Реферат № 22

10.3. Гамма-активационный анализ и ядерное резонансное поглощение

Использование гамма-активационного анализа с целью обнаружения ВВ было впервые предложено лауреатом Нобелевской премии Луисом Альваресом в 1985 году. Эта методика развивалась, в том числе, и в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН). Суть метода гамма-активационного анализа (ГАА) состоит в обнаружении в исследуемом объеме повышенной концентрации азота и углерода. Используется регистрация продуктов распада короткоживущих изотопов бора-12 и азота-12 с периодами полураспада 20,2 и 11,0 мс соответственно. Изотопы рождаются в результате фотоядерных реакций азота-14 и азота-12, азота-14 и бора-12, углерода-13 и бора-12 на азоте-14 и углероде-13 (примесь углерода-13 в природном углероде составляет 1,107%) при их облучении гамма-квантами с энергией, большей следующих пороговых значений: для азота-14 – 24 и 31 МэВ, для углерода-13 – 17 МэВ. Изотопы бора-12 и азота-12 бета-активны; в процессе распада они 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 индикаторных обеспечивает высокую селективность ГАА-метода обнаружения ВВ. При облучении любых других (кроме азота-14 и углерода-13) химических элементов гамма-пучком с энергией меньше 100 МэВ не образуется никаких изотопов с периодом полураспада в диапазоне от 1 до 100 мс. Если же кратковременно облучить обследуемый объект гамма-пучком с энергией выше пороговых значений для данных реакций, то через 1-20 мс он, при наличии достаточной концентрации атомов азота или углерода, откликнется потоком вторичных частиц от распада изотопов бора-12 и азота-12. Если в течение этого времени включить на регистрацию детектор вторичного излучения, 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 (20 мс), обеспечивает высокое быстродействие метода ГАА. Процедуру поиска ВВ можно повторять с частотой 50 Гц, смещая точку облучения исследуемой зоны и осуществляя таким образом режим сканирующего обследования. Еще одно преимущество описываемой методики: в качестве как зондирующего излучения, так и носителя полезного сигнала используются гамма-кванты, обладающие высокой проникающей способностью, что позволяет просматривать достаточно объемный багаж и контейнеры.

Таким образом, ГАА благодаря малому времени распада образующихся изотопов бора-12 и азота-12 создаёт возможность определить наличие скрытого ВВ с высокой надежностью за малый промежуток времени в режиме сканирующего поиска. Точка облучения объекта, из которого был получен сигнал отклика, указывает на координаты ВВ.

Практическая реализация ГАА-метода обнаружения ВВ связана с созданием ускорительно-детектирующего комплекса, параметры которого удовлетворяют требованиям к надежности обнаружения и идентификации ВВ и обеспечивают возможность его применения в составе мобильного комплекса. Ускорительно-детектирующий комплекс (рис. 10.1) состоит из следующих основных узлов: компактного импульсного электронного ускорителя, системы сканирования, конвертора гамма-квантов и системы контроля положения пучка, быстродействующего детектора вторичного излучения.

Рис. 10.1. Структурная схема ускорительно-детектирующего комплекса

Пучок электронов из электронной пушки (ЭП), разворачиваясь на 180^о в прорезях магнитов М1 и М2, многократно проходит через ускоряющую структуру (УС) и наращивает энергию. Включается магнит вывода МВ; пучок выводится из ускорителя, фокусируется магнитными линзами Л1 и Л2, отклоняется на заданный угол магнитом сканирования СК и попадает в мишень-конвертор гамма-квантов (МК) – полосу свинца или вольфрама, тормозящую электроны. Заторможенные электроны излучают в гамма-диапазоне. Излучение проходит через многопроволочную ионизационную камеру (МИК), которая с высокой точностью «считывает» положение луча. Фотоядерные реакции, происходящие в углероде и азоте, порождают вторичное излучение, которое воспринимается детектором (ДВИ). Вторичное излучение указывает на местонахождение закладки ВВ с точностью до нескольких сантиметров.

