RU2300096C2 - Способ и устройство обнаружения контрабанды - Google Patents

Abstract

Использование: для обнаружения контрабанды. Сущность: заключается в том, что в качестве вызывающих характеристическое излучение частиц используют коллимированный до расходимости, не превышающей 10^-3 рад, импульсный пучок субнаносекундной длительности ионов ГэВ-ного диапазона энергий, регулируют частоту следования моноимпульсов ионов, при этом применение ускоренных ионов, сформированных в моноимпульсы субнаносекундной длительности, в сочетании с времяпролетной методикой регистрации высокоэнергетических гамма-квантов (Е_γ~70 МэВ и Е_γ=131 МэВ) и μ⁺-мюонов, являющихся сигнатурными признаками материала, и сканированием этими моноимпульсами поверхности инспектируемого объекта позволяет определить точное местонахождение контрабандного вещества внутри объекта и сформировать поточечное высококонтрастное трехмерное изображение контрабандных материалов и выявить их месторасположение среди веществ, содержащихся в инспектируемом объекте, кроме того, дополнительным каналом выявления специальных ядерных материалов служит регистрация характеристических мгновенных и запаздывающих гамма-квантов осколков деления этих ядер. Технический результат: просвечивание полностью заполненных контейнеров и цистерн с высокой разрешающей способностью поточечного анализа содержимого инспектируемого объекта. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

Description

Изобретение относится к области исследования и/или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств, конкретно к исследованию или анализу материалов радиационными методами для обнаружения контрабанды, взрывчатки, взрывоопасных, в том числе особо опасных ядерных систем, закладываемых в транспортных средствах, и может быть использовано в контрольно-пропускных пунктах, авто- и железнодорожных станциях, аэропортах, таможенных службах и т.д.

Известны способ и портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001, содержащая источник γ-излучения, детектор рассеянного γ-излучения, усилитель сигналов детектора, селектор амплитуд импульсов рассеянного γ-излучения, микропроцессорный контроллер и дисплей.

Портативная система обнаружения контрабанды CDS-2001. Инструкция по эксплуатации, 1998 г.

Недостатками указанной системы является то, что источник γ-излучения имеет большую мощность, что создает опасность для персонала, а также то, что система не может быть использована при рабочих температурах ниже 0°С.

Известны способ и устройство для анализа многокомпонентных материалов, которое содержит источник γ-излучения, детектор γ-излучения, усилитель, дискриминатор, контроллер и дисплей.

Исследуемый образец помещается между указанными источником и детектором, γ-излучение, проходя сквозь образец, 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), после обработки информация выводится на дисплей.

Патент Великобритании №2088050, G01N 23/08, 1998 г.

Недостатками изобретений является низкая стабильность измерений.

Известны способ и устройство для обнаружения контрабанды, содержащее полиэнергетический источник γ-излучения, спектрометрический детектор γ-излучения, усилитель сигналов детектора, амплитудно-цифровой преобразователь, контроллер и компаратор интенсивности импульсов в избранных энергетических областях (селектор импульсов отраженного γ-излучения) и дисплей.

Патент Российской Федерации №2161299, МПК: G01N 23/08, 2000 г.

Недостатками изобретений является то, что детектор, реагируя на наличие за экраном присоединенной массы (контрабанды), никак не позволяет судить о характере скрытого материала, поскольку величина альбедо (показателя отражения) широкого ненаправленного пучка γ-излучения в столь сложной геометрии не позволяет связать интенсивность регистрируемого γ-излучения с атомным номером или даже плотностью отражающего вещества и, следовательно, не позволяет хоть как-то идентифицировать характер скрытой закладки, и не исключает ошибок, связанных с помехами, создаваемыми наличием конструктивных элементов (перегородок, ребер жесткости и пр.) транспортного средства или строения за перегородкой (маской).

Кроме того, интенсивность регистрируемого при этом отраженного γ-излучения зависит не только от плотности материала закладки, но и от геометрических размеров скрытой закладки. Дифференцировать же происхождение регистрируемой интенсивности в смысле соотнесения ее с атомным номером вещества отражателя или его размерами прибор не позволяет.

