RU2442146C1 - Portable device for identifying hidden substances (variants) - Google Patents

Abstract

FIELD: scanning devices. ^ SUBSTANCE: invention is used to detect hidden substances with radiation methods. The -radiation detector is made on the base of LaBr3 crystal, the laser generators of the line are installed with the possibility to set a flux of monochromatic neutrons on the inspected object, the spectroscopic channel of the -radiation detector is fitted with a thermal correction system comprising a thermal sensor fixed on the LaBr3 crystal, in thermal contact with it, an amplitude-to-digital converter (ADC) and a single-board minicomputer. Furthermore, the thermal sensor is connected through a communication line and a supply line with the ADC, which is connected through a system bus to the single-board minicomputer, connected with the power source and the control unit. ^ EFFECT: the maximum possible registered distinctive gamma-radiation intensity is achieved; increased gamma-detector sensitivity; reduced the amount of errors caused by the lack of ambient temperature compensation; increased targeting accuracy and the radiation area of the inspected object; allowed the detection of smaller amount of dangerous hidden substances. ^ 6 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области исследования или анализа материалов радиационными методами с измерением вторичной эмиссии гамма-квантов с использованием нейтронов, в частности для неразрушающего дистанционного контроля различных скрытых веществ. Оно может быть применено для идентификации в полевых и стационарных условиях взрывчатых, наркотических или сильнодействующих ядовитых веществ, скрытых в объектах досмотра малого размера (сумки, портфели). Кроме того, в пассивном режиме, при выключенном нейтронном генераторе, изделие может служить детектором радиоактивных веществ.The invention relates to the field of research or analysis of materials by radiation methods with the measurement of secondary emission of gamma rays using neutrons, in particular for non-destructive remote control of various hidden substances. It can be used to identify in field and stationary conditions explosive, narcotic or potent toxic substances hidden in small-sized inspection objects (bags, briefcases). In addition, in passive mode, with the neutron generator turned off, the product can serve as a detector of radioactive substances.

Известно устройство для идентификации скрытых веществ - патент РФ №2380690, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при этом досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор.A device for identifying hidden substances is known - RF patent No. 2380690, containing a source of monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector enclosed in a vacuum chamber, a γ-radiation detector and a recording electronics including a data acquisition electronics unit, a control panel , a block of programs for receiving and processing data, a user interface and power sources, the device is made in the form of two portable modules - an inspection module and a control module connected by Ethernet cables Inonii and power having a length that ensures the safe operation of the operator, the in Inspection module has labeled source of monochromatic neutrons and associated monochromatic α-particles, α-particle detector, the detectors of γ-radiation and recording electronics; the control module contains a control panel, a block of data reception and processing programs, a user interface and a power source; wherein the γ-radiation detector is placed at an angle close to 45 ° relative to the direction of the flux of labeled monochromatic neutrons, perpendicular to the front plane of the module, and is protected from the flux of labeled monochromatic neutrons; at the same time, the inspection module is equipped with a guidance system for the search object based on laser line generators that is rigidly connected with the source of labeled monochromatic neutrons, for which a translucent window is provided in the inspection module case; a multi-element silicon detector is used as an α-particle detector.

Все данные существенные признаки, кроме выполнения детектора γ-излучения на основе кристалла LYSO есть и в предлагаемых вариантах технического решения.All these essential features, except for the performance of the γ-radiation detector based on the LYSO crystal, are also in the proposed technical solutions.

Недостатками данного устройства, препятствующими его внедрению в практику обнаружения и идентификации скрытых опасных веществ, являются следующие:The disadvantages of this device that impede its implementation in the practice of detection and identification of hidden dangerous substances are the following:

1. Использование детектора гамма-квантов на основе кристалла LYSO, обладающего достаточно высоким уровнем собственной радиоактивности, не позволяет получить хорошее энергетическое разрешение по спектрометрическому каналу регистрации гамма-квантов и накладывает ограничение на величину максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения. Энергетическое разрешение спектрометрического гамма-канала составляет 20% на линии гамма-излучения с энергией 0,511 МэВ.1. The use of a LYSO crystal gamma-ray detector with a sufficiently high level of intrinsic radioactivity does not allow a good energy resolution to be obtained from the spectrometric channel for registering gamma-quanta and imposes a limit on the maximum possible intensity of the recorded characteristic gamma radiation. The energy resolution of the spectrometric gamma channel is 20% on the line of gamma radiation with an energy of 0.511 MeV.

2. Использование спинтиллятора LYSO с достаточно большим временем высвечивания (50 нс) ограничивает возможность получения временного разрешения системы (альфа-гамма)-совпадений, необходимого для обнаружения опасных веществ малой массы, на уровне 50 г.2. The use of a LYSO spintillator with a sufficiently long flash time (50 ns) limits the possibility of obtaining a temporal resolution of the system (alpha-gamma) -matches, necessary for the detection of hazardous substances of small mass, at the level of 50 g.