Выбор типа ускорителя, используемого в качестве источника гамма-квантов, имеет принципиальное значение для практического использования метода в мобильных установках. При уникальных физических параметрах ускоритель должен быть надежен и обладать массогабаритными характеристиками и энергопотреблением, позволяющим разместить его на подвижном носителе. Наиболее приемлемым типом ускорителя для этих целей является разрезной микротрон – ускоритель, в котором электроны ускоряются импульсами высокочастотного электрического поля в постоянном однородном магнитном поле. Частицы вводятся в ускорительную камеру с краю магнитного поля. В месте ввода частиц помещается полый ускоряющий резонатор. При каждом обороте электроны получают энергию около 0,5 МэВ и попадают в резонатор точно в момент ускорения на каждом витке (период каждого оборота кратен периоду первого). Электроны движутся по окружности увеличивающегося радиуса, причем все окружности имеют точку касания внутри резонатора. Энергии электронов в «классических» микротронах обычно не превышают 30 МэВ ввиду ограничений на размеры постоянного магнита и возрастающих требований к однородности поля при увеличении габаритов ускорителя.

В настоящее время ограничения на энергии микротронов сняты в его модификации, называемой разрезным микротроном. Разрезной микротрон обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным линейным ускорителем:

- многократное прохождение пучка через ускоряющую структуру обеспечивает повышение электронного КПД ускорителя, что позволяет при заданной мощности питания увеличить ток ускоренного пучка и за счет этого повысить интенсивность тормозного излучения установки;

- уменьшение продольного габаритного размера и массы ускорителя;

- более высокие электронно-оптические характеристики ускоренного пучка.

Основные технические характеристики разрезного микротрона, входящего в состав приборов обнаружения ВВ, могут быть следующими: энергия электронного пучка – 50-70 МэВ, ток пучка в импульсе – до 50 мА, длительность токового импульса – около 6 мкс, частота следования импульсов – 50 Гц, габариты – см, масса – около 1500 кг, потребляемая мощность – до 20 кВт.

В методе ядерного резонансного поглощения (ЯРП) в качестве зондирующего и детектируемого излучений применяют гамма-кванты с энергией 9,17 МэВ.

Близкий к ГАА, метод ЯРП обладает следующими достоинствами:

- отсутствие наведенной активности в контролируемых предметах;

- высокая чувствительность к малым количествам азота;

- возможность инспектировать предметы больших размеров;

- возможность одновременного определения трехмерных изображений плотности вещества и концентрации атомов азота, что повышает информативность метода.

10.4. Ядерный квадрупольный резонанс

Сущность явления ЯКР заключается в следующем. Ряд элементов таблицы Менделеева имеет несферическое распределение положительного заряда в ядре. Степень несферичности оценивается особым параметром, который называется квадрупольным моментом. Если вокруг такого ядра существует локальное неоднородное электрическое поле, созданное окружающими это ядро электрическими зарядами, то наблюдается явление ЯКР: при воздействии на вещество внешнего электромагнитного поля определенной частоты имеет место резонансное поглощение энергии, а по окончании воздействия происходит излучение энергии на частоте ЯКР. Частота ЯКР зависит от формулы химического соединения, в которое входит квадрупольный элемент.

Вещество (химическое соединение) может обладать не одной, а несколькими частотами ЯКР. Количество частот ЯКР и интенсивность сигнала зависит от количества ядер данного квадрупольного элемента в формуле химического соединения, их химической эквивалентности, соединения с атомами других элементов. Особенностью ЯКР является тот факт, что среди более чем 10000 часто встречающихся химических соединений нет ни одной пары веществ, ЯКР-частоты которых совпадали бы. Поэтому частота ЯКР является своего рода паспортом химического соединения (вещества).

Рис. 10.2. ЯКР-спектр гексогена

Рис. 10.3. ЯКР-спектр октогена

Рис. 10.4. ЯКР-спектр ТЭНа

Рис. 10.5. ЯКР-спектр ТНТ

В число квадрупольных входят следующие изотопы: азот-14, хлор-35, хлор-37, бор-10, бор-11, иод-127, кислород-17, натрий-23, медь-63, медь-65 и ряд других (всего – около пятидесяти изотопов). Большинство ВВ имеет в своем составе атомы азота-14, по ЯКР‑сигналам которого производится их обнаружение. Хотя ЯКР-частота азота-14 лежит в низкочастотном диапазоне, что приводит к снижению чувствительности метода, ЯКР‑обнаружение уже становится серьезным конкурентом другим способам поиска ВВ.

Возбудив вещество, содержащее квадрупольный элемент, СВЧ-импульсом определенной частоты и получив ответный ЯКР-сигнал на данной частоте, можно однозначно говорить о наличии в исследуемом объекте именно данного вещества. В этом смысле метод ЯКР является не только обнаруживающим, но и идентифицирующим.

