Способ и система для обнаружения опасных веществ, находящихся в вагонах грузовых поездов с использованием метода меченых нейтронов
Владельцы патента RU 2690041:
Общество с ограниченной ответственностью "Диамант" (RU)
Использование: для обнаружения и идентификации опасных веществ. Сущность изобретения заключается в том, что обнаружение и идентификация опасных веществ реализуется за счет предварительного сканирования грузового железнодорожного поезда рентгеновским измерительно-диагностическим комплексом (ИДК) и в случае обнаружения «подозрительного» объекта, направление всего состава в зону дополнительно досмотра, где с помощью мобильных технических средств дополнительного досмотра (МТСДД) проводят комплекс мер по обнаружению и идентификации опасных предметов с использованием метода меченых нейтронов. Технический результат: обеспечение возможности повышения достоверности процесса обнаружения опасных веществ в грузовом вагоне при уменьшении вероятности «ложных» тревог, а также обеспечение возможности уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого опасного вещества. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 7 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности, для обнаружения и идентификации опасных веществ (взрывчатых, наркотических или сильнодействующих ядовитых), скрытых в различном типе вагонах грузовых поездов перед въездом их на железнодорожные мосты, виадуки и в тоннели. Кроме того, в пассивном режиме, при выключенном источнике нейтронов, изделие может служить детектором радиоактивных веществ. Следует отметить, что предлагаемый способ и система для обнаружения скрытых опасных веществ в грузовых железнодорожных поездах, имеет весьма широкую область применения для досмотра крупногабаритных грузов, таких как: морские контейнеры, транспортные фуры.
Уровень техники
Из уровня техники известно, что наиболее близким аналогом заявленного изобретения, взятым за прототип, является устройство для идентификации скрытых веществ, а именно переносной обнаружитель опасных скрытых веществ (см. [2], патент RU №2476864, МПК G01N 23/222, опубл. 27.02.2013), содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических альфа-частиц, детектор альфа-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор гамма-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроникисбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей – досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet – соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических альфа-частиц, детектор альфа-частиц, детекторы гамма-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания при этом детектор гамма-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока монохроматических нейтронов, испускаемых нейтронным генератором; при том досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения его на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора альфа-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор.
Недостатками данного аналога являются: малая апертура зоны облучения "подозрительной" области; большое время сканирования крупногабаритного объекта досмотра (например, грузового железнодорожного состава); крайне низкая эффективность регистрации характеристического ядерного излучения, образующегося в результате процесса неупругого рассеяния нейтронов с энергией 14.1 МэВ (образующихся в результате протекания бинарной dt-реакции в нейтронном генераторе) на ядрах кислорода, углерода, азота и др., обусловленная наличием в конструкции только одного детектора гамма-квантов на основе кристалла BGO; отсутствие возможности анализа объема грузового вагона на предмет нахождения в нем опасных веществ, находящихся на расстояниях порядка 1.5 м вдоль трека меченых нейтронов; большой уровень фона, обусловленного "слабой" защитой гамма-детектора от прямого попадания в него нейтронного излучения, испущенного НГ; жесткое расположение детектора гамма-квантов под углом 45 градусов относительно оси пучка меченых нейтронов не позволяет осуществлять необходимую вариацию данного угла; отсутствие коллимации гамма-детектора приводит к достаточно высокому уровню коррелированного фона и фона случайных совпадений.
Общими недостатками устройства-прототипа, по сравнению с заявленным изобретением, препятствующими их внедрению в практику обнаружения и идентификации веществ, находящихся в "подозрительной" области в грузовом вагоне (контейнере или трейлере), предварительно определенной с помощью рентгеновского измерительно-диагностического комплекса (ИДК), являются:
1) Малая апертура зоны облучения "подозрительной" области в грузовом вагоне потоком меченых нейтронов, выделенной рентгеновским ИДК;
2) Отсутствие связи в передаче координат "подозрительной" области с ИДК в известные устройства;
3) Большое время сканирования всего объема грузового вагона с помощью известного устройства-прототипа что, согласно техническим требованиям, предъявляемым к системе дополнительного досмотра грузового поезда с помощью метода меченых нейтронов, является абсолютно неприемлемым;
4) Крайне низкая эффективность регистрации характеристического ядерного излучения, образующегося в результате процесса неупругого рассеяния нейтронов с энергией 14.1 МэВ (образующихся в результате протекания бинарной dt-реакции в нейтронном генераторе) на ядрах кислорода, углерода, азота и др.;
5) Отсутствие возможности анализа объема грузового вагона на предмет нахождения в нем опасных веществ, находящиеся на расстояниях порядка 1.5 м вдоль трека меченых нейтронов (из-за ослабления нейтронного потока, падающего на "подозрительный" объект в вагоне, за счет рассеяния потока меченых нейтронов на веществе, находящемся между нейтронным генератором и "подозрительным" объектом, из-за увеличения расстояния между "подозрительным" объектом в вагоне и гамма-детектором, что, в свою очередь, приводит к уменьшению эффективности регистрации гамма-кантов характеристического излучения);
6) Отсутствие устройства, обеспечивающего доставку аналога - прототипа к досматриваемому "подозрительному" объекту;
7) Отсутствие устройства, позволяющего осуществлять изменение направления оси пучков меченых нейтронов, создаваемых нейтронным генератором, с целью совмещения оси меченых пучков нейтронов с направлением рентгеновского луча ИДК, обнаружившего "подозрительный" объект;
8) Большой уровень фона, обусловленного "слабой" защитой гамма-детектора от прямого попадания в него нейтронного излучения, испущенного НГ;
9) Габариты известных устройств не позволяют его использовать при обнаружении скрытых веществ в труднодоступных местах грузового вагона или при обследовании объектов досмотра, удаленных от известных устройств на расстояния более 1,5 метра;
10. Жесткое расположение детектора гамма-квантов под углом 45 градусов относительно оси пучка меченых нейтронов не позволяет осуществлять необходимую вариацию данного угла, продиктованную данными с ИДК;
11) Отсутствие коллимации гамма-детектора приводит к достаточно высокому уровню коррелированного фона и фона случайных совпадений;
12) Система наведения пучка меченых нейтронов на объект досмотра с помощью лазерного генератора вертикальной линии, проходящей через центр пучка меченых нейтронов, позволяет совмещать ее только с вертикальной линией, проходящей через центральную точку области обследования объекта досмотра, без учета его реальной формы.
