RU2095796C1 - Method for detection and non-destructive analysis of materials which have nuclei of light elements - Google Patents
Method for detection and non-destructive analysis of materials which have nuclei of light elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2095796C1 RU2095796C1 RU9696112738A RU96112738A RU2095796C1 RU 2095796 C1 RU2095796 C1 RU 2095796C1 RU 9696112738 A RU9696112738 A RU 9696112738A RU 96112738 A RU96112738 A RU 96112738A RU 2095796 C1 RU2095796 C1 RU 2095796C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- neutron
- coordinates
- sensitive
- fast
- neutrons
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 51
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 title claims description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 title abstract description 47
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title abstract description 11
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 107
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 90
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 64
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 42
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 20
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000004004 elastic neutron scattering Methods 0.000 claims description 9
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 5
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000000470 constituent Substances 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000011835 investigation Methods 0.000 abstract 2
- 239000011368 organic material Substances 0.000 abstract 1
- 239000008207 working material Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 14
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 14
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 13
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 9
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 8
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 8
- 229910052722 tritium Inorganic materials 0.000 description 8
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 7
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 6
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000000599 controlled substance Substances 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 4
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001956 neutron scattering Methods 0.000 description 3
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 3
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N Tritium Chemical compound [3H] YZCKVEUIGOORGS-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 2
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 2
- 238000000084 gamma-ray spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SPSSULHKWOKEEL-UHFFFAOYSA-N 2,4,6-trinitrotoluene Chemical compound CC1=C([N+]([O-])=O)C=C([N+]([O-])=O)C=C1[N+]([O-])=O SPSSULHKWOKEEL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N alpha-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 1
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005442 electron-positron pair Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004081 narcotic agent Substances 0.000 description 1
- 210000002569 neuron Anatomy 0.000 description 1
- 239000011824 nuclear material Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000009291 secondary effect Effects 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000000015 trinitrotoluene Substances 0.000 description 1
- -1 water-filled Chemical compound 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
- G01V5/00—Prospecting or detecting by the use of ionising radiation, e.g. of natural or induced radioactivity
- G01V5/20—Detecting prohibited goods, e.g. weapons, explosives, hazardous substances, contraband or smuggled objects
- G01V5/22—Active interrogation, i.e. by irradiating objects or goods using external radiation sources, e.g. using gamma rays or cosmic rays
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
- G01N23/20—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
- G01N23/203—Measuring back scattering
- G01N23/204—Measuring back scattering using neutrons
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Geophysics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Pathology (AREA)
- Immunology (AREA)
- Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)
- Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способам обнаружения и неразрушающего анализа веществ, содержащих ядра легких элементов, путем определения изотопного и элементного состава и пространственного расположения таких веществ. The invention relates to methods for detecting and non-destructive analysis of substances containing nuclei of light elements by determining the isotopic and elemental composition and spatial location of such substances.
Известно, что большинство веществ, представляющих интерес для неразрушающего анализа и контроля, в том числе органических веществ, характеризуется наличием в их составе водорода, азота, углерода, кислорода и ряда других легких химических элементов с атомными массами до 30. Химический состав таких веществ характеризуется определенными соотношениями между количеством ядер легких химических элементов. Присутствие некоторых из них, в частности азота, используется для обнаружения взрывчатых веществ, например, в багаже пассажиров с целью обеспечения безопасности перевозок. Различия в ядерных свойствах легких химических элементов позволяют использовать различные ядерно-физические методы неразрушающего анализа для обнаружения, например, органических веществ и определения их пространственного расположения в содержимом различных объектов, например упаковок, без их вскрытия. Одним из известных ядерно-физических методов, позволяющих использовать различия в ядерно-физических свойствах легких элементов для обнаружения и анализа веществ, в том числе взрывчатых веществ и наркотиков, является метод, основанный на регистрации вторичных эффектов, вызванных облучением анализируемого объекта нейтронами. Известен способ для обнаружения взрывчатых веществ, в основе которого лежит известный физический эффект радиационного захвата медленных (тепловых) нейтронов ядрами определенного химического элемента с последующим испусканием гамма-квантов, регистрируемых детекторами гамма-квантов [1] Первичный пучок нейтронов, направляемых на исследуемый объект, генерируется путем облучения мишени из лития пучком ускоренных протонов. Использование литьевой мишени позволяет получить пучок нейтронов, энергетический спектр которых содержит значительную долю нейтронов малых энергий. Дальнейшее замедление нейтронов до тепловых энергий осуществляется в материале анализируемого объекта и в стенках измерительной камеры, в которую помещается исследуемый объект и которая выполнена из материалов, хорошо замедляющих нейтроны. При радиационном захвате тепловых нейтронов ядрами анализируемого вещества происходит последующее испускание гамма-квантов, обладающих определенным спектром энергий, зависящим от типа ядра, захватившего нейтрон. Спектры энергии гамма-квантов, возникающих вследствие радиационного захвата тепловых нейтронов ядрами водорода, углерода и азота, входящих в состав известных взрывчатых веществ, различны. Различия в диапазонах энергий позволяет различать гамма-кванты, генерируемые каждым из этих элементов. Регистрация испущенных гамма-квантов с последующим анализом их пространственно-энергетического распределения позволяет определить массы и пространственное распределение азота, углерода и водорода в исследуемом объекте. На основе такого анализа делается вывод о наличии в исследуемом объекте взрывчатых веществ. It is known that most substances of interest for non-destructive analysis and control, including organic substances, are characterized by the presence of hydrogen, nitrogen, carbon, oxygen and some other light chemical elements with atomic masses of up to 30 in their composition. The chemical composition of such substances is characterized by certain ratios between the number of nuclei of light chemical elements. The presence of some of them, in particular nitrogen, is used to detect explosives, for example, in the baggage of passengers in order to ensure the safety of transport. Differences in the nuclear properties of light chemical elements make it possible to use various nuclear physical methods of non-destructive analysis to detect, for example, organic substances and determine their spatial location in the contents of various objects, such as packages, without opening them. One of the well-known nuclear-physical methods that make it possible to use differences in the nuclear-physical properties of light elements to detect and analyze substances, including explosives and drugs, is a method based on recording secondary effects caused by neutron irradiation of the analyzed object. A known method for detecting explosives, which is based on the known physical effect of the radiation capture of slow (thermal) neutrons by the nuclei of a specific chemical element with the subsequent emission of gamma rays detected by gamma-ray detectors [1] A primary neutron beam directed to the object under study is generated by irradiating a target from lithium with a beam of accelerated protons. The use of an injection target makes it possible to obtain a neutron beam whose energy spectrum contains a significant fraction of low-energy neutrons. Further deceleration of neutrons to thermal energies is carried out in the material of the analyzed object and in the walls of the measuring chamber in which the studied object is placed and which is made of materials that slow neutrons well. During the radiative capture of thermal neutrons by the nuclei of the analyte, subsequent emission of gamma rays occurs, having a certain energy spectrum, depending on the type of nucleus that has captured the neutron. The energy spectra of gamma rays resulting from the radiation capture of thermal neutrons by the nuclei of hydrogen, carbon and nitrogen, which are part of the known explosives, are different. The differences in the energy ranges makes it possible to distinguish between the gamma rays generated by each of these elements. Registration of emitted gamma rays with subsequent analysis of their spatial energy distribution allows us to determine the mass and spatial distribution of nitrogen, carbon and hydrogen in the studied object. Based on this analysis, it is concluded that explosives are present in the test object.