Известны способ и устройство для обнаружения взрывчатых веществ, содержащее источник излучения, детектор γ-излучения, блок обработки сигналов гамма-излучения, имеющий усилитель сигналов детектора, селектор γ-излучения и контроллер, и блок индикации, в котором источник излучения выполнен в виде нейтронного генератора с блоком управления нейтронным генератором.

Свидетельства Российской Федерации на полезную модель №26849 (контрабанда), МПК: G01N 23/08, 2002 г. и на полезную модель №27227 (скрытые взрывчатые вещества), МПК: G01N 23/08, 2002 г.

Данные технические решения разработаны в портативном исполнении для обнаружения вложений в переносном багаже и не применимы для работы с контейнерами.

Известны устройство и способ определения ядерно-физических параметров и элементного состава сборки, содержащей делящееся вещество. В этом способе используют периодическое импульсное облучение сборки, регистрацию вышедших из сборки частиц с помощью удаленного детектора.

Из ускорителя импульсами длительностью 5-50 нс облучают сборку, временное распределение гамма-квантов регистрируют в течение 200-2000 нс после прохождения через исследуемый объект облучающего импульса, вызывающего в делящихся материалах эмиссию запаздывающих гамма-квантов.

Частота следования импульсов облучения лежит в пределах 100-1000 Гц, для каждого зарегистрированного гамма-кванта измеряют также его энергию, запоминают время регистрации и энергию для каждого гамма-кванта.

Патент Российской Федерации №2130653, G21С 17/06, Бюл. №14, 1999 г.

Указанные изобретения основаны на методике сравнения с калибровочными данными при регистрации запаздывающих гамма-квантов и применимы только в условиях вакуума.

Известен способ, в котором ускоряют тяжелые заряженные частицы (дейтроны d) до энергии 5-6 МэВ в виде импульсов длительностью ~5 нсек и МГц-частотой повторения, конвертируют дейтронные импульсы (d, n), получая слабонаправленный поток быстрых монокинетических нейтронов с энергией 6-9 МэВ, формируют пучок нейтронов карандашного типа, направляют пучок нейтронов карандашного типа на инспектируемый объект и перемещают его по поверхности объекта, в виде наносекундных одиночных импульсов, следующих с мегагерцевой частотой повторения, активируют по микрообъемам вещество инспектируемого объекта (закладку, контрабанду), регистрируют характеристические гамма-кванты элементов, входящих в состав этого вещества, а затем оценивают сигнатурные признаки объекта.

Патент США №5076993, МПК: G21G 1/06, 1991 г., прототип.

В данном способе для отображения содержимого инспектируемого объекта на мониторах инспекционной службы применяют времяпролетный способ анализа для построения трехмерного изображения внутреннего содержимого объекта.

Известно и устройство, содержащее циклотрон для ускорения дейтронов, конвертор (d, n) для создания потока быстрых монокинетических нейтронов, коллиматор нейтронного потока для получения пучка нейтронов карандашного типа, сканирующую систему для направления пучка нейтронов карандашного типа на инспектируемый объект и перемещения его по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма-излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения внутреннего (скрытого) содержания объекта.

Патент США №5076993, МПК: G21G 1/06, 1991 г., прототип.

Прототипы имеют недостатки, которые не позволяют применить их для инспекции ядерных материалов, сокрытых в средах нейтронозамедляющих легкоэлементных веществ (типа воды, нефти, спирта и т.п.) или прикрытых защитными экранами из веществ большого атомного номера Z:

- быстрые нейтроны с энергией 6-9 МэВ термолизуются размещением легкоэлементных (малого Z) сред на пути их следования, что не позволяет проводить инспекцию полностью заполненных контейнеров и цистерн;

- конверсия ускоренных дейтронов в быстрые нейтроны снижают плотность инспектирующих частиц на отдаленном объекте инспекции;

- применение коллиматора нейтронного потока для формирования из широко расходящегося потока пучка нейтронов малого поперечного сечения и с малой угловой расходимостью снижает эффективность анализа и не позволяет проводить инспекцию с расстояний более 10 м до объекта инспекции;

