Способ обнаружения взрывчатых веществ, устройство для его осуществления (варианты), камера для устройства обнаружения взрывчатых веществ

Способ обнаружения взрывчатых веществ, устройство для его осуществления (варианты), камера для устройства обнаружения взрывчатых веществ

Реферат

 

Сущность изобретения: для обнаружения взрывчатых веществ в багаже используют источник быстрых нейтронов, от которого формируют импульсы промежуточных нейтронов длительностью не более времени замедления нейтронов во взрывчатом веществе. Выделяют нейтроны с нижней граничной энергией не менее энергии связи водорода в молекуле, которыми облучают содержимое багажа, при этом используют реакцию упругого рассеяния промежуточных нейтронов на ядрах водорода взрывчатого вещества для образования в последнем потока тепловых нейтронов. Регистрируют гамма-излучение от захвата тепловых нейтронов элементами, входящими в состав взрывчатого вещества, в основном азотом и водородом, по которому контролируют концентрацию этих элементов внутри багажа. После контроля концентрации указанных элементов наличие взрывчатого веществе дополнительно контролируют по времени замедления нейтронов и времени жизни тепловых нейтронов в зонах повышенного содержания азота и/или водорода. 5 с. и 28 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к области контроля взрывчатых веществ с помощью ядерных излучений, а именно с использованием нейтронного излучения, и может быть использовано в системах безопасности, например, при контроле багажа в аэропортах с целью обнаружения азотно-водородсодержащих веществ, таких как взрывчатое вещество.

Многочисленные случаи террористических актов от взрывчатых веществ, скрытых в багаже, привели к созданию техники для их обнаружения. Подобная техника должна обладать высокой производительностью, высокой вероятностью обнаружения взрывчатых веществ при низкой вероятности ложного обнаружения (т. е. выдачи сигнала тревоги при отсутствии взрывчатого вещества в исследуемом объекте), а также быть безопасной для здоровья пассажира и содержимого его багажа.

Используемые в настоящее время методы и устройство для обнаружения взрывчатых веществ на основе металлоискателя и (или) рентгеновского метода (типа рентгеновского интероскопа) оказываются мало эффективными в случае пластиковых взрывчатых веществ [1] Для повышения вероятности обнаружения взрывчатых веществ используется нейтрон-нейтронный метод, описанный в отчете [Разработка установки на основе нейтронного генератора для обнаружения взрывчатых веществ в багаже авиапассажиров "Барьер-1", ВНИИА, г. Москва, утвержденный 16.04.92, с. 93 - 105] Данный метод основан на поочередном формировании конвертором от импульсного нейтронного генератора импульсных потоков тепловых и надкадмиевых нейтронов (с энергией более 0,5 эВ), облучении этими потоками багажа, измерении с помощью плоской матрицы детекторов тепловых нейтронов временного распределения потока тепловых нейтронов, выходящих из конвертора и багажа после каждого нейтронного импульса, расчете с помощью электронной вычислительной машины массовой толщины багажа, зависящей от длины замедления и длины диффузии тепловых нейтронов в веществе, и сравнении полученных данных с областью допустимых значений для взрывчатого вещества.

Однако данный метод требует использования высокоинтенсивного источника быстрых нейтронов, на результаты измерений влияют характеристики конвертора, а наличие тепловых нейтронов повышает наведенную радиоактивность багажа. Кроме того, параметры замедления и диффузии тепловых нейтронов близки к характеристикам водородсодержащих веществ типа воды или пластмасс, что приводит к увеличению ложных тревог, а на результаты оказывает влияние локальная (неоднородная) плотность содержимого багажа.

Наиболее эффективным способом обнаружения пластиковых взрывчатых веществ внутри багажа является способ, описанный в патенте [2] Известный способ обнаружения взрывчатых веществ внутри багажа от источника быстрых нейтронов основан на формировании потока тепловых нейтронов, воздействии этого потока на багаж, регистрации с помощью детекторов гамма-излучения на основе неорганических веществ гамма-излучения, возникающего при захвате тепловых нейтронов нуклидами из состава взрывчатого вещества, в основном азотом и водородом, построении трехмерного изображения содержания азота внутри багажа и контроля наличия взрывчатого вещества по факту повышенной концентрации азота внутри багажа.

