie pod kątem bliskim 180°.
Powstająca przy generowaniu neutronu cząstka a 104 jest rejestrowana przez układ detektorów 106a, 106b, 106c umieszczony na ścianach generatora 101. Może on składać się np. z układu krzemowych lub scyntylacyjnych detektorów o wymiarach kilku cm. Wybrane neutrony poruszają się w kierunku podejrzanego przedmiotu 107 wewnątrz prowadnicy 108 o określonych wymiarach, np. o średnicy równej 30 cm oraz maksymalnej długości 3 m, z której wypompowano powietrze. Alternatywnie prowadnica może być wypełniona powietrzem lub innym gazem, np. helem. Zapobiega to absorpcji i spowolnieniu neutronów w wodzie. Prowadnica 108 stanowi rurę teleskopową zbudowaną z blachy nierdzewnej o grubości ok. 1 mm, zakończoną z obu stron blachą o grubości istotnie mniejszej, np. 0,5 mm. Prędkie neutrony poruszając się wewnątrz badanej substancji są pochłaniane i/lub rozpraszane nieelastycznie na jądrach atomowych badanego przedmiotu wzbudzając je, np. w reakcji:
neutron + jądro > jądro wzbudzone + neutron > jądro + kwant gamma + neutron.
Jądra przechodząc do stanu podstawowego emitują kwanty gamma 109, których energia jest charakterystyczna dla każdego nuklidu. Część emitowanych przez jądra kwantów gamma porusza się w kierunku detektora kwantów gamma wewnątrz prowadnicy 110 o określonych wymiarach, z której wypompowano powietrze. Tak jak w poprzednim wypadku, prowadnica alternatywnie może być wypełniona powietrzem lub innym gazem, np. helem. Zapobiega to absorbcji oraz rozproszeniom kwantów gamma w wodzie. Prowadnica 110 jest również wykonana z rury teleskopowej zbudowanej z blachy nierdzewnej o grubości ok. 1 mm zakończonej z obu stron blachą o grubości istotnie mniejszej, np. 0,5 mm. Detektor 111 przeprowadza pomiar energii rejestrowanego kwantu gamma 109. Ponadto, określana jest pozycja uderzenia kwantu gamma 109 w detektor 111 oraz czas jaki upłynął od m omentu rejestracji cząstki a 104 do momentu zarejestrowania sygnału w detektorze kwantów gamma 111. Pomiar czasu oraz miejsca reakcji cząstki a 104 oraz kwantu gamma 109 wraz ze znanym położeniem tarczy 103 oraz zmianą względnej odległości i kąta prowadnicy kwantów gamma 110 względem prowadnicy neutronów 108 pozwala na określanie rozkładu gęstości niebezpiecznej substancji w badanym przedmiocie. Figury 2 oraz 3 ilustrują schematycznie jak zmiany konfiguracji
PL 225 474 B1 prowadnic pozwalają na ustalanie głębokości pod dnem (np. w mule), z której kwanty gamma docierają do detektora. Jeżeli stosunek średnicy prowadnic 208 oraz 210 do ich długości jest odpowiednio mały (mniejszy niż 0,14) to głębokość na jakiej zareagował kwant gamma można określić z pomiaru czasu At jaki upłynął od momentu rejestracji cząstki a 204 do momentu zarejestrowania sygnału w detektorze kwantów gamma 211. Można go wyrazić jako:
Δ t- ta + tn + tn + ty + ty , gdzie ta to czas przelotu wygenerowanej cząstki a 204 od tarczy 203 do detektora 206c, tn i t'n to odpowiednio czas poruszania się neutronu 205 od tarczy w prowadnicy 208 na znanej i ustalonej drodze ln oraz czas poruszania się neutronu 205 od końca prowadnicy do miejsca reakcji 212 w badanym obiekcie 207. Podobnie tY oznacza czas poruszania się kwantu gamma 209 w prowadnicy 210 o znanej i ustalonej długości lY, a t'Y to czas poruszania się kwantu gamma 209 z miejsca reakcji 212 neutronu 205 w badanym przedmiocie 207 do wlotu 213 prowadnicy 210. Czasy te można wyrazić następnie przez znane prędkości cząstek :
Δ( la / Ca = In /cn + x/Cn + Ιγ/C + y/c .
Prędkość cząstki a 204 oraz neutronu 205 jest ustalona i określona przez znane energie tych cząstek, natomiast kwanty gamma poruszają się z prędkością światła c. Droga x jaką przebędzie neutron 205 od końca 214 prowadnicy 208 do miejsca reakcji 212 w przedmiocie 207 oraz droga y jaką przebędzie kwant gamma 209 z miejsca reakcji 212 neutronu 205 do wlotu 213 prowadnicy 210 są powiązane następującą zależnością:
x/y = cos φ, gdzie φ to kąt zawarty między osiami prowadnic 208 oraz 210, który można zmieniać. Pozwala to na określenie, na jakiej odległości od wlotu 214 prowadnicy 208 nastąpiła reakcja:
x = (kt-— - — - —) CTnCOSy V va vn c) c-cosą>+vn
Jeżeli natomiast stosunek średnic prowadnic 208 oraz 210 jest duży, pomiar czasu At pozwala na określenie głębokości x, na jakiej zareagował neutron 205 poprzez poszukiwanie takiego punktu w obszarze 215 obejmowanym wspólnie przez prowadnice 208 oraz 210, dla którego suma czasu przelotu neutronu 205 z tarczy 203 do tego punktu oraz czasu przelotu kwantu gamma 209 z tego punktu do detektora 211 jest najbliższa zmierzonemu czasowi At.
