Rambler's Top100 Информационно-публицистический ресурс «НЕТ - НАРКОТИКАМ!» (narkotiki.ru) НЕТ - НАРКОТИКАМ: ХРОНИКА
главное новости по оперативным данным официально закон антинаркотическая реклама фоторепортажи массмедиа здоровье родителям, учителям, психологам мнения экспертов исследования журнал "Наркология" книжная полка о проектепоиск

Детектор скрытых взрывчатых веществ и наркотиков

 

А. И. Карев, В. Г. Раевский
Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН
Ю. А. Коняев, А. С. Румянцев
ОАО НПО «Алмаз» им. Академика А. А. Расплетина
Е. М. Ватрухин, В. И. Колесниченко
Московский НИИ приборной автоматики
 

В настоящее время организациями, представленными авторами настоящего доклада, проводится разработка детектора скрытых взрывчатых веществ (СВВ) и природных наркотиков (ПН) на основе фотоядерного метода. Впервые использование фотоядерного метода для целей обнаружения СВВ и ПН было предложено лауреатом Нобелевской премии Луисом Альваресом (L. Alvarez) в 1985 году. В дальнейшем этот метод был экспериментально проверен В. П. Трауэром (Trower W. P.) [1] и развит в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) [2, 3]. Суть метода состоит в обнаружении в обследуемом объеме повышенной концентрации азота и углерода – химических элементов, составляющих основу всех современных боевых ВВ и ПН. Для этого используются регистрация продуктов распада короткоживущих изотопов 12B (бор-12) и 12N (азот-12) с периодами полураспада 20,2 и 11,0 мс, соответственно. Эти изотопы рождаются в результате фотоядерных реакций 14N(g,nn)12N, 14N(g,pp)12B, 13C(g,p)12B на азоте (14N) и углероде (13C) (примесь изотопа 13C в природном углероде – 1,107 %) при их облучении гамма-квантами с энергией, большей порогового значения Eg: для 14N – 24 и 31 МэВ и для 13C – 17 МэВ. Изотопы 12B и 12N являются b-активными, и в процессе распада испускают электроны и позитроны с максимальной энергией порядка 13 МэВ и 17 МэВ, которые, двигаясь в веществе, в свою очередь, индуцируют гамма-кванты.

Выбор этих фотоядерных реакций в качестве реперных обеспечивает высокую селективность метода обнаружения ВВ и ПН. Дело в том, что при облучении любых других химических элементов гамма-пучком с энергией меньше 100 МэВ не образуется никакие другие изотопы с периодом полураспада в диапазоне от 1 до 100 мс. Если же кратковременно облучить обследуемый объект гамма-пучком с энергией выше пороговых значений Eg для данных реакций, то в последующем временном интервале 1÷20 мс он откликнется (при наличии в нем достаточной концентрации атомов азота и/или углерода) потоком вторичных частиц от распада изотопов 12B и 12N. И если в течение этого промежутка времени включить на регистрацию детектор вторичного излучения, то можно получить высококонтрастный сигнал, свидетельствующий о наличии в образце азота и/или углерода. В противном случае этот поток отсутствует.

Малое время экспозиции, необходимое для обнаружения ВВ и ПН (20 мс), обеспечивает высокое быстродействие метода. Процедуру поиска ВВ и ПН можно повторять с частотой 50 Гц, смещая точку облучения исследуемой зоны и осуществляя, таким образом, режим сканирующего обследования. Еще одно преимущество описываемой методики – в том что качестве, как зондирующего излучения, так и носителя полезного сигнала, используются гамма-кванты, обладающие высокой проникающей способностью, это позволяет обнаруживать ВВ и ПН в скрывающем веществе на значительной глубине.

Таким образом, фотоядерный метод благодаря малому времени распада образующихся изотопов 12B и 12N обеспечивает уникальную возможность с высокой надежностью (~100%) за малый промежуток времени (~20 мс) в режиме сканирующего поиска определять наличие скрытого ВВ и ПН. Точка облучения объекта, из которой был получен сигнал отклика, указывает на координаты ВВ или ПН.

Практическая реализация фотоядерного метода обнаружения ВВ и ПН связана с созданием ядра установки – ускорительно-детектирующего комплекса (УДК) с параметрами, удовлетворяющими требованиям, как надежности обнаружения и идентификации этих веществ, так и применимости в натурных условиях в мобильных и стационарных вариантах комплексов контроля и поиска взрывчатки и наркотиков.