Известное устройство для обнаружения взрывчатых веществ, реализующее данный способ [3] содержит устройство (камеру) для формирования от изотопных или управляемых источников быстрых нейтронов потока тепловых нейтронов, направляемого на багаж, расположенный на ленте конвейера, и ряд детекторов гамма-излучения на основе неорганических материалов с высоким энергетическим разрешением, образующих два С-образных кольца, открытые концы которых обращены к источнику тепловых нейтронов, создавая в сумме замкнутое кольцо вокруг багажа. Сигналы с детекторов с помощью аналого-цифрового преобразователя переводятся в цифровой код и обрабатываются с помощью ЭВМ, выделяющей область (зону) повышенной концентрации азота по гамма-излучению с энергией 10,8 МэВ азота от захвата тепловых нейтронов, которой может соответствовать взрывчатое вещество.

Известное устройство камеры для обнаружения взрывчатых веществ [4] предназначено для формирования потока тепловых нейтронов, облучающего багаж, и имеет канал (полость) из водородсодержащих стенок с лентой конвейера. Источник быстрых нейтронов расположен рядом с полостью и окружен трехслойным замедлителем из углеводорода (полиэтилена), тяжелой воды и углеродистого материала (графита), причем последний окружает также стенки полости, выполненные из водородсодержащего вещества, выполняя функции отражателя и дополнительного замедлителя нейтронов. Комбинация перечисленных замедлителей и отражателей формирует спектр нейтронов с максимумом при тепловой энергии (25 МэВ). Для исключения утечки нейтронов за пределы камеры ее внешняя стенка выполнена из водородсодержащего материала с добавкой бора или лития.

Кроме того, известно устройство для обнаружения взрывчатых веществ [5] в котором предложено обнаруживать взрывчатое вещество по соотношению прямого и рассеянного потоков нейтронов, облучающих багаж. Это устройство содержит изотопный источник нейтронов на основе калифорния-252, установленный на одной из стенок парафиновой облучательной камеры с полостью, около которой установлен ряд детекторов тепловых нейтронов и один детектор быстрых нейтронов, установленный напротив источника нейтронов для измерения прохождения быстрых нейтронов через багаж. Далее сигналы с детекторов нейтронов подавались на измеритель отношения этих сигналов (потоков быстрых (прошедших) и тепловых (рассеянных) нейтронов), которое сравнивалось со значениями контрольных границ, в которых находится область допустимых значений отношения для взрывчатого вещества.

Выбор спектра нейтронов в известных способах и устройствах [2 4] определялся условием получения максимального потока гамма-квантов захвата, что привело к получению спектра нейтронов с максимумом в области энергии тепловых нейтронов. Однако при контроле взрывчатого вещества внутри багажа подобный спектр нейтронов приводит также к максимальной наведенной радиоактивности содержимого багажа тепловыми нейтронами (сечение активации увеличивается обратно пропорционально корню из энергии нейтронов), что создает определение неудобства для пассажиров. Снижение же потока тепловых нейтронов в известных устройствах приводит к высокой вероятности ложного срабатывания от азотсодержащих предметов низкой плотности. Кроме того, выполнение замедлителя из тяжелой воды приводит к значительному увеличению стоимости камеры. Указанные недостатки сдерживают широкое применение известного способа и устройств в практике контроля багажа на наличие в нем взрывчатого вещества. В устройстве [5] спектр нейтронов смещен в более жесткую область энергий, что не позволяет использовать два типа детекторов ионизирующего излучения в одной камере и поэтому ведет к увеличению габаритов установки при попытке одновременной реализации двух методов [2 и 5] обнаружения взрывчатого вещества. Таким образом, недостатками известных решений являются высокая вероятность ложных тревог от предметов низкой плотности, содержащих азот, что эквивалентно увеличению порога обнаруживаемой массы взрывчатого вещества, а также высокая наведенная радиоактивность содержимого багажа.

Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение вероятности ложных тревог, что эквивалентно уменьшению обнаруживаемой массы взрывчатого вещества (или повышению чувствительности), а также уменьшение наведенной радиоактивности багажа.