Dodatkową informację na temat głębokości daje zmiana względnego położenia prowadnic 208 i 210 oraz kąta zawartego pomiędzy nimi. Zmiana odległości d1 oraz d2 (figura 2) pomiędzy prowadnicami 208 i 210 pozwala na rejestrację kwantów gamma emitowanych z różnych części przedmiotu 207, także z różnych głębokości. Pozwala to na określenie rozkładu gęstości niebezpiecznej substancji w przedmiocie 207.
Prowadnice neutronów oraz kwantów gamma są wykonane z rur teleskopowych złożonych z kilku segmentów o długości 50 cm połączonych uszczelką gumową (figura 4). Zmiana długości prowadnic może być realizowana ręcznie, przed umieszczeniem całego urządzenia w wodzie, lub za pomocą systemu mechanicznego sterowanego z modułu 118. Przykład takiego systemu przedstawiono na figurze 4. Moduły prowadnicy 302, 303 oraz 304 połączone są w sposób teleskopowy tak, że moduł 302 może zostać schowany w części 301 oraz moduł 304 w module 303. Szczelność na łączeniach poszczególnych modułów zapewniają gumowe uszczelki 305, 306 oraz 307 w kształcie pierścieni, jak zostało przedstawione na figurze 5. Długość prowadnicy 300 może być regulowana za pomocą systemu nagwintowanych prętów 310, 311 oraz 312 o grubości np. 10 mm osadzonych na prowadnicach podtrzymujących 314, 315, 316 oraz 317. Przy czym obrót pręta 310 napędza kolejny element 311, a ten z kolei powoduje ruch pręta 312. System zmiany długości prowadnicy 300 może składać się np. z czterech zestawów prętów 318, 319, 320 oraz 321 rozmieszczonych tak jak pokazano na figurze 3b. Każdy zestaw napędzany jest przez silnik 309. Połączenie prowadnicy 300 z silnikami realizowane jest przez kołnierz 301 zapewniający szczelność oraz osłonę całego systemu przed wodą. Zmiana kąta nachylenia prowadnicy 300 w stosunku do dolnej powierzchni 322 urządzenia 200 jest zapewniona przez system sterowania 308. Każda z części prowadnicy 300 jest wyłożona cienką (ok. 1 mm) warstwą materiału dobrze odbijającego prędkie neutrony, np. grafitem.
PL 225 474 B1
Zmiany względnego położenia prowadnic neutronów 208 oraz kwantów gamma 210 przy zachowaniu szczelności urządzenia 200 mogą być realizowane jak na figurze 6, przy czym położenie zmieniać może tylko prowadnica kwantów gamma 210. Prowadnica 400 połączona jest z kołnierzem 401, który z kolei połączony jest szczelnie z dnem 402 urządzenia 200. Zbudowane jest ono z materiału, który może być swobodnie ściskany i rozciągany, co pozwala na przesuwanie prowadnicy 400 wraz z detektorem kwantów gamma 403. Materiałem tym może być cienka falowana blacha, falowana warstwa tworzywa sztucznego lub skóra. Prowadnica 400 wraz z silnikami 404 i systemem zmiany kąta 405 oraz detektorem kwantów gamma 403 są połączone z systemem napędowym 406 opartym np. na przesuwie liniowym pozwalającym na zmianę pozycji prowadnicy 400 wraz z detektorem 403.
Detektor kwantów gamma 111 przedstawiony na figurze 1 zbudowany może być w oparciu o znane w stanie techniki rozwiązania dotyczące rejestrowania promieniowania gamma np. za pom ocą kryształów scyntylacyjnych lub półprzewodnikowych. Wewnątrz urządzenia 100 pozycja detektora może być zmieniana. Sygnały z detektorów cząstek a 106a, 106b, 106c oraz kwantów gamma 111 przekazywane są za pomocą linii sygnałowych 112 i 113 do modułu próbkującego sygnały oraz przeprowadzającego akwizycję danych 114. W celu usunięcia tła pomiarowego powstającego w wyniku reakcji neutronów nieemitowanych w kierunku badanego przedmiotu 107 wszystkie sygnały z detektora kwantów gamma 111 rejestrowane w koincydencji z sygnałami z detektorów cząstek a 106a i 106b są odrzucane, natomiast sygnały w koincydencji z detektorem 106c są traktowane jako kwanty gamma pochodzące z badanej substancji. Moduł 114 przesyła następnie dane za pomocą kabla sygnałowego lub drogą radiową do modułu przetwarzającego znajdującego się na jednostce pływającej 117, z której sterowane jest za pomocą modułu sterującego 118 urządzenie 100. Sygnały z tego modułu przekazywane są przez przewód 119 lub drogą radiową do modułu odbiorczego 120, który steruje modułami 101, 106, 111, 114 oraz silnikiem 121 pozwalającym na przemieszczanie urządzenia 100.
Identyfikacja substancji 107 przeprowadzana jest przez moduł 117. Odbywa się ona na podstawie liczby zarejestrowanych charakterystycznych kwantów gamma pochodzących od jąder 12C (energia 4,43 MeV), 16O (energia 6,13 MeV), 14N (energie 2,31 MeV i 5,11 MeV) oraz innych pierwiastków stanowiących badaną substancje, takich jak np. F (energia 1,5 MeV oraz 3,9 MeV), S (energia 3,8 MeV) oraz Cl (energia 3,0 MeV) . Uwzględniając różne prawdopodobieństwa reakcji neutronów z różnymi nuklidami oraz wydajność detekcji kwantów gamma o danej energii rekonstruowana jest liczba atomów każdego z pierwiastków budujących badany przedmiot i porównywana ze stechiometrią znanych substancji niebezpiecznych przechowywanych w bazie danych modułu 117.