На рис. 10.2-10.5 показаны ЯКР-спектры гексогена, октогена, ТЭНа и ТНТ. Номенклатура отечественных и зарубежных ВВ весьма широка. Однако большинство из них являются взрывчатыми смесями, включающими данные индивидуальные ВВ. Обнаружение этих ВВ производится по ЯКР-сигналам ядер азота-14, резонансные частоты которого лежат в диапазоне 0,5-5,5 МГц, в зависимости от соединения (вещества). ЯКР-метод обнаружения ВВ имеет следующие достоинства:

- высокая избирательность к конкретному типу ВВ, способность идентификации;

- наличие других веществ в обследуемом объекте, а также механическая смесь ВВ с другими веществами (например, смесь гексогена с сахаром или мукой) не мешает обнаружению искомого ВВ, на которое настроен обнаружитель. При обнаружении смесевых ВВ прибор на основе ЯКР может вести поиск по любому индивидуальному ВВ, входящем в смесь. Отечественные (порошки A-IX-1, A-IX-2; смеси и сплавы ТГ, ТГА, МС; пластипы; эластиты и др.) и зарубежные ВВ (сплавы Composition B, Prentolite и др.; пластиты С-1, С-2, С-3, С-4, Semtex A; эластиты Detasheet A, Flex-X и др.) обнаруживаются по наличию в них гексогена и ТЭНа;

- высокая вероятность обнаружения (более 95%) при низком уровне ложных срабатываний;

- характеристики обнаружения не зависят от геометрической формы заряда ВВ (брикет, пруток, лист), а также от его расположения (сосредоточенного или фрагментарно-распределенного) в рабочей камере прибора;

- время анализа очень невелико;

- обнаружение малолетучих (например, пластитов) и герметично упакованных ВВ;

- метод ЯКР является неразрушающим. Требуемая для работы напряженность переменного магнитного поля позволяет сохранить информацию на магнитных носителях (компьютерных дискетах, кредитных карточках, магнитных лентах). Радиоустройства также не выходят из строя;

- метод является прямым, не требует калибровки прибора и интерпретации результатов оператором;

- ЯКР-аппаратура сравнительно проста, безопасна и работоспособна как в стационарном (в том числе конвейерном), так и в переносном виде;

- возможность комплексирования ЯКР-обнаружителя с приборами, построенными на основе других физических принципов (например, с РТИ) повышает достоверность обнаружения;

- возможна оценка массы искомого и обнаруженного ВВ;

- отсутствуют ионизирующие и другие вредные излучения.

Основной недостаток метода ЯКР – малая интенсивность сигналов. Для его преодоления обычно используют накопление сигналов. Влияние шума на сигналы ЯКР, полученные в результате использования многоимпульсных последовательностей, является ещё более сложным и более существенным, чем на сигналы одиночного эха. В.С. Гречишкиным и его соавторами показано, что если соотношение «сигнал-шум» равняется 0,05, то сигнал под шумом уширяется в 20 раз, что затрудняет его различение и накопление.

Кроме того, серьезное ограничение широкого распространения ЯКР – необходимость иметь достаточное количество вещества для детектирования (десятки и сотни граммов). Помимо этого, непрактично использовать прямой метод детектирования для поиска неизвестных частот, так как это занимает много времени.

Трудности в обнаружении сигналов ЯКР легких квадрупольных ядер (в том числе и азота-14) связаны с тем, что легкие ядра обладают малым квадрупольным моментом, а частота ЯКР и интенсивность спектральной линии зависят от его величины. Помимо этого, амплитуда сигнала, наводимого в приемной катушке, пропорциональна квадрату частоты, и на частотах меньше 1 МГц возникают трудности в детектировании.

Наибольшую проблему в этом отношении представляет детектирование ВВ на основе ТНТ с частотами ЯКР 840 и 740 кГц. Интенсивность линий на этих частотах мала; помимо этого, ТНТ подвержен биотрансформации (изменению химического состава под воздействием плесневых грибов и местных микробных сообществ), что дополнительно уширяет спектральные линии.

Для повышения чувствительности при детектировании таких легких ядер с успехом используются косвенные методики: адиабатическое размагничивание и, прежде всего, различные варианты двойного ядерного квадрупольного резонанса (ДЯКР).

Явление ДЯКР наблюдается на образцах, имеющих две спиновые системы, связанные друг с другом посредством диполь-дипольных взаимодействий. Слабый сигнал ЯКР одной спин-системы регистрируется косвенно по изменению сильного сигнала (двойной ЯКР-ЯКР) или сигнала ЯМР (двойной ЯКР-ЯМР) другой спиновой системы.

