RU2196980C1

RU2196980C1 - Device to detect hidden substances

Info

Publication number: RU2196980C1
Application number: RU2001131077A
Authority: RU
Inventors: В.М. Быстрицкий; А.И. Иванов; В.Г. Кадышевский; Н.Э. Кравченко; Ю.К. Недачин; В.А. Никитин; М.Г. Сапожников; А.Н. Сисакян; Л.М. Ухлинов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр "Аспект"
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2003-01-20

Abstract

FIELD: equipment for check points, bus and railway stations, airports, sea ports, customs. SUBSTANCE: device incorporates gamma-ray detector and recording electronics, source of monochromatic neutrons and of monochromatic alpha particles accompanying them based deuteron accelerator and tritium target, detector of alpha particles built on base of plastic scintillator, system recording alpha-gamma coincidences. Gamma-ray detector is positioned at distance of 30-40 cm from inspected object. EFFECT: provision for identification of elemental composition, form and position of substances ( explosives, narcotics, etc ) transported hidden. 1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области обнаружения контрабанды, а именно к дистанционному определению скрытого вещества и его положения в контейнере, и может быть использовано в контрольно-пропускных пунктах, авто- и железнодорожных станциях, аэропортах, морских портах, таможенных службах и т.д. The invention relates to the field of detection of smuggling, namely, the remote determination of the hidden substance and its position in the container, and can be used at checkpoints, auto and railway stations, airports, seaports, customs services, etc.

Известна портативная система обнаружения контрабанды CDS-2002 [1], содержащая источник γ-излучения, детектор рассеянного γ-излучения, усилитель сигналов детектора, селектор амплитуд импульсов рассеянного γ-излучения, микропроцессорный контроллер и дисплей, которая является аналогом данного изобретения. Недостатками указанной системы является то, что данный метод применим для просмотра пустых полостей глубиной не более 20 см, а также то, что система не может идентифицировать элементный состав скрыто перемещаемых веществ. Known for a portable smuggling detection system CDS-2002 [1], comprising a gamma radiation source, a scattered gamma radiation detector, a signal amplifier of a detector, a pulse amplitude selector of scattered gamma radiation, a microprocessor controller and a display that is similar to the present invention. The disadvantages of this system is that this method is applicable for viewing empty cavities with a depth of not more than 20 cm, and also that the system cannot identify the elemental composition of hidden substances.

Известно также устройство для анализа многокомпонентных материалов [2], которое является прототипом данного изобретения. Указанное устройство содержит источник γ-излучения, детектор γ-излучения с регистрирующей электроникой. Исследуемый объект помещается между указанным источником и указанным детектором. γ-излучение, проходя сквозь указанный объект, ослабляется по интенсивности, сохраняя энергию γ-квантов. Далее γ-кванты регистрируются детектором γ-излучения, импульсы детектора усиливаются в усилителе, проходят дискриминатор и через счетчик попадают в вычислительное устройство (контроллер, ЭВМ и т.д.), и после обработки информация выводится на дисплей. Эта информация сравнивается с информацией, полученной без исследуемого объекта, и таким образом находится коэффициент ослабления интенсивности γ-излучения. По найденному коэффициенту ослабления и известному удельному коэффициенту ослабления для известного материала находится количество этого материала в исследуемом объекте. A device for the analysis of multicomponent materials [2], which is the prototype of the present invention, is also known. The specified device contains a source of γ-radiation, a γ-ray detector with recording electronics. The investigated object is placed between the specified source and the specified detector. γ-radiation passing through the specified object is attenuated in intensity, conserving the energy of γ-quanta. Further, gamma quanta are detected by a gamma radiation detector, the detector pulses are amplified in an amplifier, pass the discriminator, and pass through a counter to a computing device (controller, computer, etc.), and after processing the information is displayed. This information is compared with information obtained without the object under study, and thus the attenuation coefficient of the γ-radiation intensity is found. According to the found attenuation coefficient and the known specific attenuation coefficient for a known material, the amount of this material in the studied object is found.

Недостатком данного устройства является то, что оно не может идентифицировать элементный состав веществ и применимо лишь для исследования объектов с заранее известными компонентами. Определяется лишь количество каждого из этих компонентов и при этом не определяется форма и месторасположение скрытого материала в объекте. The disadvantage of this device is that it cannot identify the elemental composition of substances and is applicable only for the study of objects with previously known components. Only the amount of each of these components is determined and the shape and location of the hidden material in the object is not determined.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, а именно обеспечение возможности идентификации элементного состава, формы и положения скрыто перевозимых веществ (например, взрывчатки, наркотиков). The aim of the invention is to remedy these disadvantages, namely, the possibility of identifying the elemental composition, form and position of the substances transported hidden (for example, explosives, drugs).

