Основные задачи обнаружения скрытых взрывчатых веществ (СВВ).
Если не рассматривать задачи, стоящие перед Вооруженными силами в ходе проведения военных действий, то проблема обнаружения СВВ в современном мире имеет два аспекта.
Во-первых, ее решение связано с проблемами пресечения криминального оборота ВВ и с противодействием террористической деятельности. С этой целью, в частности, организуются мероприятия по досмотру различных грузов, почтовых отправлений и багажа авиапассажиров. Причем последнее направление в настоящее время развивается наиболее активно, и хорошо известно, что процедуры досмотра в аэропортах год от года ужесточаются.
Во-вторых, проблема поиска СВВ напрямую связана с проблемой гуманитарного разминирования. Минное оружие является высокоэффективным и в то же время дешевым средством вооруженной борьбы, не требующим для своего применения какой-либо заметной квалификации. По этой причине оно активно применялось в ходе различных партизанских войн, в подавляющем большинстве случаев без составления какой-либо сопроводительной документации. В результате, по оценкам ООН, сейчас в приблизительно 80 странах по всему миру установлено не менее 100 - 120 миллионов противопехотных мин, причем конкретные координаты минных полей и их характеристики неизвестны. В результате ежемесячно жертвами этих мин становятся 500 - 800 человек, и, кроме того, риск подрыва приводит к тому, что огромные территории выводятся из хозяйственного оборота, что крайне негативно сказывается на экономике этих, как правило, бедных стран.
Эта проблема относится и к территориям России, и стран СНГ, где остались мины и боеприпасы со времен Великой Отечественной войны. По мнению экспертов МО, включая начальника инженерных войск России генерал-полковника Н.И. Сердцева, на сегодняшний день на территории только 9 субъектов Российской Федерации требуют разминирования более 5400 км2 земель [1]. Эта минная опасность возникла из-за того, что после окончания ВОВ глубина массового разминирования составляла 0,5 м и за прошедшие десятилетия из-за промерзания почвы не найденные тогда взрывоопасные предметы «всплыли» близко к поверхности.
Гуманитарное разминирование, т.е. очистка территорий, где не ведутся военные действия, проводится силами коммерческих организаций, и рынок их услуг оценивается в 90 миллиардов долларов США. При этом в отличие от ситуации с обеспечением безопасности авиапассажиров, где нет единых международных стандартов (пожалуй, только кроме общепризнанного значения минимальной значимой массы ВВ в 50 г.), гуманитарное разминирование должно проводиться в соответствии со стандартами ООН, которые предписывают очистку от всех зарядов на глубину до 20 см с вероятностью 99.6% [2].
Современные методы обнаружения СВВ.
Современные методы обнаружения СВВ можно разделить на две основные группы: прямые методы, позволяющие обнаруживать собственно ВВ или составляющие их компоненты, и косвенные - с помощью которых обнаруживаются признаки, присущие изделию, содержащему ВВ, например, материал корпуса или взрывателя, форма объекта, его температурный контраст с окружающей средой и многие другие. В настоящее время предложено большое число самых разнообразных методов поиска СВВ, вплоть до самых экзотических, например, использование для этой цели генномодифицированных насекомых, которые, почувствовав запах ВВ, облепляют роем предмет его содержащий. Поэтому далее мы ограничимся обсуждением только тех методик, которые как минимум прошли экспериментальную проверку, выйдя на стадию ОКР.
Наибольшее распространение при работе на местности получили косвенные методы обнаружения СВВ, основными из которых являются индукционные, магнитометрические и так называемые радиоволновые. Первые два метода позволяют обнаруживать объекты, имеющие в своих конструкциях металлические детали, а последние - объекты, материал которых отличается от окружающей среды своей диэлектрической проницаемостью. На этих принципах работают различные металлоискатели и обнаружители диэлектрических неоднородностей. При этом надо отметить, что получившие широкое распространение металлоискатели в реальных условиях часто оказываются неэффективными ввиду чрезвычайно высокой вероятности ложных срабатываний, которая может составлять 0.999 и более. Это связано с тем, что для того, чтобы обнаружить современную противопехотную мину, в конструкции которой масса металлических деталей составляет всего несколько грамм, чувствительность металлоискателя надо сделать достаточно высокой, но при этом он начинает реагировать на многочисленные металлические включения, во множестве присутствующие в грунте на урбанизированной местности или в местах, где ранее проходили боевые действия.
