Оборудование для обнаружения опасных веществ на основе метода ННА (наносекундного нейтронного анализа)

Метод наносекундного нейтронного анализа (ННА) может применяться в самых разных областях – от разработки технических средств противодействия терроризму до анализа рудных материалов и качества нефтяных пластов. Планируется расширение области применения этой технологии для решения задач безопасного обращения с радиоактивными отходами.

Первые работы по созданию приборов для обнаружения взрывчатых веществ традиционными нейтронными методами проводились в Радиевом институте в конце 1970 годов в преддверии московской Олимпиады 1980 года. Начиная с 2000 года, в рамках программ международного сотрудничества в области нераспространения ядерных и радиационно-опасных материалов и борьбы с террористической угрозой в институте получил развитие новый метод наносекундного нейтронного анализа – ННА. 

Физические основы метода ННА

Метод ННА состоит в облучении подозрительного объекта быстрыми нейтронами с последующей регистрацией образующегося вторичного характеристического γ-излучения. Идентификация опасных веществ производится по соотношению концентраций элементов, входящих в их состав (например, для взрывчатых веществ это углерод, кислород и азот). Значения таких концентраций можно получить в результате анализа энергетических спектров характеристического γ-излучения.

У предшествующих методов нейтронного анализа был серьезный недостаток: слишком большой фон в детекторе γ-квантов приводил либо к существенному увеличению времени анализа (как правило, десятки минут), либо к низкой вероятности идентификации подозрительного объекта. Метод ННА позволяет преодолеть этот недостаток.

В качестве источника нейтронов в ННА используется дейтерий-тритиевый нейтронный генератор со встроенным позиционно-чувствительным детектором γ-частиц, размещенным внутри вакуумного объема ускоряющей трубки нейтронного генератора. Детектор фиксирует время регистрации и координату γ-частицы из бинарной (с образованием двух частиц, летящих в противоположных направлениях) реакции d+t=α+n. Таким образом, сопутствующий зарегистрированной γ-частице нейтрон оказывается «помечен», то есть известны момент времени и направление его вылета из нейтронного генератора (время соответствует времени регистрации γ-частицы, направление – противоположно). В дальнейшем, в результате реакции неупругого рассеяния вылетевшего нейтрона на ядре какого-либо элемента, может образоваться γ-квант (рис. 1). Регистрация γ-квантов в совпадении с γ-частицами в пределах узких временных окон (несколько наносекунд) позволяет существенно подавить фоновые γ-кванты, не связанные с реакциями быстрых нейтронов в исследуемом объеме. Используя информацию о координате регистрации γ-частицы в детекторе и времени вылета нейтрона из генератора, можно получить спектры γ-квантов от различных областей исследуемого объема.

Рис. 1. Принцип ННА

Спектры γ-квантов, возникших в результате реакций быстрых нейтронов с ядрами, различны для разных химических элементов. Анализируя такие спектры, можно построить трехмерное распределение химических элементов в исследуемом объеме.

Оборудование на основе ННА

Разработка оборудования на основе ННА велась в Радиевом институте в 2000-2010 годах в рамках программ международного сотрудничества по линии Международного научно-технического центра (МНТЦ), МАГАТЭ, а также научного комитета НАТО по программе «Россия – НАТО. Наука во имя мира и безопасности». При этом специалисты института стремились создавать максимально универсальные компоненты, из которых затем могут быть собраны приборы для решения самых разных задач – от обнаружения взрывчатых веществ в бесхозных предметах до выявления контрабандных товаров в грузовых контейнерах.

Были разработаны и созданы следующие универсальные компоненты для ННА:

• портативный нейтронный генератор со встроенным детектором сопутствующих γ-частиц, способный производить до 108 нейтронов в секунду;
• детектор γ-квантов, работающий при загрузках свыше 105 событий в секунду;
• система сбора данных, способная работать с различным числом детекторов и нейтронных генераторов и обеспечивающая анализ совпадений при высоких загрузках каналов регистрации;
• автоматическая система анализа информации и принятия решений, обеспечивающая   автоматическую идентификацию обнаруженного вещества без вмешательства оператора.