3. Отсутствие термокоррекции спектров гамма-излучения, полученных с помощью гамма-детектора, приводит к смещению положения пиков характеристического гамма-излучения, что, в свою очередь, приводит к ошибкам в определении искомых веществ и увеличивает число ложных тревог.3. The absence of thermal correction of the gamma-ray spectra obtained using the gamma-detector leads to a shift in the position of the peaks of the characteristic gamma-radiation, which, in turn, leads to errors in the determination of the desired substances and increases the number of false alarms.

4. Система наведения пучка меченых нейтронов на объект досмотра на основе лазерного генератора вертикальной линии, проходящей через центр пучка меченых нейтронов, позволяет совмещать ее только с вертикальной линией, проходящей через центральную точку области обследования объекта досмотра, без учета его реальной формы.4. The system for pointing a tagged neutron beam to an object of inspection on the basis of a laser generator of a vertical line passing through the center of the tagged neutron beam allows it to be combined only with a vertical line passing through the center point of the inspection area of the object of inspection, without taking into account its real shape.

Предлагаемое изобретение по обоим вариантам предлагаемой конструкции предназначено для решения следующих технических задач - получение максимально возможной интенсивности регистрируемого характеристического гамма-излучения, повышение временного разрешения системы, повышение чувствительности гамма-детектора, снижение количества ошибок, связанных с отсутствием компенсации изменения температуры окружающей среды, повышение точности наведения и контроля площади облучения исследуемого объекта. Дополнительно по второму варианту конструкции решается техническая задача уменьшения минимально регистрируемой массы скрытого опасного вещества.The invention according to both variants of the proposed design is intended to solve the following technical problems - obtaining the maximum possible intensity of the recorded characteristic gamma radiation, increasing the time resolution of the system, increasing the sensitivity of the gamma detector, reducing the number of errors associated with the lack of compensation for changes in the ambient temperature, increasing accuracy guidance and control of the irradiation area of the investigated object. Additionally, the second design option solves the technical problem of reducing the minimum recorded mass of a hidden hazardous substance.

Для решения данных технических задач по варианту один технического решения устройство для идентификации скрытых веществ, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при том досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, в отличие от прототипа, детектор γ-излучения выполнен на основе кристалла LaBr₃, лазерные генераторы линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr₃, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления.To solve these technical problems, according to a variant, one technical solution is a device for identifying hidden substances, containing a source of monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector enclosed in a vacuum chamber, a γ-radiation detector and a recording electronics including a collection electronics data, a control panel, a block of programs for receiving and processing data, a user interface and power sources, the device is made in the form of two portable modules - an inspection module and a control module connected by Ethernet-connection and power cables having a length that ensures the safe operation of the operator, while the inspection module contains a source of labeled monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector, γ-radiation detectors and recording electronics; the control module contains a control panel, a block of data reception and processing programs, a user interface and a power source; wherein the γ-radiation detector is placed at an angle close to 45 ° relative to the direction of the flux of labeled monochromatic neutrons, perpendicular to the front plane of the module, and is protected from the flux of labeled monochromatic neutrons; moreover, the inspection module is equipped with a guidance system on the basis of laser line generators, rigidly connected with the source of labeled monochromatic neutrons, for which a translucent window is provided in the case of the inspection module; a multi-element silicon detector is used as an α-particle detector, unlike the prototype, the γ-radiation detector is made on the basis of a LaBr ₃ crystal, the line laser generators are installed with the ability to indicate the shape of the flow of labeled monochromatic neutrons at the inspection object, the spectroscopic channel of the γ-radiation detector is equipped with thermal correction system, consisting of a temperature sensor mounted on a LaBr ₃ crystal, in thermal contact with it, an amplitude-to-digital converter (ADC) and a single-board computer, while The thermal sensor is connected by a communication line and a power line with an amplitude-to-digital converter, which is connected by a system bus to a single-board computer connected to the device’s power supply system and to the control module.