Двойной ЯКР-ЯКР, или чистый квадрупольный двойной резонанс, подразделяется на спин-эхо-двойной резонанс, двойной резонанс во вращающейся системе координат, стационарный двойной и нерезонансный двойной резонансы.

В двойном ЯКР-ЯМР, независимо от применяемого метода, сначала магнитная система охлаждается в процессе адиабатического размагничивания, а затем квадрупольная система подвергается максимально возможному возмущению и осуществляется ее контакт с магнитной системой. После этого измеряется остаточная намагниченность магнитной системы.

При использовании указанных методик чувствительность детектирования возрастает на один-два порядка.

ЯКР-установки для обнаружения ВВ производятся фирмами Naval Research Laboratory, Quantum Magnetics и Martin Marrietta в США, Hitachi в Японии и British Technology Group Ltd. в Великобритании. Наиболее известны ЯКР-обнаружители ВВ, выпускаемые фирмой Quantum Magnetics (США, с сентября 1997 года– в составе компании InVision). Она производит следующие ЯКР-обнаружители ВВ:

- обнаружитель конвейерного типа для досмотра мелкого багажа пассажиров в аэропортах «Q-Scan QR-160» с объемом рабочей камеры 160 литров ( см);

- обнаружитель конвейерного типа для досмотра крупного багажа в аэропортах «Q‑Scan QR-500» с объемом рабочей камеры 500 литров ( см).

Рис. 10.6. Обнаружитель взрывчатых веществ «ЯКР-160»

Рис. 10.7. Обнаружитель взрывчатых веществ «ЯКР-25»

Рис. 10.8. Прибор «ЯКР-15» для контроля корреспонденции

и других небольших объектов

Рис. 10.9. Прибор кабинного типа «ЯКР-К»

для контроля обуви пассажиров без её снятия

Российские ООО «Логис» (см. рис. 10.6-10.9) и НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова создают ЯКР-обнаружители, применимые для поиска ВВ в разных условиях и в различных сферах деятельности человека. По данным специалистов НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова (г. Тула), ЯКР-обнаружители позволяют найти ВВ и наркотические вещества массой от 3-5 г в почтовых отправлениях и ручной клади объёма до 25 л за 10-25 с. Но элементарное экранирование от СВЧ-излучения может поставить непреодолимую преграду обнаружению ВВ с помощью указанного метода. Это замечание следует отнести и к различным металлическим транспортным контейнерам. Таким образом, наиболее целесообразно использование ЯКР-техники в комплексе с другими техническими средствами обнаружения ВВ. ЯКР-установки в полевых условиях могут быть объединены в единый поисковый комплект с миноискателями и георадарами, в условиях контроля пассажиров и багажа – с МД, газоанализаторами и РТИ.

ЯКР-обнаружение ВВ, как и любой подобный метод, не является идеальным. В частности, из вышеприведённых материалов следует, что ВВ, находящееся в металлическом или металлизированном корпусе, данным методом не обнаруживается.

ЛИТЕРАТУРА ДЛЯ РЕФЕРАТОВ 21-22

1. Артамонов В.С., Васильев Н.Н., Гадышев В.А., Гельфанд Б.Е., Михайлин А.И., Сильников М.В., Шишкин В.Н. Технические средства подавления и обезвреживания взрывных устройств. Учебное пособие. СПб.: Санкт-Петербургский институт ГПС МЧС России, 2005. 159 с.

2. Северов Н.В. Применение робототехники в чрезвычайных ситуациях: теория и практика. Новогорск, 2003. 241 с.

3. Лопота В.А., Юревич Е.И. О путях решения некоторых стратегических

6. Буняков В.А., Лопота В.А., Юревич Е.И. Разработки ЦНИИ РТК по визуальному очувствлению роботов // Актуальные проблемы защиты и безопасности. Труды Девятой Всероссийской научно-технической конференции. Том 1. Технические средства противодействия терроризму и оружие нелетального действия. СПб., 2006.

7. Юревич Е.И. Состояние и перспективы развития интеллектуальной робототехники // Вопросы оборонной техники. Сер. 16. Технические средства противодействия терроризму. 2003. Вып. 9-10.

8. Медвецкий С.В., Космачев П.В. Анализ конструктивных схем движителей транспортных средств мобильных робототехнических комплексов для выполнения антитеррористических операций // Актуальные проблемы защиты и безопасности. Труды Девятой Всероссийской научно-технической конференции. Том 1. Технические средства противодействия терроризму и оружие нелетального действия. СПб., 2006.

Дата добавления: 2015-08-18