Сущность изобретения
Задачей заявленного изобретения являетсясоздание надежной системы, гарантирующей реализацию высокого уровня безопасности при следовании грузовых поездов через железнодорожные мосты, виадуки и тоннели при высокой достоверности обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ в грузовых вагонах и в то же время при достаточно низком уровне "ложных" тревог, при этом, работа заявленного изобретения предполагается по “целеуказанию”, выдаваемому рентгеновским измерительно-диагностическим комплексом (ИДК), при этом, заявленное изобретение обеспечивает работоспособность его в диапазоне температур окружающего воздуха от -40°С до +50°С.
Техническим результатом является:
• повышение светосилы устройства, предназначенного для дополнительного досмотра вагонов грузовых поездов с помощью методики меченых нейтронов;
• повышение чувствительности устройства по отношению к регистрируемому характеристическому ядерному гамма-излучению;
• уменьшение времени дополнительного досмотра грузового вагона на предмет обнаружения в нем опасных веществ;
• повышение достоверности процесса обнаружения опасных веществ в грузовом вагоне при уменьшении вероятности «ложных» тревог;
• уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого опасного вещества; повышение надежности и обеспечение простоты при эксплуатации устройства.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет способа обнаружения опасных веществ в вагонах грузовых поездов с помощью метода меченых нейтронов, содержащего этап предварительного сканирования грузового железнодорожного поезда рентгеновским измерительно-диагностическим комплексом (ИДК), при этом, при обнаружении оператором ИДК, по меньшей мере, одного «подозрительного» объекта в вагоне грузового поезда, данный поезд направляют с основного пути на отдельный железнодорожный путь, находящийся в зоне дополнительного досмотра (ЗДД), а данные, полученные от ИДК, поступают на диспетчерский пульт ситуационного центра ЗДД; обследование, по меньшей мере, одного «подозрительного» объекта осуществляют одновременно двумя мобильными техническими средствами дополнительного досмотра (МТСДД) с помощью методики меченых нейтронов одновременно с двух сторон вагона; при этом, диспетчер, выдает операторам МТСДД целеуказание на местоположение «подозрительного» объекта в вагоне;по меньшей мере, два МТСДД одновременно выдвигаются по дорожкам с твердым покрытием, оборудованным вдоль железнодорожного пути ЗДД, и направляются к двум противоположным, относительного железнодорожного пути, сторонам вагона, номер которого указан в данных, полученных от ИДК; МТСДД получив координаты «подозрительного» объекта подъезжают к обследуемому вагону, и операторы двух МТСДД с обеих сторон вагона наносят маркером метки на противоположных боковых стенках вагона, соответствующие расстоянию от центра первой оси колесной пары вагона до центра «подозрительного» объекта, далее операторы двух МТСДД ориентируют МТСДД вдоль вагона и затем совмещают центральную ось нейтронного модуляс меткой на стенке вагона и вводят в поле графического интерфейса управления нейтронным модулем МТСДД значение угла φ, соответствующего углу рентгеновского сканирования ИДК грузового вагона относительно горизонта, при помощи устройства наклона автоматически выставляют пучок меченых нейтронов нейтронного генератора в нейтронном модуле под требуемым углом и с помощью подъемника автопогрузчика, входящего в состав МТСДД, поднимают нейтронный модуль на требуемую высоту, далее операторы МТСДД, подняв нейтронный модули на заданную высоту, приближают их с помощью лазерного дальномера к стенке вагона; при этом направление осей пучков меченых нейтронов нейтронных модулей в паре МТСДД противоположны и лежат на одной прямой, проходящей через центр «подозрительного» объекта и совпадающей с направлением рентгеновского луча, формируемого ИДК; после позиционирования нейтронных модулей, операторы МТСДД запускают таймер отложенного включения процедуры зондирования «подозрительного» объекта методом меченых нейтронов, одновременно покидают МТСДД и удаляются на безопасное в плане радиации расстояние; далее срабатывает таймер отложенного включения и запускаются нейтронные генераторы нейтронных модулей МТСДД, инициирующих потоки меченых нейтронов в противоположных направлениях и происходит набор событий, регистрируемых гамма-детекторами нейтронных модулей МТСДД; далее программное обеспечение автоматически создает протокол обследования и выводит результаты досмотра на дисплей.
Также технический результат достигается за счет того, что под опасным веществом подразумевают взрывчатые вещества, сильнодействующие активные химические вещества, наркотики, сильнодействующие яды.
Также технический результат достигается за счет того, что под «подозрительным» объектом подразумевают наличие опасных веществ.
Также технический результат достигается за счет того, что конструкция МТСДД позволяет производить изменение угла наклона НГ по отношению к горизонту в широких пределах, что очень существенно для правильного наведения меченого пучка на подозрительную область.
Также технический результат достигается за счет того, что данными, полученными от ИДК, являются номер вагона, в котором обнаружен “подозрительный” объект, угол ϕ относительно горизонта под которым рентгеновский луч ИДК проходит через “подозрительный” объект, и расстояние z по горизонтали вдоль направления движения вагона, от центра первой оси вагона до центра «подозрительного» объекта по радиационному изображению вагона, а также положение излучателя ИДК относительно грузового поезда при его сканировании.
Также технический результат достигается за счет того, что требуемый угол наклона оси пучка меченых нейтронов, создаваемых нейтронным генератором в нейтронном модуле и высоту подъема нейтронного модуля определяют автоматически с помощью программного обеспечения.
Также технический результат достигается за счет того, что высоту подъема нейтронного модуля определяют и устанавливают автоматически по лазерному дальномеру, входящему в состав МТСДД.
Также технический результат достигается за счет того, что безопасное расстояние удаления операторов МТСДД от МТСДД обеспечено соблюдением единых норм при работе с радиацией для обслуживающего персонала и населения.