Поиск взрывоопасных предметов по косвенным признакам проводится также с помощью различных интроскопов, когда с помощью просвечивания рентгеновскими лучами строится изображение внутренности досматриваемого объекта. При использовании маломощных рентгеновских трубок ведут, например, досмотр багажа в аэропортах. В наиболее совершенных интроскопах построение изображения осуществляется при двух различных энергиях просвечивающих объект лучей, что дает возможность различить материалы по эффективному атомному номеру Zэфф, что несколько увеличивает информативность «картинки». Используя мощные гамма-излучатели, построенные на пучках электронных ускорителей, можно увидеть содержимое 20-футовых контейнеров. Такие установки есть в США, Франции, Германии, Англии. Они очень дороги (~ 20 млн. долларов) и по этой причине их немного, и в портах только не более 5% грузов подвергаются такому контролю. В России комплексы для досмотра крупногабаритных объектов были разработаны в МРТИ и НИИЭФА. Это «ПОЛЕ», «КАМА», ЭФАСКАН. В эксплуатацию они введены не были. Получившие широкое распространение интроскопы для досмотра багажа позволяют обнаруживать взрывоопасные предметы только по косвенным признакам, таким как особая форма объекта или наличие различных проводов, что весьма ненадежно. По этой причине, например, в аэропорту Вашингтона (США) при досмотре ручной клади, если в ней рентгеновским интроскопом обнаруживают ноутбук или видеокамеру, сотрудник службы безопасности просит пассажира ее достать и включить, чтобы убедиться, что это не муляж, содержащий бомбу.
Существуют и другие косвенные методы обнаружения СВВ. Например, мину, прикрытую грунтом, можно обнаружить по ее тепловому контрасту с окружающей поверхностью, который проявляется на закате и восходе Солнца.
При поиске мин в грунте иногда используется георадар, более 20 лет применяемый в гражданской инженерии, геологии и археологии. Эта установка излучает в грунт радиоволны на частотах от сотен МГц до нескольких ГГц и улавливает антенной отраженный сигнал. Основной недостаток этих систем, препятствующий их применению, связан с крайне затруднительной идентификацией получаемого ответного сигнала, который зависит от формы объекта, его размера, положения объекта в грунте и от свойств самого грунта.
В принципе большей надежностью обнаружения СВВ и меньшей вероятностью ложных сигналов могут обладать системы, основанные на прямых методах обнаружения СВВ. Это прежде всего относится к различным устройствам, использующим химические методы обнаружения. Чувствительность таких современных систем столь высока, что с их помощью можно обнаружить незначительные следы, т.е. исчезающе малые количества ВВ, которые оказываются вне «упаковки» за счет испарения материала ВВ или рассеивания его микрочастиц. Как правило, в этих устройствах поиска применяются различные газоанализаторы, реагирующие на химические молекулы ВВ. Так, в одной из систем, которая проходила испытания в аэропортах, пассажир заходил в специальную кабину, объем которой продувался теплым воздухом. Затем этот воздух направлялся в газоанализатор, где определялся химический состав присутствующих в нем примесей. На многих таможенных постах используется методика поиска ВВ, когда подозрительные места автомобиля, например, бензобак, протирается специальной ватой, которая затем помещается для анализа в устройство, содержащее газоанализатор.
Суммируя данные по химическим методам обнаружения СВВ, можно сказать, что современные методы молекулярного анализа позволяют обнаруживать сколь угодно малые следовые количества ВВ, однако чем выше требуемая чувствительность метода, тем большее время требуется для проведения анализа. Это обстоятельство, а также маскирование в ряде случаев искомого ВВ другими веществами, например, косметическими, ограничивает практическое применение химических методов поиска.
Одним из широко используемых методов поиска СВВ, являющегося по существу химическим, является использование для этой цели специально подготовленных собак. Эти животные могут обнаружить ничтожные количества ВВ, попавшего при неаккуратном с ним обращении на упаковку, одежду или тело злоумышленника. Собаки также могут успешно искать и мины, установленные в грунте. Однако, будучи живыми существами, они как работники могут уставать, болеть, или, в конце концов, быть в плохом настроении. Кроме того, собаки требуют постоянного квалифицированного ухода, и стоимость высококлассного поисковика доходит да 10 тысяч долларов США. Эти обстоятельства не позволяют считать специально подготовленных собак идеальным средством поиска СВВ.
Другой класс устройств прямого обнаружения СВВ основан на применении физических методов, связанных с эффектами взаимодействия ядер атомов в молекулах вещества с электромагнитной волной. Это метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и метод ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР). 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. Метод ЯМР реально может быть использован только в стационарных условиях и позволяет обеспечить контроль относительно небольших объемов среды (до нескольких литров), помещенных внутрь зоны, в которой создается мощное магнитное поле. Метод ЯКР позволяет создавать более компактные устройства, но область спектра, в которой находятся резонансные частоты таких широко используемых ВВ, как тротил и гексоген, лежат в диапазоне наиболее интенсивных промышленных радиопомех, в связи с чем обнаружение и обработка полезных сигналов связана с большими техническими сложностями.
В последние десятилетия интенсивно разрабатываются прямые ядерно-физические методы обнаружения СВВ, основанные на регистрации ядерных реакций, возбуждаемых в веществе обследуемого объекта. Они включают в себя нейтронно- и гамма-активационные методы.