Современными источниками гамма излучения высоких энергий являются ускорители электронов. Генерация пучка гамма-квантов осуществляется следующим образом. Выведенный из ускорителя пучок ускоренных электронов направляется на тонкую £ 1 мм пластину-мишень из тяжелого материала (свинец, вольфрам, платина, тантал и пр.), в которой в результате радиационного торможения возникает узкий пучок гамма-квантов, направление которого совпадает с направлением пучка электронов. Изменяя направление исходного электронного пучка с помощью магнитного поля можно создавать сканирующие пучки гамма-квантов
 

Рис. 1
Рис.1. Ускорительно-детектирующий комплекс.
 

В общем виде УДК (рис.1) состоит из трех основных узлов: компактного импульсного электронного ускорителя; системы сканирования, конвертора g-квантов и системы контроля положения пучка; быстродействующего детектора вторичного излучения. Выбор типа ускорителя, используемого в качестве источника гамма излучения, имеет принципиальное значение для практического использования метода в стационарных и мобильных установках. При уникальных физических параметрах ускоритель должен быть надежен и обладать приемлемыми весо-габаритными характеристиками и энергопотреблением. Наиболее предпочтительным типом ускорителя для этих целей является специализированный электронный ускоритель – разрезной микротрон (РАМ), имеющий ряд преимуществ по сравнению с традиционным линейным ускорителем: больший электронный КПД и соответственно больший ток пучка при заданной мощности СВЧ-питания, меньший продольный размер и высокие электронно-оптические характеристики ускоренного пучка. Впервые в стране ускоритель по схеме разрезного микротрона был реализован в Физическом институте им. П. Н. Лебедева [4, 5].

Общая схема ускорителя РАМ показана на рис.1. Пучок от электронной пушки (ЭП) с анодным напряжением 50 кВ с помощью магнита инжектора (МИ) отклоняется на ось ускоряющей структуры (УС). Ускоряющая структура представляет собой цепочку объемных связанных резонаторов, в которой внешним источником СВЧ-мощности формируется электромагнитная волна с фазовой скоростью равной скорости света. Двигаясь вдоль структуры, электроны взаимодействуют с продольной электрической компонентой волны и, пройдя структуру, приобретают энергию ~ 5 МэВ. После этого электронный пучок входит в магнит (М1), отклоняется в обратном направлении на 180o, проходит дрейфовый промежуток и вторым поворотным магнитом (М2) повторно вводится на ось УС и приобретает дополнительную энергию ~ 5 МэВ. Количество повторных прохождений через УС определяет энергию ускоренных электронов. При достижении необходимого значения энергии электроны с помощью магнита инфлектора (МВ) выводятся из зоны ускорения и направляются в сканирующий магнит (СКМ). Если на орбитах ускорения установлено несколько импульсных инфлекторов, то имеется возможность получать на выходе ускорителя пучки с разными фиксированными значениями энергии. Фокусировка пучка и коррекция его положения на орбитах осуществляется магнитными элементами. Основные технические параметры ускорителя РАМ приведены в таблице 1.
 

Таблица 1. Технические характеристики ускорителя РАМ

Максимальная энергия электронного пучка 50 МэВ.
Ток пучка в импульсе до 50 мА
Длительность токового импульса 6 мкс
Частота следования импульсов 50 Гц
Габариты ускорителя 1800 × 700 × 800 мм
Масса ускорителя 1500 кг
Потребляемая электрическая мощность до 20 кВт.

Система сканирования, контроля положения пучка и конвертор g-квантов объединяет в едином конструктивном узле устройства формирования гамма-пучка и состоит из тракта транспортировки электронного пучка, магнита сканирования СКМ, конвертора g-квантов (МК) и монитора положения сканирующего гамма пучка (рис.1). При необходимости система может быть окружена локальной радиационной защитой.

Тракт транспортировки пучка формирует квадрупольными линзами Л1 и Л2 пятно облучения на поверхности мишени-конвертора. Магнит сканирования СКМ предназначен для динамического изменения направления электронного пучка с целью пошагового облучения обследуемого объема. Магнитное поле магнита задает направление пучка электронов на мишень-конвертор МК, где пучок электронов конвертируется в пучок тормозных гамма-квантов, направленных вдоль оси отклоненного электронного пучка. Контроль положения сканирующего гамма-пучка осуществляется по данным многопроволочной двухкоординатной ионизационной камеры, расположенной за мишенью-конвертором.