Также технический результат достигается за счет системы обнаружения опасных веществ с помощью метода меченых нейтронов в вагонах грузовых поездов реализующей заявленный способ, включающей рентгеновский измерительно-диагностический комплекс (ИДК), зону дополнительного досмотра (ЗДД) с ситуационным центром, при этом в состав ЗДД входят, по меньшей мере, два мобильных технических средства дополнительного досмотра (МТСДД), система радиосвязи с диспетчерским центром, при этом ЗДД огорожена забором и содержит отдельный железнодорожный путь, с двух сторон которого находятся дорожки с твердым покрытием для перемещения МТСДД, а также площадки для их разворота, причем ЗДД оборудована санитарно-защитной зоной, при этом мобильные технические средства для дополнительного досмотра (МТСДД) состоят из автопогрузчиков, на которых установлены нейтронные модули с возможностью вертикального их перемещения, комплект видеокамер с возможностью обзора окружающей обстановки на 360°, лазерные дальномеры, графический интерфейс, при этом нейтронный модуль состоит из металлической рамы на которой крепятся источник меченых нейтронов со встроенным многопиксельным полупроводниковым альфа-детектором на базе портативного нейтронного генератора (НГ), находящийся в термостатированном объеме; система гамма-детектора находящиеся в термостатированном объеме; защита гамма-детекторов от прямого попадания в них нейтронов, испускаемых НГ; блок управления НГ; устройство для поворота НГ относительно горизонтальной оси; система питания НГ, альфа- и гамма-детекторов; регистрирующая электроника приема и предварительного анализа сигналов с альфа- и гамма-детекторов.
Также технический результат достигается за счет того, чтоконструкция МТСДД обеспечивает досмотр вагонов грузового поезда с различными габаритными размерами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображена схема дополнительного досмотра грузового вагона с помощью мобильного технического средства дополнительного досмотра (МТСДД).
На фиг.2 изображен общий вид МТСДД.
На фиг.3 изображен общий вид нейтронного модуля.
На фиг.4 изображена фотография портативного нейтронного генератора.
На фиг.5 изображен угол ϕ между рентгеновским сканирующим лучом, проходящим через "подозрительный" объект, и горизонтом.
На фиг.6 отображена методика определения расстояния z от центра первой оси вагона до центра "подозрительной" зоны, а также отображена методика нанесения метки на стенку вагона в точке, соответствующей расстоянию z от центра первой оси вагона до центра подозрительной зоны.
На фиг.7 приведена геометрия обследования разных "подозрительных" зон в грузовом вагоне. Пунктиром справа показан сектор досмотра ИДК.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 — грузовой состав; 2 – отдельный железнодорожный путь; 3 – ангар для хранения и технического обслуживания МТСДД; 4 – ситуационный центр; 5 – дорожка с твердым покрытием; 6 – мобильное техническое средство дополнительного досмотра (МТСДД); 7 – площадка для маневров (разворота); 8 – санитарно-защитная зона; 9 – нейтронный модуль; 10 – автопогрузчик; 11 – объект досмотра; 12 – комплект видеокамер; 13 – металлическая рама; 14 – источник меченых нейтронов (нейтронный генератор (НГ)); 15 – гамма-детекторы; 16 – защита гамма-детекторов; 17 – пучок меченных нейтроны; 18 – блок управления НГ; 19 – устройство наклона НГ относительно горизонтальной оси; 20 – система питания НГ, гамма- и альфа-детекторов; 21 – регистрирующая электроника; 22 – лазерные дальномеры; 23 – разъемы для подсоединения блока управления НГ; 24 – 9-ти сигнальный вывод; 25 – рентгеновский сканирующий луч; 26 – источник рентгеновского излучения; 27–«подозрительный» объект; 28 – уровень горизонта; 29 – рельсы; 30 – колесная пара вагона; 31 – центр первой оси колесной пары; 32 – метка; 33 – графический интерфейс; 34 – лазерный дальномер; 35 и 36 – направление центральной оси пучка меченных нейтронов; 37 – проблесковый маячок.
Осуществление изобретения
Предлагаемая система для обнаружения и идентификации опасных веществ в грузовых поездах включает в себя:
1) мобильные технические средства дополнительного досмотра (МТСДД), в состав которых входит нейтронный модуль, интерфейс оператора, автопогрузчик с системой видеонаблюдения, с помощью которого происходит перемещение нейтронного модуля МТСДД вдоль всего грузового состава по дорожкам с твердым покрытием, обеспечивая при этом позиционирование его относительно досматриваемого вагона, согласно координатам, полученным при обследовании вагона рентгеновским ИДК; при этом, МТСДД обеспечивает обследование различного типа вагонов грузового поезда с различными возможными размерами; высота подъема нейтронного модуля устанавливается автоматически по лазерному дальномеру; нейтронный модуль включает в себя: термостатированный источник меченых нейтронов с повышенной интенсивностью потока нейтронов на базе портативного нейтронного генератора со встроенным многопиксельным полупроводниковым альфа-детектором, заключенных в вакуумную камеру; блок управления НГ; гамма-детекторы на основе кристаллов BGO (LYSO, LaBr3, NaI(Tl), LSO, LaCl3) для регистрации характеристического гамма-излучения, образующегося в результате неупругого рассеяния нейтронов dt-синтеза с энергией 14.1 МэВ на ядрах облучаемого вещества; объемы МТСДД, в которых находятся гамма-детекторы и генератор меченых нейтронов, термостатированы, обеспечивая тем самым стабильность положения пиков характеристического гамма-излучения при изменении температуры окружающей среды; защиту гамма-детекторов и регистрирующей электроники от прямого попадания в них нейтронов, испущенных НГ, и изготовленной в виде сэндвича из полиэтилена и свинца; устройствадля поворота НГ, с помощью которых возможно изменение направления пучков меченых нейтронов, согласно данным, поступившим с ИДК; систему питания нейтронного