Нейтронные методы поиска СВВ имеют давнюю историю, насчитывающую не одно десятилетие. Суть этих методов состоит в том, что с его помощью стараются обнаружить в досматриваемом объекте избыточную концентрацию атомов азота, что является классифицирующим признаком наличия СВВ, поскольку азот входит в состав всех боевых ВВ. Сегодня известно достаточно много вариантов нейтронной методики, но наиболее изученным является метод тепловых нейтронов (TNA). В этом методе тепловые нейтроны взаимодействуют с ядрами азота, в результате чего излучаются гамма-кванты с энергией 10.8 МэВ, регистрация которых является признаком присутствия азота. Привлекательность метода, обусловливавшая длительность попыток его использования, связана с тем, что нейтроны очень интенсивно взаимодействуют с азотом и, казалось, что для реализации метода достаточно использовать сравнительно недорогой и безопасный нейтронный источник. По этой причине на основе этой методики были разработаны как стационарные, так и мобильные устройства, которые проходили стадию натурных испытаний, в ходе которых обнаружились их существенные недостатки. Оказалось, что из-за того, что нейтроны активно взаимодействуют не только с азотом, но и практически со всеми элементами таблицы Менделеева, полезный сигнал, который несут гамма-кванты с энергией 10.8 МэВ, сильно зашумлен гамма-квантами других энергий, возникающими от паразитных реакций нейтронов с ядрами других химических элементов. И для того, чтобы выделить полезный сигнал, надо набрать большую статистику, что требует значительного времени. Так, все созданные на сегодняшний день нейтронные системы обнаружения СВВ, испытанные в аэропортах разных стран, могли обнаруживать достаточно большие массы тринитротолуола (~200 г.) за время не менее 10 минут. Подобные показатели совершенно не удовлетворяли службы безопасности, поскольку для досмотра 300 единиц багажа (средняя загрузка авиалайнера) такой системе требовалось 50 часов. Любые попытки перенастроить систему для увеличения производительности приводили к тому, что она либо вообще переставала реагировать на ВВ, либо начинала выдавать недопустимое количество ложных сигналов. В результате испытания всех изготовленных устройств они были признаны неудовлетворительными. Такая же судьба постигла, например, и Канадскую подвижную систему для поиска мин. Оказалась, что она способна обнаружить 300 г. ВВ на глубине не более 10 см и ей нужно для этого не менее 10 мин, что далеко от требований стандарта ООН. Кроме того, в ходе испытаний выяснилось, что система оказывается практически неработоспособной, если грунт влажный или покрыт снегом, что связано с тем, что водород, входящий в состав воды, чрезвычайно сильно поглощает просвечивающие грунт нейтроны. К сожалению такие, же неудовлетворительные результаты были получены при испытаниях устройств, работающих на других, отличных от TNA, модификациях нейтронно-физического метода.
Ядерно-физический метод обнаружения СВВ, основанный на гамма-активационном анализе, был предложен лауреатом Нобелевской премии Луисом Альваресом [3]. Метод, получивший впоследствии название «фотоядерный метод обнаружения», основан на облучении объекта пучком высокоэнергетичных гамма-квантов, вызывающих в веществе различные фотоядерные реакции, приводящие к возникновению радионуклидов, распад которых сопровождается появлением вторичного излучения. В силу того, что при облучении азота и/или углерода вторичное излучение имеет уникальные характеристики и, учитывая, что как зондирующее, так и вторичное излучение, несущее полезный сигнал, представляют собой поток гамма-квантов, оказывается возможным, используя этот метод обнаружения, построить эффективный детектор ВВ, обладающий высокой чувствительностью, быстродействием и проникающей способностью. Кроме того, сотрудниками ФИАНа была разработана методика определения относительных концентраций азота и углерода в досматриваемом объекте, что позволяет не только с высокой вероятностью подавлять ложные сигналы от азот- или углеродсодержащих веществ, но даже идентифицировать конкретный тип обнаруженного ВВ [4]. Следует подчеркнуть, что поскольку фотоядерный детектор реагирует на присутствие углерода, который входит в состав всех природных наркотических средств (НС), он может быть использован не только для поиска ВВ, но и НС.
В силу того, что в настоящее время достигнут безусловный прогресс в разработке детектора СВВ на основе фотоядерного метода детектирования, ниже подробно обсуждаются вопросы, связанные с его созданием, и результаты экспериментов по обнаружению и идентификации ВВ.
Фотоядерный детектор СВВ.
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 наркотиков. Суть фотоядерного метода, развитого в [5-8] 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:
где t1/2 - периоды полураспада радионуклида, а E - энергетический порог, для -квантов, вызывающих реакцию.
Изотопы 12B и 12N являются -активными и в процессе распада испускают электроны и позитроны с максимальной энергией ~13 МэВ и ~17 МэВ, соответственно, которые, двигаясь в веществе, в свою очередь индуцируют гамма-кванты. Эти гамма-кванты вместе с электронами и позитронами составляют вторичные продукты распада и могут быть зарегистрированы детектором вторичного излучения. При этом для формирования сигнала обнаружения достаточно измерять только временной спектр событий, регистрируемых детектором вторичного излучения.