Для решения данных технических задач по варианту два технического решения устройство для идентификации скрытых веществ, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов, перпендикулярно передней плоскости модуля, и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; при этом досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, в отличие от прототипа, детектор γ-излучения выполнен на основе кристаллов LaBr₃, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr₃, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления, сигнальные элементы многоканального кремниевого детектора α-частиц выполнены в виде полос (стрипов) и расположены на обеих перпендикулярных потоку α-частиц сторонах полупроводникового кристалла, при этом полосы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос на другой стороне кристалла, при этом пересечения полос сигнальных элементов образуют пиксели детектора α-частиц; лазерные генераторы линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов, соответствующей пикселям детектора α-частиц.To solve these technical problems, there are two technical solutions for a device for identifying hidden substances, containing a source of monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector enclosed in a vacuum chamber, a γ-radiation detector and recording electronics, including a collection electronics data, a control panel, a block of programs for receiving and processing data, a user interface and power sources, the device is made in the form of two portable modules - an inspection module and The module control connected cables Ethernet-connection and power supply having a length that ensures the safe operation of the operator, the in Inspection module has a source labeled monochromatic neutrons and associated monochromatic α-particles, α-particle detector, the detectors of γ-radiation and recording electronics; the control module contains a control panel, a block of data reception and processing programs, a user interface and a power source; wherein the γ-radiation detector is placed at an angle close to 45 ° relative to the direction of the flux of labeled monochromatic neutrons, perpendicular to the front plane of the module, and is protected from the flux of labeled monochromatic neutrons; at the same time, the inspection module is equipped with a guidance system to the object of inspection based on laser line generators that is rigidly connected to the source of labeled monochromatic neutrons, for which a translucent window is provided in the case of the inspection module; a multi-element silicon detector is used as an α-particle detector, unlike the prototype, the γ-radiation detector is based on LaBr ₃ crystals, the spectroscopic channel of the γ-radiation detector is equipped with a thermal correction system consisting of a temperature sensor mounted on a LaBr ₃ crystal in a thermal contact with it, an amplitude-to-digital converter (ADC) and a single-board computer, while the temperature sensor is connected by a communication line and a power line to the amplitude-to-digital converter, which is connected by a system bus to a single-board A computer connected to the device’s power supply system and to the control module, the signal elements of the multichannel silicon detector of α particles are made in the form of strips (strips) and are located on both sides of the semiconductor crystal perpendicular to the flow of α particles, while the stripes on one side of the crystal are parallel to each other friend and perpendicular to the direction of the bands on the other side of the crystal, while the intersection of the bands of the signal elements form the pixels of the α-particle detector; laser line generators are installed with the possibility of indicating on the object of inspection the shape of the flux of labeled monochromatic neutrons corresponding to the pixels of the α-particle detector.

Дополнительно по обоим вариантам технического решения, для уменьшения времени набора статистики, требуемой для корректной идентификации скрытых опасных веществ, предлагаемое устройство может содержать дополнительный детектор γ-излучения на основе кристалла LaBr₃, расположенный параллельно первому гамма-детектору, сориентированный аналогично ему и также снабженный защитой от пучка меченых нейтронов; для удобства работы с разноудаленными объектами устройство может содержать модуль намотки (катушку) соединительных кабелей Ethernet и питания.Additionally, according to both technical solutions, in order to reduce the time required for statistics to be correctly identified for the identification of hidden hazardous substances, the proposed device may include an additional γ-radiation detector based on a LaBr ₃ crystal located parallel to the first gamma detector, oriented similarly to it and also equipped with protection from a beam of labeled neutrons; for the convenience of working with objects with different distances, the device may include a winding module (reel) of Ethernet and power connecting cables.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, по варианту один являются следующие: детектор γ-излучения выполнен на основе кристалла LaBr₃, лазерные генераторы линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr₃, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления.Distinctive features of the proposed technical solution from the well-known adopted as a prototype, according to option one, are as follows: the γ-radiation detector is made on the basis of a LaBr ₃ crystal, the line laser generators are installed with the ability to indicate the shape of the flux of labeled monochromatic neutrons at the inspection object, the γ radiation is equipped with a thermal correction system, consisting of a temperature sensor mounted on a LaBr ₃ crystal, in thermal contact with it, an amplitude-to-digital converter (ADC) and one a computer, while the temperature sensor is connected by a communication line and a power line with an amplitude-to-digital converter, which is connected by a system bus to a single-board computer connected to the device’s power system and to the control module.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от известного, принятого за прототип, по варианту два являются следующие: детектор γ-излучения выполнен на основе кристаллов LaBr₃, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr₃, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления, сигнальные элементы многоканального кремниевого детектора α-частиц выполнены в виде полос (стрипов) и расположены на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц сторонах полупроводникового кристалла, при этом полосы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос на другой стороне кристалла, при этом пересечения полос сигнальных элементов образуют пиксели детектора α-частиц; лазерные генераторы линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов, соответствующей пикселям детектора α-частиц.The distinguishing features of the proposed technical solution from the well-known adopted as a prototype, according to option two, are as follows: the γ-radiation detector is made on the basis of LaBr ₃ crystals, the spectroscopic channel of the γ-radiation detector is equipped with a thermal correction system consisting of a temperature sensor mounted on a LaBr ₃ crystal, thermal contact with it, an amplitude-to-digital converter (ADC) and a single-board computer, while the temperature sensor is connected by a communication line and a power line to the amplitude-to-digital converter, which a single system bus with a single-board computer connected to the device’s power supply system and to the control module, the signal elements of the multi-channel silicon α-particle detector are made in the form of strips (strips) and are located on both sides of the semiconductor crystal perpendicular to the stream of α-particles, with the bands on one side of the crystal is parallel to each other and perpendicular to the direction of the bands on the other side of the crystal, while the intersections of the bands of the signal elements form the pixels of the α-particle detector; laser line generators are installed with the possibility of indicating on the object of inspection the shape of the flux of labeled monochromatic neutrons corresponding to the pixels of the α-particle detector.