генератора, гамма- и альфа-детекторов; регистрирующую электронику приема и предварительного анализа сигналов с альфа- и гамма-детекторов, при этом, конструктивно регистрирующая электроника выполнена в виде одной платы размером стандартной PCI карты с возможностью установки ее в PCI-слот персонального компьютера и работы под его управлением, при этом, все программное обеспечение, поддерживающее работу блока электроники, работает под управлением операционной системы LINUX; в состав НГ входит тритиевая мишень, заключенная в герметичную нейтронную трубку, в которой находится многопиксельный полупроводниковый альфа-детектор и ускоряющие электроды; в конструкции нейтронного модуля предусмотрена возможность изменения угла поворота оси центрального пучка меченых нейтронов, испускаемых НГ, относительно горизонтальной оси; в качестве автопогрузчика используется автопогрузчик с двумя режимами движения;
2) зону дополнительного досмотра (ЗДД), представляющую собой отдельный железнодорожный путь, на который происходит съезд грузового состава с основного железнодорожного пути при поступлении сигнала от ИДК о наличии "подозрительного" объекта хотя бы в одном вагоне поезда, с двух сторон которого на всем его протяжении находятся дорожки с твердым покрытием, по которым происходит перемещение МТСДД, на которых имеются также площадки для их разворота; дорожки обеспечивают максимальное приближение МТСДД к стенкам вагона, а перрон ЗДД максимально приближен к железнодорожному пути; для обеспечения требований радиационной безопасности ЗДД имеется санитарно-защитная зона, представляющая собой зону ограниченного доступа; длина дополнительного путиобеспечивает размещение на нем всего грузового состава целиком; территория ЗДД огораживается сетчатым забором, что является составной частью полного комплекса мероприятий по обеспечению требований радиационной безопасности в ЗДД; с одной стороны поезда вне дорожки с твердым покрытием находится отдельное здание (ангар), предназначенноедля хранения и технического обслуживания МТСДД, кроме этого, недалеко от границы санитарно-защитной зоны расположен диспетчерский центр ЗДД.
3) систему радиосвязи, которая обеспечивает радиосвязь между операторами МТСДД и центральным диспетчером ЗДД; при этом, носимый оператором дистанционный пульт управления МТСДД на планшете, связан по каналу радиосвязи с диспетчером ЗДД, находящемся в ситуационном центре; распределительная локальная сеть Wi-Fi, установлена по границам санитарной зоны ЗДД для обеспечения устойчивой связи как между носимым дистанционным пультом управления МТСДД с центральным сервером диспетчера, так и для работы системы технологического видеонаблюдения, заявленная система, гарантирует реализацию высокого уровня безопасности для обслуживающего персонала и населения при работе НГ.
4) блок эффективных программ для приема и анализа данных, поступающих с гамма- и альфа-детекторов, гарантирующих уменьшение количества ошибок, обусловленных повышением точности наведения потока меченых нейтронов на "подозрительную" область объекта досмотра; программное обеспечение МТСДД позволяет проводить весь комплекс работ МТСДД, связанных с дополнительным досмотром грузовых вагонов по целеуказаниям, выданным ИДК, принимать окончательное решение по обнаружению и идентификации опасных предметов и веществ, находящихся в вагоне, на основании результатов досмотра, а также осуществлять архивацию результатов анализа в базу данных; программное обеспечение МТСДД состоит из следующих основных модулей: модуля позиционирования нейтронного модуля, модуля управления НГ, модуля системы сбора данных, модуля обработки данных, модуля контроля параметров нейтронного модуля, модуля анализа и визуализации результатов анализа; вся информация модуля системы сбора данных и модуля обработки данных пересылается на сервер хранения данных, который обеспечивает хранение данных, а также предоставление к ним доступа внешних пользователей; алгоритм обнаружения и идентификации взрывчатых веществ основывается на анализе элементного состава досматриваемого объекта.
В состав зоны дополнительного досмотра (ЗДД) грузового состава 1 (см. Фиг.1) входит: отдельный железнодорожный путь 2 для досмотра состава 1, на который подается грузовой состав только в случае получения сигнала от оператора ИДК о возможном наличии хотя бы в одном вагоне поезда 1 "подозрительного" объекта;отдельное здание 3 (ангар), предназначенное для хранения и технического обслуживания МТСДД (6); с двух сторон отдельного железнодорожного пути 2 находятся дорожки с твердым покрытием 5, по которым происходит перемещение МТСДД (6), на которых имеются также площадки 7 (см. Фиг.1) для их разворота. Дорожки 5 обеспечивают максимальное приближение МТСДД (6) к вагону 1 (см. Фиг.1). Граница дорожек 5 максимально приближена к железнодорожному пути 2; для обеспечения требований радиационной безопасности ЗДД оборудуется санитарно-защитной зоной 8, представляющей собой зону ограниченного доступа; недалеко от границы санитарно-защитной зоны 8 расположен ситуационный центр 4.
Длина дополнительного пути досмотра 2 должна обеспечивать размещение всего грузового состава целиком.
Дополнительный досмотр грузового вагона 1 осуществляется с помощью МТСДД (6), общий вид которого изображен на фиг.2. В состав 6 входит: нейтронный модуль 9 и автопогрузчик 10. Кроме этого на Фиг.1 видны железнодорожный вагон 1 грузового состава, железнодорожный путь досмотра 2, дорожки с твердым покрытием 5, по которым перемещаются МТСДД (6), граница санитарно-защитной зоны 8, а также объекты досмотра 11, находящиеся в объеме грузового вагона 1.
С целью удобства позиционирования МТСДД (6) относительно досматриваемого вагона 1 и координации действий операторов МТСДД (6), на МТСДД (6) предусмотрена установка комплекта видеокамер 12 (Фиг.2), c возможностью обзора окружающей обстановки на 360°.
