RU2442974C1

RU2442974C1 - Device for detection of hidden explosives and narcotic substances

Info

Publication number: RU2442974C1
Application number: RU2010149621/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Иванович Карев (RU); Александр Иванович Карев; Валерий Георгиевич Раевский (RU); Валерий Георгиевич Раевский; Леонид Завенович Джилавян (RU); Леонид Завенович Джилавян; Валерий Дмитриевич Лаптев (RU); Валерий Дмитриевич Лаптев; Николай Иванович Пахомов (RU); Николай Иванович Пахомов; Василий Иванович Шведунов (RU); Василий Иванович Шведунов; Владимир Иванович Рыкалин (RU); Владимир Иванович Рыкалин; Лу Джозеф Бразерс (US); Лу Джозеф БРАЗЕРС; Лари Кеннеф ВИЛХАЙД (US); Лари Кеннеф Вилхайд
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН)
Priority date: 2010-12-06
Filing date: 2010-12-06
Publication date: 2012-02-20

Abstract

FIELD: measurement.

SUBSTANCE: device for detection of hidden explosives and narcotic substances includes electron accelerator, slowing target and detector of secondary gamma radiation, wherein the electron accelerator used is the sectional microtron with the energy 55 MeV, and secondary radiation detector is the water Cherenkov counter.

EFFECT: increased speed, sensitivity and decreased possibility of false positives when searching for hidden explosives and narcotic substances.

1 dwg, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических средств (НС) методом фотоядерного детектирования и может быть использовано в стационарных и подвижных установках при, например, досмотре багажа авиапассажиров, таможенном досмотре или разминировании территорий в рамках гуманитарных акций.The invention relates to the field of detection of hidden explosives (BB) and narcotic drugs (NS) by the method of photonuclear detection and can be used in stationary and mobile installations when, for example, screening baggage of air passengers, customs screening or clearing territories in the framework of humanitarian actions.

Детектор скрытых ВВ и НС, использующий метод обнаружения, основанный на фотоядерной методике, идентифицирует скрытое вещество по входящему в его состав азоту и/или углероду - химическим элементам, составляющим основу современных ВВ и природных НС. Суть фотоядерного метода, предложенного в [1] и развитого в [2-5], состоит в следующем. Если досматриваемый объект, содержащий азот и/или углерод, облучить потоком гамма-квантов достаточно высокой энергии, то в нем будут происходить следующие фотоядерные реакции:A hidden explosive and NS detector using a detection method based on the photonuclear technique identifies a hidden substance by its nitrogen and / or carbon, the chemical elements that form the basis of modern explosives and natural NSs. The essence of the photonuclear method proposed in [1] and developed in [2-5] is as follows. If the inspected object containing nitrogen and / or carbon is irradiated with a stream of gamma rays of a sufficiently high energy, then the following photonuclear reactions will occur in it:

где Е_γп - энергетический порог для падающих γ-квантов, вызывающих реакцию, T_1/2 - период полураспада радионуклида.where Е _γп is the energy threshold for incident γ-quanta causing the reaction, T _1/2 is the half-life of the radionuclide.

Изотопы ¹²В и ¹²N являются β-активными и в процессе распада испускают соответственно электроны с максимальной энергией ~13 МэВ и позитроны с максимальной энергией ~17 МэВ, которые, тормозясь в веществе, в свою очередь испускают γ-кванты. Эти вторичные испускаемые γ-кванты могут быть зарегистрированы детектором γ-излучения. При этом для формирования сигнала обнаружения достаточно измерять только временной спектр событий, регистрируемых таким детектором вторичного излучения.The ¹² V and ¹² N isotopes are β-active and, in the process of decay, emit electrons with a maximum energy of ~ 13 MeV and positrons with a maximum energy of ~ 17 MeV, respectively, which, braking in matter, in turn emit γ-quanta. These secondary emitted gamma quanta can be detected by a gamma radiation detector. Moreover, to generate a detection signal, it is sufficient to measure only the time spectrum of events recorded by such a secondary radiation detector.