Дополнительно по обоим вариантам предлагаемое устройство может содержать дополнительный детектор γ-излучения на основе кристалла LaBr₃, расположенный параллельно первому гамма-детектору, сориентированный аналогично ему и также снабженный защитой от пучка меченых нейтронов; также устройство может содержать модуль намотки (катушку) соединительных кабелей Ethernet и питания.Additionally, in both cases, the proposed device may include an additional γ-radiation detector based on a LaBr ₃ crystal, located parallel to the first gamma detector, oriented similarly to it and also equipped with protection from a tagged neutron beam; the device may also comprise a winding module (reel) of Ethernet and power connecting cables.

Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными из прототипа достигаются следующие технические результаты:Due to the presence of these distinctive features in conjunction with the known from the prototype, the following technical results are achieved:

1. Детектор гамма-квантов на основе кристалла LaBr₃ имеет энергетическое разрешение на линии ¹³⁷Cs в 3 раза лучше, чем у детектора на основе LYSO. Это обстоятельство крайне важно для достоверной идентификации скрытых взрывчатых, наркотических и сильнодействующих ядовитых веществ, базирующейся на определении интенсивностей пиков характеристического гамма-излучения, возникающего в результате взаимодействия потока быстрых нейтронов с энергией 14.1 МэВ с ядрами углерода, азота и кислорода.1. The LaBr ₃ crystal gamma-ray detector has an energy resolution on the ¹³⁷ Cs line 3 times better than that of the LYSO-based detector. This circumstance is extremely important for the reliable identification of hidden explosive, narcotic, and potent toxic substances, based on determining the intensities of the peaks of characteristic gamma radiation resulting from the interaction of a fast neutron flux with an energy of 14.1 MeV with carbon, nitrogen, and oxygen nuclei.

2. Высокое временное разрешение системы (альфа-гамма) - совпадений (Г_t=1,2-1,3 нс - ширина пика альфа-гамма совпадений на полувысоте) позволяет существенно уменьшить минимально детектируемую массу скрытого опасного вещества до 50 г.2. High temporal resolution of the system (alpha-gamma) - matches (Г _t = 1.2-1.3 ns - peak width of alpha-gamma matches at half maximum) can significantly reduce the minimum detectable mass of a hidden hazardous substance to 50 g.

3. Система термокоррекции гамма-детекторов позволяет без проведения калибровки гамма-канала стандартными источниками-квантов автоматически производить учет эффекта температурного сдвига положения пиков характеристического гамма-излучения в диапазоне температур 20÷50С°. Наличие данной системы обеспечивает идентификацию скрытых опасных веществ на уровне 98% вероятности, при вероятности ложных срабатываний 2%.3. The system of thermal correction of gamma detectors allows automatic calibration of the effect of the temperature shift of the position of the peaks of characteristic gamma radiation in the temperature range of 20 ÷ 50 ° C without carrying out calibration of the gamma channel by standard sources of quanta. The presence of this system ensures the identification of latent hazardous substances at a level of 98% probability, with a probability of false positives of 2%.

4. Выполнение лазерных генераторов линии с возможностью индикации на объекте досмотра формы пучка монохроматических нейтронов позволяет сократить и визуализировать процесс наведения и определения места расположения обнаруженных веществ, а по варианту два решения и более точно определить это местоположение.4. The implementation of line laser generators with the ability to indicate the shape of a beam of monochromatic neutrons at the object of inspection allows to reduce and visualize the process of pointing and determining the location of the detected substances, and according to the two solutions, to determine this location more precisely.

5. Использование по варианту два многоэлементного стрипового кремниевого альфа-детектора позволяет существенно уменьшить минимально детектируемую массу опасного вещества до 50 г.5. The use of option two multi-element strip silicon alpha-detector can significantly reduce the minimum detectable mass of a hazardous substance to 50 g

6. Наличие 2 гамма-детекторов позволяет примерно в 2 раза уменьшить время набора статистики, требуемой для корректной идентификации скрытых опасных веществ.6. The presence of 2 gamma-detectors makes it possible to approximately halve the time required to compile statistics required for the correct identification of hidden hazardous substances.

7. Наличие модуля намотки соединительных кабелей Ethernet и питания между досмотровым модулем и модулем управления, входящего в состав переносного детектора скрытых опасных веществ, делает его удобным при эксплуатации в различных условиях.7. The presence of the module for winding Ethernet connecting cables and power between the inspection module and the control module, which is part of the portable detector of hidden dangerous substances, makes it convenient for use in various conditions.

Предлагаемое техническое решение может найти применение в различных мобильных и стационарных системах проверки наличия и идентификации скрытых веществ в объектах малого размера.The proposed technical solution can find application in various mobile and stationary systems for checking the presence and identification of hidden substances in small objects.

Переносные системы могут быть также использованы для досмотра неопознанных объектов в метро, на железнодорожных вокзалах, в аэропортах и других общественных местах, а также для дистанционного досмотра легковых автомобилей.Portable systems can also be used to search for unidentified objects in the subway, at railway stations, at airports and other public places, as well as for remote inspection of cars.

Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1, 2 и 3.The proposed technical solution is illustrated in figures 1, 2 and 3.