Нейтронный модуль 9, изображенный на фиг.2 и фиг.3 включает в себя: металлическую раму 13, на которой крепятся источник меченых нейтронов 14 со встроенным многопиксельным полупроводниковым альфа-детектором с повышенной интенсивностью потока нейтронов; система гамма-детекторов 15 на основе кристаллов BGO для регистрации характеристического гамма-излучения, образующегося в результате неупругого рассеяния нейтронов dt-синтеза с энергией 14.1 МэВ на ядрах облучаемого вещества; защиту 16 гамма-детекторов 15 от прямого попадания в них нейтронов 17, испущенных НГ, изготовленной в виде сэндвича, например, из полиэтилена и свинца; блок управления НГ 18 (Фиг.4), устройство 19 (см. Фиг.3) для поворота НГ относительно горизонтальной оси, систему питания нейтронного генератора, гамма- и альфа-детекторов 20, регистрирующую электронику 21 приема и предварительного анализа сигналов с альфа- и гамма-детекторов. Также на металлической раме 13 располагаются лазерные дальномеры 22.
Внешний вид портативного нейтронного генератора 14 приведен на фиг.4. На этой же фигуре приведен блок управления 18 НГ и высоковольтного питания нейтронного генератора. Кроме этого, с обратной стороны корпуса нейтронного генератора 14 видны разъемы 23 для подсоединения блока управления НГ 18 с нейтронным генератором 14, а также видна рубка 24 с сигнальными выводами 25 от альфа-детектора (альфа-детектор на фиг.4 не виден, так как находится внутри корпуса НГ).
Схема определения угла ϕ между рентгеновским сканирующим лучом 26 (Фиг. 5), испущенным источником рентгеновского излучения 27 (в качестве источника рентгеновского излучения обычно используется коллимированное тормозное излучение, создаваемое электронным ускорителем; на фиг.5 ускоритель электронов не изображен), проходящим через центральную область "подозрительного" объекта 28, и горизонтом 29 приведена на фиг.5. Фиг.5 отображает сечение вагона 1 плоскостью, перпендикулярной направлению его движения по рельсам 30 с помощью колесных пар 31 вагона 1.
Методика определения расстояния z во фронтальной плоскости вагона 1 (вдоль направления его движения) от центра первой оси 32 колесной пары вагона 1 до центра "подозрительного" объекта 28, а также методика нанесения метки 33 на внешнюю стенку вагона 1 в точке, соответствующей расстоянию z от центра первой оси 32 вагона 1 до центра "подозрительного" объекта 28, отображены на фиг.6.
При этом, для обеспечения устойчивой связи МТСДД (6) с сервером и для работы системы технологического видеонаблюдения в ЗДД по границам санитарной зоны 8 используется распределенная беспроводная локальная сеть Wi-Fi.
Предложенное устройство работает следующим образом.
В случае выявления операторами ИДК, по меньшей мере, одного “подозрительного” объекта 28 в вагоне 1 грузового поезда при подходе их к мостам (тоннелям, виадукам и тд.), данный поезд направляют на отдельный железнодорожный путь 2 досмотра в зону дополнительного досмотра (ЗДД), схема которой приведена на фиг.1. Длина дополнительного пути досмотра 2 обеспечивает размещение на нем всего грузового поезда целиком. Обследование грузового поезда 1 осуществляется только по целеуказанию ИДК, по меньшей мере, одной парой МТСДД (6). Предпочтительно использование двух пар, одна из которых базируется в начале грузового поезда 1, а другая – в его конце, при этом обследование каждого "подозрительного" объекта 28 в грузовом вагоне 1 осуществляется мобильными техническими средствами дополнительного контроля 6 одновременно с двух сторон вагона 1.
При этом оператор ИДК выдает операторам МТСДД (6), через центрального диспетчера, находящегося в ситуационном центре, целеуказание для дополнительного досмотра «подозрительного» объекта с помощью методики меченых нейтронов. В целеуказание (координаты) может входить следующая информация: номер вагона 1; его фотография; радиационное изображение с местом расположения "подозрительного" объекта 28 в вагоне 1; координаты "подозрительного" объекта 28. Данная информация требуется для проведения дополнительного досмотра содержимого объекта 28 путем одновременного обследования его с помощью двух МТСДД (6).
После этого, обследование грузового вагона 1 в ЗДД осуществляется с помощью МТСДД (6), которые выдвигаются из хранилища 3, получив команду от центрального диспетчера 4 на основании данных, полученных им от ИДК, к вагону 1, номер которого был передан ИДК, по дорожкам с твердым покрытием 5, оборудованным вдоль пути дополнительного досмотра 2. При этом из ангара 3 выдвигаются одновременно, по меньшей мере, два МТСДД (6), которые направляются к двум противоположным сторонам указанного номера вагона 1 относительно железнодорожного пути 2. Это связано с тем, что для обнаружения “подозрительного” объекта 28 внутри вагона в любой точке с высокой достоверностью необходимо проводить одновременное обследование ее по крайней мере двумя МТСДД 6, расположенными на противоположных сторонах данного вагона 1.
Геометрия обследования вагона 1 приведена на Фиг. 7. МТСДД (6), получив координаты “подозрительного” объекта 28 подъезжают к обследуемому вагону 1 с двух его сторон и операторы двух МТСДД (6) с обеих сторон вагона 1 наносят маркером метки 33 на противоположных боковых стенках вагона 1, соответствующие расстоянию z от центра первой оси вагона 32 до центра "подозрительного" объекта 28. Далее, операторы двух МТСДД (6) ориентируют их вдоль вагона 1 и совмещают центральные оси двух нейтронных модулей 9 МТСДД с метками 33 на противоположных стенках вагона 1. Далее, операторы МТСДД вводят значение угла ϕ, соответствующего углу рентгеновского сканирования 26 грузового вагона 1 относительно горизонта 29 в соответствующее поле графических интерфейсов 34 управления нейтронными модулями МТСДД (6) на автопогрузчике 10. С помощью программного обеспечения определяется высота, на которую необходимо поднять нейтронные модули 9 МТСДД (6) и угол ϕ, на который необходимо наклонить с помощью специального устройства 19 оси пучков меченых нейтронов 17 нейтронных генераторов 14 в нейтронных модулях 9 в зависимости от расположения МТСДД (6) относительно вагона 1 и направления сканирования вагона 1 рентгеновским излучением ИДК. Устройство наклона 19 оси меченых нейтронов 17 автоматически выставляет пучки меченых нейтронов 17 в нейтронных модулях9 под требуемым углом. Изменение угла наклона оси меченых нейтронов 17 относительно горизонта 29 может варьироваться в широком диапазоне. Придав НГ 14 нужный наклон, операторы МТСДД (6) с помощью подъемника автопогрузчика 10 поднимают нейтронные модули 9 на расчетную высоту. Высота подъёма определяется МТСДД (6) и устанавливается автоматически по лазерному дальномеру 22. Операторы МТСДД (6), подняв нейтронные модули 9 на заданную высоту, приближают их к стенке вагона 1 с помощью лазерного дальномера 34. При этом, направления осей пучков 17 меченых нейтронов 35 и 36 двух модулей 12 МТСДД (6) противоположны и лежат на одной прямой, проходящей через центр подозрительного объекта 28.