Поставленная задача достигается тем, что в способе обнаружения взрывчатых веществ внутри багажа с помощью источника быстрых нейтронов, заключающемся в регистрации гамма-излучения от захвата тепловых нейтронов элементами, входящими в состав взрывчатого вещества, в основном азотом и водородом, с помощью детекторов на основе неорганических материалов и контроле концентрации этих элементов внутри багажа, от источника быстрых нейтронов формируют импульсы промежуточных нейтронов длительностью не более времени замедления нейтронов во взрывчатом веществе (до энергии тепловых нейтронов), выделяют нейтроны с нижней граничной энергией не менее энергии связи водорода в молекуле, которыми облучают содержимое багажа, при этом используют реакцию упругого рассеяния промежуточных нейтронов на ядрах водорода взрывчатого вещества для образования в последнем потоке тепловых нейтронов, а после контроля концентрации указанных элементов внутри багажа наличие взрывчатого вещества контролируют дополнительно по времени замедления нейтронов и времени жизни тепловых нейтронов в зоне повышенной концентрации азота и (или) водорода путем расчета параметров нарастания и затухания во временном распределении гамма-излучений азота (и водорода) от захвата тепловых нейтронов, образовавшихся во взрывчатом веществе, и во временном распределении вышедших из взрывчатого вещества тепловых нейтронов, причем источник нейтронов формирует импульсы нейтронов длительностью не более времени замедления нейтронов во взрывчатом веществе и с периодом следования не менее T_г= L/v_т+(2-5)t_a, где L максимальный линейный размер исследуемого объекта, м; v_т средняя скорость тепловых нейтронов, v_т=2200 м/с; t_a время жизни тепловых нейтронов во взрывчатом веществе, с. Короткий импульс промежуточных нейтронов, сформированный от импульсного источника быстрых нейтронов, взаимодействует с ядрами водорода, входящего в состав взрывчатого вещества, и через характерное для взрывчатого вещества время t_зам нейтроны локально (в пределах взрывчатого вещества) термализуются (т.е. замедляются до средней энергии 25 мэВ), а затем в течение другого характерного времени t_a тепловые нейтроны поглощаются ядрами азота и водорода, входящими в состав взрывчатого вещества, в результате чего образуются жесткие гамма-кванты с энергией 10,8 МэВ (от азота) и 2,23 МэВ (от водорода), которые могут быть зарегистрированы внешними детекторами гамма-излучения. При этом часть образовавшихся тепловых нейтронов выходит за пределы взрывчатого вещества и багажа, что может быть зарегистрировано детекторами тепловых нейтронов. Измеряя времена нарастания и спада выходящих из взрывчатого вещества потоков гамма-квантов и (или) тепловых нейтронов, которые соответствуют указанным выше параметрам взрывчатого вещества, можно снизить вероятность ложных тревог.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройство для обнаружения взрывчатых веществ в багаже, содержащее управляемый импульсный нейтронный генератор, камеру для обнаружения взрывчатых веществ с конвейерной лентой, систему из N детекторов гамма-излучения захвата тепловых нейтронов азотом взрывчатого вещества, N аналого-цифровых преобразователей, блок сигнала тревоги, подключенный к электронной вычислительной машине, содержащей блок контроля концентрации химических элементов взрывчатого вещества, введены между нейтронным генератором и ЭВМ последовательно соединенные между собой таймер, делящий интервал времени между нейтронными импульсами нейтронного генератора на M промежутков времени, N буферных запоминающих устройств и согласующее устройство, N аналоговых процессоров и система из P детекторов тепловых нейтронов, каждый из которых соединен с входом соответствующего временного анализатора, управляющие входы которых соединены с выходом таймера, а выходы с входами второго согласующего устройства, подключенного к второму входу ЭВМ, причем каждый аналоговый процессор включен между соответствующими детектором гамма-излучения и аналого-цифровым преобразователем, выход которого подключен к соответствующему второму входу буферного запоминающего устройства, при этом управляющий выход электронной вычислительной машины подключен к управляющим входам нейтронного генератора и таймера.