- рост сопутствующего гамма- и нейтронного фонов в силу разлета нейтронов из конвертора в широкий телесный угол ведет к ухудшению параметра сигнал/шум и росту вероятности ложных срабатываний инспектирующего комплекса;

- большая длительность моноимпульса дейтронов и большая длительность инспектирующего объект импульса нейтронов снижает пространственное разрешение при формировании изображения содержимого объекта;

- ограниченность числа дейтронов в моноимпульсе из-за кулоновского ограничения импульсного тока в циклотроне приводит к увеличению времени на проведение инспекции;

- отсутствуют высокоэнергетические гамма-линии в спектрах ядерных материалов, представляющих наибольший интерес - урана, плутония;

- нерегулируемость частоты следования импульсов, которая определяется частотой высокочастотного генератора схемы ВЧ-питания циклотрона.

Данные изобретения (способ и устройство) устраняют указанные недостатки и обеспечивают возможность просвечивания полностью заполненных контейнеров и цистерн - любых объектов - с высокой разрешающей способностью поточечного анализа содержимого инспектируемого объекта.

Для получения мощных ионных пучков используют импульсные линейные ускорители (LAMPF и МЕГАН). Третий ускоритель для аналогичных целей - циклотрон непрерывного действия. Мировой уровень достигнутых параметров пучков: энергия ускоренных протонов 600-800 МэВ, импульсное значение тока 20-50 мА (в линейных ускорителях), среднее значение тока ~1 мА.

В ускоряющих структурах возбуждают высокочастотное электромагнитное поле в режиме стоячей волны на кратных частотах для ускорения протонов.

Линейные ускорители ионов, т.1, ред. Б.П.Мурин, М., Атомиздат, 1978, с.8.

Протоны в этих устройствах ускоряют в длинноимпульсном режиме в виде последовательности ~ 20000 сгустков, длительностью ~0.4 нсек, следующих друг за другом с интервалом 5 нсек, в течение 100 мксек (длительность импульса).

Ускорители являются уникальными инженерно-техническими сооружениями. К примеру, длина LAMPF - Лос-Аламосской Мезонной Фабрики, введенной в действие в 1972 году, - 800 м. Здание, в котором находится линейный ускоритель LAMPF, оборудовано противосейсмическими устройствами, обеспечивающими прямолинейность оси многорезонаторного, двухчастотного (201.25 и 805 МГц) ускорителя с отклонением от идеальной прямолинейности не более 40 микрон (и "за осью" осуществляется постоянный контроль). Стоимость их также уникальна. Областью применения таких мезонных фабрик могло бы стать и использование их для активного контроля крупногабаритных загруженных контейнеров на таможнях.

Однако для этого необходимы компактные и менее сложные устройства, стоимость, затраты на эксплуатацию которых должны быть приемлемыми и востребованными потребителем.

При инспекции крупногабаритных изделий: контейнеров и цистерн выявилась область применения, в которой полностью отсутствуют средства автоматизированной инспекции.

Современные средства инспекции потоками быстрых нейтронов и высокоэнергетическими гамма-квантами слабо приспособлены выявлять особо опасную контрабанду типа закладок по центру контейнера ядерных веществ и изделий из них при загрузке контейнера нейтронопоглощающими материалами и материалами большого атомного номера.

John F. Frittelli: "Port and Maritimes Security", Background and Issues for Congress, May 20, 2003; Congressional Research Service: "Container Security Initiative", comments by Secretary Ridge on June 12, 2003.

У протонного пучка с энергией 1 ГэВ высокая проникающая способность ~550 г/см².

Техническим и физическим результатами изобретений является уменьшение габаритов, экспресс-анализ материалов, достоверность контроля, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах и средах с большим Z специальных ядерных веществ и изделий из них, а также оценка сигнатурных признаков материала по реакциям ядерного вещества за счет образования (рождения) высокоэнергетичных γ-квантов и μ⁺-мюонов от распада π-пионов и рождение мюонов ядерным веществом; использование в качестве сигнатурного признака зарегистрированных γ-квантов (их количество и их энергию - в двух энергетических областях: в более широком пике при Е_γ~70 МэВ и в остром пике при Е_γ=131 МэВ). Первый пик соответствует реакции образования π⁰-мезона (пиона) в нуклон-нуклоном взаимодействии (N+N→N+N+π⁰) и его распада на два кванта (π⁰→2γ), а также реакции образования π⁰ при перезарядке π^--мезона на протоне: (π^-+р→π⁰+n) с последующим распадом (π⁰→2γ). Второй пик соответствует реакции испускания γ-квантов в другом канале реакции отрицательного пиона с протоном: π^-+р→n+γ.