То обстоятельство, что реакции (I÷III) имеют ряд особенностей, в частности генерируемые ими изотопы ¹²В и ¹²N имеют уникально короткие и заметно отличающиеся друг от друга времена жизни, а также то, что они вызываются и заканчиваются потоками проникающего гамма-излучения, позволяет на их основе создать высокоэффективный детектор ВВ и НС, обладающий высокими быстродействием, чувствительностью, проникающей способностью и низкой вероятностью возникновения ложных срабатываний [5].The fact that reactions (I ÷ III) have a number of features, in particular, the ¹² V and ¹² N isotopes generated by them, have uniquely short and noticeably different lifetimes, as well as the fact that they are caused and end with fluxes of penetrating gamma radiation , based on them, allows to create a highly efficient explosive and NS detector with high speed, sensitivity, penetrating ability and low probability of false positives [5].

Таким образом, детектор ВВ и НС, использующий фотоядерный метод обнаружения, должен включать в себя два основных узла: импульсный генератор первичного потока высокоэнергичных падающих гамма-квантов, облучающих обследуемый объект, и систему регистрации вторичного гамма-излучения.Thus, the BB and NS detector using the photonuclear detection method should include two main nodes: a pulsed generator of the primary flux of high-energy incident gamma rays irradiating the object under study, and a secondary gamma radiation detection system.

Известна экспериментальная установка для исследования фотоядерного метода детектирования, описанная в [2], [3], близкая к предлагаемому устройству (прототип). Установка состоит из 50 МэВ-ного микротрона, тормозной мишени и системы регистрации вторичного излучения. Электронный пучок длительностью 5 мкс с импульсным током 1 мА и частотой 1 Гц направлялся на танталовую тормозную мишень и генерировал пучок гамма-излучения, облучавший обследуемый объект. Вторичное излучение, связанное с распадами образованных в результате облучения радионуклидов, регистрировалось четырьмя гамма-детекторами, представляющими собой цилиндры органических сцинтилляторов диаметром ~13 см и длиной ~6 см, торцы которых находились в оптическом контакте с фотокатодами фотоэлектронных умножителей (ФЭУ). Одним из основных недостатков этой установки является ее низкое быстродействие. Так в эксперименте по обнаружению азот- и/или углеродсодержащих веществ для набора необходимого статистического материала 300 граммовую упаковку меламина (C₃N₆H₃) потребовалось облучить приблизительно 1500 раз, что заняло около 25 минут.Known experimental setup for studying the photonuclear detection method described in [2], [3], close to the proposed device (prototype). The setup consists of a 50 MeV microtron, an inhibitory target, and a secondary radiation detection system. An electron beam of 5 μs duration with a pulsed current of 1 mA and a frequency of 1 Hz was directed to a tantalum braking target and generated a gamma-ray beam irradiating the object under study. Secondary radiation associated with the decay of radionuclides formed as a result of irradiation was detected by four gamma detectors, which were cylinders of organic scintillators with a diameter of ~ 13 cm and a length of ~ 6 cm, the ends of which were in optical contact with the photocathodes of photomultiplier tubes. One of the main disadvantages of this installation is its low speed. So in an experiment to detect nitrogen and / or carbon-containing substances for a set of necessary statistical material, 300 gram packaging of melamine (C ₃ N ₆ H ₃ ) was required to be irradiated approximately 1,500 times, which took about 25 minutes.

Еще один недостаток этой установки связан с применением в ней для регистрации вторичного излучения органических сцинтилляторов. Несмотря на то, что детекторы на основе органических сцинтилляторов получили широкое распространение в экспериментальной ядерной физике, однако их использование для регистрации вторичного излучения в фотоядерных детекторах ВВ и НС имеет ряд недостатков. Это прежде всего связано с тем, что при работе в пучках жесткого гамма-излучения возникает большое количество фотонейтронов с максимальной кинетической энергией примерно равной кинетической энергии электронов из ускорителя, уменьшенной на энергию связи нейтрона. Фотонейтроны же в свою очередь могут активировать углерод, входящий в состав органического сцинтиллятора, вызывая, в частности, при наличии у них достаточно высокой энергии ядерную реакцию:Another disadvantage of this setup is associated with the use of organic scintillators in it for recording secondary radiation. Despite the fact that detectors based on organic scintillators are widely used in experimental nuclear physics, their use for recording secondary radiation in explosive and NS photonuclear detectors has a number of drawbacks. This is primarily due to the fact that when working in hard gamma-ray beams, a large number of photoneutrons arise with a maximum kinetic energy of approximately equal to the kinetic energy of electrons from the accelerator, reduced by the binding energy of the neutron. Photoneutrons, in turn, can activate carbon, which is part of the organic scintillator, causing, in particular, if they have a sufficiently high energy, a nuclear reaction:

Пороговое значение кинетической энергии нейтронов для этой реакции ≅12,6 МэВ, что значительно ниже кинетической энергии электронов в пучке ускорителя. Таким образом, часть вызванных нейтронами фоновых сигналов от углерода, находящегося в объеме органического сцинтиллятора, может полностью имитировать искомые сигналы от азота и углерода в облучаемом объекте, что может затруднить процесс обнаружения, привести к снижению чувствительности детектора ВВ и НС и увеличить вероятность ложных срабатываний.The threshold value of the kinetic energy of neutrons for this reaction is ≅12.6 MeV, which is significantly lower than the kinetic energy of electrons in the accelerator beam. Thus, part of the background signals caused by neutrons from carbon in the bulk of the organic scintillator can completely simulate the desired signals from nitrogen and carbon in the irradiated object, which can complicate the detection process, reduce the sensitivity of the explosive and NS detector, and increase the likelihood of false positives.

Кроме того, как показывает опыт, при работе с интенсивными импульсными пучками тормозного излучения в области средних энергий детектор вторичного гамма-излучения, использующий органические и неорганические сцинтилляторы, оказывается сильно загруженным фоновыми гамма-квантами с энергией менее 2 МэВ, возникающими в результате различных электромагнитных процессов. Поэтому для подавления этого фона желательно, чтобы детектор вторичного гамма-излучения имел порог срабатывания выше 2 МэВ. В случае органических и неорганических сцинтилляторов этого можно добиться только применением пороговых дискриминаторов в сигнальных цепях ФЭУ, что усложняет структуру детектора, но и при этом не устраняется сопутствующая подсветка фотокатода ФЭУ и может не устраняться ложная загрузка от наложенных импульсов, что также является фактором, затрудняющим обнаружение ВВ и НС.In addition, experience shows that when working with intense pulsed bremsstrahlung beams in the medium-energy region, the secondary gamma-ray detector using organic and inorganic scintillators is heavily loaded with background gamma-quanta with energies less than 2 MeV resulting from various electromagnetic processes . Therefore, in order to suppress this background, it is desirable that the secondary gamma radiation detector has a trigger threshold above 2 MeV. In the case of organic and inorganic scintillators, this can be achieved only by using threshold discriminators in the PMT signal circuits, which complicates the detector structure, but the accompanying illumination of the PMT photocathode is also not eliminated, and false loading from superimposed pulses may not be eliminated, which is also a factor that makes detection difficult BB and NS.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение быстродействия, чувствительности и уменьшение вероятности ложных срабатываний при поиске скрытых ВВ и НС.The problem solved by the invention is to increase speed, sensitivity and reduce the likelihood of false positives when searching for hidden explosives and NS.

Для решения поставленной задачи предложено устройство, состоящее из разрезного микротрона на энергию 55 МэВ, тормозной мишени и системы регистрации вторичного излучения на основе черенковского водяного счетчика. Для повышения быстродействия детектора ВВ и НС число электронов, ускоряемое в одном импульсе микротрона, и соответственно число гамма-квантов, облучающих в одном импульсе обследуемый объект, по сравнению с прототипом, было увеличено более чем в 10 раз. Для увеличения чувствительности и уменьшения вероятности ложных срабатываний в заявляемом устройстве для регистрации вторичного излучения применен черенковский водяной счетчик (ЧВС), который имеет естественный энергетический порог регистрации около 2 МэВ. Это снижает загрузку от гамма-квантов низких энергий, возникающих в результате различных фоновых электромагнитных процессов. Кроме того, в отличие от органических сцинтилляционных счетчиков, использованных в прототипе, конструкция ЧВС не содержит углерода, который может создавать в детекторе ВВ и НС сигналы, приводящие к ложным срабатываниям детектора, обусловленные возникновением в теле счетчика реакции IV.To solve this problem, a device is proposed consisting of a split 55 MeV microtron, a brake target and a secondary radiation registration system based on a Cherenkov water meter. To increase the speed of the explosive and NS detector, the number of electrons accelerated in one pulse of the microtron, and accordingly the number of gamma rays irradiating the object under study in one pulse, was increased by more than 10 times compared to the prototype. To increase the sensitivity and reduce the likelihood of false alarms in the inventive device for recording secondary radiation, a Cherenkov water meter (PMW) is used, which has a natural energy threshold for recording about 2 MeV. This reduces the load from low-energy gamma rays resulting from various background electromagnetic processes. In addition, unlike the organic scintillation counters used in the prototype, the design of the FWM does not contain carbon, which can create signals in the BB and NS detector that lead to false positives due to the occurrence of the IV reaction counter in the body.

