Статья: Фотоядерное детектирование и другие методы обнаружения скрытых взрывчатых веществ

То обстоятельство, что реакции (1-3) имеют ряд особенностей, в частности, генерируемые ими изотопы 12B и 12N имеют уникальные и заметно различные времена жизни, а также то, что они вызываются и заканчиваются потоком проникающего гамма-излучения, позволяют на их основе создать высокоэффективный детектор ВВ и НС, обладающий высокими быстродействием, проникающей способностью и низкой вероятностью возникновения ложных срабатываний.

Таким образом, детектор ВВ и НС, использующий фотоядерный метод обнаружения, должен включать в себя два основных узла: импульсный генератор первичного потока высокоэнергетичных гамма-квантов, облучающих обследуемый объект, и систему регистрации вторичного гамма-излучения. Общая схема такого детектора в варианте стационарной установки показана на рис.1. Электроны из электронного ускорителя (1), падая на мишень (МТ), сделанную, например, из тантала или вольфрама, генерируют пучок тормозного гамма-излучения, который облучает досматриваемый объект (4). После окончания импульса облучения, который длится несколько микросекунд, включается детектор вторичного излучения (5), который в течение нескольких миллисекунд регистрирует попадающие в счетчик частицы и строит временной спектр зарегистрированных событий. Далее этот спектр обрабатывается компьютером и вырабатывается сигнал об обнаружении ВВ. После этого с помощью системы сканирования (2) может быть облучена соседняя зона на досматриваемом объекте, и описанный процесс последовательно продолжается. Таким образом, поскольку время, необходимое для инспекции одной облученной зоны диаметром ~10 см, может составлять 20 мс, то для инспекции объекта с фронтальной площадью поверхности 100х80 см2 потребуется ~1.6 сек.

Рис. 1. Схема фотоядерного детектора СВВ

Проведенное в ФИАНе компьютерное моделирование работы фотоядерного детектора ВВ, выполненное с учетом особенностей прохождения первичного зондирующего гамма-излучения через скрывающее вещество, взаимодействия гамма-квантов с ВВ и выхода вторичного излучения, позволило определить эксплуатационные характеристики установки как для стационарного варианта ее использования (табл.1), так и для мобильной системы, предназначенной для поиска мин при гуманитарном разминировании [9].

Таблица 1. Основные характеристики стационарного детектора СВВ.

Кроме того, было проведено эскизное проектирование компоновки узлов фотоядерного детектора ВВ на универсальном гусеничном шасси ГМ459 (рис. 2), которое показало реализуемость проекта как по масса-габаритным характеристикам, так и по энергопотреблению оборудования. Основные ТТХ такого детектора приведены в табл. 2.

Рис. 2. Мобильный фотоядерный детектор на универсальном гусеничном шасси ГМ569

Таблица 2. Основные характеристики мобильного детектора СВВ

Заметим, что, как следует из данных табл. 2, мобильный фотоядерный детектор СВВ имеет характеристики, которые полностью удовлетворяют требованиям стандарта ООН к акциям по гуманитарному разминированию. Здесь следует особо подчеркнуть, что ни один из существующих на сегодня «механизированных» методов очистки территории этим требованиям не удовлетворяет. Поэтому все работы по гуманитарному разминированию ведутся ручным способом, когда сначала размечается территория, с нее вручную удаляется растительность, а затем сапер с помощью щупа сантиметр за сантиметром «прощупывает» грунт в поисках мины. В результате работа сапера сопряжена с большим риском и отличается крайне низкой производительностью. Как правило, в среднем удается очистить таким способом за час около 5 м2 [10]. Отсюда следует, что применение для разминирования мобильного комплекса позволяет приблизительно в 300 раз повысить производительность и, что принципиально, существенно понизить риск подрыва при проведении работ, поскольку работа мобильного комплекса может быть полностью автоматизирована.

Прототип фотоядерного детектора ВВ и первые экспериментальные результаты.

Публикация ФИАНом работ по развитию фотоядерного метода детектирования ВВ привлекла внимание иностранных инвесторов, в частности американскую компанию Valley Forge Composite Technologies Inc. (VFCT, Covington, KY). В результате между ФИАНом, VFCT и Ливерморской национальной лабораторией им. Лоуренса (LLNL, США) в рамках программы IPP Правительства США был заключен контракт, позволивший начать разработку и сооружение прототипа детектора СВВ.

В качестве электронного ускорителя в проекте был использован специально разработанный для этой цели разрезной микротрон РАМ-55 на энергию 55 МэВ [11], основные параметры которого приведены в табл. 3.

Таблица 3. Основные характеристики разрезного микротрона РАМ-55

Выбор именно этого типа электронного ускорителя был обусловлен тем, что такие ускорители отличаются прежде всего малыми габаритами по сравнению с, например, линейными машинами, что имеет первостепенное значение как для стационарных, так особенно для мобильных установок.