Система сканирования обеспечивает последовательное (построчное) перемещение пучка по обследуемой зоне с шагом от 2 см при скорости смещения 1 шаг на импульс ускорителя (с частотой 50 Гц). Точность фиксации положения пучка на объекте – ±1см, диаметр зоны облучения на поверхности от 2 до 20 см.

Детектор вторичного излучения предназначен для регистрации продуктов распадов изотопов 12B*, 12N*, и 13B* . Детектор регистрирует гамма-кванты, рождающиеся при движении в скрывающем веществе распадных электронов и позитронов. Детектор состоит из набора сцинтилляторов – специальных оптических материалов испускающих короткую световую вспышку при прохождении через них элементарной частицы. Световая вспышка преобразуется в короткий электрический сигнал фотоэлектронными умножителями, просматривающими чувствительный объем детектора.

Детектор размещается вблизи зоны облучения. Электронная логика работы детектора позволяет регистрировать сигналы от g-квантов и измерять времена распадов образованных изотопов.

Работа всех устройств УДК организуется автоматизированной системой управления, контроля, сбора и обработки данных (АСУ УДК). АСУ УДК позволяет синхронно управлять и контролировать режимы электронного ускорителя РАМ, управлять системой сканирования, собирать и обрабатывать данные детектора, выдавать на консоли оператора информацию о динамике хода работ, накапливать в базе данных результаты проводимой работы и обеспечивать работу УДК в нештатных и аварийных ситуациях.

ДВВН, кроме УДК, включает в себя систему транспортировки инспектируемых объектов, операторский пульт, биологическую защиту и различные вспомогательные подсистемы, например систему энергопитания. Кроме того, пункт досмотра оборудуется биологической защитой. В зависимости от вариантов компоновки ДВВН могут быть организованы либо стационарные пункты досмотра, например в аэропортах, таможнях, почтовых узлах связи, либо мобильные, временно развертываемые на наиболее вероятных в данный момент путях транспортировки ВВ и наркотиков. С их помощью можно проводить инспекцию багажа авиапассажиров, грузов в различных упаковках, почтовых отправлений и, возможно, при определенных условиях морских контейнеров и транспортных средств. Основное оборудование для всех этих пунктов досмотра может быть в значительной степени унифицировано, отличия будут касаться только систем транспортировки инспектируемых объектов, систем энергопитания и инженерного исполнения биологической защиты. В более сложном варианте, при размещении УДК на подвижном носителе, можно реализовать использование фотоядерного метода обнаружения ВВ для целей гуманитарного разминирования. Кроме того, возможна разработка на базе УДК специализированной установки для обнаружения и идентификации емкостей с отравляющими веществами, находящимися под поверхностью воды.

Принцип работы устройства удобно показать на примере детектора взрывчатых веществ и наркотиков (ДВВН) в системах инспекции багажа в аэропортах (рис.2). Досматриваемый объект, например чемодан, устанавливается на транспортер, перемещающий его в зону контроля, где он сканируется широким (диаметром ~10 см) пучком гамма-излучения. При этом для первичного досмотра единицы багажа с фронтальным размером 100 × 70 см2 потребуется время порядка 1,8 сек. В случае появления сигнала о наличие высокой концентрации азота или углерода, УДК автоматически

Рис. 2
Рис.2. Схема организации стационарного ДВВН.
 

перестраивается и проводится повторный более тщательный досмотр, в результате которого на монитор оператора выводится двумерное изображение с цветовым контрастом, указывающим на распределение в багаже концентрации азота и/или углерода. При разрешении ±2,5 см на эту операцию будет затрачено менее 8 сек.
 

В таблице 2 приводятся основные технические характеристики ДВВН.
 

Таблица 2. Основные характеристики ДВВН.