Характеристические (мгновенные и запаздывающие) γ-кванты продуктов распада этой контрабанды используются для выявления специальных ядерных материалов в качестве сигнатурного признака.

Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения контрабанды, в котором ускоряют тяжелые заряженные частицы, формируют сканирующий пучок, направляют пучок на инспектируемый объект и перемещают его по поверхности объекта, в виде наносекундных одиночных импульсов, следующих с мегагерцевой частотой повторения, активируют вещество инспектируемого объекта, регистрируют характеристические гамма-кванты элементов, входящих в состав этого объекта, а затем оценивают сигнатурные признаки объекта, в качестве вызывающих характеристическое излучение частиц используют коллимированный до расходимости, не превышающей 10^-3 рад импульсный пучок субнаносекундной длительности ионов ГэВ-ного диапазона энергий, регулируют частоту следования моноимпульсов ионов, при этом применение ускоренных ионов, сформированных в моноимпульсы субнаносекундной длительности, в сочетании с времяпролетной методикой регистрации высокоэнергетических гамма-квантов (Е_γ~70 МэВ и Е_γ=131 МэВ) и μ⁺-мюонов, являющихся сигнатурными признаками материала, и сканированием этими моноимпульсами поверхности инспектируемого объекта позволяет определить точное местонахождение контрабандного вещества внутри объекта и сформировать поточечное высококонтрастное трехмерное изображение контрабандных материалов и выявить их месторасположение среди веществ, содержащихся в инспектируемом объекте, кроме того, дополнительным каналом выявления специальных ядерных материалов служит регистрация характеристических мгновенных и запаздывающих гамма-квантов осколков деления этих ядер.

Регулируют частоту следования моноимпульсов ионов изменением частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку отклоняющей пучок электромагнитной системы или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов.

В устройстве обнаружения контрабанды, содержащем ускоритель ионов, сканирующую систему по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма-излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого содержания объекта, ускоритель ионов выполнен по трехмерной схеме ускорения ионов на бегущей обратной волне до энергии ГэВ-ного уровня значений, с угловой расходимостью пучка меньшей 10^-3 рад и содержит инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, при этом инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ-мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ-мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ-источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя объединены в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры, источник ионов выполнен с возможностью изменения частоты следования моноимпульсов ионов путем изменения частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку отклоняющей пучок электромагнитной системы, или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов.

При прохождении ГэВ-ного пучка через исследуемый объект (контейнер, цистерна и т.п.) угловая расходимость пучка меньшая, чем 10^-3 рад сохраняется, при этом практически сохраняется и диаметр 1.5-2 см инспектирующего луча.

В этом случае будет обеспечиваться минимальная дискретность выявляемого микрообъема 2·2·3 см³.

При проведении скоростной инспекции диаметр инспектирующего пучка можно варьировать вплоть до размеров, превышающих размеры контейнера (цистерны).

Экспериментальные значения пробегов протонов высокой энергии в ряде веществ и в воздухе в единицах [г/см²] приведены в таблице.

Таблица
Энергия [MeV]	Be	С	Al	Cu	Pb	Воздух
500	144.4	131.0	148.9	174.9	237.6	133.3
1000	404.0	365.3	412.0	479.4	642.2	370.0
2000	1007	907.3	1014	1168	1543	910.3
Плотность [г/см3]	1.84	2.25	2.70	8.93	11.34	1.2910 -3

Таблицы Физических Величин, справочник, под ред. И.К.Кикоина, Москва, Атомиздат, 1976, стр.953, 56-57.

Реализация способа. Коллимированный высокоэнергетический пучок протонов с диаметром пучка ~2 см и с угловой расходимостью менее 10^-3 рад создают в ускорителе, компактность которого обеспечивается выполнением его по трехмерной схеме.