На фиг.1 изображена общая схема устройства.Figure 1 shows a General diagram of the device.

На фиг.2 изображена функциональная схема работы системы термокоррекции.Figure 2 shows a functional diagram of the thermal correction system.

На фиг.3 изображен разрез многоканального стрипового детектора α-частиц.Figure 3 shows a section of a multi-channel strip detector of α-particles.

В состав изображенного на фиг.1 устройства входит модуль досмотра 12, модуль управления 14, модуль намотки - катушка 16 и соединительные кабели Ethernet и питания 13. В модуле досмотра 12 находится источник монохроматических нейтронов - нейтронный генератор (НГ) 10 с блоком управления 3, два расположенных параллельно (рядом или один над другим) детектора γ-излучения 6, защита 7 детекторов γ-излучения 6, блоки их питания 1, блок электроники сбора данных 2 со встроенным блоком питания, Ethernet-разветвитель 4 и блок питания 11 детектора α-частиц. Детектор α-частиц на схеме не обозначен, поскольку встроен в нейтронный генератор 10. Модуль досмотра выполнен на базе универсального контейнера с габаритными размерами 740×510×410 мм. Общий вес контейнера с аппаратурой 31 кг. Наведение на объект досмотра осуществляется с помощью генераторов лазерных линий 9. Соединение с модулем управления 14 осуществляется через разъемы 5. Модули соединены между собой двумя кабелями 13, по которым осуществляется Ethernet-соединение и передается питание 220 В. В модуле управления 14 находится ноутбук с программами приема-обработки данных и интерфейсом пользователя и источник питания 15 на 220 В. Для наведения на объект контроля в передней стенке контейнера модуля досмотра 12 имеется светопрозрачное окно 8.The structure of the device shown in FIG. 1 includes an inspection module 12, a control module 14, a winding module - a coil 16 and connecting Ethernet and power cables 13. The inspection module 12 contains a source of monochromatic neutrons - a neutron generator (NG) 10 with a control unit 3, two parallel-located (side by side or one above the other) γ-radiation detectors 6, protection 7 of γ-radiation detectors 6, their power supply units 1, data acquisition electronics 2 with integrated power supply, Ethernet splitter 4 and power supply 11 of α-detector particles. The α-particle detector is not indicated in the diagram because it is built into the neutron generator 10. The inspection module is made on the basis of a universal container with overall dimensions of 740 × 510 × 410 mm. The total weight of the container with the equipment is 31 kg. Guidance on the object of inspection is carried out using laser line generators 9. Connection to the control module 14 is via connectors 5. The modules are interconnected by two cables 13 through which an Ethernet connection is made and 220 V power is transmitted. The control module 14 contains a laptop with programs receiving and processing data and a user interface and a power supply 15 to 220 V. For pointing at the object of control in the front wall of the container of the inspection module 12 there is a translucent window 8.

На фиг.2 изображена функциональная схема системы термокоррекции спектров характеристического γ-излучения, регистрируемого детекторами γ-излучения 6. Система термокоррекции включает в себя термодатчик 17, амплитудно-цифровой преобразователь (АЦП) 18, одноплатный компьютер 19, подключенный к модулю управления 14 с интерфейсом и блоком управления программ приема и обработки данных.Figure 2 shows a functional diagram of a thermal correction system for the spectra of characteristic γ-radiation detected by γ-radiation detectors 6. The thermal correction system includes a temperature sensor 17, an amplitude-to-digital converter (ADC) 18, a single-board computer 19 connected to a control module 14 with an interface and a control unit for receiving and processing data programs.

