Ядерно-физический метод обнаружения взрывчатых и делящихся веществ на основе использования импульсных источников нейтронного излучения

Актуальность проблемы обнаружения взрывчатых (ВВ) и делящихся (ДВ) веществ в настоящее время обусловлена резким ростом количества и разнообразием форм террористических актов, охвативших многие страны мира, в том числе и Россию. Борьба с этими преступлениями невозможна без оснащения соответствующих служб эффективными техническими средствами обнаружения замаскированных ВВ.

Если ранее задача обнаружения ВВ заключалась в поиске металлических оболочек гранат или мин из традиционных взрывчатых материалов типа динамит, тротил и т. д., то в настоящее время эта задача существенно усложнилась из-за применения пластиковых безоболочечных ВВ. Данные материалы по разрушительной силе значительно превосходят ранее известные и могут производиться в виде пластин толщиной ~5 мм («листовые» ВВ), которым можно придать любую форму.

К настоящему времени предложено большое количество различных методов и технических средств обнаружения ВВ и ДВ, однако не существует метода, способного обеспечить 100% вероятность их обнаружения. Вследствие этого, разрабатываются новые методы, в том числе и ядерно-физические, способные повысить эффективность обнаружения ВВ. Важно подчеркнуть, что только ядерно-физические методы позволяют выявлять присутствие замаскированных ВВ.

На предотвращение распространения ядерных оружейных материалов и технологий направлено действие ряда международных договоров и соглашений. Это подчеркивает актуальность задачи разработки методов и создания аппаратных средств обнаружения и контроля несанкционированного перемещения ДВ.

Цель работы.

Целью настоящей работы являются:

• разработка ядерно-физического метода обнаружения ВВ и ДВ с использованием импульсного периодического источника нейтронного излучения;

• разработка теоретических методов, алгоритмов и вычислительных программ оптимизации временных и энергетических параметров импульсного периодического источника быстрых нейтронов для обнаружения ВВ и ДВ;

• разработка физической модели комплекса обнаружения ВВ и ДВ с использованием импульсного периодического источника нейтронного излучения и системы детектирования, сбора и обработки спектрометрической информации для идентификации искомых материалов.

Научная новизна.

Научная новизна работы заключается в разработке нового ядерно-физического метода обнаружения ВВ и ДВ, основанного на применении импульсного периодического источника быстрых нейтронов и анализе спектров вторичных излучений из ядерных реакций.

Конкретные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить ряд новых результатов:

• Предложен ядерно-физический метод обнаружения ВВ и ДВ с использованием импульсного периодического источника, позволяющий повысить вероятность и достоверность идентификации по сравнению с существующими методами. Получено экспериментальное подтверждение метода;

• Разработаны теоретические методы и пакет вычислительных программ моделирования ядерно-физических процессов взаимодействия протонов, нейтронов и дейтронов с веществом в широком диапазоне энергий. В частности, предложены методы расчета двойных дифференциальных сечений (p, n), (d, n) реакций и реакций под действием нейтронов в области до 20 МэВ, а также алгоритм расчета дифференциальных распределений нейтронов, образующихся при взаимодействии протонов и дейтронов с толстой мишенью;

• Проведена оптимизация временных и энергетических параметров периодического источника нейтронного излучения предложенного ядерно-физического метода с целью получения максимальной вероятности, достоверности и экспрессности обнаружения ВВ и ДВ;

• Предложена физическая модель комплекса обнаружения ВВ и ДВ на базе импульсного периодического источника нейтронов.

Практическая ценность работы.

Предложенный ядерно-физический метод обнаружения ВВ и ДВ защищен патентом РФ.

На основе предложенного ядерно-физического метода в НПК ЛУЦ ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова создается комплекс обнаружения ВВ и ДВ с использованием линейного высокочастотного ускорителя ионов.