Создание портативного нейтронного генератора со встроенным детектором сопутствующих γ-частиц представляло собой непростую задачу, поскольку такой детектор должен работать в очень агрессивных условиях, таких как сильные импульсные электромагнитные поля, потоки рассеянных мишенью частиц, рентгеновское излучение от мишени, видимый свет и т.д. В настоящее время разработан и используется позиционно-чувствительный детектор γ-частиц на основе кремния. Идет создание новых типов детекторов из искусственных алмазов, высокая радиационная стойкость которых позволит существенно продлить срок службы нейтронного генератора.

В качестве основных детекторов γ-квантов были выбраны сцинтилляционные кристаллы германата висмута (BGO), обладающие высокой эффективностью при регистрации γ-квантов в диапазоне энергий от 0,1 МэВ до 10 МэВ. Недостатком BGO является сильная зависимость световыхода сцинтиллятора от температуры, поэтому в детекторы были встроены системы температурной и светодиодной стабилизации усиления.

В качестве альтернативы кристаллам BGO может использоваться появившийся в последние годы новый материал – бромид лантана (LaBr₃). Результат прямого сравнения этих двух сцинтилляторов с размерами Ø76 x 76 мм³ при использовании их в приборах на основе ННА представлен на рисунке 2.

Рис. 2. Спектры вторичных γ-квантов азота, кислорода и алюминия, полученные методом ННА для кристаллов BGO и LaBr₃

Кристалл LaBr₃ имеет существенно лучшее энергетическое разрешение, позволяющее разделять большинство линий в спектре. У него также более короткие сигналы, что позволяет получать лучшее временное разрешение и работать при более высоких загрузках детектора, а также больший световыход, позволяющий понизить порог регистрации γ-квантов до 100 кэВ, что важно для ряда определяемых элементов. Единственный недостаток кристаллов LaBr₃ – высокая стоимость по сравнению с BGO.

Каждый детектор оснащен специально разработанной комбинированной платой управления, питания и цифровой обработки сигнала, соединенной с системой сбора данных одним кабелем, по которому передаются низковольтное питание, а также управляющие команды и данные в цифровом виде. В результате цифровой обработки регистрируемого импульса определяются его амплитуда и время прихода по отношению к генерируемому системой сбора синхронизирующему импульсу; при необходимости производится фильтрация сигнала, анализ формы импульса, учет дрейфа нулевой линии, режекция наложений и т.д.

Для сбора данных специально разработана многоканальная цифровая система управления и обработки сигналов, позволяющая гибко управлять установкой в любой конфигурации и реализованная в двух вариантах:

• миниатюрный модуль для портативных устройств, устанавливаемый на корпус нейтронного генератора и позволяющий обслуживать до четырех детекторов γ-квантов;
• компактный модуль для обслуживания до 40 детекторов γ-квантов и нескольких нейтронных генераторов в любом сочетании.

Одним из важнейших достижений является также полная автоматизация измерений за счет применения мощных гибких алгоритмов анализа спектров и принятия решений. Оператор установки получает готовый ответ о наличии или отсутствии интересующего его вещества в исследуемом объеме, а также о его местоположении и примерном количестве.

Рис. 3. Мобильная установка для обнаружения «грязных бомб»

На рисунке 3 показана установка для обнаружения «грязных  бомб», созданная по проекту «Обнаружение «грязных бомб» методом наносекундного нейтронного анализа», финансировавшемуся Научным комитетом НАТО. С ее помощью можно определять наличие в досматриваемом объекте взрывчатых и радиоактивных веществ и экранированных делящихся материалов. На рисунке 4 – полнофункциональный макет установки для обнаружения взрывчатых веществ и делящихся материалов в грузовых контейнерах, разработанной в рамках проекта МНТЦ №3534 «Создание установки для обнаружения взрывчатых веществ, ядерных материалов и других опасных веществ в грузовых транспортных контейнерах и багаже».

