Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ

 

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ, в том числе мин, и может быть использовано, например, при разминировании территорий в рамках гуманитарных акций. Устройство содержит источник импульсного ионизирующего излучения, генерирующий пучок гамма-квантов с максимальной энергией гамма-квантов больше 31 МэВ, детектор вторичного излучения и анализатор сигналов детектора. Данные устройства размещены на подвижной платформе. Наличие в составе устройства источника гамма-квантов с энергией более 31 МэВ позволяет применить для идентификации скрытых взрывчатых веществ метод гамма-активационного анализа. Технический результат: устройство позволяет производить разведку минных полей со скоростью не менее 8 м²/мин и обнаруживать скрытые в грунте взрывчатые вещества на глубине до 50 см. Также происходит сокращение времени поиска и повышение достоверности обнаружения. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ, в том числе мин, и может быть использовано, например, при разминировании территорий в рамках гуманитарных акций.

Известные устройства обнаружения скрытых взрывчатых веществ (СВВ) можно разделить на две основные группы: устройства, использующие косвенные методы, с помощью которых обнаруживаются признаки, присущие изделию, содержащему взрывчатое вещество (ВВ), такие как материал корпуса или взрывателя, форма объекта, его температурный контраст с окружающей средой и многие другие, и устройства, позволяющие обнаруживать собственно ВВ или составляющие их компоненты.

Наибольшее распространение получили устройства, реализующие косвенные методы, такие как индукционный, магнитометрический или радиоволновый, и обнаруживающие объекты, имеющие в своих конструкциях металлические детали, или объекты, отличающиеся от окружающей среды своей диэлектрической проницаемостью. В силу своего принципа действия приборы, основанные на косвенных методах, в реальных условиях их применения обладают двумя существенными недостатками. Во-первых, с их помощью нельзя гарантированно обнаружить взрывоопасный предмет (например, с помощью металлоискателя невозможно обнаружить объект, если в нем не содержатся металлические детали). Во-вторых, работа этих устройств сопровождается большим количеством ложных сигналов, которое может достигать 100-1000 на одну найденную мину, что приводит к резкому снижению темпа разминирования, быстрой утомляемости саперов, и, как следствие, растет вероятность пропуска взрывоопасных предметов [1].

От этих недостатков могут быть свободны устройства, использующие прямые методы обнаружения ВВ. К наиболее известным из них относятся методы ядерно-магнитного (ЯМР) и ядерно-квадрупольного резонансов (ЯКР), газоаналитические и ядерно-физические. Не вдаваясь в детальное рассмотрение физических основ, определяющих суть этих методов, а основываясь на уровне их проработки и результатах практического применения созданных на их основе технических средств, можно сказать следующее.

Устройства, использующие метод ЯМР реально могут быть применены только в стационарных условиях и способны обеспечить контроль относительно небольших объемов среды (до нескольких литров), помещенных внутрь зоны, в которой создается мощное магнитное поле.

Устройства, использующие метод ЯКР, могут обладать большими поисковыми возможностями, однако область спектра, в которой находятся резонансные частоты таких широко используемых ВВ, как тротил и гексоген, лежит в диапазоне наиболее интенсивных промышленных радиопомех, что может затруднить работу этих приборов.

Устройства, использующие методы газового анализа, требуют для своей работы создания малоподвижной газовой среды, в которой происходит накопление молекул ВВ в количестве, достаточном для обнаружения. Поэтому применение этих устройств, например, на открытой местности имеет очень низкую эффективность.

Устройства, использующие ядерно-физические методы обнаружения СВВ, позволяют идентифицировать взрывчатые вещества по повышенной концентрации в обследуемой зоне атомов определенных элементов, в частности азота, поскольку азот входит в состав всех ВВ, применяемых на практике.

Известно устройство по патенту США [2], использующее гамма-активационный метод для поиска скрытых взрывчатых веществ. Устройство состоит из источника гамма-квантов, устройства, обеспечивающего сканирование зоны облучения по поверхности обследуемого объекта, и двух детекторов, регистрирующих анигилляционные гамма-кванты, являющиеся конечными продуктами фотоядерной реакции ¹⁴N(γ,2n)¹²N. Устройство обладает высокой чувствительностью и быстродействием, однако не может быть использовано для поиска ВВ, находящихся на поверхности земли или под землей, поскольку контролируемый объем должен находиться между детекторами.

От указанного недостатка свободно устройство для поиска СВВ по патенту США [3], которое наиболее близко к предлагаемому (прототип).