После позиционирования нейтронных модулей, операторы МТСДД (6) запускают таймер отложенного включения процедуры зондирования “подозрительного” объекта 28 вагона 1 методом меченых нейтронов, одновременно покидают МТСДД (6) и удаляются от них на безопасное расстояние в радиационном отношении.
После этого через заданное время срабатывают таймеры отложенного включения и запускаются нейтронные генераторы 14 нейтронных модулей 9 МТСДД (6) индуцирующих потоки меченых нейтронов 17 в противоположных направлениях. Происходит набор событий, зарегистрированных гамма-детекторами 15 нейтронных модулей 9 МТСДД (6). Работа нейтронных модулей 9 контролируется по проблесковым маячкам 37, установленных на двух МТСДД (6). Передвижение МТСДД (6) сопровождается миганием маячков желтого цвета 37. Включение МТСДД (6) в работу сопровождается световой и звуковой сигнализацией о текущем состоянии системы: электропитание включено – зеленый свет, звуковой сигнал отсутствует; генерация излучения – мигающий красный свет, прерывистый звук сирены.
При этом носимые (дополнительные) пульты управления 38МТСДД (6) находится у каждого оператора МТСДД (6) на его рабочем месте. Носимый пульт управления МТСДД (6) реализуется на базе планшетного компьютера. Основной пульт управления 39 МТСДД (6), находящийся в здании 4 центрального диспетчера ЗДД, укомплектован персональным компьютером с графическим интерфейсом 40 для вывода на экран информации, полученной с детекторов альфа- и гамма-детекторов 15 нейтронных модулей 9, для управления программным обеспечением. Для управления передвижением МТСДД (6) относительно вагона 1 с целью корректного ориентирования нейтронного модуля 9 относительно подозрительного объекта 28, находящегося в вагоне 1, каждое МТСДД (6) укомплектовано системой видеонаблюдения 12, сигналы с которых также поступают на основной пульт управления 39 МТСДД (6). Связь МТСДД (6), а также носимого пульта управления 38 с остальной компьютерной инфраструктурой осуществляется по радиоканалу (Wi-Fi).
Каждый из носимых дополнительных дистанционных пультов 38 соединяется с соответствующим блоком управления нейтронным излучением 18 с помощью беспроводной технологии Wi-Fi, при этом, если система в течение определенного установленного времени (через каждые несколько секунд) не получает ответа-подтверждения о продолжении режима нейтронного излучения на следующий временной интервал, то происходит автоматическое выключение нейтронного излучения с помощью носимого дополнительного дистанционным пультом 38. Носимый дополнительный дистанционный пульт 38 всегда находится у оператора МТСДД (6) и во время работы МТСДД (6) и, при необходимости, может применяться для экстренного отключения нейтронного генератора 14. Носимый дополнительный дистанционный пульт 38 позволяет контролировать ход досмотра грузового вагона 1 и работоспособность аппаратуры нейтронного модуля 9. Кроме этого, предлагаемое устройство для досмотра грузовых вагонов снабжено системой голосовой радиосвязи, которая позволяет операторам МТСДД (6) и центральному диспетчеру, находящемуся в ситуационном центре 4, координировать свои действия в процессе досмотра грузового состава.
Программное обеспечение МТСДД (6) позволяет проводить весь комплекс работ МТСДД (6), связанных с дополнительным досмотром грузовых вагонов по целеуказанию, выданным ИДК, с обнаружением опасных веществ, находящихся в вагонах 1, и с заключениями по результатам обследования с последующей архивацией заключений в базу данных.
Программное обеспечение МТСДД (6) состоит из следующих основных модулей: модуля позиционирования нейтронного модуля 9, модуля управления НГ 18, модуля системы сбора данных 21 с альфа- и гамма-детекторов 15, модуля обработки данных, модуля контроля параметров нейтронного модуля 9, модуля анализа и визуализации результатов анализа.
Алгоритм обнаружения и идентификации взрывчатых веществ, находящихся в вагоне 1, основывается на анализе элементного состава досматриваемого объекта с помощью метода меченых нейтронов. Для этого строятся функции отклика гамма-детекторов, как результат неупругого рассеяния пучков меченых нейтронов с начальной энергией 14.1 МэВ на ядрах элементов C, N, O, входящих в состав взрывчатых веществ. Результаты анализа измеренных спектров гамма-квантов представляются с помощью графического интерфейса пользователя в удобном виде для восприятия оператором МТСДД (6).
Рабочая станция сбора, записи и формирования базы данных находится в помещении 4. Она получает информацию от МТСДД по каналу Wi-Fi.
После окончания обследования вагона 1 программное обеспечение нейтронного модуля 9 автоматически создаёт протокол обследования. В протокол заносится такая информация как: дата проведения досмотра; время начала досмотра; средняя интенсивность нейтронного потока, испускаемого нейтронным генератором 14 во время проведения измерения; результат досмотра вагона 1 (выявление и идентификация опасных предметов и веществ в нем).
Процедура обследования одной "подозрительной" позиции 28 в вагоне 1 завершается автоматически через установленное определенное время после облучения ее потоком меченых нейтронов 17. Оба НГ (14) выключаются автоматически, а результаты досмотра “подозрительного” объекта 28 в вагоне 1 отображаются на мониторах операторов 34, установленных в кабинах МТСДД (6).