Данный ядерно-физический метод позволяет, кроме обнаружения ДВ и ВВ, также проводить обнаружение наркотических веществ растительного происхождения и драгоценных металлов.

Разработано, изготовлено и испытано ядерно-физическое оборудование детектирования, сбора и обработки спектрометрической информации для комплекса обнаружения ВВ и ДВ.

Теоретические и экспериментальные результаты, полученные в работе, использовались при выполнении хоздоговорных и госбюджетных работ в НПК ЛУЦ ФГУП НИИЭФА им. Д. В. Ефремова в период с 1995 по 2002 годы.

Положения, выносимые на защиту.

1. Ядерно-физический метод обнаружения ВВ и ДВ с использованием импульсного периодического источника нейтронов, позволяющий повысить вероятность и достоверность обнаружения ВВ и ДВ;

2. Методы, алгоритмы и вычислительные программы оптимизации энергетических и временных параметров импульсного периодического источника нейтронного излучения для обнаружения ВВ и ДВ, включающие в себя программы расчетов ядерно-физических характеристик вторичного ионизирующего излучения из ядерных реакций под действием протонов, нейтронов и дейтронов с веществом в широком энергетическом диапазоне;

3. Физическая модель комплекса обнаружения ВВ и ДВ на базе высокочастотных сильноточных линейных ускорителей ионов водорода.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Восьмом, Девятом и Десятом совещании по применению ускорителей заряженных частиц в промышленности и медицине (Санкт-Петербург, 1995, 1998, 2001) — Совещаниях по ускорителям заряженных частиц (Протвино, 1994 и 1996 годы) — Международном совещании BDO (Beam dynamic optimization)-94, BDO-96 и BDO-99 (Санкт-Петербург, 1994, 1996 и Саратов, 1999) — XVI международном семинаре по линейным ускорителям заряженных частиц (Алушта, 1999) — II, III и V всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы защиты и безопасности» (Санкт-Петербург, 1999, 2000 и 2002) — XX международной конференции LINAC-2000 (Монтерей, США, 2000), 11 конференции по радиационной физике и химии конденсированных веществ (Томск, 2002), XVIII конференции RUPAC-2002 (Обнинск, 2002).

Результаты работы программы представлены на рис. 1.2−1.4. В качестве источника нейтронного излучения использовались нейтроны из реакции взаимодействия дейтронов с энергией 0.7 МэВ с ядрами лития.

1.2).

3.2 [27].

3,5×10″ 3 3,0×10″ 3 з- 2,5×10″ 3.

0 о. н щ 2,0×10″ 3 1 1.

2 1,5×10'3 ia:

CD.

2 ,.

5 1,0×10 ГО 1.

5,0×10″ 4 0,0.

2000 4000 6000 8000 10 000 12 000 14 000.

Энергия, кэВ.

Рис. 1.2. Выход гамма-квантов из реакции неупругого рассеяния нейтронов (из реакции d+7Li, Ed = 0,7 МэВ) с ядрами углерода.

1,2×10″ 3.

1,0×10″ 3.

0 8,0×10″ 4.

Q. I->S CD.

Р 6,0×10″ 4 х ПJ ш.

§ 4,0×10−4 2 ГО 1.

2,0×10'4 0,0.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000.

Энергия, кэВ.

Рис. 1.3. Выход гамма-квантов из реакции неупругого рассеяния нейтронов (из реакции d+7Zz, Ed = 0,7 МэВ) с ядрами азота.

4438 кзВ.

9637 к эЕ.

3214.8 кэВ 1 8268 кэВ 12 703 кэВ 1.

2С Я 2.6 !• эВ.

1635.2 к: iB 5104.9 к эВ 7027.2 к:

—" J I -—— ll •.

2,0×10″ 3 1,8×10″ 3 1,6×10″ 3.

I 1,4×10″ 3.

0 о.

1,2×10″ 3 Ф.

— 5 з.

1,0×10 X.