Недостатком известного способа является то, что эффективность определения массы анализируемого элемента существенно зависит от величины сечения радиационного захвата нейтронов. Для водорода, азота и углерода сечения радиационного захвата для тепловых нейтронов со средней энергией 0,0253 эВ равны, соответственно, 0,3300, 0,1000 и 0,0045 б. Молекулы большинства известных взрывчатых веществ как и наркотиков, содержат большое количество атомов водорода и углерода и относительно меньшее количество атомов азота, кислорода и, возможно, других легких элементов. Доли атомов водорода и углерода в молекулах таких веществ весьма близки. Однако сечение радиационного захвата водорода больше сечения радиационного захвата углерода примерно в 70 раз. Поэтому эффективность определения массы углерода и соотношения масс углерода и водорода относительно невелика, а увеличение потока нейтронов для повышения эффективности определения углерода приводит к увеличению остаточной активности анализируемого объекта за счет радиационного захвата нейтронов в других элементах, которые могут находиться в анализируемом объекте, в том числе элементов, обладающих относительно большим периодом радиационного распада, таких, как натрий, калий и многие другие. Один из принципиальных компонентов известных взрывчатых веществ и наркотиков кислород, практически не обнаруживается этим методом. Случайное или умышленное экранирование исследуемого вещества материалами, хорошо поглощающими тепловые нейтроны, например бором или кадмием, путем помещения исследуемого вещества в упаковку, содержащую такие элементы, значительно снижает эффективность применения этого способа обнаружения взрывчатых веществ и наркотиков. The disadvantage of this method is that the effectiveness of determining the mass of the analyzed element substantially depends on the cross-section of the radiation capture of neutrons. For hydrogen, nitrogen, and carbon, the radiative capture cross sections for thermal neutrons with an average energy of 0.0253 eV are 0.3300, 0.1000, and 0.0045 b, respectively. The molecules of most known explosives, like drugs, contain a large number of hydrogen and carbon atoms and a relatively smaller number of nitrogen, oxygen and, possibly, other light elements. The fractions of hydrogen and carbon atoms in the molecules of such substances are very close. However, the cross section for radiative capture of hydrogen is approximately 70 times greater than the cross section for radiation capture of carbon. Therefore, the efficiency of determining the mass of carbon and the ratio of the masses of carbon and hydrogen is relatively small, and an increase in the neutron flux to increase the efficiency of determining carbon leads to an increase in the residual activity of the analyzed object due to radiation capture of neutrons in other elements that may be in the analyzed object, including elements having a relatively large period of radiation decay, such as sodium, potassium and many others. One of the principal components of known explosives and narcotics oxygen is practically not detected by this method. Accidental or deliberate shielding of the test substance by materials that absorb thermal neutrons well, such as boron or cadmium, by placing the test substance in a package containing such elements, significantly reduces the effectiveness of this method of detecting explosives and drugs.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является выбранный в качестве прототипа способ определения изотопного состава и пространственного распределения веществ, в том числе, взрывчатых веществ и наркотиков, находящихся внутри анализируемого объекта, которым может быть как багаж, так и другие объекты, анализируемые без вскрытия или разрушения упаковки, включающий облучение анализируемого объекта потоком быстрых моноэнергетический нейтронов, генерируемых в результате реакции в материале мишени, сопровождаемой образованием заряженных частиц отдачи, с определением момента времени возникновения, величины энергии и вектора исходного движения нейтронов по моменту времени регистрации и координатам точки взаимодействия заряженных частиц отдачи с позиционно-чувствительными детекторами заряженных частиц отдачи [2] Кроме того, в известном способе позиционно-чувствительным гамма-детектором регистрируют спектр гамма-излучения, порождаемый вследствие реакции взаимодействия быстрых нейтронов с веществами анализируемого объекта [2] Согласно этому способу, поток быстрых моноэнергетических нейтронов создается генератором быстрых нейтронов в результате реакции ускоренных дейтонов на тритиевой мишени. Генерация каждого нейтрона сопровождается рождением "связанной" с ним альфа-частицы отдачи, испускаемой в направлении, противоположном направлению движения нейтрона. Позиционно-чувствительный альфа-детектор позволяет определить момент времени возникновения, величину энергии и вектор исходного движения каждого генерируемого нейтрона. Регистрация гамма-квантов позиционно-чувствительным детектором в моменты времени, коррелирующие с моментами времени регистрации альфа-частиц с учетом скорости движения быстрых нейтронов и гамма-квантов, используется для фиксации того, что зарегистрированные гамма-кванты порождены реакцией, вызванной нейтронами, движущимися вдоль вектора исходного движения. Регистрируемый спектр энергий гамма-квантов используется для того, чтобы идентифицировать делящиеся материалы по гамма-квантам деления и определить многие другие изотопы, имеющие массовое число, превышающее массовое число бора, по спектру гамма-квантов от реакции неупругого рассеяния быстрых нейтронов. Различие во времени детектирования гамма-квантов и альфа-частицы используется для определения расстояния вдоль вектора исходного движения нейронов от мишени, на которой происходит генерация нейтронов, до области, в которой происходит взаимодействие быстрого нейтрона с материалом анализируемого объекта, приводящее к появлению гамма-излучения. Анализ спектра гамма-квантов позволяет определить изотоп, на котором произошла реакция взаимодействия с быстрым нейтроном. Применение позиционно-чувствительного детектора гамма-квантов позволяет определить область в материале анализируемого объекта, в которой произошла эта реакция. Регистрация множества таких событий позволяет построить трехмерное пространственное расположение веществ в материале анализируемого объекта и обнаружить присутствие контролируемых веществ, которыми могут быть ядерные материалы, химические взрывчатые вещества и наркотики, содержащие изотопы с массовым числом, равным или превышающим массовое число изотопов бора. Closest to the technical nature of the proposed method is the selected as a prototype method for determining the isotopic composition and spatial distribution of substances, including explosives and drugs located inside the analyzed object, which can be either baggage or other objects analyzed without opening or destruction of the package, including irradiation of the analyzed object with a stream of fast monoenergetic neutrons generated as a result of the reaction in the target material, we accompany the formation of charged recoil particles, with the determination of the time of occurrence, the magnitude of the energy and the vector of the initial neutron motion at the time of registration and the coordinates of the point of interaction of the charged recoil particles with position-sensitive detectors of charged recoil particles [2] in addition, in the known method position-sensitive a gamma-ray detector records the gamma-ray spectrum generated by the reaction of the interaction of fast neutrons with the substances of the analyzed object [2] According to this benefits, the flux of fast neutrons creates monoenergetic fast neutron generator by the reaction of deuterons accelerated in the tritium target. The generation of each neutron is accompanied by the birth of an "associated" alpha particle recoil emitted in the direction opposite to the direction of motion of the neutron. The position-sensitive alpha detector allows you to determine the time of occurrence, the magnitude of the energy and the initial motion vector of each generated neutron. The registration of gamma quanta by a position-sensitive detector at time instants that correlate with the time of registration of alpha particles, taking into account the speed of fast neutrons and gamma quanta, is used to fix the fact that the registered gamma quanta are generated by the reaction caused by neutrons moving along the vector original motion. The recorded spectrum of gamma-ray energies is used to identify fissile materials by fission gamma-quanta and to determine many other isotopes having a mass number exceeding the boron mass number from the gamma-ray spectrum from the inelastic fast neutron scattering reaction. The difference in the detection time of gamma rays and alpha particles is used to determine the distance along the initial motion vector of neurons from the target at which neutrons are generated to the region in which the fast neutron interacts with the material of the analyzed object, which leads to the appearance of gamma radiation. An analysis of the spectrum of gamma rays makes it possible to determine the isotope on which the reaction of interaction with a fast neutron occurred. The use of a position-sensitive gamma-ray detector allows one to determine the region in the material of the analyzed object in which this reaction occurred. The registration of many such events allows one to construct a three-dimensional spatial arrangement of substances in the material of the analyzed object and to detect the presence of controlled substances, which may be nuclear materials, chemical explosives and drugs containing isotopes with a mass number equal to or greater than the mass number of boron isotopes.
Недостатком известного способа является то, что определение типа изотопа и пространственного расположения ядра изотопа, с которым взаимодействует быстрый нейтрон, осуществляется по спектру гамма-излучения, порождаемого вследствие взаимодействия быстрого нейтрона с веществами анализируемого объекта. Источниками дополнительного гамма-излучения, помимо реакций деления и реакции неупругого рассеяния на быстрых нейтронах, являются реакция радиационного захвата и реакция повторного неупругого рассеяния ранее рассеянных быстрых нейтронов. Каждая из этих реакций сопровождается излучением гамма-квантов в широком диапазоне энергий, что затрудняет решение задачи идентификации типа изотопа, генерировавшего гамма-излучение, и определения области пространства, в котором произошла эта реакция. Наличие водорода в составе материала анализируемого объекта по направлению вектора движения быстрых нейтронов приводит к снижению интенсивности потока быстрых нейтронов за счет реакции упругого рассеяния на водороде и появлению земельных нейтронов, для которых сечение реакции радиационного захвата ядрами изотопов материала анализируемого объекта существенно выше, чем для первичных быстрых нейтронов. Реакция радиационного захвата замедленных на водороде нейтронов является дополнительным источником гамма-излучения, затрудняющим анализ регистрируемых гамма-спектров и увеличивающим ошибку в определении типа изотопов и пространственного положения области, в которой произошла реакция нейтрона с ядром, входящим в состав материала анализируемого объекта. Случайное или умышленное экранирование исследуемого вещества материалами, хорошо замедляющими нейтроны, например содержащими большое количество водорода, путем помещения исследуемого вещества в упаковку типа заполненного водой контейнера, или экранирование исследуемого вещества материалами, имеющими большое сечение радиационного захвата быстрых нейтронов, например титаном или медью, значительно снижает эффективность применения этого способа для обнаружения контролируемых веществ. Кроме того, случайное или умышленное экранирование исследуемого вещества относительно тяжелыми материалами, содержащими элементы с большими атомными номерами, приводит к поглощению гамма-квантов, генерированных контролируемыми веществами, за счет фотоэлектрического эффекта и эффекта образования пар электрон-позитрон, и искажению их спектра за счет комптоновского рассеяния, что также значительно снижает эффективность применения этого способа для обнаружения контролируемых веществ. The disadvantage of this method is that the determination of the type of isotope and the spatial arrangement of the nucleus of the isotope with which the fast neutron interacts is carried out by the spectrum of gamma radiation generated due to the interaction of the fast neutron with the substances of the analyzed object. Sources of additional gamma radiation, in addition to fission reactions and inelastic scattering reactions by fast neutrons, are the radiation capture reaction and the re-inelastic scattering reaction of previously scattered fast neutrons. Each of these reactions is accompanied by the emission of gamma rays in a wide energy range, which makes it difficult to solve the problem of identifying the type of isotope that generated gamma radiation and determining the region of space in which this reaction occurred. The presence of hydrogen in the material of the analyzed object in the direction of the vector of fast neutron motion leads to a decrease in the intensity of the fast neutron flux due to the elastic scattering reaction on hydrogen and the appearance of ground neutrons, for which the cross section of the radiation capture by nuclei of isotopes of the material of the analyzed object is much higher than for primary fast neutrons. The radiation capture reaction of neutrons slowed by hydrogen is an additional source of gamma radiation, which complicates the analysis of recorded gamma spectra and increases the error in determining the type of isotopes and spatial position of the region in which the neutron reacts with the nucleus that is part of the material of the analyzed object. Accidental or deliberate shielding of a test substance with materials that slow neutrons well, for example, containing a large amount of hydrogen, by placing the test substance in a package such as a container filled with water, or shielding a test substance with materials having a large cross section for radiative capture of fast neutrons, such as titanium or copper, significantly reduces the effectiveness of this method for the detection of controlled substances. In addition, accidental or intentional shielding of the test substance with relatively heavy materials containing elements with large atomic numbers leads to the absorption of gamma rays generated by the controlled substances due to the photoelectric effect and the formation of electron-positron pairs, and to distort their spectrum due to Compton scattering, which also significantly reduces the effectiveness of the application of this method for the detection of controlled substances.
