Устройства, применяемые для идентификации взрывчатых веществ

Технические средства таможенного контроля (ТСТК) - комплекс специальных технических средств, применяемых таможенными службами непосредственно в процессе оперативного таможенного контроля всех видов перемещаемых через границу ТС объектов с целью выявления среди них предметов, материалов и веществ, запрещенных к ввозу и вывозу или не соответствующих декларированному содержанию.

Существующие устройства для обнаружения и идентификации взрывчатых веществ (ВВ) можно условно разделить на четыре группы:

1.Устройства, основанные на использовании для исследования внутренней структуры подозрительного объекта проникающих излучений, с после­дующим анализом полученного изображения оператором (рентгеновские установки, подповерхностные радары, микроволновые сканеры).

2.Устройства, основанные на обнаружении следов или паров опасных ве­ществ (детекторы паров, биосенсоры).

3.Устройства, обнаруживающие признаки возможного присутствия ВВ (металлодетекторы).

4.Устройства, использующие методы непосредственного обнаружения ВВ (методы гамма-радиографии, ядерный квадрупольный резонанс, различ­ные ядерно-физические методы).

В некоторых лабораториях прикладной физики проводятся работы по развитию устройств, относящиеся к 1-й и 4-й из указанных групп, а именно:

5.Устройства, основанные на облучении подозрительной области электро­магнитным излучением СВЧ-диапазона с последующим анализом ампли­тудно-частотного распределения отраженного и рассеянного электриче­ского поля;

6.Приборы для неразрушающего анализа внутреннего содержимого различ­ных объектов, основанные на "нейтрон-гамма" методах. Подробнее остановимся на рассмотрении этих двух устройств.

На рис. 3 изображено созданное СВЧ устройство для обнаружения ВВ в ба­гаже и гомогенных средах. В устройстве в качестве зондирующего излучения ис­пользуется частотно-модулированный непрерывный сигнал в диапазоне частот от 2 до 8 ГГц. На основе анализа частотных зависимостей амплитуды и фазы суммарного электромагнитного поля прибором восстанавливается СВЧ-изображение скрытых в гомогенных средах предметов и производится идентификация объекта, исходя из его формы и диэлектрических характеристик. Глубина сканирования СВЧ-модулем гомогенной среды составляет для песчаного грунта с влажностью < 0,1% - 50 см, для песчаного грунта с влажностью ~ 16% - 5 см, для бетона - 20 см. Предел обнаружения (линейный размер) - 1 см. Мощность СВЧ-излучения не превышает 1 мВт, масса - 5 кг.

Рис. 3. Лабораторные испытания ручного устройства для обнаружения ВВ, скрытых в гомогенных средах и багаже.

На рисунке 4 изображен созданный прототип мобильного прибора для поиска взрывчатых веществ, скрытых в грунте, стенах и ручном багаже. В приборе исполь­зуются миниатюрная ионизационная камера с изотопным источником нейтронов (²⁵²Cf) и специально изготовленный электронный блок с питанием от аккумулятор­ных батарей.

Рис. 4. Прототип мобильного прибора для обнаружения взрывчатых веществ в лаборатории и во время проведения полевых испытаний.

Для обнаружения взрывчатых веществ используется метод неразрушающего элементного анализа. При облучении объекта нейтронами образуется вторичное гамма-излучение. Измеренные спектры вторичного гамма-излучения позволяют оп­ределять относительные концентрации основных химических элементов (углерода, кислорода, азота, водорода и других) в исследуемом объекте; поскольку взрывчатые и другие опасные вещества характеризуются специфическими соотношениями кон­центраций химических элементов, возможно идентифицировать их в присутствии других веществ и бытовых товаров. Повышенная влажность среды (до 40% по массе) и металлические преграды толщиной до нескольких сантиметров не являются поме­хой при работе прибора. Существующий прототип прибора идентифицирует 400 граммов скрытого взрывчатого вещества в течение 5 минут. Вес установки не превышает 30 кг. Прибор полностью энергонезависим и питается от аккумулятор­ных батарей.