Claims (12)

1. Urządzenie do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym zawierające szczelną obudowę, w której umieszczony jest generator prędkich neutronów (101) obłożony detektorami cząstek a (106), oraz detektor kwantów gamma (111), przy czym generator prędkich neutronów (101) emituje neutrony w kierunku badanego przedmiotu (107), a detektor kwantów gamma (111) rejestruje wyemitowane przez jądra atomowe badanego przedmiotu (107) kwanty gamma, znamienne tym, że zawiera dodatkowo prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma (108), (110) połączone odpowiednio z generatorem prędkich neutronów (101) oraz detektorem kwantów gamma (111).
2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma (108), (110) mają postać cylindra z zamkniętymi podstawami, korzystnie teleskopowego.
3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że w prowadnicach neutronów i/lub kwantów gamma (108), (110) panuje próżnia lub są wypełnione gazem, korzystnie powietrzem, helem, argonem.
4. Urządzenie według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 3, znamienne tym, że prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma (108), (110) wykonane są z materiału obejmującego: stal nierdzewną, aluminium, włókna węglowe.
5. Urządzenie według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienne tym, że prowadnice neutronów i/lub kwantów gamma (108), (110) pokryte są od wewnątrz cienką warstwą materiału odbijającego prędkie neutrony, korzystnie grafitem.
PL 225 474 B1
6. Urządzenie według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 5, znamienne tym, że odległość pomiędzy prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma (108) połączoną z generatorem prędkich neutronów (101) a prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma (110) połączona z detektorem kwantów gamma (111) jest zmienna, przy czym kąt pomiędzy prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma (108) a prowadnicą neutronów i/lub kwantów gamma (110) zawiera się w przedziale od ~0 do ~90 stopni.
7. Urządzenie według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 6, znamienne tym, że detektor kwantów gamma (111) stanowi półprzewodnikowy lub scyntylacyjny system detekcyjny.
8. Urządzenie według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 7, znamienne tym, że generator prędkich neutronów (111) posiada w pozycji przeciwległej do prowadnicy neutronów i/lub kwantów gamma (108) detektor cząstek a (106c), a w pozycji prostopadłej do prowadnicy (108) detektory cząstek a (106a) oraz (106b).
9. Sposób nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym, znamienny tym, że obejmuje następujące etapy:
a) generuje się prędkie neutrony o określonej energii z zakresu od 5 MeV do 20 MeV w generatorze prędkich neutronów (101),
b) kolimuje się prędkie neutrony wygenerowane w etapie a) w stronę badanego przedmiotu (107),
c) wykrywa się kwanty gamma wyemitowane w wyniku przejścia wzbudzonych prędkimi neutronami jąder pierwiastków badanego przedmiotu (107) ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego, przy czym wygenerowanego prędkie neutrony oraz wyemitowane kwanty gamma są transmitowane w prowadnicach neutronów i/lub kwantów gamma (108), (110).
10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że kwanty gamma wykrywane są w koincydencji z cząstkami a rejestrowanymi przez detektor (106c) umieszczony naprzeciw prowadnicy (108).
11. Sposób według zastrz. 9 albo 10, znamienny tym, że odrzuca się sygnały z detektora kwantów gamma (111) w koincydencji z sygnałami detektorów cząstek a (106a) oraz (106b).
12. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 9 do 11, znamienny tym, że mierzy się pozycję prowadnic neutronów i/lub kwantów gamma (108), (110) oraz czas rejestracji kwantów gamma w detektorze kwantów gamma (111) w stosunku do sygnału z detektora (106c).
PL409388A 2014-09-07 2014-09-07 Urządzenie oraz sposób do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym PL225474B1 (pl)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL409388A PL225474B1 (pl) 2014-09-07 2014-09-07 Urządzenie oraz sposób do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym
US15/509,013 US10126257B2 (en) 2014-09-07 2015-06-08 Device and method for non-invasive detection of hazardous materials in the aquatic environment
PCT/PL2015/050021 WO2016036264A1 (en) 2014-09-07 2015-06-08 Device and method for non-invasive detection of hazardous materials in the aquatic environment
EP15738491.8A EP3189356B1 (en) 2014-09-07 2015-06-08 Device and method for non-invasive detection of hazardous materials in the aquatic environment
JP2017513058A JP6580675B2 (ja) 2014-09-07 2015-06-08 水域環境において有害物質を非侵襲的に検出するための装置及び方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL409388A PL225474B1 (pl) 2014-09-07 2014-09-07 Urządzenie oraz sposób do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL409388A1 PL409388A1 (pl) 2016-03-14
PL225474B1 true PL225474B1 (pl) 2017-04-28