В ускоряющих структурах создают электромагнитное поле и воздействуют на ионы продольным электрическим компонентом обратной пространственной гармоники, бегущего навстречу ускоряемым ионам электромагнитного поля.

Пучок направляют на инспектируемый объект. Перемещением пучка (или объекта) обеспечивают сканирование объекта. Протоны ГэВ-ного уровня энергии проходят насквозь инспектируемый объект, при этом диаметр и угловая расходимость пучка практически не меняются (по крайней мере, до тех пор, пока энергия протонов не уменьшится до существенно меньшего, чем 100 МэВ, значения). При прохождение инспектируемого объекта ГэВ-ные протоны взаимодействуют с ядерным веществом. Попадание протона в ядро характеризуется рядом реакций: образования π-пионов и μ-мюонов и γ-квантов; мгновенным распадом π⁰-пионов на два высокоэнергетических γ-кванта (с энергией Е_γ~70 МэВ); перезарядкой π^--мезонов на протонах с образованием π⁰-мезонов и перезарядкой π^--мезонов на протонах с испусканием 131 МэВ-ных γ-квантов; рождением высокоэнергетических μ⁺-мюонов, расщеплением ядер и испусканием характеристических мгновенных и запаздывающих гамма-квантов. Высокоэнергетические (Е_γ~70 МэВ и Е_γ=131 МэВ) гамма-кванты и μ⁺-мюоны являются сигнатурными признаками, их регистрируют детекторами гамма- и мюонного-излучения.

Высокая энергия гамма-квантов гарантирует беспрепятственное прохождение их через содержимое инспектируемого объекта.

Отметим, что гамма-кванты с энергией 60-140 МэВ отсутствуют в естественном гамма-фоне.

Дополнительным каналом выявления специальных ядерных материалов служит регистрация характеристических мгновенных и запаздывающих гамма-квантов осколков деления этих ядер.

Применение ускоренных протонов, сформированных в моноимпульсы субнаносекундной длительности, в сочетании с времяпролетной методикой регистрации гамма-квантов (и μ⁺-мюонов) и сканированием этими моноимпульсами поверхности инспектируемого объекта позволяет определить точное местонахождение контрабандного ядерного вещества внутри объекта и сформировать поточечное высококонтрастное трехмерное изображение контрабандных материалов и выявить их месторасположение среди веществ, содержащихся в инспектируемом объекте.

Регистрация прошедших через инспектируемый объект протонов (и измерение их энергии и угловых характеристик) и образовавшихся в результате расщепления ядер протонами нейтронов и гамма-квантов - мгновенных и запаздывающих - служит для формирования трехмерного изображения выявленной контрабанды при ее наличии в инспектируемом объекте.

Сущность изобретений поясняется на фиг.1, 2, 3.

На фиг.1 представлены распределения энергии E_z(z) по длине ускоряющих структур (м) в любой точке z вдоль ускоряющей структуры.

На фиг.2 представлена блок-схема ускорителя, где: 1 - источник ускоряемых частиц, 2 - инжектор ускоряемых частиц; 3 - система высоковольтного питания инжектора; 4 - система управления инжектором и источником, находящимся под высоким инжекционным потенциалом; 5 последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона. При этом размеры ячеек ускоряющих структур монотонно возрастают; 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкоэнергетической части ускорителя, выполненной в виде последовательности сверхпроводящих соленоидов с соответствующим обеспечением; 7 - система поворотных магнитов, 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя, объединенных в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона.

На фиг.3 представлена структурная схема устройства обнаружения контрабанды, где: 1 - источник ускоряемых частиц; 2 - инжектор ускоряемых частиц; 5 - последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона; 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкочастотной части ускорителя; 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя; 9 - инспектирующий пучок; 10 - инспектируемый объект; 11 - контрабанда; 12 - сигнатурные гамма-кванты; 13 - датчик момента выхода моносгустка из ускорителя; 14 - детекторы сигнатурных гамма-квантов; 15 - детекторы мгновенных и запаздывающих нейтронов, мю-плюс мезонов; 16 - информационные каналы с детекторов на обрабатывающий центр 17; 17 - обрабатывающий информацию с детекторов центр; 18 - монитор.