Устройство представляет собой подвижную платформу, на которой, в частности, установлено одно или несколько устройств для поиска СВВ, таких как металлоискатель, тепловизор и подпочвенный радар, которые обеспечивают первичную разведку территории. Для окончательной идентификации СВВ служат источник ионизирующего излучения - потока тепловых нейтронов, детектор вторичного излучения - гамма квантов и анализатор сигналов детектора. Устройство работает следующим образом. После первичной разведки над местом предполагаемого расположения СВВ устанавливается нейтронный источник, и грунт облучается тепловыми нейтронами. Если в обследуемой зоне имеются атомы природного изотопа азота ¹⁴N, то эти ядра захватывают нейтроны, переходят в возбужденное состояние, после чего испускают гамма-кванты с энергией 10,8 МэВ. Наличие в регистрируемом излучении гамма-квантов с этой энергией является сигналом обнаружения ВВ. Примененный в устройстве метод обнаружения азота, известный как метод TNA, обладает существенным недостатком, обусловленным тем, что при облучении грунта нейтронами инициируются различные побочные процессы, сопровождающиеся испусканием гамма-квантов, имеющих практически непрерывный энергетический спектр в интервале энергий 9-11 МэВ, причем спектральная плотность этого излучения сильно зависит от химического состава грунта. Поэтому процесс регистрации излучения, связанного с наличием в обследуемой зоне азота, идет при крайне неблагоприятном соотношении сигнал/шум, в силу чего для достижения приемлемого уровня достоверности требуется регистрация большого числа событий, что увеличивает время, необходимое для идентификации СВВ. Кроме того, плотность потока тепловых нейтронов быстро падает с глубиной, что также ограничивает возможности устройства. Из приведенных в описании патента данных следует, что устройство способно обнаруживать с вероятностью 93% заряды ВВ с массой около 4 кг до глубины 20 см и заряды с массой ВВ 300 г (что значительно больше массы заряда большинства противопехотных мин), когда они лежат практически на поверхности, причем для их идентификации необходимы экспозиции продолжительностью более 4 минут. Таким образом, следует признать, что данное устройство вряд ли может быть использовано как основное поисковое средство в акциях по гуманитарному разминированию, поскольку стандарты ООН [4] предписывают удаление всех взрывоопасных предметов на глубину до 20 см с вероятностью 99,6%.

Задачей, решаемой изобретением, является расширение арсенала технических средств, используемых для обнаружения СОВ, при одновременном сокращении времени поиска и повышении достоверности обнаружения.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством, содержащим источник ионизирующего излучения, детектор вторичного излучения и анализатор сигналов детектора, размещенные на подвижной платформе, в котором использован источник ионизирующего излучения, генерирующий импульсный пучок тормозного излучения с максимальной энергией гамма-квантов более 31 МэВ. Наличие в составе устройства источника гамма-квантов с энергией более 31 МэВ является существенным отличительным признаком, поскольку, во-первых, позволяет использовать в качестве зондирующего пучок гамма-квантов вместо нейтронного пучка и, во-вторых, применить для идентификации СВВ метод гамма-активационного анализа.

В качестве источника импульсного гамма-излучения используется ускоритель электронов с энергией не менее 31 МэВ и мишень, в которой энергия ускоренных электронов трансформируется в пучок тормозного излучения. Кроме того, предложено выполнить электронный ускоритель по схеме разрезного микротрона. Массогабаритные характеристики устройства позволяют применить в качестве подвижной платформы наземное или воздушное (вертолет, аэростат или дирижабль) транспортное средство.

Использование заявляемого устройства позволяет 1. обнаруживать все виды мин и взрывоопасных предметов, независимо от их конструкции и упаковки; 2. обнаруживать СВВ с массой заряда не менее 40 г; 3. обнаруживать СВВ в грунте на глубине до 0,5 м; 4. обнаруживать СВВ за время 5-20 мс; 5. обнаруживать СВВ с вероятностью не менее 99,6%; 6. вести разведку местности со скоростью не менее 8 м²/мин; 7. вести разведку местности, покрытую кустарниковой растительностью.