В случае отсутствия опасного вещества в “подозрительном” объекте 28 в вагоне 1, МТСДД (6) перемещаются к другому вагону грузового поезда 1, в котором был также обнаружен другой “подозрительный” объект. Производится аналогичная процедура досмотра данного вагона на наличие в нем опасных веществ, описанная выше. В случае обнаружения опасного вещества в “подозрительном” объекте 28 в вагоне 1 операторы МТСДД (6) действуют в соответствии с должностной инструкцией.
Дополнительный досмотр грузового поезда 1 считается законченным, если все “подозрительные” вагоны в данном поезде, указанные ИДК, полностью проверены с помощью мобильных технических средств дополнительного контроля.
Наличие видеокамер, маячков, звуковой сигнализации прямо влияет на безопасность, т.к. речь идет о нейтронном излучении.
Предлагаемое техническое решение может найти применение в различных мобильных и стационарных системах для проверки наличия и идентификации скрытых опасных веществ в крупногабаритных объектах. Предложенные мобильные системы для обнаружения опасных веществ могут быть также использованы для досмотра крупногабаритных объектов на железнодорожных вокзалах, в аэропортах и на автомагистралях.
Благодаря наличию существенных признаков предлагаемого способа исистемы для обнаружения опасных веществ в вагонах грузовых поездов достигаются следующие технические результаты:
1. Применение, по меньшей мере, двух мобильных технических средств дополнительного досмотра (МТСДД) вагонов грузовых поездов на базе меченых нейтронов позволяет произвести обследование грузового поезда с использованием целеуказания, выдаваемого рентгеновским измерительно-диагностического комплекса (ИДК).
2. По меньшей мере, два нейтронных модуля МТСДД перемещаются с помощью автопогрузчиков, обеспечивающих позиционирование МТСДД относительно вагона по координатам от ИДК при обследовании подозрительной зоны вагона.
3. Конструкция МТСДД обеспечивает обследование различного типа вагонов грузового поезда.
4. Конструкция МТСДД обеспечивает возможность обследования вагонов грузового поездав диапазоне температур окружающего воздуха от -40°С до +50°С;
5. Каждый "подозрительный" вагон (вагон, предварительно просмотренный рентгеновским ИДК, показания которого соответствуют возможному нахождению опасного вещества в нем), одновременно просматривается с двух сторон вагона вдоль железнодорожного пути с помощью двух МТСДД, координаты которых выставляются относительно досматриваемого вагона, согласно координатам, выданным ИДК.
6. Направление пучков меченых нейтронов автоматически выставляется по направлениям рентгеновского луча, определившего положение опасного объекта в грузовом вагоне.
7. Имеется реальная возможность обнаружения опасных веществ в объеме грузового вагона, находящихся на расстояниях, соответствующих середине вагона, путем одновременного обследования данной "подозрительной" области в вагоне, выделенной ИДК, двумя нейтронными модулями, находящимися на противоположных сторонах вагона.
8. Наличие, по крайней мере двух МТСДД, а предпочтительно четырех МТСДД, по паре в начале и в конце грузового состава, в которых каждый нейтронный модуль, состоит из целой системы гамма-детекторов на основе кристаллов BGO (LYSO, LaBr3, NaI(Tl), LSO, LaCl3), позволяет оперативно осуществлять эффективный досмотр протяженных грузовых составов за короткое время.
9. В конструкции нейтронного модуля предусмотрена возможность изменения в широком диапазоне угла поворота оси центрального пучка меченых нейтронов, испускаемых НГ, относительно горизонтальной оси.
10.Повышается энергетическое разрешение спектрометрических каналов регистрации гамма-излучения путем термостатирования объемов, в которых находятся гамма-детекторы, при этом, наблюдается стабилизация положения пиков характеристического гамма-излучения, возникающего в результате взаимодействия потоков меченых нейтронов с ядрами азота, кислорода, углерода и др., при изменении температуры окружающей среды.
11.Минимально детектируемая масса опасного вещества "подозрительного" объекта, находящегося в вагоне, однозначно определяется как интенсивностью потока нейтронов, создаваемого нейтронным генератором, так и эффективностью системы регистрации гамма-квантов характеристического излучения, образующегося в результате неупругого рассеяния нейтронов с энергией 14.1 МэВ на ядрах вещества "подозрительного" объекта.
12. Использование большого количества гамма-детекторов в каждом из, по меньшей мере, двух нейтронных модулей приводит к существенному увеличению светосилы устройства (эффективности регистрации характеристического гамма-излучения, возникающего в процессе неупругого рассеяния нейтронов с энергией 14.1 МэВ на ядрах кислорода, азота, углерода и др.), предназначенного для дополнительного досмотра грузовых вагонов с помощью методики меченых нейтронов.
13. Увеличение интенсивности нейтронного потока и числа гамма-детекторов в системе регистрации характеристического гамма – излучения приводит к уменьшению минимально детектируемой массы опасного вещества.
14. Увеличение интенсивности нейтронного потока и числа гамма-детекторов в системе регистрации характеристического гамма – излучения приводит к уменьшению времени зондирования одной зоны вагона одним МТСДД (6) или одновременно с двух противоположных сторон двумя МТСДД (6).
15. Вероятность обнаружения в вагоне опасных веществ сосредоточенной массы по целеуказанию ИДК с использованием предлагаемого устройства на основе метода меченых нейтронов составляет не менее 0.9 при вероятности ложных тревог – не более 0.1.
16. Дополнительный досмотр с помощью МТСДД не наносит ущерба контролируемым объектам, не изменяет их химические и физические свойства.
17. МТСДД обеспечивает работоспособность при воздействии:
• минимальной рабочей температуры, °C - минус 40 (±2)
• максимальной рабочей температуры, °C - плюс 50 (±2);
• относительной влажности воздуха при температуре плюс 20 (±2) °С, равна 100 (±3) %.
18.Эксплуатация МТСДД не требуют проведения планового технического обслуживания чаще, чем 1 раз в месяц в течение времени - не более 16 ч.
19. Разработан комплекс мероприятий по обеспечению требований радиационной безопасности ЗДД.