Для регистрации вторичного излучения был разработан черенковский водяной счетчик, в котором рабочим телом является дистиллированная вода, объем которой просматривается четырьмя фотоумножителями. При этом эффективная площадь регистрации детектора равна 0.5 м2. Следует подчеркнуть, что использование черенковских детекторов для регистрации вторичного излучения в фотоядерном детекторе ВВ имеет целый ряд преимуществ, которые, в конечном счете, упрощают процесс выделения сигналов о наличии ВВ и удешевляют установку.

Как система регистрации вторичного излучения, так и система управления разрезным микротроном глубоко компьютеризированы, что позволяет в будущем осуществить ее переход в полностью автоматический режим работы.

Несмотря на крайнюю неритмичность финансирования и весьма ограниченный бюджет проекта, прототип фотоядерного детектора ВВ был спроектирован и изготовлен. При этом особо следует подчеркнуть, что все узлы детектора ВВ были разработаны, сконструированы и изготовлены на отечественных предприятиях.

Общий вид микротрона в процессе его монтажа показан на рис.3, черенковский водяной счетчик - на рис. 4, а общий вид собранного прототипа детектора СВВ - на рис.5.

Рис. 3. Общий вид разрезного микротрона РАМ-55

Рис. 4. Черенковский водяной счетчик

Рис. 5. Прототип фотоядерного детектора СВВ

После наладки оборудования на созданном прототипе детектора СВВ были проведены первые эксперименты, связанные с задачей обнаружения. При этом исследуемый объект облучался однократным импульсом гамма-излучения длительностью 5 мкс и после чего в течение 20 мс с шагом в 1 мс записывалось временное распределение событий, регистрируемых черенковским водяным счетчиком. Облучению подвергались образцы, содержащие только азот (мочевина), только углерод (графит), азот и углерод (имитатор ВВ) и не содержащие ни азот, ни углерод (алюминий). Все образцы при облучении были скрыты слоем строительных кирпичей.

В результате последующего анализа полученных спектров выяснилось, что наличие в образце азота и/или углерода приводит к возникновению сигналов, которые хорошо отделяются от фоновых, не связанных с возникновением искомых фотоядерных реакций, и набранного в результате однократного облучения статистического материала достаточно для построения «k-портрета» обследуемого объекта.

k-портрет - это некая величина, которая однозначно связана с отношением концентраций азота и углерода в облученном веществе. Она была введена в работе [2] для идентификации ВВ, где также описан алгоритм ее вычисления по анализу спектра и показано, что с помощью k-портретов можно не только отличить азот- и/или углерод- содержащие вещества от ВВ, но даже идентифицировать конкретный тип ВВ (например, тротил или гексоген). Дальнейшее развитие методики k-портрета, проведенное в ФИАНе показало, что с его помощью можно дополнительно понизить вероятность появления ложных сигналов, если проводить его вычисления для нескольких интервалов измеренного временного спектра [12].

Для иллюстрации вышесказанного на рис. 6 приводится экспериментально измеренный очищенный от фона временной спектр сигналов от мочевины. Видно, что форма полученного спектра соответствует форме распадной кривой для короткоживущих изотопов, а набранный за 20 мс статистический материал включает приблизительно 1000 событий. Аналогичные спектры как по форме, так и по величине набранной статистики были получены при облучении других образцов, содержащих азот и/или углерод.

Рис. 6. Временной спектр сигналов, полученных при облучении мочевины

На рис. 7. в качестве примера показаны результаты обработки временного спектра, полученного при облучении имитатора ВВ. Видно, что построенные для различных временных интервалов значения k-портретов мало отличаются по величине, и аппроксимирующая зависимость величины k от времени прямая имеет малый наклон по отношению к горизонтальной оси. Последнее обстоятельство имеет значение определяющего классификационного признака обнаружения вещества, содержащего азот и/или углерод, поскольку в случае обработки спектров от объектов, не содержащих азота или углерода, значения k, вычисленные для различных временных интервалов, заметно отличаются, и аппроксимирующая k-зависимость прямая сильно наклонена.

Рис. 7. Зависимость величины k от времени, построенная из спектра для имитатора ВВ

Суммарные результаты, полученные при облучении различных веществ приведены в табл.4. Видно, что фотоядерный детектор по величине k позволяет надежно идентифицировать вещества, содержащие азот и/или углерод. Кроме того, в случае, если в облученных объектах нет азота или углерода, то они уверенно отделяются по величине наклона прямой, аппроксимирующей временную k-зависимость (параметр q).

Таблица 4. Результаты экспериментов с различными веществами

Сравнительные характеристики стационарных систем досмотра багажа

В табл. 5 приведены сравнительные характеристики стационарных систем для досмотра багажа авиапассажиров: фотоядерный детектор СВВ (ФИАН), нейтронно-активационный детектор СВВ (ОИЯИ) и интроскопы производства американской компании InVision, которые на сегодняшний день являются, по-видимому, наиболее совершенными установками такого типа.

Таблица 5. Сравнение характеристик различных детекторов СВВ

Несмотря на то, что в вышеприведенной таблице многие позиции оказались не заполненными в силу отсутствия в литературе соответствующей информации, из анализа приведенных данных можно сделать определенные выводы.