Термодатчик 17 установлен в корпусе детектора γ-излучения 6, непосредственно на кристалле LaBr₃ в тепловом контакте с ним (детектор γ-излучения 6 включает в себя кристалл LaBr₃), фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 20 и высоковольтный делитель 21 к нему. Высоковольтное питание детектора γ-излучения 6 осуществляется с помощью блока высоковольтного питания 1. На термодатчик 17 подается постоянное напряжение +5 В через плату АЦП 18. Сигнал с термодатчика 17, пропорциональный температуре кристалла LaBr₃, преобразовывается в цифровой код. С помощью одноплатного компьютера 19, на котором установлена плата АЦП 18, обрабатывается цифровой сигнал с термодатчика 17 и определяется коэффициент температурной коррекции амплитуды сигнала, поступившего с детектора γ-излучения 6 в данный момент на модуль управления 14 с блоком программ приема и обработки данных. Сигнал с детектора γ-излучения 6 поступает в компьютер блока электроники сбора данных блока управления 3 и преобразуется в цифровой код. Все компьютеры системы термокоррекции и блока электроники сбора данных объединены в общую компьютерную сеть с помощью Ethernet-разветвителя 4. Цифровая информация о коэффициентах термокоррекции и об амплитуде сигнала с детектора γ-излучения 6 передается с помощью сетевого Ethernet-разветвителя 4 в модуль управления 14 с интерфейсом и блоком программ приема и обработки данных, с помощью которых производится анализ и построение амплитудных спектров сигналов с детектора γ-излучения 6, как с использованием найденных коэффициентов термокоррекции (корректированный спектр), соответствующих определенной температуре окружающей среды, так и без их учета (спектр без коррекции). Питание одноплатного компьютера осуществляется от блока питания постоянного напряжения +5 В (собственного или общего для других элементов, например, 11).The temperature sensor 17 is installed in the housing of the γ-radiation detector 6, directly on the LaBr ₃ crystal in thermal contact with it (the γ-radiation detector 6 includes a LaBr ₃ crystal), a photomultiplier tube (PMT) 20, and a high-voltage divider 21 to it. The high-voltage power supply of the γ-radiation detector 6 is carried out using the high-voltage power supply unit 1. A constant voltage +5 V is supplied to the temperature sensor 17 through the ADC board 18. The signal from the temperature sensor 17, which is proportional to the temperature of the LaBr ₃ crystal, is converted into a digital code. Using a single-board computer 19, on which the ADC board is installed 18, the digital signal from the temperature sensor 17 is processed and the coefficient of temperature correction of the amplitude of the signal received from the γ-radiation detector 6 is currently determined on the control module 14 with a block of data reception and processing programs. The signal from the γ-radiation detector 6 enters the computer of the data acquisition electronics of the control unit 3 and is converted into a digital code. All computers of the thermal correction system and the data acquisition electronics block are connected to a common computer network using an Ethernet splitter 4. Digital information about the thermal correction coefficients and the signal amplitude from the γ-radiation detector 6 is transmitted using an Ethernet network splitter 4 to a control module 14 with an interface and a block of programs for receiving and processing data, with the help of which the analysis and construction of the amplitude spectra of signals from the γ-radiation detector 6 are performed, as using the found thermal correction coefficients ( corrected spectrum) corresponding to a certain ambient temperature, and without taking them into account (spectrum without correction). A single-board computer is powered by a +5 V DC power supply (internal or common to other elements, for example, 11).

На фиг.3 изображен разрез многоэлементного двухстороннего стрипового детектора α-частиц, который содержит сигнальные элементы в виде полосок 23 и 25 (р⁺- и n⁺-стрипы соответственно), расположенных на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц сторонах полупроводникового (Si) кристалла 24, при этом сигнальные элементы 23, 25 выполнены в виде параллельных полос, направление которых, на одной стороне кристалла 24 перпендикулярно направлению полос на другой стороне кремниевого кристалла 24. При том пересечения полос сигнальных элементов 23 и 25 образуют пиксели детектора α-частиц. Измерение координат α-частицы происходит в момент совпадения сигналов с любых двух сигнальных элементов 23 и 25, расположенных на противоположных сторонах детектора α-частиц.Figure 3 shows a section of a multi-element double-sided strip detector of α-particles, which contains signal elements in the form of strips 23 and 25 (p ⁺ - and n ⁺ -strips, respectively) located on both sides of the semiconductor (Si) perpendicular to the stream of α-particles crystal 24, while the signal elements 23, 25 are made in the form of parallel strips, the direction of which, on one side of the crystal 24 is perpendicular to the direction of the bands on the other side of the silicon crystal 24. Moreover, the intersection of the bands of the signal elements 23 and 25 form ixels of the α-particle detector. The measurement of the coordinates of the α-particle occurs at the moment of coincidence of the signals from any two signal elements 23 and 25 located on opposite sides of the α-particle detector.

Лазерные генераторы линий 9 установлены на нейтронном генераторе 10 и предназначены для отображения на объекте горизонтальных и вертикальных линий, указывающих область облучения объекта потоком меченых нейтронов, соответствующую пикселям детектора α-частиц.Laser line generators 9 are mounted on a neutron generator 10 and are designed to display horizontal and vertical lines on an object that indicate the area of the object being irradiated with a labeled neutron flux corresponding to the pixels of an α-particle detector.

Предложенное устройство работает следующим образом. Досмотровый модуль 12 подносится к объекту контроля. Соединительные провода 13 разматываются с катушки 16 на требуемую длину для безопасного размещения модуля управления 14. Включается система лазерного наведения 9, которая позволяет правильно выставить меченые пучки нейтронов для облучения требуемой области на объекте контроля. Лазерные генераторы линий 9 жестко связаны с корпусом НГ 10, показывают направление меченых пучков. Модуль досмотра 12 облучает объект контроля несколькими пучками меченых нейтронов.The proposed device operates as follows. Inspection module 12 is brought to the object of control. The connecting wires 13 are unwound from the coil 16 to the required length for the safe placement of the control module 14. A laser guidance system 9 is turned on, which allows you to correctly set the labeled neutron beams to irradiate the desired area at the control object. Laser generators of lines 9 are rigidly connected to the body of the NG 10, show the direction of the labeled beams. The search module 12 irradiates the control object with several beams of tagged neutrons.