Устройство обнаружения контрабанды работает следующим образом. Коллимированный до значений углов расходимости, существенно меньших 10^-3 рад, пучок ионов (протонов) ГэВ-ного уровня энергии частиц получают в компактном и экономичном ускорителе двухмерного или/и трехмерного ускорения заряженных частиц (Патенты Российской Федерации №2152142, 1999 г. и №2187911, 2000 г.).

Ускоритель устройства обнаружения контрабанды работает следующим образом:

В нашем случае распределения E_z(z) и P(z) ВЧ-мощности в любой точке z вдоль каждой ускоряющей структуры равномерно. Суммарная длина структур составляет 50-120 м при применении одного стандартного 4-МВт-ного источника ВЧ-питания ускорителя на частоте 433 МГц, а приращение энергии ускоряемых ионов составляет около 100 МэВ. Распределения E_z(z) и P(z) и приращение энергии сгустка ионов постоянны при изменении числа ускоряемых протонов. Эквивалентный ток можно варьировать от нулевого значения до 2000 мА, при этом величина приращения энергии ускоряемых протонов остается неизменной. В этом случае в ускоряющих структурах активная ВЧ-мощность источника ВЧ-питания ускорителя расходуется только на покрытие омических потерь. Ускорение в последовательности структур одиночного моноимпульса (вне зависимости от числа ускоряемых частиц) позволяет этому сгустку (моноимпульсу) взаимодействовать с тем значением компонента E_z(z), которое установилось в структурах в отсутствие нагрузки током.

Стационарное распределение компонента E_z(z), соответствующее распределению в отсутствие сгустка, создается потоком ВЧ-мощности, направленным навстречу ускоряемому сгустку, и тем обстоятельством, что ускоряют частицы в моноимпульсе, используя накопленную (запасенную) в структурах энергию ВЧ-электромагнитного поля.

В процессе ускорения сгустка (моноимпульса) запасенная в структурах ВЧ-энергия трансформируется в кинетическую энергию ускоряемых частиц, стационарное электромагнитное поле, соответствующее значению изменится.

А именно: значения компонента E_z(z) бегущего навстречу сгустку электромагнитного поля от точки z, в которой в данный момент находится сгусток, до инжекционного выходного по высокой частоте конца ускорителя нарушится, т.е. сразу за сгустком, достигшим точки z, изменится, а от сгустка до ВЧ-источника не изменится.

Через некоторый интервал времени после прохождения сгустка (моноимпульса) стационарное распределение компонента E_z(z) во всех структурах восстановится, т.к. придет следующая порция энергии от ВЧ-источника во все последовательно присоединенные к данному ВЧ-источнику структуры.

Отметим, что число частиц, ускоряемых в моносгустке, можно произвольно изменять. Количество частиц можно варьировать по желанию потребителя при неизменности распределения компонента E_z(z) в структурах и, следовательно, неизменной энергии ускоренных частиц.

Ускорение проводят в многочастотном режиме на кратных частотах, вводя ВЧ-мощность в низкоэнергетическую часть ускорителя от ВЧ-клистрона метрового или длинно -дециметрового диапазона длин волн, а высокоэнергетическую часть - от ВЧ-клистронов короткодециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн, с фазированием ВЧ-источников от задающего генератора-синхронизатора. В этом случае можно применять как фокусировку продольным стационарным магнитным полем, так и аксиально-симметричным ВЧ-ускоряющим полем. При использовании для ускорения короткодециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн (в том числе и в низкоэнергетической части ускорителя) целесообразно применять фокусировку аксиально-симметричным ВЧ-полем.

