Кого слушает президент

Детекторы взрывчатки и жирности ягнят

Как устроен нейтронный детектор на взрывчатку и наркотики

Лектор: (none) 09.02.2012, 14:08
Переносной детектор взрывчатых веществ ДВИН-1 ntech.jinr.ru/
Переносной детектор взрывчатых веществ ДВИН-1

О том, почему в самолеты нельзя проносить жидкости, чем нейтронный детектор отличается от рентгеновского и как он «видит» состав подозрительного пузырька, рассказывает доктор физико-математических наук, директор ООО «Нейтронные технологии» Михаил Сапожников.


— Почему нам не разрешают проносить в самолет жидкости?

— Современные рентгеновские сканеры в аэропортах прекрасно различают мельчайшие предметы в багаже пассажиров. Однако рентген — это жесткое электромагнитное излучение. А электромагнитное излучение, как мы помним из школы, чувствительно только к заряду вещества Z и его плотности.

Доли водорода Н, кислорода О, азота N и углерода C в обычных веществах (нижняя часть таблицы), а также в наркотиках (середина) и взрывчатках (верхняя часть)//Михаил Сапожников
Доли водорода Н, кислорода О, азота N и углерода C в обычных веществах (нижняя часть таблицы), а также в наркотиках (середина) и взрывчатках (верхняя часть)//Михаил Сапожников

Поэтому рентгеновские аппараты, в принципе, могут отличать вещества с различным Z, но сказать что-то об его элементном составе — как много в веществе кислорода, углерода или других элементов — этого они не могут принципиально.

Они прекрасно различают мельчайшие контрасты плотности. Для них нет проблем увидеть пистолет, нож, другие опасные предметы.

Они с легкостью могут обнаружить бутылку в багаже пассажира. Но определить, что за вещество находится в бутылке, — это рентгеновским аппаратам не под силу.

Ответ об элементном составе вещества можно получить, облучая объект быстрыми нейтронами с достаточной энергией.

Такие нейтроны возбуждают ядра вещества, которые затем испускают жесткие гамма-кванты. В результате под действием быстрых нейтронов объект досмотра начинает «светиться» — излучать гамма-кванты с энергиями 1—10 МэВ. Это «свечение» индивидуально для каждого элемента, и именно по характеру спектра гамма-квантов можно определить, как много в веществе того или иного элемента.

Энергетические спектры гамма-квантов для тротила (желтая гистограмма) и гексогена (зеленая гистограмма)//Михаил Сапожников
Энергетические спектры гамма-квантов для тротила (желтая гистограмма) и гексогена (зеленая гистограмма)//Михаил Сапожников

Пример спектра гамма-квантов для ТНТ (тротила) и гексогена показан на рисунке ниже.

Видно, что энергетический спектр состоит из отдельных линий. Большой пик при энергии 4,43 МэВ отвечает углероду. В элементном составе ТНТ (С7N3O6) углерода больше, чем в гексогене (С3N6O6), поэтому и углеродный пик в ТНТ (желтая гистограмма) намного больше, чем в гексогене.

— Взрывчатка не похожа на кашу

Доли водорода Н, кислорода О, азота N и углерода C в обычных веществах (нижняя часть таблицы), а также в наркотиках (середина) и взрывчатках (верхняя часть)//Михаил Сапожников
Доли водорода Н, кислорода О, азота N и углерода C в обычных веществах (нижняя часть таблицы), а также в наркотиках (середина) и взрывчатках (верхняя часть)//Михаил Сапожников

— Идентификация взрывчатых, наркотических и других опасных веществ основана на том факте, что элементный состав опасных веществ отличается от элементного состава обычных веществ. Это показано на рисунке ниже, где приведены доли водорода, кислорода, азота и углерода в обычных веществах, а также в наркотиках и взрывчатках.