Ось меченых пучков НГ 10 направлена под углом к плоскости передней стенки чемодана. Это обусловлено тем, что размещение аппаратуры в модуле досмотра 12 выбиралось так, чтобы расстояние между объектом и нейтронным генератором 10 и расстояние между объектом и детекторами γ-излучения 6 были минимальными. Это условие необходимо для повышения скорости набора статистики. Кроме того, детекторы γ-излучения 6 должны быть защищены от излучений НГ 10. Для этого введена защита 7 детекторов гамма-излучения 6.The axis of the labeled bundles of NG 10 is directed at an angle to the plane of the front wall of the suitcase. This is because the placement of the equipment in the inspection module 12 was chosen so that the distance between the object and the neutron generator 10 and the distance between the object and the γ-radiation detectors 6 were minimal. This condition is necessary to increase the speed of statistics collection. In addition, γ-radiation detectors 6 must be protected from emissions of NG 10. For this, protection of 7 gamma-radiation detectors 6 has been introduced.

Цикл измерения включает в себя: запуск генератора нейтронов 10, накопление и анализ данных, поступающих с детектора α-частиц и детекторов γ-излучения 6, принятие решений в автоматическом режиме, протоколирование результатов измерения и архивирование данных, набранных за время измерения. В процессе измерения при изменении температуры окружающей среды автоматически производится термокоррекция амплитудных распределений сигналов, регистрируемых с помощью детекторов γ-излучения, что исключает необходимость проведения калибровки спектрометрических каналов детекторов γ-излучения.The measurement cycle includes: starting the neutron generator 10, accumulating and analyzing data coming from the α-particle detector and γ-radiation detectors 6, making decisions in automatic mode, recording measurement results and archiving data collected during the measurement. In the process of measurement, when the ambient temperature changes, thermal correction of the amplitude distributions of the signals recorded using γ-radiation detectors is automatically performed, which eliminates the need for calibration of the spectrometric channels of γ-radiation detectors.

При выключенном нейтронном генераторе 10 (в пассивном режиме) изделие используется как детектор радиоактивных веществ. Для реализации этого предлагаемое устройство содержит блок программ, предназначенных для контроля уровня радиоактивности в объекте досмотра. Программа анализа данных автоматически производит сравнение результата измерения (усредненной скорости счета зарегистрированных событий в интервале энергий гамма-квантов 50-3000 кэВ) с соответствующей величиной, измеренной ранее в фоновых экспозициях. При этом производится сравнение чисел гамма-квантов, зарегистрированных досмотровым модулем в диапазоне энергий 50-3000 кэВ, при наличии и отсутствии (фоновое измерение) объекта контроля. В случае превышения измеренной скорости счета событий, зарегистрированных детектором γ-излучения над уровнем естественного фона, на экране монитора модуля управления 14 появляется информация, свидетельствующая о том, что объект досмотра содержит радиоактивное вещество.When the neutron generator 10 is switched off (in passive mode), the product is used as a detector of radioactive substances. To implement this, the proposed device contains a block of programs designed to control the level of radioactivity in the object of inspection. The data analysis program automatically compares the measurement result (the averaged count rate of recorded events in the gamma-ray energy range of 50-3000 keV) with the corresponding value measured previously in the background exposures. In this case, a comparison is made of the numbers of gamma rays recorded by the inspection module in the energy range of 50-3000 keV, in the presence and absence (background measurement) of the control object. If the measured count rate of events recorded by the γ-radiation detector exceeds the level of the natural background, information appears on the monitor screen of the control module 14, indicating that the object of inspection contains a radioactive substance.

Claims (6)

