RU100271U1 - Устройство для обнаружения взрывчатых веществ - Google Patents

Abstract

Устройство для обнаружения взрывчатых веществ, состоящее из блока излучателей нейтронов, модуля детектирования гамма-излучения, а также модуля обработки сигналов, отличающееся тем, что блок излучателей состоит из источников быстрых и тепловых нейтронов, а модуль детектирования выполнен в виде двух блоков: сцинтилляционного спектрометра на основе кристаллов NaJ-Tl и широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД).

Description

Полезная модель относится к устройствам для обнаружения взрывчатых веществ (ВВ), скрытых под железнодорожным полотном. Полезная модель может быть использована в составе железнодорожных комплексов радиационного контроля взрывчатых веществ.

Применение нейтрон-радиационного метода для обнаружения ВВ с использованием тепловых нейтронов (ТН-метода) широко известно. Известны стационарные устройства для обнаружения ВВ в контролируемых предметах, преимущественно в авиабагаже (патент Российской Федерации №2046324, G01N 23/222, опубл. 20.10.1995 г.; патент Российской Федерации №2276352, G01N 23/222, опубл. 10.05.2006 г.; патент Российской Федерации №2280248, G01N 23/222, опубл. 20.07.2006 г.), содержащие камеру из замедлителя нейтронов, в которую помещается багаж, источник быстрых нейтронов и блоки детектирования гамма-излучения.

Недостатком этих устройств является то, что они ориентированы на обнаружение ВВ при их облучении в изотропном поле тепловых нейтронов внутри камеры облучения, они не применимы для обнаружения ВВ в области железнодорожного полотна при облучении ВВ нейтронами внешнего источника в одном направлении.

В рамках координационного проекта МАГАТЭ «Применение ядерных технологий для обнаружения противопехотных мин» с 1998 года в Италии стартовала программа EXPLODET (EXPLOsive DETection) (G.Viesti et al. The EXPLODET Project: Advanced Nuclear Techniques for Humanitarian Demining. Nucl. Instr. and Meth. A 422 (1999) 918). Значительная часть работ EXPLODET по обнаружению ВВ нейтрон-радиационным методом опубликована в EX-PLODET REPORT 1998-2002. В качестве аналога можно назвать известное устройство для обнаружения ВВ (М.Cinausero, F.Deak, D.Fabris et ai. Characterization of a Gamma Spectroscopy Tool for Humanitarian Demining. INTERCIENCIA, v.26 (2001) 117). Устройство состоит из излучателя тепловых нейтронов, блока детектирования и блока обработки информации. Тепловые нейтроны источника, проникая в грунт, достигают ядер азота, содержащихся в ВВ, и в результате реакции радиационного захвата индуцируют гамма-кванты с энергией 10,8 МэВ, регистрация которых осуществляется с помощью блока детектирования, расположенного рядом с блоком излучателя на фиксированном расстоянии от поверхности грунта. В качестве блока детектирования используется сцинтилляционный гамма-спектрометр с большим кристаллом Nal(Tl). Во всех известных устройствах для обнаружения ВВ нейтрон-радиационным методом используется сцинтилляционный блок детектирования гамма-излучения с использованием больших неорганических сцинтилляторов Nal(Tl), CsI(Tl) или BGO. Для повышения эффективности регистрации гамма-излучения может использоваться несколько сцинтилляторов.

Недостатком такого устройства, как и других устройств обнаружения ВВ неитронно-радиационным ТН-методом, является то, что известное устройство обеспечивает чувствительность обнаружения только значительных количеств ВВ весом не менее 1 кг. Это обусловлено тем, что используемый детектор обладает высокой чувствительностью к мягкому гамма-излучению, приводящей к высокой загрузке тракта регистрации, наложением импульсов от гамма-лучей, образованных при взаимодействии нейтронов как с материалом детектора, так и с окружающими материалами. Как следствие - низкое отношение полезного сигнала к фону (~10^-1) в области энергий гамма-квантов 9-11 МэВ.

Известно устройство для обнаружения взрывчатых веществ путем их облучения импульсными пучками быстрых нейтронов (БН-анализ) с энергией 14 МэВ (d-t-источник быстрых нейтронов) с одновременной регистрацией характеристического гамма-излучения элементов, возбуждаемых при неупругом рассеянии быстрых нейтронов. Энергии наиболее интенсивных гамма-квантов равны 4,43 (углерод), 2,31 (азот) и 6,13 МэВ (кислород) соответственно. (M.B.Goldberg. Applications of scintillators in security inspection system. Proceedings of the "CRYSTAL 2000' INTERNATIONAL WORKSHOP Heavy scintillators for scientific and industrial applications, September 1992, P.137-150). Однако, поскольку для большинства радиоактивных продуктов область излучения гамма-квантов расположена в пределах 5 кэВ - 3 МэВ регистрацию линии азота 2,1 МэВ приходится проводить на широком гамма-фоне, что снижает точность измерений.