Техническим результатом изобретения является повышение точности изотопного и элементного состава, массы и пространственного распределения веществ, в том числе органических, содержащих в основном легкие химические элементы с атомными массами до 30, с практическим исключением возможности случайного или умышленного экранирования или сокрытия исследуемого вещества в анализируемом объекте, которым может быть как багаж, так и другие объекты, не допускающие вскрытия или нарушения целостности с целью анализа их содержимого, что достигается за счет того, что в способе, включающем в себя облучение анализируемого объекта потоком быстрых моноэнергетических нейтронов, генерируемых в результате реакции в материале мишени, сопровождаемой образованием заряженных частиц отдачи, с определением моментов времени возникновения, величин энергии и векторов исходного движения нейтронов по моментам времени регистрации и координатам точек взаимодействия заряженных частиц отдачи с позиционно-чувствительными детекторами заряженных частиц отдачи, регистрирующих нейтроны, однократно упруго рассеянные на веществах внутри анализируемого объекта, а об элементном составе и пространственном распределении веществ в анализируемом объекте судят по величинам масс ядер входящих в них элементов, определяемых по величинам энергий и углов рассеяния нейтронов с известными моментами времени возникновения, величиной энергии и векторами исходного движения, претерпевших однократное упругое рассеяние в веществах анализируемого объекта, и координатам точек, в которых произошло это рассеяние, путем регистрации моментов времени и координат точек двух последующих взаимодействий каждого из этих нейтронов с рабочим веществом двух и более позиционно-чувствительных детекторов нейтронов, причем первое из взаимодействий является реакцией упругого рассеяния нейтронов на известном рабочем веществе этих детекторов. Кроме того, регистрацию моментов времени и координат точек второго взаимодействия нейтронов с известным рабочим веществом позиционно-чувствительных детекторов нейтронов осуществляют по реакции упругого рассеяния нейтронов на рабочем веществе этих детекторов. Кроме того, регистрацию моментов времени и координат точек первой реакции упругого рассеяния нейтронов на рабочем веществе позиционно-чувствительных детекторов нейтронов осуществляют путем регистрации моментов времени и координат точек возникновения протонов отдачи в водородсодержащем рабочем веществе детектора нейтронов. Кроме того, регистрацию моментов времени и координат точек обоих реакций рассеяния нейтронов на рабочем веществе позиционно-чувствительных детекторов нейтронов осуществляют путем регистрации моментов времени и координат точек возникновения протонов отдачи в водородсодержащем рабочем веществе детекторов нейтронов. Кроме того, определение моментов времени возникновения, величин энергии и векторов исходного движения нейтронов, образуемых в результате реакции генерации нейтронов в материале мишени, осуществляют путем измерения моментов времени и координат взаимодействия заряженных частиц отдачи с позиционно-чувствительными детекторами заряженных частиц в двух последовательных точках траектории движения заряженных частиц отдачи. The technical result of the invention is to increase the accuracy of the isotopic and elemental composition, mass and spatial distribution of substances, including organic ones, containing mainly light chemical elements with atomic masses up to 30, with the practical exception of the possibility of accidental or intentional screening or hiding of the test substance in the analyzed object, which can be both baggage and other objects that do not allow opening or violation of integrity in order to analyze their contents, which is achieved and due to the fact that in a method that involves irradiating an analyzed object with a stream of fast monoenergetic neutrons generated as a result of a reaction in a target material, accompanied by the formation of charged recoil particles, with determination of the time of occurrence, energy values and vectors of the initial neutron motion from the time of registration and the coordinates of the points of interaction of charged recoil particles with position-sensitive detectors of charged recoil particles detecting neutrons, once they are scattered on substances inside the analyzed object, and the elemental composition and spatial distribution of substances in the analyzed object are judged by the masses of the nuclei of their constituent elements, determined by the energies and neutron scattering angles with known moments of occurrence, the magnitude of the energy and the vectors of the initial motion, having undergone a single elastic scattering in the substances of the analyzed object, and the coordinates of the points at which this scattering occurred, by recording the time instants and coordinates the points of the two subsequent interactions of each of these neutrons with the working substance of two or more position-sensitive neutron detectors, the first of which is the reaction of elastic neutron scattering by the known working substance of these detectors. In addition, the registration of time points and coordinates of the points of the second interaction of neutrons with a known working substance of position-sensitive neutron detectors is carried out by the elastic neutron scattering reaction on the working substance of these detectors. In addition, the moments of time and the coordinates of the points of the first elastic neutron scattering reaction on the working substance of position-sensitive neutron detectors are recorded by recording the times and coordinates of the occurrence points of the recoil protons in the hydrogen-containing working substance of the neutron detector. In addition, the time moments and coordinates of the points of both neutron scattering reactions on the working substance of position-sensitive neutron detectors are recorded by registering the moments of time and coordinates of the occurrence points of recoil protons in the hydrogen-containing working substance of neutron detectors. In addition, the determination of the time of occurrence, energy values and vectors of the initial neutron motion formed as a result of the neutron generation reaction in the target material is carried out by measuring the time moments and coordinates of the interaction of charged recoil particles with position-sensitive charged particle detectors at two consecutive points of the motion path charged particle recoil.
В соответствии с изобретением поток первичных быстрых моноэнергетических нейтронов, генерируемых источником, например, использующим дейтерий-трититевую реакцию на материале мишени с энергией моноэнергетических нейтронов около 14 МэВ, направляют на анализируемый объект. При однократном упругом рассеянии этих нейтронов на ядрах веществ, из которых состоит анализируемый объект, энергия первичного однократно рассеянного нейтрона E1 является функцией начальной энергии нейтрона E0, его массы рассеивающего ядра M в атомных единицах массы и угла рассеяния θ и определяется известным соотношением
E1 = Eo•((M2-1+cos2θ)0,5+cosθ)2/(M+1)2 (1)
Зная начальную энергию первичного моноэнергетического нейтрона E0, определив энергию E1 этого нейтрона после однократного события упругого потенциального рассеяния и угол рассеяния "тэта", можно вычислить массу M ядра, на котором произошло рассеяние. Определив координату точки генерации первичного нейтрона, направление его движения и координату точки регистрации однократно упруго рассеянного быстрого нейтрона, можно определить координату точки, в которой произошло это упругое рассеяние. Таким образом определяется как масса M ядра элемента, на котором произошло упругое рассеяние, так и координата точки рассеяния в анализируемом объекте. Определение координаты и момента времени генерации первичного моноэнергетического нейтрона осуществляется какими-либо известными способами. Например, при использовании для генерации быстрых моноэнергетических нейтронов с энергией около 14 МэВ дейтерий-тритиевой реакции на материале мишени, момент генерации нейтрона и исходное направление его движения определяется по заряженным частицам отдачи (моноэнергетическим альфа-частицам), образуемым в результате дейтерий-тритиевой реакции на мишени и обладающих энергией около 3,6 МэВ. Направление движения в этой реакции заряженных частиц отдачи обратно направлению движения порожденных быстрых нейтронов с точностью до относительно малой поправки на импульс пучка дейтонов, воздействующих на мишень. При использовании для генерации быстрых нейтронов дейтерий-тритиевой реакции начальная энергия нейтрона E0, энергия дейтронов Ed и угол μ между вектором пучка дейтронов и вектором исходного движения быстрого нейтрона связаны известным соотношением
где Q энергия реакции, равная 17,6 МэВ. При этом начальная энергия заряженной частицы отдачи в виде альфа-частицы Eα и начальная энергия нейтрона E0 связана соотношением
Eα+Eo = Q (3)
Начальные скорости альфа-частицы Vα и нейтрона V0 определяются известными соотношениями