Поставленная цель достигается тем, что устройство дополнительно содержит источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, выполненный на основе ускорителя дейтронов и тритиевой мишени, детектор α-частиц, выполненный на основе пластического сцинтиллятора и систему регистрации α-γ совпадений, а указанный детектор γ-излучения расположен на расстоянии 30-40 см от исследуемого объекта, при этом указанный детектор α-частиц выполнен на основе активированного полистирола толщиной 0,7 мм в виде матрицы с числом ячеек 2 х 2 размером 11 х 11 мм каждая, установленный на расстоянии 7,5 см от указанной мишени и защищенный алюминиевой фольгой толщиной 4-6 мкм. This goal is achieved in that the device further comprises a source of monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, made on the basis of a deuteron accelerator and tritium target, an α-particle detector, made on the basis of a plastic scintillator and an α-γ coincidence registration system, and said detector γ radiation is located at a distance of 30-40 cm from the test object, while the specified α-particle detector is based on activated polystyrene with a thickness of 0.7 mm in the form of a matrix with the number 2 x 2 cells measuring 11 x 11 mm each, mounted at a distance of 7.5 cm from the specified target and protected by aluminum foil 4-6 microns thick.

Предлагаемое устройство представлено на чертеже, где
1 - ускоритель дейтронов, 2 - тритиевая мишень, 3 - матрица детектора α-частиц, 4 - детектор γ-излучения,5 - регистрирующая электроника, 6 - система регистрации α-γ-совпадений, 7 - исследуемый объект, 8 - скрытое вещество, 9 - вакуумная камера.The proposed device is presented in the drawing, where
1 - deuteron accelerator, 2 - tritium target, 3 - matrix of the α-particle detector, 4 - γ-radiation detector, 5 - recording electronics, 6 - registration system for α-γ coincidences, 7 - studied object, 8 - hidden substance, 9 - a vacuum chamber.

Устройство работает следующим образом:
Под действием пучка дейтронов, ускоренного в указанном ускорителе до энергии 100-150 КэВ, в тритиевой мишени рождаются монохроматические нейтроны с энергией 14 МэВ и сопутствующие им α-частицы с энергией 3,6 МэВ, вылетающие во взаимопротивоположных направлениях. При этом, если α-частица попадает в α-детектор, то при известной скорости α-частицы, расстоянию от мишени до детектора и моменту ее регистрации в детекторе определяется момент испускания соответствующего нейтрона. Точность определения момента испускания определяется временем высвечивания применяемого в детекторе α-частиц сцинтиллятора. Поэтому в предлагаемом устройстве применен активированный полистирол со временем высвечивания около 2 нс.The device operates as follows:
Under the action of a deuteron beam accelerated in the specified accelerator to an energy of 100-150 KeV, monochromatic neutrons with an energy of 14 MeV and their accompanying α-particles with an energy of 3.6 MeV are generated in the tritium target, flying in opposite directions. Moreover, if the α-particle enters the α-detector, then at the known speed of the α-particle, the distance from the target to the detector and the moment of its registration in the detector, the moment of emission of the corresponding neutron is determined. The accuracy of determining the moment of emission is determined by the time of emission of the scintillator α-particles used in the detector. Therefore, the proposed device uses activated polystyrene with a flash time of about 2 ns.

Поток соответствующих регистрируемым α-частицам нейтронов (при скорости ровно в 4 раза превышающей скорость α-частиц) пронизывает исследуемый объект. В веществе объекта нейтроны взаимодействуют с ядрами атомов и порождают γ-излучение, энергетический спектр которого однозначно определяется атомным номером и атомной массой вещества, находящегося в исследуемом объекте. The flux of neutrons corresponding to the detected α-particles (at a speed exactly 4 times the speed of α-particles) penetrates the object under study. In the substance of an object, neutrons interact with the nuclei of atoms and generate γ-radiation, the energy spectrum of which is uniquely determined by the atomic number and atomic mass of the substance located in the object under study.

Для измерения энергетических спектров испускаемого γ-излучения применяется γ-детектор, располагаемый за исследуемым объектом. Таким образом, по измеренному спектру γ-излучения устанавливается наличие в исследуемом объекте вещества того или иного элемента. Чувствительность предлагаемого устройства многократно повышается, если применяется система задержанных α-γ-совпадений, т. е. γ-излучение регистрируется только в узком временном интервале, равном времени высвечивания α-детектора, сдвинутом на разность времен пролета нейтрона от мишени до определенного места в исследуемом объекте и α-частицы от мишени до α-детектора. To measure the energy spectra of the emitted γ-radiation, a γ-detector located behind the object under study is used. Thus, according to the measured spectrum of γ-radiation, the presence of the substance of one or another element in the studied object is established. The sensitivity of the proposed device is significantly increased if a system of delayed α-γ coincidences is used, i.e., γ-radiation is detected only in a narrow time interval equal to the emission time of the α-detector, shifted by the difference in the neutron flight times from the target to a certain place in the studied object and α particles from the target to the α detector.