Наиболее близким к заявляемому является известное устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ (патент РФ на полезную модель №65650, МПК G01N 23/222, заявл. 05.03.2007, опубл. 10.08.2007, Бюл №22), состоящее из излучателя тепловых нейтронов, блока детектирования гамма-излучения и блока обработки информации, причем блок детектирования выполнен виде широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД) для регистрации жесткого гамма-излучения. Он состоит из набора слоев конвертора гамма-излучения и слоев сцинтиллятора, примыкающих к слоям конвертора.

Обнаружение ВВ осуществляется в результате регистрации ГСД-детектором гамма-квантов с энергией Е=10,8 МэВ, возникающих в азоте, содержащемся в образце ВВ, размещенном в грунте, при облучении последнего тепловыми нейтронами.

Однако известное устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ позволяет обнаруживать ВВ только по одному элементу, по изотопу азота ¹⁵N, что не обеспечивает достаточно высокой надежности получаемой информации из-за возможности неконтролируемого вклада гамма-линий, связанных с материалом железнодорожных рельс и материалом их крепежа: 10,038 МэВ (0,03%) изотопа железа ³⁸Fe и 9,298 МэВ (3,3%) изотопа железа ⁵⁵Fe, что снижает чувствительность метода контроля.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка устройства для обнаружения взрывчатых веществ, обладающего болей высокой чувствительностью и обеспечивающего получение более надежных результатов.

Эта задача решается с использованием комбинированного нейтрон-радиационного метода контроля путем облучении ВВ тепловыми нейтронами (ТН-анализ) и обнаружения в регистрируемом спектре вторичного гамма-излучения линии азота ¹⁵N 10,8 МэВ, и путем одновременного облучения ВВ импульсными пучками быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ, d-t-источник быстрых нейтронов (БН-анализ), и определения углерода, азота и кислорода, содержащихся практически во всех ВВ, путем спектрометрического анализа вторичного гамма-излучения с энергиями 4,43 (углерод), 2,31 (азот) и 6,13 МэВ (кислород).

Полезная модель предлагаемого устройства обнаружения взрывчатых веществ содержит блок излучателей из источников быстрых и тепловых нейтронов, модуль детектирования гамма-излучения, а также модуль управления и обработки сигналов, причем модуль детектирования гамма-излучения выполнен в виде двух блоков: сцинтилляционного спектрометрического детектора на основе кристаллов NaJ-Tl (используется один или несколько кристаллов NaJ-Tl для повышения чувствительности устройства) и широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД).

Схема предлагаемой полезной модели устройства железнодорожного базирования для обнаружения взрывчатых веществ приведена на Фиг.1 и Фиг.2. В состав устройства входят источник нейтронов, модуль детектирования, а также блок питания и обработки сигналов, управляемый дистанционно. Источник нейтронов выполнен в виде двух блоков, обозначенных одной и той же цифрой 1 на Фиг.2 Первый блок источника нейтронов, изготовленный на основе изотопа ²⁵²Ct с замедлителем из полиэтилена, является излучателем тепловых нейтронов (с плотностью потока тепловых нейтронов до 10⁸ т.н./с. Второй блок выполнен в виде (d-t)-генератора (интенсивностью до 10⁸-10⁹ н/с) и является излучателем быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ. Источник нейтронов окружен биологической защитой 2 и 3, одним из компонентов которой может быть вода. Модуль детектирования гамма-излучения 4 (Фиг.1 и Фиг.2) выполнен в виде двух блоков: впередсмотрящего спектрометрического сцинтилляционного блока на основе кристаллов NaJ-Tl, 4a, Фиг.3, и блока широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД), 46, Фиг.3, с чередующимися слоями свинцовых конверторов и пластиковых сцинтилляторов. Блок питания и обработки сигналов 5, Фиг.1, управляется дистанционно для обеспечения радиационной безопасности персонала. Все модули и блоки устройства для обнаружения взрывчатых веществ могут быть размещены в переоборудованной для этих целей цистерне, свободная часть которой 6, Фиг.1, заполнена водой как замедлителем. Переоборудованная цистерна перемещается локомотивом, Фиг.4. Дистанционное управление устройством осуществляет персонал, находящийся в локомотиве или в специальном вагоне.