Разрезной микротрон построен по схеме, показанной на фиг.1, и состоит из системы инжекции, ускоряющей структуры, двух поворотных магнитов, системы ВЧ-питания, вакуумной системы, системы диагностики и коррекции пучка, системы управления.The split microtron is constructed according to the scheme shown in Fig. 1 and consists of an injection system, an accelerating structure, two rotary magnets, an RF power system, a vacuum system, a beam diagnostics and correction system, and a control system.

Система инжекции состоит из 50 кэВ-ной трехэлектродной электронной пушки (9), магнита инжекции (11) (показаны на фиг.1 в виде сбоку) и соленоидальной линзы (12).The injection system consists of a 50 keV three-electrode electron gun (9), an injection magnet (11) (shown in FIG. 1 in side view) and a solenoidal lens (12).

Ускоряющая структура (13) представляет собой бипериодическую ускоряющую структуру, работающую в режиме стоячей волны, с модой колебаний π/2, на частоте 2856 МГц и состоит из 7 ускоряющих ячеек и 6 ячеек связи.The accelerating structure (13) is a biperiodic accelerating structure operating in the standing wave mode with the π / 2 vibrational mode at a frequency of 2856 MHz and consists of 7 accelerating cells and 6 communication cells.

Поворотный магнит (1, 6) представляет собой электромагнит с парой обмоток и полюсов, формирующих однородное магнитное поле индукцией 1 Т, парой дополнительных обмоток и полюсов, формирующих обратное магнитное поле и активным и пассивным экранами на входе в магнит.A rotary magnet (1, 6) is an electromagnet with a pair of windings and poles forming a uniform magnetic field with 1 T induction, a pair of additional windings and poles forming a reverse magnetic field and active and passive screens at the magnet input.

Система ВЧ-питания состоит из клистрона, работающего в режиме самовозбуждения, и дистанционно управляемого устройства цепи обратной связи.The RF power system consists of a klystron operating in the self-excitation mode and a remotely controlled feedback circuit device.

Вакуумная система состоит из двух вакуумных камер, размещенных между полюсами поворотных магнитов, линий проводки пучка с сильфонными вставками (2) и центральной вакуумной камеры, соединенной с магниторазрядным насосом.The vacuum system consists of two vacuum chambers located between the poles of the rotary magnets, beam lines with bellows inserts (2) and a central vacuum chamber connected to the magnetic discharge pump.

Система диагностики и коррекции пучка состоит из магнитоиндукционных датчиков тока (5), корректирующих катушек (3), позволяющих корректировать направление движения пучка в дрейфовом промежутке между поворотными магнитами, и монитора синхротронного излучения, которое выводится через окно в вакуумной камере в поворотном магните и наблюдается с помощью телевизионной камеры.The beam diagnostics and correction system consists of magneto-induction current sensors (5), correction coils (3) that allow you to correct the direction of the beam in the drift gap between the rotary magnets, and a synchrotron radiation monitor, which is displayed through a window in a vacuum chamber in the rotary magnet and is observed with using a television camera.

Система управления построена на основе различных датчиков, предоставляющих информацию о динамике пучка и работе различных устройств и исполнительных устройств, которые посредством компьютера позволяют управлять работой микротрона.The control system is based on various sensors that provide information about the dynamics of the beam and the operation of various devices and actuators, which through a computer allow you to control the microtron.