Дополнительно при этом нейтронный генератор имеет нейтронные импульсы длительностью не более времени замедления нейтронов во взрывчатом веществе и с периодом следования не менее T_г=L/v_т+(2-5)t_a, где L максимальный линейный размер исследуемого объекта, м; v_т средняя скорость тепловых нейтронов, v_т= 2200 м/с; t_a время жизни тепловых нейтронов во взрывчатом веществе, с, а ЭВМ дополнительно имеет два блока компенсации задержки сигналов, входы которых подключены к соответствующим согласующим устройствам, а выходы к блокам измерения концентрации водорода и химических элементов взрывчатого вещества, выходы которых через введенные блоки измерения времени замедления нейтронов и времени жизни тепловых нейтронов подключены к входам блока сравнения. Кроме того, система детекторов тепловых нейтронов расположена между багажом и (перед) системой детекторов гамма-излучения, а число P детекторов тепловых нейтронов не менее числа N детекторов гамма-излучения в системе детекторов гамма-излучения.

Поставленная задача достигается также тем, что в устройство для обнаружения взрывчатых веществ в багаже, содержащее управляемый импульсный нейтронный генератор, камеру для обнаружения взрывчатых веществ с конвейерной лентой, систему из N детекторов гамма-излучения захвата тепловых нейтронов азотом взрывчатого вещества, N аналого-цифровых преобразователей и блок сигнала тревоги, подключенный к электронной вычислительной машине, содержащей блок контроля концентрации химических элементов взрывчатого вещества, введены N аналоговых процессоров и N буферных запоминающих устройств, согласующее устройство и таймер, делящий интервал времени между нейтронными импульсами нейтронного генератора на M промежутков времени и вход которого подключен к выходу синхронизирующего импульса нейтронного генератора, а выход к управляющим входам каждого буферного запоминающего устройства, входы которых через соответствующие последовательно включенные аналого-цифровые преобразователи и аналоговые процессоры подключены к детекторам гамма-излучения, а выход каждого буферного запоминающего устройства подключен к соответствующему входу согласующего устройства, выход которого подключен к электронной вычислительной машине, управляющие выходы которой подключены к управляющим входам нейтронного генератора и таймера. Кроме того, электронная вычислительная машина дополнительно имеет блок компенсации задержки сигнала с детекторов гамма-излучения и блок измерения времени замедления нейтронов и времени жизни тепловых нейтронов, при этом вход блока компенсации задержки сигнала подключен к выходу согласующего устройства, а блок контроля концентрации химических элементов включен между введенными блоками, причем значение задержки сигнала относительно нейтронного импульса определяется по формуле t_вв=L/v_м, где L положение (расстояние) взрывчатого вещества относительно излучающей поверхности камеры, м; v_м скорость промежуточных нейтронов, м/с.

Дополнительно указанная задача достигается тем, что в устройство для обнаружения взрывчатых веществ, содержащее источник быстрых нейтронов, камеру для обнаружения взрывчатых веществ и P детекторов тепловых нейтронов, P детекторов тепловых нейтронов образуют замкнутое кольцо около исследуемого багажа, а в качестве источника быстрых нейтронов используют импульсный нейтронный генератор, длительность импульсов которого не превышает времени замедления нейтронов во взрывчатом веществе, а период следования удовлетворяет условию T_г L / v_т + (2-5) t_a, где L максимальный размер полости в камере, выбираемый из размеров багажа, см; v_т средняя скорость тепловых нейтронов, v_т=2200 м/с; t_a время жизни тепловых нейтронов во взрывчатом веществе, c, при этом введены таймер, делящий интервал времени между нейтронными импульсами нейтронного генератора на M промежутков времени, согласующее устройство, подключенное через электронную вычислительную машину к устройству сигнала тревоги, и P временных анализаторов, выходы которых подключены к входам согласующего устройства, а управляющие входы соединены с выходами таймера, один вход которого соединен с выходом синхронизирующего импульса нейтронного генератора, а другой с электронной вычислительной машиной, причем каждый детектор тепловых нейтронов соединен с входом соответствующего временного анализатора. Кроме того, ЭВМ содержит последовательно соединенные блок компенсации задержки сигнала с детекторов тепловых нейтронов, блок измерения концентрации водорода и блок измерения времени замедления нейтронов и времени жизни тепловых нейтронов, при этом вход блока компенсации задержки сигнала подключен к выходу согласующего устройства, а значение задержки сигнала относительно нейтронного импульса определяется по формуле t_зад=L_дет/v_т+L/v_М, где L_дет расстояние детектора тепловых нейтронов до взрывчатого вещества внутри багажа; L положение (расстояние) взрывчатого вещества относительно излучающей поверхности камеры; v_т и v_м средние скорости тепловых и промежуточных нейтронов соответственно.