Family

ID=53610960

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL409388A PL225474B1 (pl) 2014-09-07 2014-09-07 Urządzenie oraz sposób do nieinwazyjnego wykrywania materiałów niebezpiecznych w środowisku wodnym

Country Status (5)

Country Link
US (1) US10126257B2 (pl)
EP (1) EP3189356B1 (pl)
JP (1) JP6580675B2 (pl)
PL (1) PL225474B1 (pl)
WO (1) WO2016036264A1 (pl)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH713761A2 (fr) * 2017-05-08 2018-11-15 Mircea Tudor Scan Tech Sa Système et méthode pour l'inspection non intrusive des embarcations.
JP7311161B2 (ja) * 2018-04-12 2023-07-19 国立研究開発法人理化学研究所 非破壊検査方法と装置
JP7223992B2 (ja) * 2019-02-27 2023-02-17 株式会社トプコン 非破壊検査システム及び非破壊検査方法
RU195097U1 (ru) * 2019-08-23 2020-01-15 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Автоматики Им.Н.Л.Духова" (Фгуп "Внииа") Устройство для обнаружения взрывчатых, отравляющих и делящихся веществ на морском дне

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6418107A (en) * 1987-07-13 1989-01-20 Kaneo Hirabayashi Underwater optical waveguide
US5326970A (en) * 1991-11-12 1994-07-05 Bayless John R Method and apparatus for logging media of a borehole
US20030165213A1 (en) 1998-02-18 2003-09-04 Maglich Bogdan C. Method and apparatus for neutron microscopy with stoichiometric imaging
AU4951699A (en) 1998-02-18 1999-10-18 Hienergy Microdevices, Inc. Method and apparatus for detecting, locating, and analyzing chemical compounds using subatomic particle activation (atometry)
US20030165212A1 (en) 1998-02-18 2003-09-04 Maglich Bogdan C. Method and apparatus for detecting, locating, and analyzing chemical compounds using subatomic particle activation
US6603122B2 (en) * 2001-05-24 2003-08-05 Ut-Battelle, Llc Probe for contamination detection in recyclable materials
JP2004028824A (ja) * 2002-06-26 2004-01-29 Hitachi Ltd 地殻変動モニタリング装置と地殻変動モニタリングシステム
JP2004108912A (ja) * 2002-09-18 2004-04-08 Hitachi Ltd 中性子を用いた検知装置および検知方法
US7864913B2 (en) * 2004-02-19 2011-01-04 Kabushiki Kaisha Toshiba Fast reactor having reflector control system and neutron reflector thereof
US7359480B2 (en) * 2004-04-23 2008-04-15 Lawrence Livermore National Security, Llc Neutron interrogation system using high gamma ray signature to detect contraband special nuclear materials in cargo
JP4587769B2 (ja) * 2004-10-20 2010-11-24 日立Ｇｅニュークリア・エナジー株式会社 放射線損傷量計測装置
US7209540B2 (en) 2004-12-22 2007-04-24 Eg&G Middle East Vessel scanning system
US7420175B2 (en) * 2005-04-13 2008-09-02 University Of Houston Explosives detection by directional fast neutron beams scan with associated particles
US8767905B2 (en) * 2008-03-07 2014-07-01 Babcock & Wilcox Technical Services Group, Inc. Combinatorial heterogeneous-homogeneous reactor
US8338777B2 (en) * 2009-09-09 2012-12-25 Bake Hughes Incorporated Apparatus and method for well logging utilizing associate particle imaging
DE102010056517A1 (de) * 2010-12-29 2012-07-05 Atlas Elektronik Gmbh Erkennungsvorrichtung und Erkennungsverfahren zum Erkennen eines in einem Gewässer angeordneten und einen chemischen Stoff aufweisenden Unterwasserkörpers sowie System mit Unterwasserfahrzeug und Erkennungsvorrichtung