Работа разрезного микротрона происходит следующим образом. Пучок от электронной пушки (9) инжектируется в ускоряющую структуру (УС) (13) через магнит инжекции (11) и соленоидальную линзу (12). После прохождения УС, электроны с энергией 5 МэВ за счет особой конфигурации магнитного поля на входе в магнит (1) отражаются на ось УС. Поскольку УС работает в режиме стоячей волны, пучок, движущийся в противоположном направлении, вторично ускоряется и, приобретя суммарную энергию 10 МэВ, поворачивается в магните (6) и начинает циркулировать по орбитам пока не приобретет энергию 55 МэВ. После этого с помощью магнита (4) он выводится из микротрона и направляется на тормозную мишень. Позиции (14)-, (8)-, (7) - траектории ускоряемого пучка электронов после первого, второго и 11-го (последнего) прохождений ускоряющей структуры, соответственно.The operation of the split microtron is as follows. The beam from the electron gun (9) is injected into the accelerating structure (CS) (13) through the injection magnet (11) and the solenoidal lens (12). After passing through the US, electrons with an energy of 5 MeV due to the special configuration of the magnetic field at the entrance to the magnet (1) are reflected on the axis of the US. Since the US operates in the standing wave mode, a beam moving in the opposite direction is accelerated a second time and, having acquired a total energy of 10 MeV, rotates in a magnet (6) and begins to circulate in its orbits until it acquires an energy of 55 MeV. After that, with the help of magnet (4), it is removed from the microtron and sent to the brake target. Positions (14) -, (8) -, (7) are the trajectories of the accelerated electron beam after the first, second, and 11th (last) passes of the accelerating structure, respectively.

Основные характеристики разрезного микротрона приведены в таблице.The main characteristics of the split microtron are given in the table.

Максимальная энергияMaximum energy 55 МэВ55 MeV Выходной ток в импульсеPulse Output Current до 50 мАup to 50 mA Частота повторения импульсовPulse repetition rate 5-50 Гц5-50 Hz Количество оборотовNumber of revolutions 11eleven Прирост энергии на оборотEnergy gain per revolution 5 МэВ5 MeV Длительность импульса токаCurrent pulse duration до 16 мксup to 16 μs Рабочая частота ВЧHF operating frequency 2856 МГц2856 MHz Индукции магнитного поля поворотных магнитовMagnetic field induction of rotary magnets 1.0 Т1.0 T Максимальная ВЧ мощностьMaximum RF Power 5 МВт5 MW

В качестве детектора вторичного излучения в заявляемой установке используется черенковский водяной счетчик (ЧВС), схема которого с системой управления и регистрации сигналов изображена на фиг.2. ЧВС представляет собой металлический бак размером, 100×50×50 см³, заполненный дистиллированной водой (15). Объем детектора просматривается четырьмя полусферическими ФЭУ с диаметром фотокатода 20 см (16).As a secondary radiation detector in the inventive installation uses a Cherenkov water meter (PMC), a diagram of which with a control system and recording signals is shown in figure 2. FEV is a metal tank 100 × 50 × 50 cm ^{3 in} size, filled with distilled water (15). The detector volume is scanned by four hemispherical PMTs with a photocathode diameter of 20 cm (16).

При попадании в чувствительную среду ЧВС гамма-кванта вторичного излучения за счет фотоэффекта, Комптон-эффекта и рождения электрон-позитронных пар в воде, заполняющей ЧВС, рождаются электроны и позитроны с соответствующими спектрами энергий, максимальные значения которых близки к энергии вызвавшего их появление гамма-кванта. Если энергия электрона или позитрона, движущегося в воде с показателем преломления n=1.33, превышает значение 0.775 МэВ, то такая частица начинает генерировать черенковское излучение, которое может быть зарегистрировано ФЭУ. Таким образом, ЧВС имеет естественный абсолютный энергетический порог регистрации падающих на него гамма-квантов ≅0.8 МэВ. На практике с учетом энергетического спектра рождающихся электронов и позитронов эффективное значение этого порога оказывается выше и может приближаться в нашем случае к значению ≅2 МэВ.When the gamma quantum of secondary radiation gets into the sensitive medium of the FWM due to the photoelectric effect, the Compton effect, and the creation of electron-positron pairs in the water filling the FWM, electrons and positrons are generated with the corresponding energy spectra, the maximum values of which are close to the energy of the gamma quantum. If the energy of an electron or positron moving in water with a refractive index of n = 1.33 exceeds 0.775 MeV, then such a particle begins to generate Cherenkov radiation, which can be detected by a PMT. Thus, the FWM has a natural absolute energy threshold for detecting gamma rays ≅0.8 MeV incident on it. In practice, taking into account the energy spectrum of the generated electrons and positrons, the effective value of this threshold turns out to be higher and may approach in our case the value of ≅2 MeV.