где энергии Eα и E0 измеряется в МэВ и скорости Vα и V0 в см/с. Знание координат вектора пучка дейтонов, определяемых конструкцией генератора быстрых нейтронов, и регистрация координаты взаимодействия альфа-частицы с помощью позиционно-чувствительного детектора, располагаемого на известном расстоянии от мишени, наряду с регистрацией момента взаимодействия альфа-частицы с детектором, позволяют опеределить момент времени генерации нейтрона на мишени, координату точки генерации нейтрона, начальную энергию нейтрона и направление вектора его движения в сторону анализируемого объекта. Регистрация быстрого первичного нейтрона, упруго рассеянного на ядре исследуемого вещества в анализируемом объекте, осуществляется в первом позиционно-чувствительном детекторе быстрых нейтронов по реакции упругого рассеяния первичного рассеянного быстрого нейтрона на рабочем веществе этого детектора, атомная масса основного рассеивателя которого известна и которым может быть, например, водород. При этом регистрируется момент времени и координата точки упругого рассеяния нейтронов. Первичный нейтрон, упруго рассеянный на исследуемом материале анализируемого объекта и затем второй раз упруго рассеянный на материале первого детектора, взаимодействует с рабочим веществом второго позиционно-чувствительного детектора. При этом фиксируется момент времени и координата точки этого взаимодействия. По разности координат точек взаимодействия первичного упруго рассеянного нейтрона с известными рабочими веществами первого и второго позиционно-чувствительных детекторов определяется путь, пройденный нейтроном между детекторами. По разности моментов времени регистрации взаимодействия нейтрона с известными рабочими веществами первого и второго позиционно-чувствительных детекторов и пройденному пути определяется скорость, направление вектора движения и энергия нейтрона, рассеянного на первом позиционно-чувствительном детекторе. Зная массу ядра основного рассеивателя быстрых нейтронов в материале первого позиционно-чувствительного детектора нейтронов, энергию рассеянного в данном детекторе нейтрона, скорость и вектор направления движения этого нейтрона, момент его регистрации в указанном детекторе и координаты точки его взаимодействия с рабочим веществом этого детектора, а также момент генерации, координаты точки генерации, начальную энергию и вектор направления движения первичного быстрого моноэнергетического нейтрона, можно с использованием соотношения (1) вычислить угол упругого рассеяния первичного быстрого моноэнергетического нейтрона на ядре исследуемого вещества анализируемого объекта, массу данного ядра и координаты точки, в которой находится это ядро. Направляя на анализируемый объект поток моноэнергетических быстрых нейтронов в течение некоторого периода времени и измеряя указанные параметры первичных и упруго рассеянных быстрых нейтронов, можно накопить описанную статистическую информацию. Математическая обработка полученной информации с помощью средств вычислительной техники позволяет определить массы изотопов и элементарный состав, вероятную химическую формулу, массу и пространственное расположение веществ, находящихся в анализируемом объекте.In accordance with the invention, the flow of primary fast monoenergetic neutrons generated by a source, for example, using a deuterium-tritium reaction on a target material with monoenergetic neutron energies of about 14 MeV, is directed to the analyzed object. For a single elastic scattering of these neutrons by the nuclei of the substances that make up the analyzed object, the energy of the primary single scattered neutron E1 is a function of the initial neutron energy E0, its mass of the scattering nucleus M in atomic units of mass and scattering angle θ and is determined by the known relation
E1 = Eo • ((M 2 -1 + cos 2 θ) 0.5 + cosθ) 2 / (M + 1) 2 (1)
Knowing the initial energy of the primary monoenergetic neutron E0, determining the energy E1 of this neutron after a single event of elastic potential scattering and the scattering angle "theta", we can calculate the mass M of the nucleus at which the scattering occurred. Having determined the coordinate of the primary neutron generation point, the direction of its motion, and the coordinate of the registration point of a single elastically scattered fast neutron, we can determine the coordinate of the point at which this elastic scattering occurred. Thus, both the mass M of the nucleus of the element on which elastic scattering has occurred and the coordinate of the scattering point in the analyzed object are determined. The determination of the coordinate and the instant of generation of the primary monoenergetic neutron is carried out by any known methods. For example, when deuterium-tritium reaction is used to generate fast monoenergetic neutrons with an energy of about 14 MeV on the target material, the moment of neutron generation and the initial direction of its motion are determined by the charged recoil particles (monoenergetic alpha particles) formed as a result of deuterium-tritium reaction on target and possessing an energy of about 3.6 MeV. The direction of motion in this reaction of the charged recoil particles is opposite to the direction of motion of the generated fast neutrons, up to a relatively small correction for the momentum of the beam of deuterons acting on the target. When a deuterium-tritium reaction is used to generate fast neutrons, the initial neutron energy E0, deuteron energy Ed, and the angle μ between the deuteron beam vector and the initial vector of fast neutron motion are related by the known relation
where Q is the reaction energy of 17.6 MeV. In this case, the initial energy of a charged recoil particle in the form of an alpha particle Eα and the initial neutron energy E0 are related by
Eα + Eo = Q (3)
The initial velocities of the alpha particle Vα and the neutron V0 are determined by the known relations
where the energies Eα and E0 are measured in MeV and the velocities Vα and V0 in cm / s. Knowing the coordinates of the deuteron beam vector, determined by the design of the fast neutron generator, and recording the coordinate of the alpha particle interaction using a position-sensitive detector located at a known distance from the target, along with recording the moment of interaction of the alpha particle with the detector, we can determine the time of neutron generation on the target, the coordinate of the neutron generation point, the initial neutron energy and the direction of its motion vector towards the analyzed object. The registration of a fast primary neutron elastically scattered on the nucleus of a test substance in the analyzed object is carried out in the first positionally sensitive fast neutron detector by the elastic scattering reaction of a primary scattered fast neutron on the working substance of this detector, the atomic mass of which is known and can be, for example hydrogen. In this case, the time instant and the coordinate of the elastic neutron scattering point are recorded. The primary neutron, elastically scattered on the studied material of the analyzed object and then a second time elastically scattered on the material of the first detector, interacts with the working substance of the second position-sensitive detector. In this case, the moment of time and the coordinate of the point of this interaction are fixed. From the difference in the coordinates of the points of interaction of the primary elastically scattered neutron with the known working substances of the first and second position-sensitive detectors, the path traveled by the neutron between the detectors is determined. The speed, direction of the motion vector and the energy of the neutron scattered by the first position-sensitive detector are determined by the difference in the time moments of recording the interaction of a neutron with known working substances of the first and second position-sensitive detectors and the distance traveled. Knowing the mass of the core of the main fast neutron scatterer in the material of the first position-sensitive neutron detector, the energy of the neutron scattered in this detector, the speed and direction vector of this neutron, its registration moment in the specified detector and the coordinates of its interaction with the working substance of this detector, as well the moment of generation, the coordinates of the point of generation, the initial energy and the direction vector of the motion of the primary fast monoenergetic neutron, using the relation (1) calculate the angle of elastic scattering of the primary fast monoenergetic neutron at the nucleus of the analyte of the analyzed object, the mass of this nucleus and the coordinates of the point at which this nucleus is located. By directing a stream of monoenergetic fast neutrons to an object under analysis for a certain period of time and measuring the indicated parameters of primary and elastically scattered fast neutrons, one can accumulate the described statistical information. Mathematical processing of the obtained information using computer technology allows you to determine the mass of isotopes and elementary composition, the probable chemical formula, mass and spatial location of substances in the analyzed object.
Предложенный способ не известен из уровня техники, следовательно он является новым. The proposed method is not known from the prior art, therefore, it is new.
Предложенный способ явным образом не следует из уровня техники, следовательно он имеет изобретательский уровень. The proposed method does not explicitly follow from the prior art, therefore, it has an inventive step.
Предложенный способ может быть использован в промышленности и медицине, в частности для неразрушающего анализа веществ, имеющих в своем составе в основном легкие химические элементы с относительно малой атомной массой до 30 атомных единиц массы, например, содержащихся в объектах, не допускающих нарушения их целостности при проведении измерений. Известно, что большинство органических веществ, в том числе, взрывчатых веществ и наркотиков, характеризуется наличием в их составе в основном водорода, азота, углерода, кислорода, т. е. легких химических элементов с атомными массами входящих в них изотопов до 30 атомных единиц массы. Химический состав таких веществ характеризуется определенными соотношениями между количеством ядер легких химических элементов. Определив описанным способом химический состав исследуемого вещества, можно осуществить его идентификацию сравнением с данными по химическому составу известных веществ, определив при этом массу исследуемого вещества и его пространственное расположение в анализируемом объекте без нарушения его целостности. Следовательно, предложенный способ является промышленно применимым и социально приемлемым. The proposed method can be used in industry and medicine, in particular for non-destructive analysis of substances containing mainly light chemical elements with a relatively small atomic mass of up to 30 atomic mass units, for example, contained in objects that do not allow violation of their integrity during measurements. It is known that most organic substances, including explosives and drugs, are characterized by the presence in their composition mainly of hydrogen, nitrogen, carbon, oxygen, i.e. light chemical elements with atomic masses of isotopes of up to 30 atomic units of mass . The chemical composition of such substances is characterized by certain ratios between the number of nuclei of light chemical elements. Having determined the chemical composition of the test substance in the described manner, it can be identified by comparison with the chemical composition of known substances, determining the mass of the test substance and its spatial location in the analyzed object without violating its integrity. Therefore, the proposed method is industrially applicable and socially acceptable.
Предложенный способ обнаружения и неразрушающего анализа веществ, содержащих ядра легких элементов, осуществляется следующим образом. The proposed method for the detection and non-destructive analysis of substances containing nuclei of light elements is as follows.
