Детекторы взрывчатых и наркотических веществ на основе метода меченых нейтронов

Не задавали ли вы себе простой вопрос: почему нам не разрешают проносить в самолет никакие жидкости? Ведь современные рентгеновские сканеры в аэропортах прекрасно различают мельчайшие предметы в багаже пассажиров?

Дело в том, что рентген – это жесткое электромагнитное излучение. А электромагнитное излучение, как мы помним из школы, чувствительно только к заряду вещества Z и его плотности. 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 рентгеновские сканеры 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, возбуждение снимается испусканием жестких гамма-квантов. 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.

Пример спектра гамма-квантов для ТНТ (тротила) и гексогена показан на Рис.1.

Рис.1 Энергетические спектры гамма-квантов для ТНТ (желтая гистограмма) и гексогена (зеленая гистограмма).

Видно, что энергетический спектр состоит из отдельных линий. Большой пик при энергии 4.43 МэВ отвечает углероду. В элементном составе ТНТ (С7 N3 O6) углерода больше, чем в гексогене (С3 N6 O6), поэтому и углеродный пик в ТНТ (желтая гистограмма) намного больше, чем в гексогене.

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 Рис.2, где приведены доли водорода, кислорода, азота и углерода в обычных веществах, а также в наркотиках и взрывчатках.

Рис.2. 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).

В методе меченых нейтронов (ММН) источником нейтронов служит портативный ускоритель дейтронов, который ускоряет дейтроны до энергии порядка 100 кэВ. Дейтроны попадают на тритиевую мишень и рождают нейтроны c энергией 14 МэВ в реакции d+t→α+n. Эта реакция примечательна тем, что альфа-частица (ядро гелия) и нейтрон разлетаются практически на 180⁰

Для этого определяют время пролета, которое протекает между попаданием α-частицы в альфа-детектор и приходом γ-кванта из объекта досмотра в соответствующий гамма-детектор. Зная время пролета, можно по формуле S=v×t легко вычислить расстояние S до той точки, из которой вылетел γ-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 (см.Рис.3).

Рис.3 Схема метода меченых нейтронов.

Справа – источник нейтронов, которые рождаются при взаимодействии дейтронов d с тритиевой мишенью t. Альфа-детектор показан в виде матрицы 3×3. Два γ-детектора регистрируют "свечение" из объекта досмотра.

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 оего 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 экстравагантых применений ММН является его использования для определения жирности молодых ягнят invivo – 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 мин, 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.

В настоящее время установка детекторов на основе ММН на станциях метро и вокзалах предусмотрена в рамках федеральной программы по обеспечению безопасности населения на транспорте. Серийное производство таких детекторов осуществляется в г.Дубне нашей компанией ООО "Нейтронные технологии". Компания создана Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна) и ОАО "Роснано". Наиболее популярной разработкой стал переносной детектор ДВИН-1 (см. Рис. 4).

Рис.4 Переносной детектор взрывчатых веществ ДВИН-1.

ДВИН-1 позволяет обнаруживать более 30 взрывчатых веществ и определять их положение в объекте досмотра. Досмотр происходит одновременно в 9 меченых пучках нейтронов. Обнаружение происходит в автоматическом режиме, без участия оператора. В пассивном режиме, без включения источника нейтронов, детектор может обнаруживать радиоактивные вещества. В настоящее время 57 детекторов ДВИН-1 поставлены по заказам ЗАО РЖД и метрополитенов Москвы, Санкт-Петербурга и Новосибирска.