В ускорителе для получения максимального к.п.д. преобразования ВЧ-мощности в кинетическую энергию ускоряемого сгустка ионов, повышения темпа ускорения в последовательностях структур, питаемых от одного клистрона, расходуют лишь половину ВЧ-мощности клистрона - 0.5 Р_кл. Оставшиеся 0.5Р_кл извлекают из выходных - по ВЧ-концов каждой последовательности ускоряющих структур и направляют на входы волноводных 3-дБ-мостов. Установленные в схемы ВЧ-питания ускорителя волноводные 3-дБ-мосты сложения мощности на своих выходах обеспечивают значение ВЧ-мощности такое же, как и величина ВЧ-мощности от примененных клистронов Р_кл, - величины мощности на выходе клистрона, принимаемой за единицу. Это позволяет вдвое сэкономить на числе примененных клистронов и повысить в целом надежность и экономичность системы ВЧ-питания (уменьшив число активных элементов схемы заменой на пассивные высоконадежные элементы - мосты).

На входы мостов подают мощность по 0.5 Р_кл с двух последовательностей ускоряющих структур, а получившуюся 1Р_кл с выхода моста направляют на вход третьей последовательности структур, достигая этим и максимального темпа ускорения, и максимального к.п.д., при этом повышается надежность и экономность.

Для получения приращения энергии 120 МэВ суммарная длина структуры существенно сокращается и составляет менее 50 метров (при ВЧ-питании от одного 4-МВт-ного на частоте f=433 МГц клистрона). Ее выполняют составной из структур меньшей длины 3-6 метровых.

ВЧ-мощность передают из одной структуры в другую по волноводным каналам с ВЧ-выхода последующей структуры на ВЧ-вход предыдущей (по ходу пучка) структуры.

Фазирование сгустка, выходящего из предыдущей структуры и поступающего на вход последующей структуры, относительно фазы ускоряющего компонента, корректируют фазовращателями, вставленными в волноводный канал связи, соединяющий рядом расположенные структуры.

После установления в последовательностях структур стационарного распределения ВЧ-поля (в отсутствие ускоряемых частиц в ней) производят инжекцию следующего одиночного сгустка частиц в течение промежутка времени равного обратному значению частоты ВЧ-питания низкоэнергетической части ускорителя. Следующий сгусток направляют в ускоритель после завершения в структурах переходного процесса, вызванного ускорением предыдущего сгустка, примерно через микросекунду.

При низкочастотном питании начальной части ускорителя ускоряемый пучок фокусируют стационарным соленоидальным магнитным полем сверхпроводящих соленоидов. После того, как частицы будут сформированы в сгустки короткой фазовой протяженности, их фокусируют силами ускоряющего электромагнитного поля.

Компоновка ускорителя выполнена по 2D-двумерной схеме, если требуется иметь несколько выводов частиц разной энергии на одном геодезическом уровне; или по SD-трехмерной схеме для наибольшей компактности.

Возможны варианты, например, низкоэнергетическая часть - плоская, высокоэнергетическая часть - трехмерная пространственная фигура.

Источник заряженных частиц 1 инжектирует сгусток ионов, который краевым полем сверхпроводящего соленоида ускорителя (или отдельной магнитной линзы или электрическими полями ускоряющей трубки инжектора ускорителя) сжимают до размеров 1-5 мм в диаметре и направляют на вход первой ускоряющей структуры. С конца этой структуры, противоположного инжекционному, в нее направляют ВЧ-энергию с выходного по ВЧ конца следующей структуры, которая, в свою очередь, соединена ВЧ-трактом с последующей структурой.

В первой структуре происходит захват сгустка в режим ускорения и формирование заданной фазовой протяженности сгустка. Затем сгусток ускоряют в поле обратной пространственной гармоники, распространяющейся попутно с ускоряемым сгустком навстречу потоку ВЧ-энергии от клистрона. После ускорения в этой структуре сгусток поступает в следующую структуру. В последующих структурах фазовая протяженность сгустка сокращается, что облегчает процесс ускорения и использования для дальнейшего ускорения ВЧ-питания более высокой частоты и позволяет фокусировать сгусток аксиально-симметричными силами ускоряющего поля при изменении значения равновесной фазы.

Количество секций ускорителя выбирают исходя из требования достижения конечной энергии ускоренных частиц.

Никаких дополнительных коллиматоров не используют. С помощью электромагнитной сканирующей системы пучок субнаносекундной длительности (длительности, меньшей длительности одного периода колебаний ВЧ-источника, запитывающего инжекционную секцию многосекционного на линейных ускоряющих структурах класса "структуры с аномальной дисперсией" ускорителя) направляют в любую точку на поверхности инспектируемого объекта 10.