На фиг.1 показан общий вид устройства, на фиг.2 - вариант его размещения на гусеничном шасси в рабочем положении, вид сбоку; на фиг.3 - то же, вид сверху; на фиг.4 - то же, в походном положении, вид сверху. На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения: 1 - анализатор сигналов детектора 2 - электронный ускоритель
3 - электромагнит
4 - электромагнит
5 - мишень
6 - детектор вторичного излучения
7 - подвижная платформа
8 - телескопическая штанга
9 - башня
10 - автономный электрогенератор
11 - импульсный модулятор клистрона
12 - устройство охлаждения
Устройство обнаружения СВВ состоит из электронного ускорителя 2 (фиг.1), мишени 5, детектора вторичного излучения 6 и анализатора сигналов детектора 1, размещенных на платформе 7. В качестве электронного ускорителя 2 может быть использован импульсный разрезной микротрон на энергию 50-70 МэВ, поскольку этот тип ускорителей благодаря своим массогабаритным характеристикам наиболее приемлем для установки на мобильных носителях. Мишень 5 представляет собой пластину из тяжелого металла (свинец, вольфрам, тантал, уран и т. п. ) толщиной 0,1-2 мм. Детектор вторичного излучения 6 состоит из сцинтилляторов и фотоприемников, например фотоэлектронных умножителей, просматривающих чувствительный объем детектора. Анализатор сигналов детектора 1 формирует сигнал об обнаружении ССВ. Между ускорителем 2 и мишенью 5 могут быть установлены электромагниты 3 и 4, отклоняющие электронный пучок в двух перпендикулярных плоскостях.

В основе работы предлагаемого устройства лежит гамма-активационный метод, предложенный в работе [5], суть которого состоит в том, что для идентификации ВВ используется регистрация продуктов распада короткоживущих изотопов ¹²В (бор-12) и ¹²N (азот-12), имеющих периоды полураспада соответственно 20,2 и 11,0 мс. Эти изотопы рождаются в результате фотоядерных реакций на азоте (¹⁴N) и углероде (¹³С) (примесь изотопа ¹³С в природном углероде равна 1,107%), химических элементах, составляющих основу всех современных ВВ, при их облучении гамма-квантами с энергией большей порогового значения E_γ



Выбор этих процессов в качестве реперных обеспечивает высокую селективность обнаружения ВВ, т. к. при облучении любых других химических элементов гамма-пучком с энергией меньше 100 МэВ не образуются никакие другие изотопы с периодом полураспада в диапазоне от 1 до 100 мс. Изотопы ¹²В и ¹²N являются β -активными и в процессе распада испускают электроны и позитроны с максимальной энергией ~ 13 МэВ и ~17 МэВ, которые, двигаясь в веществе, в свою очередь индуцируют гамма-кванты. Эти гамма-кванты, так же как и анигилляционные с энергией 511 КэВ, вместе с электронами и позитронами составляют вторичные продукты распада и могут быть зарегистрированы детектором. Следовательно, если облучить обследуемый объект импульсом гамма излучения с энергией гамма-квантов выше пороговых значений E_γ для реакций 1-3, то в последующем за ним временном интервале 1-20 мс он откликнется, при наличии в нем достаточной концентрации азота и/или углерода, потоком вторичных частиц от распада изотопов ¹²В и ¹²N, в противном случае этого потока в измеряемый промежуток времени не будет. Это обстоятельство обеспечивает высокую чувствительность устройства и достоверность обнаружения СВВ.

Предлагаемое устройство обнаружения СВВ работает следующим образом. Электронный пучок из ускорителя 2 с энергией больше 31 МэВ отклоняется в магнитах 3 и 4 и направляется на тормозную мишень 5, в которой он конвертируется в узкий пучок тормозного излучения, направленный по оси первичного электронного пучка с максимальной энергией гамма-квантов больше 31 МэВ. В течение длительности токового импульса ускорителя 2 пучок тормозного излучения облучает ограниченный участок обследуемой поверхности, проникая в грунт на определенную глубину. Через 0,1-1,0 мс после окончания токового импульса в течение 1-20 мс работает детектор вторичного излучения 6, данные с которого обрабатываются анализатором 1, формирующим сигнал об обнаружении ВВ. Если ВВ не обнаружено, то поле в магнитах 3 и/или 4 изменяется, соответственно изменяется направление электронного пучка, падающего на тормозную мишень, область облучения смещается, и цикл поиска ВВ возобновляется.