Дополнительно к перечисленному ЭВМ содержит блок измерения положения водородсодержащего вещества, вход которого подключен к входу блока компенсации задержки, а выход к второму входу блока измерения концентрации водорода.

Кроме того, поставленная задача достигается тем, что в камеру для обнаружения взрывчатых веществ, содержащую управляемый (импульсный) источник быстрых нейтронов, отражатель нейтронов, водородсодержащий замедлитель нейтронов, полость для размещения багажа на ленте конвейера, систему детекторов ионизирующего излучения, выходящего из взрывчатого вещества, расположенную рядом с полостью, и внешний экран из водородсодержащего материала с добавкой бора или лития, введены три нейтронных фильтра: первый между отражателем и замедлителем, второй на выходе нейтронного излучения из замедлителя в полость камеры, что обеспечивает образование короткого импульса промежуточных нейтронов, облучающих багаж в канале, со спектром, близким к закону 1/E (E энергия нейтронов), и с нижней границей не менее энергии связи атома водорода в молекуле ( 0,5 эВ), а третий фильтр нейтронов образует остальные стенки полости и выполнен, например, из карбида бора или других веществ, содержащих элементы лития или бора, причем система детекторов выполнена на основе детекторов гамма-излучения и(или) детекторов тепловых нейтронов, при этом система детекторов тепловых нейтронов установлена перед третьим фильтром. Кроме того, лента транспортера выполнена из неводородсодержащего материала, например из фторопласта или карбида бора, а отражатель выполнен из веществ со средним атомным весом, слабо поглощающих промежуточные нейтроны, например из железа или графита. Кроме того, в замедлитель и отражатель введены соединения бора, обеспечивающие его содержание в количестве 3 5% по весу. Дополнительно к этому импульсный источник нейтронов формирует нейтронные импульсы длительностью не более времени замедления нейтронов во взрывчатом веществе и с периодом следования не менее T_г=L/v_т+(2 5)t_a, где L максимальный линейный размер полости, м; v_т средняя скорость тепловых нейтронов, v_т=2200 м/с; t_a время жизни тепловых нейтронов во взрывчатом веществе, с.

Анализ известных решений не выявил признаков, сходных с отличительными признаками заявленных способа и устройств. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемых способа и устройств критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие способ и работу предлагаемой камеры для обнаружения взрывчатого вещества.

На фиг. 2 показана структурная схема устройства для обнаружения взрывчатого вещества.

На фиг. 3 показано поперечное сечение камеры для обнаружения взрывчатых веществ внутри багажа, проходящее через центр мишени генератора нейтронов (импульсный источник быстрых нейтронов).

На фиг. 4 показано продольное сечение камеры для обнаружения взрывчатых веществ внутри багажа, проходящее через центр полости вдоль конвейерной линии (через ось симметрии канала).

На фиг. 5 показаны энергетические спектры нейтронов в различных элементах камеры.

На фиг. 6 показана структурная схема одного из каналов регистрации гамма-излучения (устройства для обнаружения взрывчатых веществ).

На фиг. 7 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу системы детекторов гамма-излучения.

На фиг. 8 показаны энергетические спектры гамма-квантов (амплитудные спектры с детекторов гамма-излучения) в различные моменты времени после излучения нейтронного импульса.

На фиг. 9 показано изображение багажа, воспроизводимое системами детекторов гамма-излучения и (или) тепловых нейтронов.

На фиг. 10 показана структурная схема одного из каналов регистрации тепловых нейтронов (устройства для обнаружения взрывчатых веществ).

На фиг. 11 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу предлагаемой системы детекторов тепловых нейтронов.