Обнаруживаемое количество ВВ с вероятностью 99 %10 г
Обнаруживаемое количество ПН с вероятностью 99 % 50 г
Скорость обработки багажа размером 100 × 70 × 30 см3 менее 10 секунд
Скорость досмотра при диаметре гамма-пучка 5 см 1000 см2
Площадь радиационно-защищенного помещения 12 м2
Потребляемая электрическая мощность не более 30 кВт

Следует отметить, что, обладая высокой чувствительностью, быстродействием и избирательностью, ДВВН способен обнаруживать ВВ и ПН скрытые различными веществами значительной толщины, что связано со специфическими процессами взаимодействия вторичного излучения с веществом. Так с вероятностью более 99 % могут быть обнаружены 10 г ТНТ и 50 г героина, скрытые 30 мм стали, 20 см воды или 10 см бетона.
 

Суммируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что по совокупным характеристикам – чувствительности, производительности и надежности обнаружения ДВВН на основе фотоядерного метода уникален и существенно превосходит все имеющиеся и проектируемые образцы.
 

Литература

[1] W. P. Trower, The Nitrogen Camera and the Detection of Concealed Explosives, Nucl. Instr. & Meth. B79 (1993) 589. [Вернуться]

[2] А. С. Белоусов, А. И. Карев и др., Высокоэффективная система обнаружения скрытых взрывчатых веществ, журнал «Наука производству», № 6, 2000, с. 33. [Вернуться]

[3] A. I. Karev, V. G. Raevsky, J. A. Konyaev, A. S. Rumyantsev, R. R. Iliutschenko. The High Efficienсy Complex for Detection of Landmines. In Proceeding of NATO Advanced Research Workshop #977941 «Detection of Explosives and Land Mines: Methods and Field Experience», St.-Petersburg, 11th-14th of September 2001, Russia, NATO-Series book, Kluwer Academic Publisher, Netherlands, in press. [Вернуться]

[4]. K. A. Belovintsev, A. I. Karev, and V. G. Kurakin, The Lebedev Physical Institute Race-Track Microtron, Nucl. Instr. & Meth. A261 (1987) 36. [Вернуться]

[5] K. A. Belovintsev, A. I. Bukin, E. B. Gaskevich, A. I. Karev at al. The Radiation Complex for fundamental Research. Fourth European Particle Accelerator Conferees. EPAC 94. London 27-30 June 94, p. 861. [Вернуться]

Способна ли генная инженерия модифицировать наркополитику?

Мы стоим на пороге научных достижений, способных поставить под вопрос саму идеологию прогибиционизма в области контроля за оборотом наркотиков и психотропных веществ.

Лифт в подвал. Интервью с Николаем Валуевым

"Я прививаю детям тот образ жизни, который был у меня в их возрасте: я был постоянно чем-то занят, и у меня просто не оставалось времени на вредные привычки. Нужно быть всегда при деле: многие проблемы - от праздного образа жизни..."

Кокаин был проклятием нашей молодости

Статья посвящена сравнительно мало изученному историческому факту – влиянию Первой мировой войны на расширение немедицинского потребления наркотических средств в России и странах Запада...

Как сходит с ума Россия: конопля, "спайс", "веселящий газ"...

О реальных последствиях потребления наркотиков для психического и телесного здоровья потребителей, а также социального здоровья России – в материале к.м.н., врача психиатра-нарколога Николая Каклюгина.

Афганистан превращается в крупнейшего мирового производителя наркотиков

Через год после появления в Афганистане иностранных войск во главе с США некоторые страны с тревогой начали говорить о расширении площадей посевов под наркокультурами и росте объемов контрабанды героина...

Аналитические технологии против "дизайнерских наркотиков"

Agilent Technologies является мировым лидером в области лабораторного оборудования, которое используется, в том числе, в области токсикологии, судебно-медицинских и допинговых исследованиях.

Грустные последствия использования "веселящего газа"

В последнее время в крупных городах России участились случаи употребления в молодежной среде с немедицинскими целями закиси азота или "веселящего газа"...

Московский
научно-практический
центр наркологии

Российская
наркологическая
лига

Государственная программа РФ "Противодействие незаконному обороту наркотиков"

Настоящий ресурс может содержать материалы 18+
Информационно-публицистический сайт "Нет - наркотикам" © 2001-2024 ООО "Независимость" contact@narkotiki.ru
Cвидетельство о регистрации СМИ Эл №ФС77-35683 выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций

Rambler's Top100 Рейтинг@Mail.ru Яндекс цитирования