Работа детектора вторичного излучения осуществляется следующим образом. Стартовый генератор (19) запускает микротрон РАМ-55 (20) и выдает импульсы на систему высоковольтного питания ФЭУ (21) и временной анализатор (18). При этом система питания блокирует работу ФЭУ на все время импульса ускорителя, а временной анализатор запускается с регулируемой задержкой длительностью в несколько миллисекунд. Сигналы ФЭУ (16), возникающие при регистрации вторичного излучения, обрабатываются быстрой наносекундной электроникой (17). Для уменьшения фоновой загрузки от шумовых сигналов ФЭУ логика быстрой электроники счетчика осуществляет выбор совпадений сигналов от ФЭУ с множественностью ≥2. Отобранные логикой сигналы поступают на вход «стоп» временного анализатора (18), который оснащен гистограммной памятью, в которой происходит накопление временного спектра сигналов ЧВС. По прошествии заданного времени (~15-20 мс) временной анализатор перестает накапливать сигналы от ФЭУ и накопленный временной спектр из гистограммной памяти считывается в компьютер (22) для дальнейшей обработки.The operation of the secondary radiation detector is as follows. The starting generator (19) launches the RAM-55 microtron (20) and provides pulses to the PMT high-voltage power supply system (21) and a time analyzer (18). In this case, the power system blocks the operation of the PMT for the entire time of the accelerator pulse, and the time analyzer starts with an adjustable delay of a few milliseconds. PMT signals (16) arising from the registration of secondary radiation are processed by fast nanosecond electronics (17). To reduce the background load from the PMT noise signals, the logic of the fast electronics of the counter selects the coincidence of signals from the PMT with a multiplicity of ≥2. The signals selected by the logic are fed to the “stop” input of the time analyzer (18), which is equipped with a histogram memory, in which the time spectrum of the signal is accumulated. After a predetermined time (~ 15-20 ms), the time analyzer ceases to accumulate signals from the PMT and the accumulated time spectrum from the histogram memory is read into a computer (22) for further processing.

Таким образом, использование ЧВС в детекторе ВВ и НС в качестве регистратора вторичного гамма-излучения имеет ряд преимуществ по сравнению с детекторами вторичного излучения на основе органических и неорганических сцинтилляторов:Thus, the use of FWM in the explosive and NS detector as a secondary gamma radiation detector has several advantages compared to secondary radiation detectors based on organic and inorganic scintillators:

1. ЧВС имеет физический порог ≅0,8 МэВ, что исключает регистрацию большей части «мягких» фоновых гамма-квантов, рождающихся в результате различных электромагнитных процессов, возникающих при облучении обследуемого объекта.1. The FWM has a physical threshold of ≅0.8 MeV, which excludes the registration of most of the “soft” background gamma-quanta generated as a result of various electromagnetic processes that occur when the object under study is irradiated.

2. В чувствительном объеме ЧВС отсутствует углерод, присутствие которого в органических сцинтилляторах может имитировать наличие азота и/или углерода в обследуемом объекте.2. There is no carbon in the sensitive volume of the PMV, the presence of which in organic scintillators can imitate the presence of nitrogen and / or carbon in the examined object.

3. Рабочее вещество ЧВС доступно, безопасно и дешево.3. The working substance of PMV is affordable, safe and cheap.

В совокупности с разрезным микротроном на энергию 55 МэВ все вышеописанные преимущества ЧВС позволяют обеспечить высокие эксплуатационные характеристики заявляемому детектору ВВ и НС и решить поставленную задачу:In conjunction with a cut-off microtron with an energy of 55 MeV, all the above-described advantages of the FWM can provide high operational characteristics of the inventive BB and NS detector and solve the problem:

- Обеспечить повышение быстродействия детектора ВВ и НС,- To provide increased performance of the detector BB and NS,

- Увеличить чувствительность детектора ВВ и НС,- Increase the sensitivity of the detector BB and NS,

- Понизить вероятность ложных срабатываний.- Reduce the likelihood of false positives.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.The invention is illustrated by the following examples.

Пример 1.Example 1

Для подтверждения работоспособности заявляемого изобретения было проведено компьютерное моделирование эффективности применения черенковского водяного счетчика к задаче регистрации вторичного излучения от 100 г тротила, скрытого 10 см слоем воды, при его облучении импульсом гамма-излучения с максимальной энергией 55 МэВ.To confirm the operability of the claimed invention, computer simulation of the efficiency of the Cherenkov water meter to the task of recording secondary radiation from 100 g of TNT, hidden by a 10 cm layer of water, was carried out when it was irradiated with a gamma radiation pulse with a maximum energy of 55 MeV.