Учитывается также время пролета испущенного кванта γ-излучения до γ-детектора. The time taken by the emitted γ-ray quantum to the γ-detector is also taken into account.

Таким образом, определяется не только наличие в исследуемом объекте скрытого вещества, состоящего из определенных химических элементов, но также и расстояние от мишени до атомов указанного вещества, т.е. его геометрическая форма. Следует отметить, что применение в устройстве матричного детектора α-излучения позволяет установить с определенной точностью место расположения скрытого вещества в исследуемом объекте, а расположение γ-детекторов на расстоянии 30-40 см от исследуемого объекта в свою очередь позволяет осуществлять эффективную дискриминацию событий, обусловленных загрузкой γ-детекторов характеристическим γ-излучением исследуемого объекта (например, С, N, О - ядер)от фоновых событий загрузки γ-детекторов рассеянным нейтронным излучением, поскольку при таком расположении γ-детекторов фоновые импульсы нейтронного излучения приходят значительно позднее. Thus, it is determined not only the presence of a hidden substance in the studied object, consisting of certain chemical elements, but also the distance from the target to the atoms of the specified substance, i.e. its geometric shape. It should be noted that the use of an α-radiation matrix detector in the device allows to determine with a certain accuracy the location of the hidden substance in the test object, and the location of γ-detectors at a distance of 30-40 cm from the test object in turn allows effective discrimination of events caused by loading γ-detectors with characteristic γ-radiation of the studied object (for example, С, N, О - nuclei) from background events of loading γ-detectors by scattered neutron radiation, since At the location of the γ detectors, the background neutron radiation pulses arrive much later.

Предлагаемое устройство было испытано при обнаружении и идентификации скрытых веществ, таких как чистый углерод (графит), спирт (C₂H₅OH), карбомид (CH₄ON₂), аммоний (NH₄NO₃) и тринитротолуол (С₇Н₅N₃О₆)(ТНТ).The proposed device was tested in the detection and identification of hidden substances such as pure carbon (graphite), alcohol (C ₂ H ₅ OH), carbide (CH ₄ ON ₂ ), ammonium (NH ₄ NO ₃ ) and trinitrotoluene (C ₇ H ₅ N ₃ O ₆ ) (TNT).

Например, в случае с ТНТ измерения проводились следующим образом. Образец ТНТ массой 1,5 кг помещался в плоский ящик с землей размером 20 х 60 х 10 см. ТНТ размещался у задней стенки ящика так, что толщина земли по направлению пучка нейтронов составляла 18 см. Было показано, что энергетические спектры γ-излучения, измеренные в интервале α-γ-совпадений 22-26 нс соответствуют спектрам ТНТ, т. е. не только ТНТ был обнаружен, но также установлены местонахождение и толщина его образца. For example, in the case of TNT, the measurements were carried out as follows. A TNT sample weighing 1.5 kg was placed in a flat box with earth measuring 20 x 60 x 10 cm. The TNT was placed near the back wall of the box so that the earth thickness in the direction of the neutron beam was 18 cm. It was shown that the energy spectra of γ radiation measured in the range of α-γ coincidences 22–26 ns correspond to the TNT spectra, i.e., not only TNT was detected, but also the location and thickness of its sample were established.

Литература:
[1] Портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001 (инструкция по эксплуатации) 01.07.1998.Literature:
[1] CDS-2001 Portable Smuggling Detection System (Operating Instructions) 07/01/1998.

[2] Прототип - патент GB 2088050 А. [2] Prototype - patent GB 2088050 A.

Claims

1. A device for detecting hidden substances, containing a γ-radiation detector and detecting electronics, characterized in that the device further comprises a source of monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, made on the basis of a deuteron accelerator and a tritium target, an α-particle detector, made on based on a plastic scintillator enclosed in a vacuum chamber and a registration system for α-γ matches, while the specified γ-radiation detector is located at a distance of 30-40 cm from the studied volume project.

2. The device according to claim 1, characterized in that said α-particle detector is made on the basis of activated polystyrene with a thickness of 0.7 mm in the form of a matrix with the number of cells 2 • 2 measuring 11 • 11 mm each, installed at a distance of 7.5 cm from the specified target and protected by aluminum foil with a thickness of 4-6 microns.