На фиг. 12 показано относительное расположение взрывчатого вещества и двух детекторов тепловых нейтронов.

Предлагаемый способ обнаружения взрывчатых веществ основан на не использованных ранее свойствах взрывчатого вещества и осуществляется следующим образом. Несмотря на множество существующих типов взрывчатых веществ, все они содержат азот в сравнительно большом количестве от 9 до 35% по весу и водород от 1 до 3 атомов на один атом азота, при этом взрывчатые вещества имеют высокую плотность, в среднем 1,6 г/см³. Совокупность этих трех признаков взрывчатых веществ позволяет построить более надежный ядерный метод обнаружения взрывчатых веществ с помощью импульсного нейтронного излучения. Анализ ядерно-физических характеристик взрывчатых веществ различных типов показал, что время замедления t_зам нейтрона до тепловой энергии и время жизни теплового нейтрона t_a во взрывчатых веществах являются такой же их особенностью, как и высокие значения плотности и концентрации азота, что обусловлено сочетанием большого сечения рассеяния промежуточных нейтронов на водороде, большого сечения захвата тепловых нейтронов азотом и высокой плотности взрывчатых веществ. Значения этих параметров для взрывчатых веществ различных типов лежат в диапазоне t_зам 20 35 мкс, t_a 74 - 150 мкс (например, для тротила t_зам 25 мкс, t_a 145 мкс, для гексогена t_зам 20 мкс, t_a 75 мкс), что значительно отличается от углеводородов и веществ из элементов со средним и тяжелым атомным весом. Возможность определения этих дополнительных параметров позволяет с большей надежностью, чем известный способ, выделить взрывчатые вещества на фоне азотсодержащих веществ малой плотности, например на фоне шерстяных изделий. Для измерения и контроля этих характеристик взрывчатого вещества в соответствии с предлагаемым способом формируют от источника быстрых нейтронов короткий импульс промежуточных нейтронов с оптимальным энергетическим распределением и нижней граничной энергией не менее энергии связи водорода в молекуле, а затем облучают этим импульсом содержимое багажа и используют реакцию упругого рассеяния промежуточных нейтронов на ядрах водорода взрывчатого вещества для образования в нем тепловых нейтронов, далее выделяют в багаже зоны повышенного содержания азота и водорода по выходящему из багажа гамма- и нейтронному потокам, после этого измеряют время замедления нейтронов и время жизни тепловых нейтронов внутри этих зон по соответственно нарастанию и спаду потока гамма-квантов захвата азотом и водородом, образовавшихся во взрывчатом веществе при захвате тепловых нейтронов, и (или) нарастанию и спаду потока тепловых нейтронов, выходящих из взрывчатого вещества.

На фиг. 1 показаны последовательные изменения временных параметров ионизирующего излучения: фиг. 1а поток нейтронов от нейтронного источника F_б, следующий с периодом T_г, фиг. 1б импульсный поток промежуточных нейтронов _п, фиг. 1в импульс вторичного излучения, выходящего из багажа с различным составом.

Динамика процессов замедления нейтронов и поглощения тепловых нейтронов внутри багажа при коротком нейтронном импульсе, падающем на багаж, весьма чувствительна к сочетанию трех факторов: наличию водорода эффективного и быстрого замедлителя; наличию азота сильного поглотителя образующихся тепловых нейтронов; величине ядерной плотности водорода и азота (концентрации).

Действительно известно, что в установившемся режиме (стационарный поток нейтронов) соотношение между потоком промежуточных нейтронов (спектр 1/E) F_м и потоком тепловых нейтронов F_т определяется отношением [6] где _s сечение рассеяния промежуточных нейтронов, см²; _a сечение поглощения тепловых нейтронов, см²; логарифмический декремент энергии нейтрона при одном соударении с ядром замедлителя, x=1 для водорода и 2/A для ядра с атомным весом A.

Для сложных веществ это соотношение принимает вид где _s макроскопическое сечение рассеяния промежуточных нейтронов веществом, см^-1; _a макроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов веществом, см^-1; _i логарифмический декремент энергии нейтрона для i-го нуклида, входящего в молекулу вещества; n_i число ядер i-го нуклида, входящих в молекулу вещества; _si сечение рассеяния промежуточных нейтронов i-ым нуклидом, см²; _в логарифмический декремент энергии нейтрона для вещества.