S 8,0×10″ 4 го.

1 6,0×10″ 4 го.

4,0×10″ 4 2,0×10″ 4 0,0.

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000.

Энергия, кэВ.

Рис. 1.4. Выход гамма-квантов из реакции неупругого рассеяния нейтронов (из реакции d+7Li, Ed = 0,7 МэВ) с ядрами кислорода.

Из рис. 1.2−1.4 видно, что наиболее информативными (т.е. имеют наибольший выход) для азота являются гамма-кванты с энергией 1,64, 2,31, 5,11, 7,03 МэВ, для кислорода — 2,74, 6.13, 6.92, 7,12 МэВ и для углерода линия характеристического излучения с энергией 4,44, 9,63, 12,71 МэВ.

На рисунке 1.5 представлен расчетный спектр гамма-квантов из тротила при обучении его нейтронами из реакции d+ Li.

6128.6 кэВ.

27 41.5 кэЕ.

7115.2 о В.

I.

— — -г— 1 ¦ ,.,. i 1 1 1.

7,0×10″ 3.

6,0×10″ 3×5,0×10″ 3 О о. ь щ 4,0×10'3 х р X.

2 з, ох1 о3 ьг П5.

2 2,0×10″ 3 со L.

1,0×10″ 3.

0,0.

Рис. 1.5. Выход гамма-квантов из реакции неупругого рассеяния нейтронов (из реакции d+'Li, Ed = 0,7 МэВ) с ВВ (тротил, см. табл 1.1).

С — 4438 кэВ.

0−6128.6 i кэВ.

• 0−2741 .5 кэВ • 9637 кэВ.

0−71 15.2 кэВ в, h. «'l ¦-1- I.

0 2000 4000 6000 8000 10 000 12 000.

Энергия, кэВ.

Радиационный захват нейтронов.

В результате радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами !4N l4N (n, y)15N) образуются гамма-кванты с энергией 10.83 МэВ.

Содержание изотопа 14N в естественной смеси составляет 99,63%. Сечение реакции радиационного захвата нейтронов ядрами азота с увеличением энергии уменьшается как 1/Е, а для тепловых нейтронов равно 75 мб. Спектр излучения дочернего ядра, 5N имеет гамма-линию с энергией 10,83 МэВ, интенсивностью 14% на один захваченный нейтрон. Отметим, что эта энергия является одной из наибольших энергий гамма-квантов, возникающих при радиационном захвате тепловых нейтронов различными ядрами.

Нейтронно-активационный анализ по короткоживущим радиоизотопам.

Среди современных аналитических методов определения элементного состава вещества особое место принадлежит активационному анализу [28, 29], который в настоящее время позволяет получать результаты по чувствительности, точности и экспрессности намного превосходящие возможности методов аналитической химии. Активационный анализ, который может использовать практически все типы ядерных взаимодействий, состоит из двух этапов — облучение образца потоком активирующего излучения и исследование характеристик наведенной активности. В основе большинства методик измерения наведенной активности лежит спектрометрия гамма-излучения с использованием сцинтилляционных или полупроводниковых спектрометров. В результате взаимодействия активирующего излучения с ядрами элементов образуется, как правило, большое количество радионуклидов, в том числе и короткоживущих. При прочих равных условиях, меньшему периоду полураспада соответствует большее значение измеряемого полезного сигнала. Следовательно, при анализе по короткоживущим нуклидам возрастает отношение сигнал/фон, что ведет к уменьшению пределов обнаружения элементов и сокращению времени анализа.

Классификация нуклидов по периоду полураспада определяется в НАА условиями эксперимента, в частности, временными параметрами источника облучения и временем измерения tm. В общем случае в качестве короткоживущих можно рассматривать те нуклиды, для которых Atm > 1, где Хпостоянная распада, связанная с периодом полураспада соотношением Х = Ln{l)lTxn. Кроме этого общего условия необходимо учитывать быстродействие и эффективность современной спектрометрической аппаратуры. В настоящее время к категории короткоживущих относят те нуклиды, период полураспада которых лежит в диапазоне 10″ 3 с < Т½ < 102 с.