Пересечение инспектирующего пучка 9 с инспектируемым объектом 10 выделяет малую поверхность с координатами (х_i, у_i) - т.н. pixel. Координату z_i получают времяпролетным методом, вычисляя положение z_i; по известному значению скорости ионов и моменту времени, когда импульс частиц направлен на объект. Этот момент фиксируется датчиком момента выхода моносгустка 13 из ускорителя; 14, 15 - детекторы сигнатурных тем самым определяют трехмерное (х_i, у_i, z_i) положение микрообъема (voxel), из которого в данный (фиксированный) момент времени произошла эмиссия сигнатурных частиц 12 (сигнатурных гамма-квантов, мгновенных и запаздывающих нейтронов, мю-плюс мезонов). Сигнатурные частицы 12 попадают на детекторы 14 сигнатурных гамма-квантов; детекторы мгновенных и запаздывающих нейтронов, мю-плюс мезонов 15, а по информационным каналам 16 с детекторов 14 и 15 - на обрабатывающий центр 17, а затем изображение контрабанды 11 выводится на монитор 18.

Характеристические гамма-кванты 12 (с энергией ~ половины массы пиона и с энергией пиона, а также положительные мюоны) регистрируют спектрометрическими детекторами 14, 15, информацию с которых от обрабатывающего центра 17 отображают в виде трехмерного изображения объема (voxel), (изображения контрабанды 11), эмиссирующего эти сигнатурные частицы 12 на контурном фоне инспектируемого объекта 10.

Claims (3)

1. Способ обнаружения контрабанды, в котором ускоряют тяжелые заряженные частицы, формируют сканирующий пучок, направляют пучок на инспектируемый объект и перемещают его по поверхности объекта в виде наносекундных одиночных импульсов, следующих с мегагерцевой частотой повторения, активируют вещество инспектируемого объекта, регистрируют характеристические гамма-кванты элементов, входящих в состав этого объекта, а затем оценивают сигнатурные признаки объекта, отличающийся тем, что в качестве вызывающих характеристическое излучение частиц используют коллимированный до расходимости, не превышающей 10^-3 рад, импульсный пучок субнаносекундной длительности ионов ГэВ-ного диапазона энергий, регулируют частоту следования моноимпульсов ионов, при этом применение ускоренных ионов, сформированных в моноимпульсы субнаносекундной длительности, в сочетании с времяпролетной методикой регистрации высокоэнергетических гамма-квантов (Е_γ~70 МэВ и Е_γ=131 МэВ) и μ⁺-мюонов, являющихся сигнатурными признаками материала, и сканированием этими моноимпульсами поверхности инспектируемого объекта позволяет определить точное местонахождение контрабандного вещества внутри объекта и сформировать поточечное высококонтрастное трехмерное изображение контрабандных материалов и выявить их месторасположение среди веществ, содержащихся в инспектируемом объекте, кроме того, дополнительным каналом выявления специальных ядерных материалов служит регистрация характеристических мгновенных и запаздывающих гамма-квантов осколков деления этих ядер.

2. Способ обнаружения контрабанды по п.1, отличающийся тем, что регулируют частоту следования моноимпульсов ионов изменением частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку отклоняющей пучок электромагнитной системы или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов.

3. Устройство обнаружения контрабанды, содержащее ускоритель ионов, сканирующую систему по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма-излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого содержания объекта, отличающийся тем, что ускоритель ионов выполнен по трехмерной схеме ускорения ионов до энергии ГэВ-ного уровня значений с угловой расходимостью пучка, меньшей 10^-3 рад, и содержит инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, при этом инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ-мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ-мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ-источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя объединены в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры, источник ионов выполнен с возможностью изменения частоты следования моноимпульсов ионов путем изменения частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку отклоняющей пучок электромагнитной системы или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов, при этом устройство выполнено с возможностью времяпролетной регистрации гамма-квантов и μ⁺-мюонов, а также устройство содержит датчик момента выхода моносгустка из ускорителя и детекторы μ⁺-мюонов.

Images