Устройство работает следующим образом. Зондирующее нейтронное излучение при воздействии на взрывчатые вещества 7, расположенные в грунте 8, вызывает появление гамма-излучения с энергией 4,43 МэВ от изотопов углерода ¹²С, с энергией 2,31 МэВ от изотопов азота ¹⁴N и с энергией 6,13 МэВ от изотопов кислорода ¹⁶О в случае воздействия на их ядра быстрых нейтронов или появление гамма-излучения с энергией 10,8 МэВ, возникающего при захвате тепловых нейтронов ядрами азота ¹⁴N с последующим образованием ядер ¹⁵N и испусканием вследствие этой ядерной реакции гамма-квантов с указанной энергией.

Регистрируемые гамма-кванты попадают в сцинтиллятор на основе NaJ-Tl (первый блок сцинтилляционного модуля) или на фронтальную поверхность конвертирующих слоев ГСД (второй блок сцинтилляционного модуля) и, взаимодействуя с ними, создают в первом случае световые вспышки-сцинтилляции, регистрируемые ФЭУ с последующим анализом их спектра, а во втором случае создают поток электронов и позитронов, которые в зависимости от их энергии и пробега достигают детектирующих слоев сцинтиллятора ГСД, преобразующих энергию заряженных частиц в сцинтилляции-отсчеты, регистрируемые ФЭУ. В ГСД сцинтилляционного модуля толщины конвертирующих слоев выбираются так, что фоновые гамма-кванты дают отсчеты только в одном слое сцинтиллятора (один отсчет на один гамма-квант), тогда как «жесткие» гамма-кванты, рождающие жесткие электроны и позитроны, приводят к одновременным отсчетам в нескольких слоях сцинтиллятора. Регистрация полезных сигналов осуществляется как с каждого i-ого сцинтилляционного слоя детектора (N_i, i=1,2,…M, где М - число сцинтилляционных слоев детектора), так и одновременно со всех сцинтилляционных слоев одним фотоумножителем (ND). Соотношение между ND и ΣN_i; несет информацию об энергетическом спектре падающего гамма-излучения. Система обработки информации, поступающей от гетерогенного детектора, позволяет работать при использовании высокоинтенсивного источника нейтронов (>10⁸ н/с) с подавлением фоновой составляющей и выделением полезных сигналов в широкой области спектра гамма - излучения (2,31, 4,43, 6,13 и - 10,8 МэВ), что повышает отношение эффект/фон в выделенных энергетических интервалах. Это качество отсутствует у параллельно используемого сцинтиблока на основе кристалла NaJ-Tl.

Обнаружение ВВ осуществляется по результатам регистрации спектрометрическим сцинтилляционным детектором на основе кристаллов NaJ-Tl или ГСД-детектором гамма-квантов с энергией 2,31, 4,43, 6,13 и-10,8 МэВ, возникающих вследствие ядерных реакций в азоте, углероде и кислороде, содержащихся в образце взрывчатых веществ 7, помещенного в грунт (8), при его одновременном облучении быстрыми и тепловыми нейтронами. Расчеты показывают, что нормированная на один падающий гамма-квант с энергией Е=10 МэВ эффективность его регистрации детектором NaI(Tl) и ГСД примерно одинаковая и определяется апертурой детекторов. Учитывая возможность использования ГСД большой апертуры по сравнению с использованием детекторов NaI(Tl) с апертурой, ограниченной размерами кристалла, можно повысить эффективность регистрации гамма-квантов в 10-20 раз. Малая толщина ГСД (~2 см) позволяет упростить проектирование устройства и конструкцию мобильной системы обнаружения ВВ.

Технический результат. Повышение чувствительности при обнаружении взрывчатых веществ, получение более надежных результатов благодаря одновременному применению ТН- и БН-методик и новой системе регистрации гамма-излучения.

Claims (1)

1. Устройство для обнаружения взрывчатых веществ, состоящее из блока излучателей нейтронов, модуля детектирования гамма-излучения, а также модуля обработки сигналов, отличающееся тем, что блок излучателей состоит из источников быстрых и тепловых нейтронов, а модуль детектирования выполнен в виде двух блоков: сцинтилляционного спектрометра на основе кристаллов NaJ-Tl и широкоапертурного гетерогенного сцинтилляционного детектора (ГСД).