Ядерно-физические и близкие к ним методы обнаружения взрывчатых веществ

Наиболее высокотехнологичные современные методы обнаружения ВВ используют новейшие достижения атомной и ядерной физики. К таким методам относятся нейтронные (основанные на бомбардировке рассматриваемого объекта потоком тепловых или быстрых нейтронов), гамма-активационные, ядерный квадрупольный анализ.

Высокотехнологичные разработки, использующие, например, нейтронно-радиационный (НРА) или гамма-активационный (ГАА) анализ, являются достаточно дорогостоящими и, как правило, стационарными. Однако их высокие технические характеристики дают основание полагать, что в недалеком будущем они получат максимально широкое распространение. Особенно значительной предполагается их роль в обеспечении безопасности авиационного транспорта, правительственных и других высокоценных зданий и сооружений от угрозы террористического взрыва.

Ядерно-физические методы обнаружения ВВ основаны на определении элементного состава объекта с помощью зондирующего излучения нейтронами или гамма-квантами. Бета- и гамма-излучения обладают большой проникающей способностью, вследствие чего могут эффективно использоваться для зондирования объектов значительных размеров, в том числе и для выявления замаскированных ВВ. Физической основой обнаружения является различие элементного состава ВВ и среды, в которой оно находится. Состав большинства ВВ характеризуется высокой концентрацией азота, что и является основным критерием обнаружения.

Общую картину ядерно-физических и близких к ним методов дополняет использование физического эффекта, известного как ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР).

Разработка современных методов обнаружения ВВ является одной из самых актуальных проблем научного сообщества. В настоящее время активно обсуждаются проблемы обнаружения малых весовых (от 50 г) количеств ВВ в багаже, на транспорте, в грузах, в бесхозных подозрительных предметах, в почтовых отправлениях и на теле человека, что имеет первостепенное значение для обеспечения авиационной безопасности от террористического взрыва.

10.1. Использование потока медленных (тепловых) нейтронов (метод НРА)

Обнаружение азота, входящего в состав ВВ, методом НРА основано на реакции радиационного захвата тепловых нейтронов с энергией около 0,025 эВ ядрами азота-14, в результате чего образуются ядра атомов азота-15 в возбужденном состоянии (их число зависит от массы ВВ, плотности потока нейтронов и сечения реакции захвата). При переходе в основное состояние в среднем около 14% ядер атомов азота-15 испускают гамма-кванты с энергией 10,83 МэВ. Эта величина – одна из наибольших энергий гамма-квантов, возникающих при радиационном захвате нейтронов различными ядрами, что облегчает проведение анализа.

Важными достоинствами устройств на основе НРА считают возможность обнаружения замаскированных ВВ и возможность работы в полностью автоматическом режиме. Комплексное использование НРА- и РТИ-установок значительно повышает эффективность обнаружения ВВ.

Метод НРА (или АТН – анализа тепловых нейтронов) позволяет производить неконтактное обнаружение ВВ, в том числе закладок, экранированных листом фольги или металлическим контуром, в чем состоит его важное преимущество перед использованием эффекта ЯКР, который этим достоинством не обладает.

АТН рассматривался как самый перспективный метод обнаружения ВВ в конце 80‑х годов. Первая АТН-установка, предназначенная для обнаружения ВВ в багаже авиапассажиров, была разработана в США компанией Science Applications International Corp. (SAIC). Система имела высокую стоимость (около 1 млн. долларов США), большой вес (примерно 13 тонн) и размеры. Багаж в специальной камере облучался тепловыми нейтронами, полученными путем термализации нейтронов от источника калифорния-252. Гамма-кванты регистрировались с помощью набора сцинтилляционных детекторов, расположенных вокруг облучательной камеры. В 1990 году АТН-установки были введены в опытную эксплуатацию в аэропортах США, Англии и Саудовской Аравии и использованы для проверки более 1 млн. единиц багажа. За время измерения, примерно равное одной минуте, эти установки обеспечивали вероятность обнаружения ВВ массой 1 кг, равную 90%. Анализ работы АТН-установок показал, что их самым серьезным недостатком является недопустимо высокий уровень ложных тревог. Так, например, при обнаружении ВВ массой 1,1 кг вероятность ложных тревог составила около 5%, а для ВВ массой 450 г – возросла до 20%. Повышение чувствительности АТН до 0,7 кг ВВ привело к увеличению уровня ложных тревог с 5-10% до 25-30%, что стало неприемлемым для авиалиний.

Высокий уровень ложных тревог первых АТН‑установок был обусловлен присутствием азота в воздухе внутри облучательной камеры и наличием в багаже пассажиров азотосодержащих материалов (в 10% случаев в багаже содержится более 300 г азота, что эквивалентно 1,5 кг тротила).

Названные недостатки (высокий уровень ложных тревог, низкая производительность досмотра) устраняются путем реализации режима целеуказания при совместном использовании рентгеновских и нейтронных устройств.