Ускоренный пучок заряженных частиц, например дейтонов, формируемый ускорительным устройством 1 и движущийся по траектории, указанной вектором BS, направляют на мишень 2, содержащую, например, тритий, в точке S которой происходит реакция образования первичного быстрого нейтрона и заряженной частицы отдачи, например альфа-частицы. Направление движения первичного быстрого нейтрона определено вектором ST. Заряженная частица отдачи, альфа-частица, движется в обратном направлении, определенным вектором SA. Угол "мю" между векторами BS и ST и энергии ускоренной заряженной частицы, например дейтона Ed, и порожденного первичного быстрого нейтрона E0 связаны соотношением (2). Заряженную частицу отдачи, например альфа-частицу, с вектором направления движения SA в точке А регистрируют позиционно-чувствительным детектором заряженных частиц 3. Позиционно-чувствительный детектор 3 регистрирует момент времени и координаты точки взаимодействия заряженной частицы отдачи с материалом позиционно-чувствительного детектора 3. Ускорительное устройство 1, мишень 2, позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц 3 расположены в объеме устройства генерации нейтронов 4, защищенном оболочкой 5, которая снабжена коллиматором для выхода первичных быстрых нейтронов в направлении анализируемого объекта 6. В точке T анализируемого объекта 6 первичный быстрый нейтрон упруго рассеивается на веществе 7 материала анализируемого объекта и продолжает движение в направлении вектора TD. Угол q упругого рассеяния первичного быстрого нейтрона является углом между векторами ST и TD. Взаимосвязь угла упругого рассеяния q, начальной энергии первичного нейтрона E0, энергии нейтрона после однократного упругого рассеяния E1 и массы рассеивающего ядра M в атомных единицах массы определены соотношением (1). При движении упруго рассеянного нейтрона в направлении, определенном вектором TD, в точке D позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8 происходит последующее, второе по счету, упругое рассеяние быстрого нейтрона на рабочем веществе детектора 8. Вторично упруго рассеянный быстрый нейтрон движется в направлении, определенном вектором DC. Угол n второго упругого рассеяния является углом между векторами TD и DC. Взаимосвязь угла упругого рассеяния n, энергии однократно рассеянного нейтрона E1, энергии нейтрона после второго упругого рассеяния E2 и массы рассеивающего ядра M известного рабочего вещества детектора 8 в атомных единицах массы также подчиняется соотношению (1). Позиционно-чувствительный детектор быстрых нейтронов 8 регистрирует момент времени и координаты точки взаимодействия быстрого нейтрона с известным рабочим веществом детектора 8. При движении вторичного упруго рассеянного нейтрона в направлении, определенном вектором DC, в точке C другого позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 9 происходит последующее, третье по счету, взаимодействие дважды упруго рассеянного быстрого нейтрона на рабочем веществе детектора 9. Этим взаимодействием может быть как упругое рассеивание быстрого нейтрона на рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора нейтронов 9, так и любое другое взаимодействие нейтронов с рабочим веществом детектора 9, используемое для регистрации момента времени и координат точки взаимодействия нейтрона. При осуществлении предложенного способа регистрируют момент времени и координаты точки A взаимодействия заряженной частицы отдачи с позиционно-чувствительным детектором 3, момент времени и координаты точки второго упругого рассеяния в точке D с известным рабочим веществом позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8, момент времени и координаты точки последующего взаимодействия дважды упруго рассеянного нейтрона в точке C с известным рабочим веществом позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 9. При известных из конструкции устройства генерации нейтронов 4 координатах точки B выхода пучка ускоренных части из ускоренного устройства 1, координатах точки S падения пучка ускоренных частиц на материал мишени 2 с использованием соотношений (1), (2), (3), (4) и известных соотношений трехмерной аналитической геометрии, а также зарегистрированных моментов времени и координат точек A, D и C событий взаимодействия с заряженной частицей отдачи и с быстрым нейтроном и с учетом того, что пара векторов BS и ST лежит в одной плоскости с углом m между ними, а пара векторов TD и DC лежит в другой плоскости с углом "ню" между ними, решением полученной системы уравнений определяют координаты точки T и величину массы ядра M, на котором произошло первое упругое рассеяние быстрого нейтрона. При применении относительно крупной по размерам мишени 2 для генерации быстрых нейтронов повышение точности определения координат точки S, в которой происходит генерация первичного быстрого нейтрона, осуществляют за счет применения двух позиционно-чувствительных детекторов заряженных части отдачи, из которых первый по направлению вектора SA позиционно-чувствительный детектор 3 регистрирует момент времени и координату точки A пролета заряженной частицы отдачи, а второй позиционно-чувствительный детектор 10 заряженных частиц отдачи, располагаемый по направлению вектора SA за детектором 3, регистрирует момент времени и координату точки E второго взаимодействия заряженной частицы отдачи с детектором 10. Регистрация множества взаимодействий быстрых нейтронов с материалами анализируемого объекта позволяет получить информацию о массах ядер и их пространственном расположении в анализируемом объекте. По массе ядер определяют химические элементы, к которым они принадлежат. Численным интегрированием по некоторому объему анализируемого объекта получают количество ядер различных химических элементов в пределах этого объема. Соотношения количеств ядер различных химических элементов используют для определения наиболее вероятной химической формулы вещества материала анализируемого объекта. По данным о плоскости вероятного вещества и интегрируемому объему анализируемого объекта определяют массу этого вещества и его пространственное расположение. An accelerated beam of charged particles, for example deuterons, formed by the accelerator 1 and moving along the trajectory indicated by the vector BS, is directed to the
На фиг. 1 представлено схематическое изображение пространственных траекторий движения ускоренного пучка заряженных частиц, заряженной частицы отдачи, и быстрого нейтрона, иллюстрирующее основные положения предлагаемого способа, где 1 ускорительное устройство генератора быстрых нейтронов; 2 - мишень генератора быстрых нейтронов; 3 позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц отдачи; 4 устройство генерации нейтронов; 5 защитная оболочка генератора быстрых нейтронов, снабженная коллиматором для выхода первичных быстрых нейтронов в направлении анализируемого объекта; 6 - анализируемый объект (багаж, упаковка); 7 вещества анализируемого объекта; 8 позиционо-чувствительный детектор быстрых нейтронов; 9 - позиционо-чувствительный детектор быстрых нейтронов. In FIG. 1 is a schematic representation of spatial motion paths of an accelerated beam of charged particles, a charged recoil particle, and a fast neutron, illustrating the main points of the proposed method, where 1 is an accelerator device of a fast neutron generator; 2 - target of a fast neutron generator; 3 position-sensitive charged particle recoil detector; 4 neutron generation device; 5 a protective shell of the fast neutron generator, equipped with a collimator for the output of primary fast neutrons in the direction of the analyzed object; 6 - the analyzed object (baggage, packaging); 7 substances of the analyzed object; 8 position-sensitive fast neutron detector; 9 - position-sensitive detector of fast neutrons.
Кроме того, на фиг. 1 приведены некоторые геометрические характеристики предлагаемого способа, где A точка регистрации траектории заряженной частицы отдачи в позиционно-чувствительном детекторе заряженных частиц отдачи 3; B - точка выхода пучка заряженных частиц из ускорительного устройства 1 генератора быстрых нейтронов, помещенного в защитную оболочку 5; D точка упругого рассеяния быстрого нейтрона, испытавшего однократное упругое рассеяние в материале анализируемого объекта, на рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8; C точка взаимодействия быстрого нейтрона, испытавшего однократное упругое рассеяние в рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8, с рабочим веществом другого позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 9; S точка генерации быстрого моноэнергетического нейтрона в мишени 2; T точка упругого рассеяния быстрого моноэнергетического нейтрона в веществах анализируемого объекта; SA вектор траектории заряженной частицы отдачи; BS вектор траектории пучка заряженных частиц, генерированного ускорительным устройством 1 генератора быстрых нейтронов, снабженных оболочкой 5; ST вектор траектории моноэнергетического быстрого нейтрона, генерированного в точке S мишени источника нейтронов; TD вектор траектории быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного в точке T анализируемого объекта; DC вектор траектории быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного в точке D рабочего вещества позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8; m угол между вектором пучка заряженных частиц BS, генерированного ускорительным устройством 1 генератора быстрых нейтронов, и вектором траектории ST генерированного быстрого моноэнергетического нейтрона; q угол упругого рассеяния быстрого моноэнергетического нейтрона на ядре вещества анализируемого объекта; n угол упругого рассеяния быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного на материале анализируемого объекта, на рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8. In addition, in FIG. 1 shows some geometric characteristics of the proposed method, where A is the registration point of the trajectory of a charged recoil particle in a position-sensitive detector of charged recoil particles 3; B is the exit point of the beam of charged particles from the accelerator device 1 of the fast neutron generator, placed in a protective shell 5; D is the elastic scattering point of a fast neutron that has experienced a single elastic scattering in the material of the analyzed object, on the working substance of a position-sensitive fast neutron detector 8; C is the interaction point of a fast neutron that has experienced a single elastic scattering in the working medium of a position-sensitive fast neutron detector 8, with the working medium of another position-sensitive fast neutron detector 9; S is the point of generation of a fast monoenergetic neutron in target 2; T is the point of elastic scattering of a fast monoenergetic neutron in the substances of the analyzed object; SA is the vector of the trajectory of the charged recoil particle; BS is the vector of the trajectory of a beam of charged particles generated by the accelerator device 1 of a fast neutron generator equipped with a shell 5; ST is a trajectory vector of a monoenergetic fast neutron generated at a point S of a target of a neutron source; TD is the vector of the trajectory of a fast neutron, once elastically scattered at the point T of the analyzed object; DC vector of the trajectory of a fast neutron, once elastically scattered at a point D of the working substance of a position-sensitive detector of fast neutrons 8; m is the angle between the vector of the beam of charged particles BS generated by the fast neutron generator accelerator 1 and the trajectory vector ST of the generated fast monoenergetic neutron; q angle of elastic scattering of a fast monoenergetic neutron at the nucleus of the substance of the analyzed object; n the angle of elastic scattering of a fast neutron, once elastically scattered on the material of the analyzed object, on the working substance of a position-sensitive detector of fast neutrons 8.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение пространственных траекторий движения ускоренного пучка заряженных частиц, заряженной частицы отдачи и быстрого нейтрона при применении двух последовательных позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц отдачи, где 1 - ускорительное устройство генератора быстрых нейтронов; 2 мишень генератора быстрых нейтронов; 3 позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц отдачи; 4 устройство генерации нейтронов; 5 защитная оболочка генератора быстрых нейтронов, снабженная коллиматором для выхода первичных быстрых нейтронов в направлении анализируемого объекта; 10 второй позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц отдачи. In FIG. 2 is a schematic representation of the spatial motion paths of an accelerated beam of charged particles, a charged recoil particle and a fast neutron using two sequential position-sensitive detectors of charged recoil particles, where 1 is an accelerator device of a fast neutron generator; 2 target of a fast neutron generator; 3 position-sensitive charged particle recoil detector; 4 neutron generation device; 5 a protective shell of the fast neutron generator, equipped with a collimator for the output of primary fast neutrons in the direction of the analyzed object; 10 second position-sensitive charged recoil particle detector.