Для водородсодержащих взрывчатых веществ различного типа значение логарифмического декремента энергии нейтрона близко к единице: _в 0,43 - 0,63, поэтому в равновесном нейтронном спектре отношение потоков тепловых и промежуточных нейтронов составит F_т/F_м 5 15 (для большинства азот-водородсодержащих взрывчатых веществ), т.е. взрывчатые вещества являются хорошими замедлителями нейтронов, поэтому основная доля упавших на взрывчатое вещество промежуточных нейтронов переходит в тепловую область энергий. Для веществ, не содержащих водород, соотношение потоков (2) резко уменьшается с ростом атомного веса A за счет уменьшения сечения рассеяния _s и коэффициента и составит величину, меньшую единицы (например, для кремния F_т/F_м 0,88, алюминия 0,44, для железа 0,1), т.е. основная доля нейтронов не замедляется до тепловой области. Поскольку число реакций захвата нейтронов в веществе пропорционально суммарному потоку нейтронов и растет с уменьшением энергии нейтронов, то это приводит к тому, что реакции захвата идут в основном в водородсодержащих веществах, создающих тепловые нейтроны. Через остальные вещества промежуточные нейтроны проходят практически без замедления и без поглощения. Поэтому при создании одинакового числа реакций захвата тепловых нейтронов во взрывчатом веществе в известном способе и предлагаемым способом (т.е. при одинаковом выходе гамма-квантов азота взрывчатого вещества) наведенная радиоактивность содержимого багажа при контроле предлагаемым способом уменьшается почти на порядок (пропорционально отношению F_т/F_м для взрывчатого вещества из формулы (2)). Кроме того, это приведет к уменьшению общей загрузки детекторов гамма-излучения от гамма-излучения захвата нейтронов во всем объеме багажа, снижению интенсивности импульсов наложения, попадающих в зону регистрации гамма-квантов захвата нейтронов азотом, и, следовательно, к уменьшения ложных тревог. Из сказанного следует необходимость и достаточность использования замедления нейтронов только на водороде взрывчатого вещества за счет реакции упругого рассеяния.

Дальнейшее снижение вероятности ложных тревог достигается повышением отношения сигнал/фон путем использования различий в динамике процессов установления и сохранения равновесного спектра нейтронов (или соотношения (2)) во взрывчатом веществе и других предметах багажа (см. фиг. 1в), которые определяются соответственно временем термализации нейтронов t_зам (замедления до средней энергии 25 мэВ) и временем жизни тепловых нейтронов t_a, значения которых можно оценить по формулам (3) и (4): где v_т средняя скорость тепловых нейтронов, v_т=2200 м/с.

Как показывают расчеты, для взрывчатых веществ различных типов значения этих величин лежат в диапазонах t_зам= 20 35 мкс, t_a=74 150 мкс. В соответствии с этими величинами будут нарастать и спадать потоки тепловых нейтронов и захватного гамма-излучения азота и водорода, содержащихся во взрывчатом веществе (см. фиг. 1в, сплошная линия). Регистрируя поток гамма-излучения азота (и водорода), можно выделить зоны повышенного содержания основных химических элементов, входящих в состав взрывчатых веществ, как это выполнено в известном способе [2] Используя этот же математический аппарат при регистрации потока тепловых нейтронов, можно дополнительно выделить зоны повышенного содержания водорода и сопоставить их положение в багаже с полученными данными из измерений потока гамма-квантов, т.е. подтвердить наличие и совпадение зон водорода с зонами азота.