На рисунке 5 представлен действующий прототип портативного устройства для обнаружения и идентификации ВВ, основанного на разработанном в Радиевом институте методе наносекундного нейтронного анализа (ННА). Прибор базируется на малогабаритном нейтронном генераторе (1-10⁸ нейтронов/сек) со встроенным де­тектором альфа-частиц, сопутствующих нейтронам в реакции t(d,n)a (совместная разработка с ВНИИА)[37].

Метод ННА позволяет решить основную проблему, существующую при ре­шении задач идентификации опасных веществ нейтронными методами, которая со­стоит в очень высокой загрузке спектрометрического тракта гамма-излучения, вы­званной регистрацией фонового гамма-излучения из-за взаимодействия нейтронов с конструктивными элементами самой установки, с веществом исследуемого объекта и всего окружающего установку и исследуемый объект пространства. Высокий уро­вень фоновой загрузки до последнего времени не позволял говорить о сколько- нибудь значимом практическом применении нейтронных методов для реального по­иска опасных веществ, например, внутри багажа пассажиров.

Рис. 5. Действующий прототип портативного устройства для обнаружения и идентификации ВВ, базирующийся на малогабаритном нейтронном генераторе со встроенным детектором сопутствующих частиц. Справа - девятисегментный встроенный детектор сопутствующих альфа- частиц.

Метод ННА с пространственной селекцией регистрируемых гамма-квантов позволил более чем на два порядка понизить уровень регистрируемого фонового из­лучения и вплотную приступить к созданию реально действующих прототипов по поиску опасных веществ.

Подавление фона регистрируемого гамма-излучения, и, соответственно, вы­деление полезного сигнала от обнаруживаемого объекта в методе ННА обусловлено:

1. Регистрацией гамма-квантов в пределах очень узких (~ 10 нс) временных окон, начало которых определяется моментом регистрации сопутствую­щей альфа-частицы. Нейтроны из дейтерий-тритиевой реакции с энергией около 14 МэВ (скорость около 5 см/нс) достигают досматриваемой облас­ти и вызывают мгновенные вторичные гамма-кванты, которые со скоро­стью света достигают детектора гамма-квантов. Все гамма-кванты, кото­рые приходят до того, как нейтрон попадает в исследуемую область, либо после того как он вылетает из нее, не связаны с реакциями в данной об­ласти и фильтруются системой сбора данных.

2. Позиционно-чувствительный детектор альфа-частиц, встроенный в ней­тронный генератор, дает информацию о месте, в котором произошло взаимодействие нейтрона с материалом осматриваемого объекта, по­скольку направление движения альфа-частиц однозначно связано с на­правлением движения соответствующего нейтрона. Если регистрируется гамма-квант, но при этом не регистрируется альфа-частица, то это означа­ет, что гамма-квант пришел не из области чувствительности прибора, и этот гамма-квант не рассматривается при анализе.

Использование двух указанных ограничений позволяет реализовать главную идею метода ННА - подавление фона от объектов, находящихся вне осматриваемой области, и, соответственно, многократно повысить отношение сигнал/шум.

Таким образом, встроенный в нейтронный генератор позиционно- чувствительный детектор сопутствующих частиц позволяет получать посегментное изображение в горизонтальной плоскости, а использование наносекундных интерва­лов времени позволяет получать изображение срезов объекта по глубине, то есть трехмерное элементное изображение объекта. Получаемая в режиме "on-line" ин­формация с гамма-детектора и сегментов альфа-детектора автоматически анализиру­ется, и оператору выдается информация о том, какое опасное вещество содержится в досматриваемом объеме, в каком количестве и в каком месте.

Созданный действующий прототип устройства обнаруживает и идентифициру­ет 100 г взрывчатого вещества в течение 10 секунд с пространственным разрешением 10 см. Одновременно досматриваемая область пространства равна 30*30*30 см³. Мас­са и габариты устройства не превышают, соответственно, 40 кг и 50*40*30 см³. По­требляемая мощность при автономном электропитании - 50 Вт.

Разработки устройств для идентификации взрывчатых веществ не стоят на месте, они постоянно совершенствуются, появляются все новые и новые виды приборов, также как появляются новые виды взрывчатых веществ. В данной главе рассматривались лишь некоторые виды таких устройств, но стоит отметить, что это лишь маленькая толика всего разнообразия данных технических средств.