Кроме того, на фиг.2 приведены некоторые геометрические характеристики предлагаемого способа, где A точка регистрации траектории заряженной частицы отдачи в позиционно-чувствительном детекторе заряженных частиц отдачи 3; B - точка выхода пучка заряженных частиц из ускорительного устройства 1 генератора быстрых нейтронов, помещенного в защитную оболочку 5; E точка регистрации траектории заряженной частицы отдачи в позиционно-чувствительном детекторе заряженных частиц отдачи 10; S точка генерации быстрого моноэнергетического нейтрона в мишени 2; T точка упругого рассеяния быстрого моноэнергетического нейтрона в материале анализируемого объекта; SA вектор траектории заряженной частицы отдачи; BS вектор траектории пучка заряженных частиц, генерированного ускорительным устройством 1 генератора быстрых нейтронов, снабженного оболочкой 5; ST вектор траектории моноэнергетического быстрого нейтрона, генерированного в точке S мишени источника нейтронов; "мю" угол между вектором пучка заряженных частиц BS, генерированного ускорительным устройством 1 генератора быстрых нейтронов, и вектором траектории ST генерированного быстрого моноэнергетического нейтрона. In addition, figure 2 shows some geometric characteristics of the proposed method, where A is the registration point of the trajectory of the charged recoil particle in a position-sensitive detector of charged
На фиг. 3 представлена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где 5 защитная оболочка генератора быстрых нейтронов, снабженная коллиматором для выхода первичных быстрых нейтронов в направлении анализируемого объекта; 6 анализируемый объект (багаж, упаковка); 8 - позиционо-чувствительный детектор быстрых нейтронов; 9 - позиционо-чувствительный детектор быстрых нейтронов; 11 транспортный конвейер для транспортировки анализируемых объектов в измерительный объем устройства; 12 конструктивный пространственный элемент устройства, объединяющий набор из нескольких позиционно-чувствительных детекторов быстрых нейтронов и образующий измерительный объем, внутрь которого помещается анализируемый объект; 13 устройство сбора и обработки измерительной информации с позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц отдачи и быстрых нейтронов с устройством графического отображения обработанной информации. In FIG. 3 is a schematic diagram of a device that implements the proposed method, where 5 a protective shell of a fast neutron generator, equipped with a collimator for the output of primary fast neutrons in the direction of the analyzed object; 6 analyzed object (baggage, packaging); 8 - position-sensitive detector of fast neutrons; 9 - position-sensitive detector of fast neutrons; 11 transport conveyor for transporting the analyzed objects in the measuring volume of the device; 12 constructive spatial element of the device, combining a set of several position-sensitive fast neutron detectors and forming a measuring volume, into which the analyzed object is placed; 13 a device for collecting and processing measurement information from position-sensitive detectors of charged recoil particles and fast neutrons with a device for graphically displaying processed information.
Кроме того, на фиг. 3 приведены некоторые геометрические характеристики предлагаемого способа, где T точка упругого рассеяния быстрого моноэнергетического нейтрона в материале анализируемого объекта; ST вектор траектории моноэнергетического быстрого нейтрона, генерированного источником нейтронов; TD вектор траектории быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного в точке T анализируемого объекта; DC вектор траектории быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного в рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8;
На фиг. 1 3 схематично изображены основные элементы конструкции устройства, реализующего предлагаемый способ, где 1 ускорительное устройство генератора быстрых нейтронов; 2 мишень генератора быстрых нейтронов; 3 - позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц отдачи; 4 устройство генерации нейтронов; 5 защитная оболочка генератора быстрых нейтронов, снабженная коллиматором для выхода первичных быстрых нейтронов в направлении анализируемого объекта; 6 анализируемый объект (багаж, упаковка); 7 - вещества анализируемого объекта; 8 позиционно-чувствительный детектор быстрых нейтронов; 9 позиционно-чувствительный детектор быстрых нейтронов; 10 второй позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц отдачи; 11 - транспортный конвейер для транспортировки анализируемых объектов в измерительный объем устройства; 12 конструктивный пространственный элемент устройства, объединяющий набор из нескольких позиционно-чувствительных детекторов быстрых нейтронов и образующий измерительный объем, внутрь которого помещается анализируемый объект; 13 устройство сбора и обработки измерительной информации с позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц отдачи и быстрых нейтронов с устройством графического отображения обработанной информации.In addition, in FIG. 3 shows some geometric characteristics of the proposed method, where T is the elastic scattering point of a fast monoenergetic neutron in the material of the analyzed object; ST is the trajectory vector of a monoenergetic fast neutron generated by a neutron source; TD is the vector of the trajectory of a fast neutron, once elastically scattered at the point T of the analyzed object; DC vector of the trajectory of a fast neutron, once elastically scattered in the working substance of a position-sensitive detector of fast neutrons 8;
In FIG. 1 3 schematically shows the basic structural elements of a device that implements the proposed method, where 1 accelerator device of a fast neutron generator; 2 target of a fast neutron generator; 3 - position-sensitive detector of recoil charged particles; 4 neutron generation device; 5 a protective shell of the fast neutron generator, equipped with a collimator for the output of primary fast neutrons in the direction of the analyzed object; 6 analyzed object (baggage, packaging); 7 - substances of the analyzed object; 8 position-sensitive fast neutron detector; 9 position-sensitive fast neutron detector; 10 second position-sensitive charged particle recoil detector; 11 - transport conveyor for transporting the analyzed objects in the measuring volume of the device; 12 constructive spatial element of the device, combining a set of several position-sensitive fast neutron detectors and forming a measuring volume inside which the analyzed object is placed; 13 a device for collecting and processing measurement information from position-sensitive detectors of charged recoil particles and fast neutrons with a device for graphically displaying processed information.