Для дальнейшего снижения вероятности ложных тревог выделенные зоны проверяются на соответствие времени замедления нейтронов и времени жизни тепловых нейтронов с данными для взрывчатых веществ. Измерение времени жизни тепловых нейтронов проводится расчетом из временной зависимости потока выходящего излучения: или гамма-квантов захвата выделенных энергий, или тепловых нейтронов, или каждого из них в зависимости от геометрии измерения и габаритов багажа. Эта проверка оказывается эффективной по следующим причинам. Для веществ с большим атомным весом время замедления резко увеличивается, что приводит к снижению скорости реакций взаимодействия с нейтронами (пропорционально атомному весу элемента) и соответствующей им интенсивности гамма-излучения и потока тепловых нейтронов (см. фиг. 1в, пунктирная линия). Так, для приведенных выше элементов кремния, алюминия и железа время замедления составит соответственно 1,1; 1,5; 0,3 мс, что значительно больше длительности излучения из взрывчатого вещества тепловых нейтронов и гамма-квантов. Для сильнопоглощающих тепловые нейтроны веществ, типа пищевой соли (NaCl), время жизни тепловых нейтронов мало и соответственно длительность импульса гамма-излучения захвата не превысит длительности импульса нейтронов (фиг. 1в, штрихпунктир), а выхода тепловых нейтронов практически не будет. Как видно из формул (3), (4), времена замедления нейтронов и жизни тепловых нейтронов увеличиваются с уменьшением плотности вещества. Например, для шерстяных изделий, также содержащих азот, что приведет к увеличению длительности импульса гамма-излучения и тепловых нейтронов до нескольких сот мкс, поэтому фоновый сигнал будет уменьшаться с уменьшением плотности вещества, и эффективное отношение сигнал/фон в канале детекторов гамма-излучения при контроле предлагаемым способом увеличивается по сравнению с известным пропорционально отношению времени жизни тепловых нейтронов в веществе (в данном примере в шерстяных изделиях) к времени жизни во взрывчатом веществе. Для водородсодержащих органических веществ время замедления составит около 10 мкс (для парафина, полистирола, воды и т.п.), т.е. меньше чем для взрывчатого вещества, однако время жизни тепловых нейтронов оказывается больше: от 200 мкс и выше, что связано с отсутствием в них поглотителя азота и меньшей плотностью. Для бытовых вещей на основе азотсодержащих веществ (типа нейлона, шерсти) время замедления и время жизни также оказываются значительно больше, чем эти величины для взрывчатого вещества, из-за очень низкой средней плотности вещей, что позволяет увеличить как отношение сигнал/фон, так и контрастность полученного распределения плотности элементов (азота и водорода) в багаже.

Таким образом, регистрируя гамма-кванты азота в течение интервала времени, равного времени жизни нейтронов во взрывчатом веществе, получаем выигрыш в отношении сигнал/фон пропорционально отношению времени жизни теплового нейтрона в подозрительной зоне багажа к времени жизни теплового нейтрона во взрывчатом веществе, что по сравнению с известным решением соответствует отношению T_г/t_a, т.е. почти в 5 раз (T_г - период следования нейтронных импульсов). Аналогично расчетом определяют время замедления нейтронов в выделенных зонах багажа, например, по значению (нарастания) фронта потока выходящего из взрывчатого вещества излучения, поскольку длительность фронта приблизительно равна 2t_зам.

Из рассмотренного видно, что после получения изображения азот-водородсодержащих зон багажа необходимо проводить временной анализ поступления гамма-квантов и дополнительно к нему целесообразно проводить временной анализ поступления тепловых нейтронов после каждого нейтронного импульса с идентификацией полученной формы распределения по параметрам: время замедления нейтронов и время жизни тепловых нейтронов во взрывчатом веществе. Измерение времени жизни тепловых нейтронов может проводиться известными методами, например расчетом из временной зависимости изменения потока во времени с помощью ЭВМ, как это выполняется в методе, описанном в патенте [7] Для того, чтобы не было наложения сформированных импульсов промежуточных нейтронов на образующиеся в багаже импульсы тепловых нейтронов, необходимо задать период следования импульсов нейтронного генератора не менее значения T_г (см. фиг. 1a), (т.е. суммы времени распространения тепловых нейтронов в объеме багажа и интервала времени на выявление времени жизни тепловых нейтронов из временной зависимости потока гамма-квантов и(или) тепловых нейтронов), определяемого по формуле T_г L/v_т + (2 5)t_a, (5) где L максимальный размер багажа, см; v_т средняя скорость тепловых нейтронов, v_т=2200 м/с; t_а время жизни тепловых нейтронов во взрывчатом веществе, с.

Длительность t_м