Рис. 4. Полнофункциональный макет установки для досмотра ­грузовых контейнеров

Анализ РАО неизвестного состава

Перспективность применения метода ННА для анализа РАО обусловлена тем фактом, что ННА – единственный метод, позволяющий определить элементный состав вещества-матрицы РАО без вскрытия упаковки. До сих пор эта задача даже не ставилась: существующие методы анализа, в лучшем случае, позволяют фиксировать наличие плотных включений (например, металлов) в упаковках с РАО, предназначенных для того или иного вида переработки – прессования, сжигания и т.д.

С помощью ННА можно определить, какие нерадиоактивные химические элементы присутствуют в упаковке с РАО. Использование наносекундных временных совпадений вторичных γ-квантов с зондирующими нейтронами позволяет подавить влияние собственного γ-излучения РАО.

В настоящее время планируется разработать аппаратно-программный комплекс на основе метода ННА, который впервые позволит автоматически производить полную паспортизацию РАО неизвестного состава с указанием не только имеющихся в них радионуклидов и трансурановых элементов, но и состава вещества-матрицы, а также определять их приемлемость для конкретного вида переработки или захоронения.

Разработка такого комплекса позволит существенно продвинуться в решении вопроса об окончательной изоляции РАО неизвестного состава, а также создать для ГК «Росатом» конкурентные преимущества в тех международных проектах, где существует необходимость переработки и захоронения радиоактивных ­отходов.

Публикации по теме

1. А.В. Кузнецов, И.Ю. Горшков и др. Развитие методов обнаружения и идентификации взрывчатых веществ в Радиевом нституте им. В. Г. Хлопина. Труды Радиевого института им. В.Г. Хлопина, Т.10, ISBN 5-902231-01-9, С. 75, 2003.
2. V. Kuznetsov, A. V. Evsenin, I. Yu. Gorshkov, O. I. Osetrov, D. N. Vakhtin. Detection of buried explosives using portable neutron sources with nanosecond timing. Applied Radiation and Isotopes, Vol. 61, Issue 1, p. 51, (2004).
3. Кузнецов А.В., Евсенин А.В., Вахтин Д.Н., Горшков И.Ю. и др. Использование портативных генераторов нейтронов со встроенным детектором сопутствующих частиц для обнаружения опасных веществ. // Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», 18-22 октября 2004 года, Москва, Россия, С.286, 2005.
4. Ананьев А.А., Горшков И.Ю. и др. Лабораторная модель детектора взрывчатых веществ на базе портативного нейтронного генератора. // Сборник материалов Международной научно-технической конференции «Портативные генераторы нейтронов и технологии на их основе», 18-22 октября 2004 года, Москва, Россия, С. 372, 2005.
5. Evsenin A., I. Gorshkov, V. Kalinin, A. Kuznetsov, O. Osetrov, D. Vakhtin, P. Yurmanov, “Detection of Dirty Bombs using Nanosecond Neutron Analysis Technique”, Proc. of the NATO ARW on Prevention, Detection and Response to Nuclear and Radiological Threats (PDR-2006), Yerevan, Armenia, May, 2007, S. Apikyan, D. Diamond, R. Way (eds.), Springer, p.125 - 140, (2007).
6. Kuznetsov, A. Evsenin, I. Gorshkov, O. Osetrov, D. Vakhtin “Device for Detection of Explosives, Nuclear and Other Hazardous Materials in Luggage and Cargo Containers”. CP 1194, “International Conference on Applications of Nuclear Techniques”, Crete, Greece, 14-20 June 2009, edited by K.Bharuth-Ram, pp.13-23. 2009. American Institute of Physics. ISBN 978-0-7354-0731-2, ISSN 0094-243X

Авторы