Кроме того, на фиг. 1 3 приведены некоторые геометрические характеристики предлагаемого способа и реализующей его конструкции, где A - точка регистрации траектории заряженной частицы отдачи в позиционно-чувствительном детекторе заряженных частиц отдачи 3; B точка выхода пучка заряженных частиц из ускорительного устройства 1 генератора быстрых нейтронов, помещенного в защитную оболочку 5; D точка упругого рассеяния быстрого нейтрона, испытавшего однократное упругое рассеяние в материале анализируемого объекта, на рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 12; C точка взаимодействия быстрого нейтрона, испытавшего однократное упругое рассеяние в рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8, с рабочим веществом другого позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 9; E точка регистрации траектории заряженной частицы отдачи в позиционно-чувствительном детекторе заряженных частиц отдачи 10; S точка генерации быстрого моноэнергетического нейтрона в мишени 2; T точка упругого рассеяния быстрого моноэнергетического нейтрона в материале анализируемого объекта; SA вектор траектории заряженной частицы отдачи; BS вектор траектории пучка заряженных частиц, генерированного ускорительным устройством 1 генератора быстрых нейтронов, снабженного оболочкой 5; ST вектор траектории моноэнергетического быстрого нейтрона, генерированного в точке S мишени источника нейтронов; TD вектор траектории быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного в точке T анализируемого объекта; DC вектор траектории быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного в точке D рабочего вещества позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8; m угол между вектором пучка заряженных частиц BS, генерированного ускорительным устройством 1 генератора быстрых нейтронов, и вектором траектории ST генерированного быстрого моноэнергетического нейтрона; q угол упругого рассеяния быстрого моноэнергетического нейтрона на ядре материала анализируемого объекта; n угол упругого рассеяния быстрого нейтрона, однократно упруго рассеянного на материале анализируемого объекта, на рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8. In addition, in FIG. 1 3 shows some geometric characteristics of the proposed method and its design, where A is the registration point of the trajectory of the charged recoil particle in a position-sensitive detector of charged recoil particles 3; B is the exit point of the beam of charged particles from the accelerator device 1 of the fast neutron generator, placed in a protective shell 5; D is the point of elastic scattering of a fast neutron, which experienced a single elastic scattering in the material of the analyzed object, on the working substance of the position-sensitive detector of fast neutrons 12; C is the interaction point of a fast neutron that has experienced a single elastic scattering in the working medium of a position-sensitive fast neutron detector 8, with the working medium of another position-sensitive fast neutron detector 9; E is the registration point of the trajectory of a charged recoil particle in a position-sensitive detector of charged recoil particles 10; S is the point of generation of a fast monoenergetic neutron in target 2; T is the elastic scattering point of a fast monoenergetic neutron in the material of the analyzed object; SA is the vector of the trajectory of the charged recoil particle; BS is the vector of the trajectory of the beam of charged particles generated by the accelerator device 1 of the fast neutron generator provided with a shell 5; ST is a trajectory vector of a monoenergetic fast neutron generated at a point S of a target of a neutron source; TD is the vector of the trajectory of a fast neutron, once elastically scattered at the point T of the analyzed object; DC vector of the trajectory of a fast neutron, once elastically scattered at a point D of the working substance of a position-sensitive detector of fast neutrons 8; m is the angle between the vector of the beam of charged particles BS generated by the fast neutron generator accelerator 1 and the trajectory vector ST of the generated fast monoenergetic neutron; q angle of elastic scattering of a fast monoenergetic neutron at the core of the material of the analyzed object; n the angle of elastic scattering of a fast neutron, once elastically scattered on the material of the analyzed object, on the working substance of a position-sensitive detector of fast neutrons 8.
В соответствии с примером конкретного выполнения способа на конкретном устройстве, при использовании для генератора быстрых моноэнергетических нейтронов, например, дейтерий-тритиевой реакции пучок ускоренных дейтонов, формируемый ускорительным устройством 1 и движущийся в направлении вектора BS, взаимодействует с мишенью 2, генерируя в точке S быстрый нейтрон с энергией около 14 МэВ и альфа-частицу с энергией около 3,6 МэВ, которые движутся в противоположных направлениях. Вектор SA траектории альфа-частицы направлен от точки S к точке A взаимодействия с позиционно-чувствительным детектором 3 заряженных частиц отдачи. Вектор ST траектории генерированного первичного быстрого нейтрона направлен от точки генерации нейтрона S к точке упругого рассеяния нейтрона T в материале 7 анализируемого объекта 6, который может находиться на транспортном конвейере 11. Снаружи конструкции 12 располагают устройства радиационной защиты, не показанные на фиг. 1 3. Генератор быстрых моноэнергетических нейтронов 4, помещенный в защитную оболочку 5, содержит позиционно-чувствительный детектор заряженных частиц отдачи 3 и при использовании большой по геометрическим размерам мишени для генерации нейтронов 2 может содержать второй позиционно-чувствительный детектор 10 заряженных частиц отдачи. Вектор ST траектории генерированного быстрого моноэнергетического нейтрона расположен под углом "мю" к вектору потока ускоренных заряженных частиц BS генератора нейтронов 44, помещенного в защитную оболочку 5, и конструктивно объединяющего устройства генерации быстрых моноэнергетических нейтронов с позиционно-чувствительным детектором заряженных частиц отдачи 3. В результате однократного упругого рассеяния на ядре исследуемого материала 7 анализируемого объекта 6 в точке T происходит изменение направления траектории упруго рассеянного нейтрона с отклонением от начальной траектории на угол "тэта". Траектория движения нейтрона от точки T, в которой происходит упругое рассеяние нейтрона в исследуемом материале анализируемого объекта, к точке D последующего упругого рассеяния на рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8 описывается вектором TD. Траектория движения нейтрона от точки D упругого рассеяния в рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8 к точке C взаимодействия нейтрона с рабочим веществом позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 9 описывается вектором DC. В результате однократного упругого рассеяния в точке D траектория движения нейтрона отклоняется на угол "ню" угол упругого рассеяния быстрого нейтрона на рабочем веществе позиционно-чувствительного детектора быстрых нейтронов 8. Позиционно-чувствительные детекторы быстрых нейтронов 8 и 9 выполнены в виде модулей, объединяемых конструкцией 12 в единую конструкцию, образующую внутренний объем, в котором размещен анализируемый объект. Сбор и обработка информации о моментах времени регистрации и координатах точек взаимодействия заряженных частиц отдачи с позиционно-чувствительными детекторами 3 и 10 и моментах времени регистрации и координатах точек взаимодействия быстрых нейтронов с позиционно-чувствительными детекторами быстрых нейтронов 8 и 9 осуществляют системой обработки и отображения информации 13. Предлагаемый способ применяется для определения химического состава, массы и пространственного расположения исследуемых материалов, имеющих в своем составе в основном легкие химические элементы с малой, примерно до 30, атомной массы (атомная масса фосфора). Из соотношения (1) следует, что изменение энергии быстрого нейтрона вследствие упругого рассеяния на исследуемом материале анализируемого объекта достигает наибольшей величины при упругом рассеянии в заднюю полусферу с углами рассеяния "тэта" более 90 угловых градусов. При рассеянии назад ("тэта" 180 градусов) отношение энергии быстрого нейтрона после упругого рассеяния E1 к энергии первичного быстрого нейтрона E0 определяется предельным соотношением
E1/Eo (M 1)2/(M + 1)2 (5),
где M масса ядра материала анализируемого объекта. Поскольку предложенный способ использует регистрацию моментов времени и координаты точки взаимодействия нейтронов с позиционно-чувствительными детекторами быстрых нейтронов, определение массы ядра в материале анализируемого объекта, определение массы ядра в материале анализируемого объекта, на котором произошло упругое рассеяние, осуществляется путем вычисления скоростей быстрых нейтронов на отдельных участках их траектории. Способность предложенного метода определить массу ядра материала анализируемого объекта определяется возможностями регистрирующей аппаратуры и алгоритмов обработки информации различить моменты времени регистрации двух событий по разности скоростей движения быстрых нейтронов, испытавших упругое рассеяние на ядрах двух близких по массе изотопов. Численные эксперименты, выполненные с помощью метода Монте-Карло, показали, что технически обоснованным пределом масс ядер, статистически различимых с применением предложенного способа при использовании современных электронных технологий регистрации событий взаимодействия заряженных частиц отдачи и быстрых нейтронов, и при условии практического отсутствия остаточной радиоактивности анализируемого объекта, являются массы ядер в диапазоне до 30 атомных единиц массы (фосфор). Применение предлагаемого способа для анализа элементов с большей массой также возможно, однако требует увеличения времени облучения быстрыми нейтронами, что увеличивает вероятность нежелательной остаточной радиоактивности анализируемого объекта. Известно, что большинство органических веществ, в том числе взрывчатых веществ и наркотиков, характеризуется наличием в их составе в основном азота, углерода, кислорода, водорода, т.е. легких химических элементов с атомными массами до 20. Химический состав таких веществ характеризуется определенными соотношениями между количеством ядер легких химических элементов. Определив предлагаемым способом изотопный и соответствующий ему химический состав исследуемого вещества, можно осуществить идентификацию этого вещества сравнением с данными по химическому составу известных веществ, определив при этом массу исследуемого вещества и его пространственное расположение в анализируемом объекте без нарушения его целостности. Экспериментальные исследования эффективности предложенного способа выполнены с применением метода Монте-Карло на расчетно-теоретических моделях устройств, реализующих предложенный способ, и с использованием технически достижимых характеристик позиционно-чувствительных детекторов заряженных частиц отдачи (альфа-детекторов с погрешностью определения координат альфа-частицы порядка 0,5-1 мм) и позиционно-чувствительных детекторов быстрых нейтронов (с погрешностью определения координат точек взаимодействия нейтронов порядка 1 мм), обладающих способностью фиксировать моменты времени взаимодействия с погрешностью на уровне долей наносекунды. При этом набор позиционно-чувствительных детекторов быстрых нейтронов представлял собой конструкцию с внутренней областью для размещения анализируемого объекта в виде аналога сферической или цилиндрической поверхности 12, показанной на фиг. 3, и охватывающей часть сферы (цилиндра) с эффективным внутренним диаметром около 1-2 м, с технически достижимыми параметрами регистрирующей и обрабатывающей электронной аппаратуры. При использовании генераторов быстрых нейтронов на основе дейтерий-тритиевой реакции с интенсивностью генерации нейтронов на уровне 108 109 нейтронов в секунду время, необходимое для набора статистики измерений в целях обнаружения в анализируемом объекте типа багажа с линейными размерами 30 х 60 х 100 см присутствия значимого количества (около 100 г) взрывчатых веществ типа тринитротолуола, оценивается на уровне до 10 с с вероятностью обнаружения около 99 При этом экранирование исследуемого материала какими-либо другими материалами, применяемыми для контейнеров, типа стали, титана, меди или алюминия, в том числе заполненных водой, не вызывали сколько-нибудь значимого снижения эффективности предложенного способа и реализующего его устройства.In accordance with an example of a specific implementation of the method on a specific device, when using a fast monoenergetic neutron generator, for example, a deuterium-tritium reaction, an accelerated deuteron beam formed by an accelerator device 1 and moving in the direction of the vector BS interacts with