Высокая избирательность устройства при обнаружении ВВ обусловлена тем, что во взрывчатых веществах (тротил, гексоген, октоген, ТЭН, тетрил) азот и углерод составляют по массе (17-38)% и (24-50)% соответственно, в то время как в земной коре их концентрация существенно меньше 1%. Поэтому основными источниками ложных сигналов могут быть либо участки почвы с высокой концентрацией азотных удобрений, либо органические включения. Чтобы отделить эти сигналы от сигналов, полученных от ВВ, можно провести дополнительное облучение подозрительного участка гамма-квантами с энергией в диапазоне от 18 до 23 МэВ. В этом случае детектор будет регистрировать только продукты фотоядерной реакции на углероде. Сравнивая показания детектора, полученные при этих двух облучениях с разными энергиями гамма-квантов, можно сделать заключение о химическом составе обследуемого объекта.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Вариант устройства для обнаружения СВВ на гусеничном шасси в рабочем положении показан на фиг.2 (вид сбоку) и на фиг.3 (вид сверху). В башне 9 установлен разрезной микротрон на энергию 50 МэВ, электромагниты для отклонения пучка, мишень, биологическая защита и клистрон - источник СВЧ-питания микротрона. Вне башни закреплены импульсный модулятор клистрона 11, устройство охлаждения 12 и автономный электрогенератор 10. Детектор вторичного излучения 6 укреплен на телескопической штанге 8 и в рабочем положении размещен над обследуемой поверхностью впереди по ходу движения. В походном положении, показанном на фиг.3 (вид сверху), детектор вторичного излучения 6 устанавливается на транспортное средство. Проведенные оценки показывают, что суммарная масса оборудования, устанавливаемого на носитель, может не превышать 10 т, а габаритные размеры всей установки в походном положении, включая гусеничное шасси, составляют (Д•Ш•В) 6100•3800•2600 мм³.

Разведка местности производится с неподвижного шасси, при этом устройство последовательно облучает перед собой равноотстоящие друг от друга участки поверхности. После окончания обследования некоторой зоны устройство перемещается вперед и начинает обследование следующего участка поверхности. Если предположить, что расстояние между соседними облученными участками равно 50 мм и частота повторения токовых импульсов микротрона 50 имп/с, то для обследования зоны размером 4000•2000 мм² устройству потребуется время около 1 мин.

Пример 2.

Ниже приводятся результаты компьютерного моделирования работы предлагаемого устройства для обнаружения СВВ. Для модельного эксперимента были использованы следующие исходные данные:
Энергия ускоренных электронов 50 МэВ.

Импульсный ток 50 мА.

Длительность токового импульса 6 мкс.

Мишень - свинцовая пластина толщиной 0,5 мм.

Высота расположения мишени тормозного излучения над грунтом 2 м.

Средний угол входа пучка гамма-квантов в поверхность грунта 45^o.

Высота расположения детектора над контролируемой поверхностью 1,5 м.

Чувствительная площадь детектора 0,5•0,5 м².

Эффективность регистрации гамма-квантов детектором 0,98%.

Длительность регистрации после окончания импульса излучения 18 мс.

Взрывчатое вещество - тротил.

Параметры грунта - для описания физических характеристик грунта использовались табличные данные для бетона.

В процессе моделирования учитывались физические процессы, происходящие с ускоренными электронами в тормозной мишени и гамма-квантами, образованными в воздухе, в веществе грунта, в объекте с взрывчатым веществом, а также взаимодействия электронов и позитронов - продуктов бета-распадов от фотоядерных реакций (1-3) - с веществом при их движении в апертуру детектора.

В ходе моделирования было также рассчитано число фоновых событий, регистрируемых устройством, обусловленных естественным космическим излучением, а также естественной и наведенной радиоактивностью грунта.

Анализ результатов компьютерного моделирования показывает, что предлагаемое устройство обнаружения СВВ способно обнаруживать заряды ВВ массой 40 г до глубины 20 см и массой 3000 г до глубины 40 см, при этом вероятность обнаружения не ниже 99,6%. Принимая во внимание, что эти характеристики устройства были получены при удалении мишени и детектора от поверхности земли на расстояние более 1 м, можно сделать заключение, что устройство способно вести разведку местности, покрытую кустарниковой растительностью.

Источники информации
1. Сердцев Н.И. и др. // Стратегическая стабильность. - 2000. - 2. - С. 33-40.

2. Патент США 4756866, 376/157, кл. G 21 G 1/12 опубл. 12.07.1988.

3. Патент США 6026135, 376/159, кл. G 21 G 1/06 опубл. 15.02.2000.

4. Международные стандарты по проведению операций по разминированию в рамках гуманитарных акций под эгидой ООН // ООН. - 1996. - 75 с.

5. Trower W.P. // Nuclear Instruments and Methods, В 79 (1993) 589.

Формула изобретения

1. Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ, включающее источник ионизирующего излучения, детектор вторичного излучения и анализатор сигналов детектора, размещенные на подвижной платформе, отличающееся тем, что использован источник ионизирующего излучения, генерирующий импульсный пучок гамма-излучения с максимальной энергией гамма-квантов более 31 МэВ.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник ионизирующего излучения состоит из импульсного электронного ускорителя с энергией более 31 МэВ и мишени.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что электронный ускоритель выполнен по схеме разрезного микротрона.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4