На фиг.3 представлен смоделированный энергетический спектр вторичных гамма-квантов (кривая 1), падающих на ЧВС. Кривые 2-6 соответствуют зависимостям числа регистрируемых ЧВС событий как функции от энергии падающих гамма-квантов. При этом каждая из кривых 2-6 соответствует случаю, когда ФЭУ и электроника регистрируют события, которые генерируют свыше 1, 25, 50, 75 или 100 фотонов черенковского излучения соответственно.Figure 3 presents the simulated energy spectrum of the secondary gamma rays (curve 1) incident on the FWM. Curves 2–6 correspond to the dependences of the number of events recorded by FNM as a function of the energy of incident gamma rays. Moreover, each of curves 2–6 corresponds to the case when the PMT and electronics record events that generate more than 1, 25, 50, 75, or 100 photons of Cherenkov radiation, respectively.

Из фиг.3 видно, что при регистрации события, вызванного одним попавшим на фотокатод фотоном, ЧВС имеет энергетический порог регистрации падающих на него гамма-квантов ≅0.8 МэВ. При этом в случае, если ФЭУ работает в режиме, когда регистрация одного события возникает только при попадании на фотокатод свыше 100 фотонов, то энергетический порог регистрации ЧВС возрастает до величины ≅2 МэВ, а эффективность регистрации, как показали дополнительные расчеты, снижается только в 2 раза по сравнению с режимом работы ФЭУ с регистрацией одиночных фотонов.Figure 3 shows that when registering an event caused by one photon incident on the photocathode, the FWM has an energy threshold for detecting gamma rays ≅0.8 MeV incident on it. In this case, if the PMT operates in a mode where the registration of one event occurs only when more than 100 photons are incident on the photocathode, then the energy threshold for registering the PMW increases to ≅2 MeV, and the recording efficiency, as shown by additional calculations, decreases only by 2 times compared with the mode of operation of the PMT with the registration of single photons.

Таким образом, результаты моделирования работы ЧВС свидетельствуют о том, что с его помощью можно эффективно подавлять фоновые сигналы, которые могут быть вызваны различными электромагнитными процессами, сопровождающими облучение досматриваемого объекта пучком первичных гамма-квантов в детекторе ВВ и НС.Thus, the simulation results of the operation of the FWM indicate that with its help it is possible to effectively suppress background signals that can be caused by various electromagnetic processes accompanying the irradiation of the inspected object with a beam of primary gamma rays in the explosive and NS detector.

Пример 2.Example 2

Для подтверждения работоспособности заявляемого изобретения был проведен эксперимент по обнаружению и идентификации скрытых углерод- и/или азотсодержащих веществ. На фиг.4 приведена схема эксперимента. Электронный пучок (23) от заявляемого разрезного микротрона РАМ-55 с энергией 55 МэВ, длительностью 6 мкс и импульсным током 10 мА направлялся на тормозную мишень (24), выполненную в виде танталовой пластины толщиной 0,3 мм. Сгенерированный в мишени пучок тормозного излучения (25) облучал объект (27), скрытый слоем строительных кирпичей толщиной 6 см (26). Вторичное излучение (28) регистрировалось заявляемым черенковским водяным счетчиком (29).To confirm the operability of the claimed invention, an experiment was conducted to detect and identify hidden carbon and / or nitrogen-containing substances. Figure 4 shows a diagram of the experiment. An electron beam (23) from the inventive split microtron RAM-55 with an energy of 55 MeV, a duration of 6 μs and a pulsed current of 10 mA was directed to a brake target (24), made in the form of a tantalum plate 0.3 mm thick. A bremsstrahlung beam (25) generated in the target irradiated an object (27), hidden by a 6 cm thick layer of building bricks (26). Secondary radiation (28) was recorded by the claimed Cherenkov water meter (29).

Процедура проведения экспериментов состояла в измерении фона путем накопления временных спектров, когда кирпичный бокс для досматриваемого образца оставался пустым (опыт без образца), и записи этих спектров в память ЭВМ. После этого в этот бокс помещался исследуемый образец и процесс облучения и накопления данных повторялся. Вся информация была записана в память ЭВМ для последующей off-line обработки. В эксперименте частота повторения импульсов ускорителя была 10 Гц, длительность накопления временного спектра равнялась 80 мс при ширине одного канала (bin) 1 мс.The experimental procedure consisted of measuring the background by accumulating time spectra, when the brick box for the sample being inspected remained empty (the experiment without the sample), and writing these spectra to computer memory. After that, the studied sample was placed in this box and the process of irradiation and data accumulation was repeated. All information was recorded in computer memory for subsequent off-line processing. In the experiment, the accelerator pulse repetition rate was 10 Hz, the duration of the accumulation of the time spectrum was 80 ms with a channel width (bin) of 1 ms.