Энергетические спектры гамма-квантов для тротила (желтая гистограмма) и гексогена (зеленая гистограмма)//Михаил Сапожников
Энергетические спектры гамма-квантов для тротила (желтая гистограмма) и гексогена (зеленая гистограмма)//Михаил Сапожников

В методе меченых нейтронов (ММН) источником нейтронов служит портативный ускоритель дейтронов (дейтрон — ядро изотопа водорода дейтерия, дейтрон состоит из одного протона и одного нейтрона. — «Газета.Ru»), который ускоряет дейтроны до энергии порядка 100 кэВ. Дейтроны попадают на тритиевую мишень и рождают нейтроны с энергией 14 МэВ в реакции d+t=α+n. Эта реакция примечательна тем, что альфа-частица (ядро гелия) и нейтрон разлетаются практически на 180 градусов. Поэтому, зная, куда попала α-частица, можно определить, куда полетел нейтрон в плоскости, перпендикулярной направлению его движения.

Самое замечательное свойство ММН — это то, что можно получить информацию и о третьей пространственной координате, направленной вдоль направления полета нейтрона.

Для этого определяют время пролета, которое протекает между попаданием альфа-частицы в альфа-детектор и приходом гамма-кванта из объекта досмотра в соответствующий гамма-детектор. Зная время пролета, можно по формуле S=vt легко вычислить расстояние S до той точки, из которой вылетел гамма-квант, поскольку скорость нейтрона постоянна и равна v = 5 см/нс.

Обычные источники быстрых нейтронов испускают их во все стороны, как обычная лампочка испускает фотоны во все стороны.

В методе меченых нейтронов объект досмотра облучается как бы набором узких нейтронных пучков, своеобразным аналогом лазерных указок.

Метод меченых нейтронов. Справа – источник нейтронов, которые рождаются при взаимодействии дейтронов d с тритиевой мишенью t. Альфа-детектор показан в виде матрицы 3х3. Два гамма-детектора регистрируют «свечение» из объекта досмотра//http://ntech.jinr.ru/
Метод меченых нейтронов. Справа – источник нейтронов, которые рождаются при взаимодействии дейтронов d с тритиевой мишенью t. Альфа-детектор показан в виде матрицы 3х3. Два гамма-детектора регистрируют «свечение» из объекта досмотра//http://ntech.jinr.ru/

В ММН объект досмотра разбивается на отдельные элементарные объемы, информация из каждого объема обрабатывается независимо, и за одно облучение можно узнать об элементном составе как в плоскости объекта досмотра, так и по его толщине. То есть можно сказать не только есть или нет опасное вещество, но и дать информацию о его 3D-координатах.

Исключительно важно то, что нахождение скрытого вещества происходит автоматически, без участия оператора, который должен смотреть на экран и что-то решать.

ММН не ограничен обнаружением какого-то одного вещества, например азота. Напротив, для идентификации вещества используются линии углерода, кислорода, азота, серы, хлора, кремния и других элементов. Это дает возможность использовать ММН не только для обнаружения взрывчатых веществ и наркотиков, но и для контроля за качеством угля, цемента, поисков нефти (нейтронный каротаж).

Одним из наиболее экстравагантных применений ММН является его использование для определения жирности молодых ягнят in vivo — этот опыт выполнили новозеландские ученые.

Они показали, что радиационная доза, которую получили ягнята при облучении мечеными нейтронами, намного меньше, чем при облучении обычными радиоактивными источниками. В этом проявляется еще одно замечательное качество ММН — практически отсутствует наведенная активность в объекте досмотра.

Дело в том, что быстрые нейтроны с энергией 14 МэВ не так сильно взаимодействуют с веществом, как тепловые или медленные нейтроны. При сертификации детектора взрывчатки ДВИН-1 на основе ММН специалистами Роспотребнадзора были выполнены измерения, которые показали, что при типичном акте обследования, который занимает не более 10 минут, отсутствует наведенная активность как в объекте досмотра, так и в окружающей среде. Была определена также безопасная зона, на которой должен находиться оператор во время обследования.

Она составляет 3—8 м, в зависимости от интенсивности нейтронного излучения.

Важно, что методикой использования детекторов на основе ММН не разрешается и не предполагается облучение людей.

Детекторы будут работать только для досмотра забытых вещей и подозрительных объектов.