1. Способ обнаружения опасных веществ в вагонах грузовых поездов с помощью метода меченых нейтронов, содержащий этап предварительного сканирования грузового железнодорожного поезда рентгеновским измерительно-диагностическим комплексом (ИДК), отличающийся тем, что
• при обнаружении оператором ИДК, по меньшей мере, одного «подозрительного» объекта в вагоне грузового поезда, данный поезд направляют с основного пути на отдельный железнодорожный путь, находящийся в зоне дополнительного досмотра (ЗДД), а данные, полученные от ИДК, поступают диспетчеру на центральный пульт, находящийся в ситуационном центре ЗДД;
• обследование, по меньшей мере, одного «подозрительного» объекта осуществляют одновременно двумя мобильными техническими средствами дополнительного досмотра (МТСДД) с помощью методики меченых нейтронов одновременно с двух сторон вагона;
• при этом центральный диспетчер, выдает операторам МТСДД целеуказание на местоположение «подозрительного» объекта в вагоне;
• по меньшей мере, два МТСДД одновременно выдвигаются по дорожкам с твердым покрытием, оборудованным вдоль железнодорожного пути ЗДД, и направляются к двум противоположным, относительного железнодорожного пути, сторонам вагона, номер которого указан в данных, полученных от ИДК;
• МТСДД получив координаты «подозрительного» объекта подъезжают к обследуемому вагону, и операторы двух МТСДД с обеих сторон вагона наносят маркером метки на противоположных боковых стенках вагона, соответствующие расстоянию от центра первой оси колесной пары вагона до центра «подозрительного» объекта;
• далее операторы двух МТСДД ориентируют МТСДД вдоль вагона и совмещают центральную ось каждого из нейтронных модулей с метками на противоположных стенках вагона и вводят в поле графических интерфейсов управления нейтронными модулями МТСДД значение угла φ, соответствующего углу рентгеновского сканирования ИДК грузового вагона относительно горизонта;
• далее, при помощи устройства наклона НГ относительно горизонтальной оси автоматически выставляется ось пучка меченых нейтронов нейтронного генератора в нейтронном модуле под требуемым углом;
• далее, с помощью подъемника автопогрузчика, входящего в состав МТСДД, поднимают нейтронный модуль на требуемую высоту;
• далее операторы, подняв нейтронные модули на заданные высоты, приближают их как можно ближе к противоположным стенкам вагона с помощью лазерных дальномеров;
• при этом направление осей пучков меченых нейтронов нейтронных модулей в паре МТСДД противоположны и лежат на одной прямой, проходящей через центр «подозрительного» объекта и совпадающей с направлением рентгеновского луча, формируемого ИДК;
• после позиционирования нейтронных модулей, операторы МТСДД запускают таймер отложенного включения процедуры зондирования «подозрительного» объекта методом меченых нейтронов, одновременно покидают МТСДД и удаляются на безопасное расстояние;
• далее срабатывают таймеры отложенного включения и запускаются нейтронные генераторы двух нейтронных модулей МТСДД, генерирующих потоки меченых нейтронов в противоположных направлениях и происходит набор событий, регистрируемых гамма-детекторами нейтронных модулей МТСДД;
• далее программное обеспечение автоматически создает протокол обследования и выводит результаты досмотра на дисплей.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что под опасным веществом подразумевают взрывчатые вещества, сильнодействующие активные химические вещества, наркотики, сильнодействующие яды.
3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что под «подозрительным» объектом подразумевают наличие опасных веществ.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что имеется возможность существенного изменения угла наклона НГ по отношению к блоку детектирования гамма-квантов МТСДД.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что данными, полученными от ИДК, являются номер вагона, в котором обнаружен “подозрительный” объект, угол ϕ относительно горизонта под которым рентгеновский луч ИДК проходит через “подозрительный” объект, и расстояние z по горизонтали вдоль направления движения вагона, от центра первой оси вагона до центра «подозрительного» объекта по радиационному изображению вагона, а также положение излучателя ИДК относительно грузового поезда при его сканировании.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что требуемый угол наклона оси пучка меченых нейтронов, создаваемых нейтронным генератором в нейтронном модуле и высоту подъема нейтронного модуля определяют автоматически с помощью программного обеспечения.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что высоту подъема нейтронного модуля определяют и устанавливают автоматически по лазерному дальномеру, входящему в состав МТСДД.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что безопасное расстояние удаления операторов МТСДД от МТСДД обеспечено соблюдением единых норм при работе с радиацией для обслуживающего персонала и населения.
9. Система обнаружения опасных веществ с помощью метода меченых нейтронов в вагонах грузовых поездов реализующая способ по п. 1, включающая рентгеновский измерительно-диагностический комплекс (ИДК), зону дополнительного досмотра (ЗДД) с ситуационным центром, отличающаяся тем, что:
• в состав ЗДД входят, по меньшей мере, два мобильных технических средства дополнительного досмотра (МТСДД);
• система радиосвязи с ситуационным центром;
• ЗДД огорожена забором и содержит отдельный железнодорожный путь, с двух сторон которого находятся дорожки с твердым покрытием для перемещения МТСДД, а также площадки для их разворота, причем ЗДД оборудована санитарно-защитной зоной;
• мобильные технические средства для дополнительного досмотра (МТСДД) состоят из автопогрузчика, на котором установлен нейтронный модуль с возможностью вертикального перемещения, комплект видеокамер с возможностью обзора окружающей обстановки на 360°, лазерные дальномеры, графический интерфейс;
• нейтронный модуль состоит из металлической рамы на которой крепятся источник меченых нейтронов со встроенным многопиксельным полупроводниковым альфа-детектором на базе нейтронного генератора (НГ), находящийся в термостатированном объеме, а также блок управления НГ;
• система гамма-детекторов, находящихся в термостатированном объеме;
• защита гамма-детекторов от прямого попадания в них нейтронов, испускаемых НГ;
• устройство для поворота НГ относительно горизонтальной оси;
• система питания НГ, альфа- и гамма-детекторов;
• регистрирующая электроника приема и предварительного анализа сигналов с альфа- и гамма-детекторов.
10. Система по п. 9, отличающаяся тем, что конструкция МТСДД обеспечивает досмотр различного типа вагонов грузового поезда.