В новой АТН-системе, разработанной SAIC, по-прежнему используется источник нейтронов на основе калифорния-252. Испускаемые нейтроны замедляются до энергии 0,025 эВ, что эквивалентно тепловому воздействию окружающей среды. Тепловые нейтроны проникают в досматриваемый элемент багажа и поглощаются ядрами атомов азота. В результате эти ядра излучают гамма-лучи с энергией 10,8 МэВ. Разрешающая способность детекторов, расположенных вокруг досматриваемого предмета и воспринимающих частично коллимированное гамма-излучение, позволяет отличать менее интенсивное гамма-излучение веществ с меньшей концентрацией азота (шерсть, кожа, нейлон), от гамма-излучения ВВ. Компанией SAIC разрабатываются установки TNA, предназначенные для обнаружения ВВ в малоразмерных (до 50×40×20 см) объектах (Small Parcel Explosive Detection Systems, SP-EDS) и в объектах средних (до 100×65×33 см) размеров (Luggage and Mid-Size Inspection Systems, PL-EDS).

Разработанная Санкт-Петербургским ГНЦ «ЦНИИ им. А.Н. Крылова» НРА-установка «СОВА» (Система обнаружения взрывчатки автоматическая) затрачивает до 100 секунд на проверку каждого места багажа длиной и шириной до 50 см при вероятности обнаружения 95%, которая повышается при уменьшении размеров досматриваемого предмета. Существуют способы преодоления окружающей ВВ оболочки, поглощающей нейтроны (например, пластин из бора). В системе «СОВА» используются детекторы гамма-излучения на основе () с разрешением 8% по цезию-138 и детекторы нейтронов на основе гелия-3 типа СНМ-18. Источниками нейтронов могут служить нейтронные генераторы с импульсным и непрерывным режимом излучения, изотоп калифорния-252.

Санкт-Петербургское предприятие «РАТЭК» разработало серию НРА-установок для обнаружения ВВ, радиоактивных и делящихся веществ на основе метода НРА. Среднее время обнаружения 200-300 г ВВ при этом составляет 12-17 секунд при среднем времени обнаружения меньше двух секунд. В 1992 году в аэропорту «Пулково» прошел опытную эксплуатацию созданный в ОАО «РАТЭК» образец АТН-установки УВП-21 для обнаружения ВВ в ручной клади авиапассажиров. К 2002 году на основе этого образца были разработаны две АТН-установки (УВП-3101 и УВП-2101) с источником нейтронов – калифорнием-252, которые по своему назначению аналогичны, соответственно, американским установкам SP-EDS и PL-EDS. Эти установки способны обнаруживать 50 г ВВ за время измерений, равное 5 минутам, и 200 г ВВ – за 20 секунд. Эти АТН-системы встроены в действующие линии досмотра в аэропортах «Пулково» (Санкт-Петербург), «Шереметьево», «Домодедово» (Москва), используются для досмотра ручной клади и багажа. Анализ работы АТН-установок показал, что замена радиоизотопного источника (калифорний-252) на генераторы нейтронов на основе ускорителей дейтонов (дейтерий-дейтериевый – d,d или дейтерий-тритиевый – d,t генераторы) позволяет существенно улучшить обнаружительные способности.

В Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН проводится работа по созданию специализированного стенда, который будет оснащен комплексом апробированных экспериментальных методик, аппаратуры и программных продуктов, для разработки и испытаний новых технических средств обнаружения ВВ на основе анализа потока тепловых или быстрых нейтронов.

10.2. Импульсный анализ быстрых нейтронов

Технология анализа импульсного потока быстрых нейтронов (ИАБН) использует ускоритель для формирования кратковременного потока нейтронов с энергией 7-9 МэВ, что соответствует примерно одной десятой скорости света. Неупругие столкновения нейтронов с ядрами атомов вещества приводят к превращению энергии. Ядра атомов вещества излучают энергию в форме гамма-лучей различной интенсивности. Кислород и углерод почти не обнаруживаются при облучении их потоком тепловых нейтронов, но столкновения их атомных ядер с быстрыми нейтронами вызывают гамма-излучение с энергией 6,13 и 4,44 МэВ соответственно, что дает дополнительную информацию для дискриминации различных веществ. Известно, что ВВ характеризуются высокой концентрацией кислорода и сравнительно низкой – углерода. Азот обнаруживается по гамма-излучению с энергией 1,6; 2,3 и 5,1 МэВ.

Быстрые нейтроны легко проникают в тяжелые элементы, но замедляются легкими. Высокая проникающая способность быстрых нейтронов позволяет обеспечить проведение контроля объектов толщиной около 1 м.

Исследования по применению технологии ИАБН были впервые начаты Федеральным авиационным агентством США (FAA). Фирма SAIC провела испытания своей системы при досмотре контейнеров LD-3, загруженных чемоданами, в конце 1995 года. Как и в настоящее время, в этих системах применялся ускоритель на основе электростатического генератора Ван-де-Граафа. Стоимость установки, способной досматривать десять авиационных контейнеров LD-3 за один час, составляла 5 млн. долларов США.

Таблица 10.1

Дата добавления: 2015-08-18