US8921801B2 (en) * 2011-01-07 2014-12-30 Brookhaven Science Associates, Llc Detection system for high-resolution gamma radiation spectroscopy with neutron time-of-flight filtering
JP2015523560A (ja) * 2012-06-01 2015-08-13 ラピスカン システムズ、インコーポレイテッド 物質識別のための飛行時間中性子検査方法及びシステム
US9392681B2 (en) * 2012-08-03 2016-07-12 Schlumberger Technology Corporation Borehole power amplifier
US9268043B2 (en) * 2012-09-27 2016-02-23 Alexander DeVolpi Radiation-monitoring system with correlated hodoscopes

Also Published As

Publication number Publication date
PL409388A1 (pl) 2016-03-14
EP3189356B1 (en) 2019-10-30
US10126257B2 (en) 2018-11-13
JP6580675B2 (ja) 2019-09-25
US20170254763A1 (en) 2017-09-07
EP3189356A1 (en) 2017-07-12
JP2017526928A (ja) 2017-09-14
WO2016036264A1 (en) 2016-03-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0396618B1 (en) Neutron scatter method and apparatus for the noninvasive interrogation of objects
Pesente et al. Detection of hidden explosives by using tagged neutron beams with sub-nanosecond time resolution
RU80004U1 (ru) Устройство для идентификации скрытых веществ
JP2009047559A (ja) 窒素含有化合物の検知方法および装置
US10126257B2 (en) Device and method for non-invasive detection of hazardous materials in the aquatic environment
Wajid et al. X-ray backscattering: design, applications, and prospects in non-destructive evaluation
Silarski et al. Monte Carlo simulations of the underwater detection of illicit war remnants with neutron-based sensors
Aleksakhin et al. Use of the tagged neutron technique for detecting dangerous underwater substances
Valkovic et al. An underwater system for explosive detection
Cinausero et al. Development of a thermal neutron sensor for Humanitarian Demining
Nebbia et al. Detection of hidden explosives in different scenarios with the use of nuclear probes
Valkovic New/future approaches to explosive/chemicals detection
Perot et al. Materials characterisation with the associated particle technique
Silarski Hazardous substance detection in water environments using neutron beams: the SABAT project
Nebbia et al. Detection of buried landmines and hidden explosives using neutron, X-ray and gamma-ray probes
Silarski et al. Underwater detection of dangerous substances: status the SABAT project
Rhodes et al. APSTNG: neutron interrogation for detection of explosives, drugs, and nuclear and chemical warfare materials
Lichorobiec et al. Advanced Methods of Detecting Explosives in Improvised Explosives Devices
Bystritsky et al. Study of the Associated Particle Imaging technique for the hidden explosives identification
Bishnoi Fast Neutron Imaging Techniques
Vourvopoulos et al. Evaluation of PELAN as a landmine confirmation sensor
Bochkarev et al. Concealed explosives detector based on portable neutron generator
McFee et al. Defence Research and Development Canada: Suffield research on nuclear methods for detection of buried bulk explosives
EP1071948A2 (en) Method and apparatus for detecting, locating, and analyzing chemical compounds using subatomic particle activation (atometry)
Vourvopoulos et al. Evaluation of PELAN as a Confirmation Sensor for Landmines and Explosives