E1 / Eo (M 1) 2 / (M + 1) 2 (5),
where M is the mass of the core material of the analyzed object. Since the proposed method uses the registration of time instants and coordinates of the point of interaction of neutrons with position-sensitive detectors of fast neutrons, the determination of the mass of the nucleus in the material of the analyzed object, the determination of the mass of the nucleus in the material of the analyzed object, on which elastic scattering occurred, is carried out by calculating the velocities of fast neutrons on individual sections of their trajectory. The ability of the proposed method to determine the mass of the nucleus of the material of the analyzed object is determined by the capabilities of the recording equipment and information processing algorithms to distinguish between the time moments of the registration of two events by the difference in the velocities of fast neutrons that have experienced elastic scattering on the nuclei of two isotopes of similar mass. Numerical experiments performed using the Monte Carlo method have shown that a technically justified mass limit of nuclei is statistically distinguishable using the proposed method using modern electronic technologies for recording the events of the interaction of charged recoil particles and fast neutrons, and provided that there is practically no residual radioactivity of the analyzed object are the masses of nuclei in the range up to 30 atomic mass units (phosphorus). The application of the proposed method for the analysis of elements with a larger mass is also possible, however, it requires an increase in the time of irradiation with fast neutrons, which increases the likelihood of undesirable residual radioactivity of the analyzed object. It is known that most organic substances, including explosives and drugs, are characterized by the presence in their composition of mainly nitrogen, carbon, oxygen, hydrogen, i.e. light chemical elements with atomic masses up to 20. The chemical composition of such substances is characterized by certain ratios between the number of nuclei of light chemical elements. Having determined the isotopic and corresponding chemical composition of the test substance by the proposed method, it is possible to identify this substance by comparison with the chemical composition of known substances, determining the mass of the test substance and its spatial location in the analyzed object without violating its integrity. Experimental studies of the effectiveness of the proposed method were performed using the Monte Carlo method on theoretical models of devices that implement the proposed method and using technically achievable characteristics of position-sensitive detectors of charged recoil particles (alpha detectors with an error in determining the coordinates of an alpha particle of order 0, 5-1 mm) and position-sensitive fast neutron detectors (with an error in determining the coordinates of neutron interaction points of the order of 1 mm), about adayuschih ability to fix points of interaction time with an error at fractions of a nanosecond. In this case, the set of position-sensitive fast neutron detectors was a structure with an internal region for placing the analyzed object in the form of an analog of a spherical or
Сравнение предложенного способа и способа-прототипа показывает, что предложенный способ свободен от недостатков способа-прототипа при идентификации изотопов легких элементов в условиях фонового гамма-излучения, не чувствителен к экранированию контролируемых материалов анализируемого объекта веществами, имеющими большие сечения радиационного захвата быстрых нейтронов, либо водородсодержащими веществами и позволяет в отличие от способа-прототипа, анализировать распределение масс легких ядер по объему анализируемого объекта с определением химического состава, пространственного положения и массы контролируемых веществ. Comparison of the proposed method and the prototype method shows that the proposed method is free from the disadvantages of the prototype method when identifying isotopes of light elements in the background of gamma radiation, is not sensitive to the screening of controlled materials of the analyzed object by substances having large cross sections for radiation capture of fast neutrons, or hydrogen-containing substances and allows, unlike the prototype method, to analyze the distribution of masses of light nuclei in the volume of the analyzed object with division of the chemical composition, spatial position and mass of controlled substances.
Claims (5)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9696112738A RU2095796C1 (en) | 1996-06-24 | 1996-06-24 | Method for detection and non-destructive analysis of materials which have nuclei of light elements |
| PCT/RU1996/000315 WO1997049986A1 (en) | 1996-06-24 | 1996-11-05 | Method for the detection and non-destructive assay of substances containing nuclei of light elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9696112738A RU2095796C1 (en) | 1996-06-24 | 1996-06-24 | Method for detection and non-destructive analysis of materials which have nuclei of light elements |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2095796C1 true RU2095796C1 (en) | 1997-11-10 |
| RU96112738A RU96112738A (en) | 1998-05-27 |
Family
ID=20182376
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU9696112738A RU2095796C1 (en) | 1996-06-24 | 1996-06-24 | Method for detection and non-destructive analysis of materials which have nuclei of light elements |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2095796C1 (en) |
| WO (1) | WO1997049986A1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2515523C1 (en) * | 2012-12-05 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Method to produce beam of monoenergetic neutrons, device for production of beam of monoenergetic neutrons and method to calibrate detector of dark matter with using of beam of monoenergetic neutrons |
| RU167810U1 (en) * | 2016-07-05 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) | Stand for the study of radiation-protective properties of materials |
| WO2018202946A1 (en) * | 2017-05-04 | 2018-11-08 | Sensinite Oy | A system and a method for compositional analysis |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1349478A1 (en) * | 1985-11-15 | 1988-05-30 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Neutron method of determining content of light nuclei |
| US4918315A (en) * | 1988-01-11 | 1990-04-17 | Penetron, Inc. | Neutron scatter method and apparatus for the noninvasive interrogation of objects |
| GB2221599B (en) * | 1988-07-20 | 1992-08-19 | Gen Atomics | System suitable for use in neutron radiography |
| SU1655200A1 (en) * | 1989-06-19 | 1994-05-30 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method of determination of concentration profile of light nuclei over depth of sample |
-
1996
- 1996-06-24 RU RU9696112738A patent/RU2095796C1/en not_active IP Right Cessation
- 1996-11-05 WO PCT/RU1996/000315 patent/WO1997049986A1/en active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. GB, заявка, 242520, кл.G 01N 23/223, 1991. 2. E. Rhodes et al. "APSTNG: Associated Particle Sealed Tube Neutron Generator Studies for Arus Coutrol". Final Report on NIV - 20 Project S T220. ANL/ACTV - 95/1 Deceuber 1994. Reactor Engineering Division. Argonne National Laboratory USA. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2515523C1 (en) * | 2012-12-05 | 2014-05-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) | Method to produce beam of monoenergetic neutrons, device for production of beam of monoenergetic neutrons and method to calibrate detector of dark matter with using of beam of monoenergetic neutrons |
| RU167810U1 (en) * | 2016-07-05 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН) | Stand for the study of radiation-protective properties of materials |
| WO2018202946A1 (en) * | 2017-05-04 | 2018-11-08 | Sensinite Oy | A system and a method for compositional analysis |
| CN110603436A (en) * | 2017-05-04 | 2019-12-20 | 森斯奈特公司 | System and method for component analysis |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO1997049986A1 (en) | 1997-12-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2468391C2 (en) | Particle detection and versions of applications in security and portal monitoring | |
| Fetter et al. | Detecting nuclear warheads | |
| US7151815B2 (en) | Nonintrusive method for the detection of concealed special nuclear material | |
| US8288721B2 (en) | Imaging and sensing based on muon tomography | |
| Gozani | Active nondestructive assay of nuclear materials: principles and applications | |
| US20150060686A1 (en) | Radiation-monitoring system with correlated hodoscopes | |
| Chatzidakis et al. | Analysis of spent nuclear fuel imaging using multiple coulomb scattering of cosmic muons | |
| Guardincerri et al. | Detecting special nuclear material using muon-induced neutron emission | |
| Chichester et al. | Using electronic neutron generators in active interrogation to detect shielded fissionable material | |
| Meleshenkovskii et al. | Optimization of a 9 MeV electron accelerator Bremsstrahlung flux for photofission-based assay techniques using PHITS and MCNP6 Monte Carlo codes | |
| RU2095796C1 (en) | Method for detection and non-destructive analysis of materials which have nuclei of light elements | |
| Kouzes et al. | Testing requirements for active interrogation systems | |
| Silarski et al. | Design of the SABAT system for underwater detection of dangerous substances | |
| Álvarez-Estrada et al. | Neutron optics: fundamentals | |
| Hussein | Detection of explosive materials using nuclear radiation: a critical review | |
| Bacon et al. | Muon induced fission neutrons in coincidence with muon tomography | |
| Blackwell | The use of cosmic-rays in detecting illicit nuclear materials | |
| Mohammad Rafiei et al. | Feasibility of using 10 MeV electron LINAC for explosives detection based on thermal neutron activation analysis: a Monte Carlo study | |
| Mozley | Particle sources and radiography | |
| Csikai | Neutron-based techniques for the detection of concealed objects | |
| Furutaka et al. | The Design and Implementation of the PGA Measurement System in an Integrated Active Neutron Non-destructive Analysis System," Active-N" | |
| Tartaglione et al. | Detection of thermal-induced prompt fission neutrons of highly-enriched uranium: A position sensitive technique | |
| Pérot et al. | Detection of special nuclear materials with tagged neutrons | |
| Negm | Studies on the optimum geometry for a nuclear resonance fluorescence detection system for nuclear security applications | |
| Lewis | Active neutron methods for nuclear safeguards applications using helium-4 gas scintillation detectors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090625 |