Использование импульсного периодического источника позволяет использовать циклический метод НАА по короткоживущим изотопам. Основа метода состоит в многократном повторении цикла облучениеизмерение, что создает значительные преимущества, особенно при анализе по короткоживущим нуклидам: значительно уменьшается статистическая погрешность измерений, увеличивается чувствительность и точность анализа. Предлагается следующий временной режим анализа. Исследуемый образец облучают нейтронным импульсным потоком. В промежутке между импульсами, после задержки в течение времени t3, производят измерение наведенной активности. Затем циклы облучение — измерение повторяются.

В табл. 1.7 представлены некоторые элементы, которые могут быть обнаружены методом НАА при энергии нейтронного излучения до 10 МэВ [30]. В табл. 1.7 представлены не все элементы, которые могут быть обнаружены с помощью НАА по короткоживущим радиоизотопам при энергия нейтронного излучения до 10 МэВ. Представлены только элементы которые во первых представляют интерес для целей обнаружения ВВ (кислород и хлор использующийся в производстве современных ВВ [17]) и во вторых драгоценные металлы серебро, золото и платина.

Заключение

.

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования обнаружения ВВ и ДВ позволяют сделать следующие выводы:

1. Разработан ядерно-физический метод обнаружения ВВ, основанный на регистрации характеристического гамма излучения из реакций неупругого рассеяния нейтронов, захвата нейтронов, короткоживущих радиоизотопов, образованных при взаимодействии нейтронов с характерными элементами ВВ, позволяющий повысить вероятность и достоверность обнаружения ВВ по сравнению с существующими.

2. Разработаны теоретические методы и вычислительные программы для расчетов ядерно-физических процессов взаимодействия протонов, нейтронов и дейтронов с веществом в энергетическом диапазоне от 0,1 до 100 МэВ. Использование различных модельных представлений о ядерных реакциях, а также современных библиотек оцененных ядерных данных позволило создать вычислительную программу для расчета основных характеристик вторичного излучения из ядерных реакций под действием протонов, нейтронов и дейтронов с достаточно высокой точностью (1015%) и сравнительно небольшим временем счета.

3. Разработаны вычислительные программы оптимизации временных и энергетических параметров импульсного периодического нейтронного источника для реализации методики определения взрывчатых веществ. Показано, что для получения максимальной достоверности обнаружения ВВ импульсный источник нейтронного излучения должен обладать следующими характеристиками: энергия нейтронного излучения 8−10 МэВ, длительность макроимпульса — 100 мкс, частота их повторения -1000 Гц, длительность микроимпульсов в течении макроимпульса — 1 мкс, интервал между микроимпульсами — 5 мкс.

4. Показана возможность совмещения в одном комплексе ядерно-физических методов обнаружения ДВ и ВВ с использованием в качестве зондирующего излучения оптимизированный по энергии и временным параметрам источник импульсного нейтронного излучения обнаружения ВВ.

5. Показана возможность обнаружения ДВ при использовании методики, основанной на измерении временных спектров вторичного нейтронного излучения методом синхронного детектора.

6. Предложена физическая модель комплекса обнаружения взрывчатых и делящихся веществ на базе линейного ускорителя ионов водорода. Разработана и изготовлена ядерно-физическая аппаратура для регистрации энергетических и временных характеристик нейтронного и гамма-излучений, включающая в себя систему регистрации, систему сбора и обработки спектрометрической информации.

7. Проведена экспериментальная апробация предложенного метода определения ВВ и ДВ с использованием разработанной аппаратуры. Доказана принципиальная возможность реализации предложенных методик для целей обнаружения ВВ и ДВ на базе импульсного периодического источника нейтронного излучения.