Обработка экспериментальных данных начиналась с «очистки» зарегистрированного временного спектра от фоновых сигналов, обусловленных в основном влиянием фотонейтронов, рождающихся при взаимодействии высокоэнергичных гамма-квантов зондирующего пучка с веществом конструкционных элементов установки. С этой целью из временного спектра, полученного при облучении исследуемого образца, вычитался временной спектр, который регистрировался установкой при отсутствии в ней этого образца.The processing of the experimental data began with the “cleaning” of the recorded time spectrum from background signals, caused mainly by the influence of photoneutrons generated during the interaction of high-energy gamma-quanta of the probe beam with the substance of the structural elements of the setup. For this purpose, the time spectrum that was recorded by the setup in the absence of this sample was subtracted from the time spectrum obtained by irradiating the test sample.

В ходе эксперимента в качестве объектов, подлежащих обнаружению и идентификации, использовались пластина графита (углерод), упаковка мочевины ((NH₂)₂СО) и вещества, в состав которых углерод и азот не входят. В качестве примера на фиг.5 показан «очищенный» от фона временной спектр сигналов, полученный в опыте с углеродной пластиной при ее однократном облучении импульсом гамма-излучения. Проведенный анализ полученных временных спектров, выполненный по методике, описанной в [5], показал, что заявляемая установка способна за менее чем 0.1 с обнаружить и однозначно идентифицировать азот- и/или углеродсодержащее вещество.During the experiment, graphite plate (carbon), urea packaging ((NH ₂ ) ₂ СО), and substances that do not include carbon and nitrogen were used as objects to be detected and identified. As an example, Fig. 5 shows the time spectrum of signals “purified” from the background obtained in the experiment with a carbon plate upon its single irradiation with a gamma radiation pulse. The analysis of the obtained time spectra, performed according to the procedure described in [5], showed that the inventive installation is capable of detecting and uniquely identifying a nitrogen and / or carbon-containing substance in less than 0.1 s.

Таким образом, приведенные примеры указывает на работоспособность и эффективность заявляемого устройства.Thus, the above examples indicate the efficiency and effectiveness of the claimed device.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4756866, 376/157.1. US patent No. 4756866, 376/157.

2. W.P.Trower. Imaging Carbon and Nitrogen Concentrations and the Interdiction of Concealed Narcotics and Explosivies. Virginia Journal of Science, v.44, #3, 1993.2. W.P. Trarower. Imaging Carbon and Nitrogen Concentrations and the Interdiction of Concealed Narcotics and Explosivies. Virginia Journal of Science, v. 44, # 3, 1993.

3. E.A.Knapp, A.W.Saunders, and W.P.Trower. Direct Imaging of Explosives. Proceedings Euroconference on: Sensor systems and signal processing techniques applied to the detection of mines and unexploded ordnance, MINE'99, October 1-3, 1999. Villa Agape, Firenze, Italy Laboratorio Ultrasuoni e Controlli Non Distruttivi Universita di Firenze, Italy. 3. E.A. Knapp, A.W. Saunders, and W.P. Trower. Direct Imaging of Explosives. Proceedings Euroconference on: Sensor systems and signal processing techniques applied to the detection of mines and unexploded ordnance, MINE'99, October 1-3, 1999. Villa Agape, Firenze, Italy Laboratorio Ultrasuoni e Controlli Non Distruttivi Universita di Firenze, Italy.

http://demining.jrc.it/aris/events/mine99/start.htmhttp://demining.jrc.it/aris/events/mine99/start.htm

4. Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ. Патент РФ №2185614. БИ №20, 2002 г.4. Device for detecting hidden explosives. RF patent No. 2185614. BI No. 20, 2002

5. Способ и устройство для обнаружения и идентификации скрытых взрывчатых веществ и наркотических средств. Патент РФ №2226686.5. A method and apparatus for detecting and identifying hidden explosives and drugs. RF patent No. 2226686.

Claims

A device for detecting hidden explosives and narcotic drugs, including an electron accelerator, a brake target and a secondary gamma radiation detector, characterized in that a 55 MeV split microtron is used as an electronic accelerator, and the Cherenkov water meter serves as a secondary radiation detector.