1. Устройство для идентификации скрытых веществ, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов перпендикулярно передней плоскости модуля и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; притом досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, отличающееся тем, что детектор γ-излучения выполнен на основе кристалла LaBr₃, лазерные генераторы линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr₃, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного мини-компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным мини-компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления.1. A device for identifying hidden substances, containing a source of monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector enclosed in a vacuum chamber, a γ-radiation detector and recording electronics, including a data acquisition electronics unit, a control panel, a reception program unit and data processing, the user interface and power sources, the device is made in the form of two portable modules - an inspection module and a control module connected by Ethernet-connection cables and power, having x length, ensuring safe operation of the operator, while the inspection module contains a source of labeled monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector, γ-radiation detectors and recording electronics; the control module contains a control panel, a block of data reception and processing programs, a user interface and a power source; wherein the γ-radiation detector is placed at an angle close to 45 ° relative to the direction of the flux of labeled monochromatic neutrons perpendicular to the front plane of the module and is protected from the flux of labeled monochromatic neutrons; moreover, the inspection module is equipped with a guidance system on the basis of laser line generators, rigidly connected with the source of labeled monochromatic neutrons, for which a translucent window is provided in the case of the inspection module; a multi-element silicon detector is used as an α-particle detector, characterized in that the γ-radiation detector is based on a LaBr ₃ crystal, the line laser generators are installed with the ability to indicate the shape of the labeled monochromatic neutron flux at the inspection object, the spectroscopic channel of the γ-ray detector is equipped with a system termokorrektsii consisting of a temperature sensor mounted on LaBr ₃ crystal in thermal contact therewith, the amplitude-to-digital converter (ADC) and SBC minicomputer, et at m sensor connected to the communication line and the power line with an amplitude-to-digital converter which is connected to the system bus mini single board computer connected to the machine's power system and to the control module. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит дополнительный детектор γ-излучения на основе кристалла LaBr₃, расположенный параллельно первому детектору γ-излучения, сориентированный аналогично ему и также снабженный защитой от пучка меченых нейтронов.2. The device according to claim 1, characterized in that it contains an additional γ-radiation detector based on a LaBr ₃ crystal, located parallel to the first γ-radiation detector, oriented similarly to it and also equipped with protection from a tagged neutron beam. 3. Устройство по любому из пп.1 и 2, отличающееся тем, что содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания.3. The device according to any one of claims 1 and 2, characterized in that it contains a module for winding Ethernet connecting cables and power. 4. Устройство для идентификации скрытых веществ, содержащее источник монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, заключенные в вакуумную камеру, детектор γ-излучения и регистрирующую электронику, включающую блок электроники сбора данных, пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источники питания, устройство выполнено в виде двух переносных модулей - досмотрового модуля и модуля управления, соединенных кабелями Ethernet-соединения и питания, имеющих длину, обеспечивающую безопасную работу оператора, при этом в досмотровом модуле размещены источник меченых монохроматических нейтронов и сопутствующих им монохроматических α-частиц, детектор α-частиц, детекторы γ-излучения и регистрирующая электроника; в модуле управления размещены пульт управления, блок программ приема и обработки данных, интерфейс пользователя и источник питания; при этом детектор γ-излучения размещен под углом, близким к 45°, относительно направления потока меченых монохроматических нейтронов перпендикулярно передней плоскости модуля и снабжен защитой от потока меченых монохроматических нейтронов; притом досмотровый модуль снабжен жестко связанной с источником меченых монохроматических нейтронов системой наведения на объект досмотра на основе лазерных генераторов линий, для которой в корпусе досмотрового модуля предусмотрено светопрозрачное окно; в качестве детектора α-частиц используется многоэлементный кремниевый детектор, отличающееся тем, что детектор γ-излучения выполнен на основе кристаллов LaBr₃, спектроскопический канал детектора γ-излучения снабжен системой термокоррекции, состоящей из термодатчика, закрепленного на кристалле LaBr₃, в тепловом контакте с ним, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП) и одноплатного компьютера, при этом термодатчик соединен линией связи и линией питания с амплитудно-цифровым преобразователем, который соединен системной шиной с одноплатным компьютером, подключенным к системе питания устройства и к модулю управления, сигнальные элементы многоканального кремниевого детектора α-частиц выполнены в виде полос (стрипов) и расположены на обеих, перпендикулярных потоку α-частиц сторонах полупроводникового кристалла, при этом полосы на одной стороне кристалла параллельны друг другу и перпендикулярны направлению полос на другой стороне кристалла, притом пересечения полос сигнальных элементов образуют пиксели детектора α-частиц; лазерные генераторы линии установлены с возможностью указания на объекте досмотра формы потока меченых монохроматических нейтронов, соответствующей пикселям детектора α-частиц.4. Device for identifying hidden substances, containing a source of monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector enclosed in a vacuum chamber, a γ-radiation detector and recording electronics, including a data acquisition electronics, a control panel, a reception program unit and data processing, the user interface and power sources, the device is made in the form of two portable modules - an inspection module and a control module connected by Ethernet-connection cables and power, having x length, ensuring safe operation of the operator, while the inspection module contains a source of labeled monochromatic neutrons and their accompanying monochromatic α-particles, an α-particle detector, γ-radiation detectors and recording electronics; the control module contains a control panel, a block of data reception and processing programs, a user interface and a power source; wherein the γ-radiation detector is placed at an angle close to 45 ° relative to the direction of the flux of labeled monochromatic neutrons perpendicular to the front plane of the module and is protected from the flux of labeled monochromatic neutrons; moreover, the inspection module is equipped with a guidance system on the basis of laser line generators, rigidly connected with the source of labeled monochromatic neutrons, for which a translucent window is provided in the case of the inspection module; a multi-element silicon detector is used as an α-particle detector, characterized in that the γ-radiation detector is made on the basis of LaBr ₃ crystals, the spectroscopic channel of the γ-radiation detector is equipped with a thermal correction system consisting of a temperature sensor mounted on a LaBr ₃ crystal, in thermal contact with him, an amplitude-to-digital converter (ADC) and a single-board computer, while the temperature sensor is connected by a communication line and a power line to the amplitude-to-digital converter, which is connected by a system bus to a single-board A computer connected to the device’s power supply system and to the control module, the signal elements of the multichannel silicon detector of α particles are made in the form of strips (strips) and are located on both sides of the semiconductor crystal perpendicular to the stream of α particles, while the bands on one side of the crystal are parallel to each other and perpendicular to the direction of the bands on the other side of the crystal, while the intersection of the bands of the signal elements form the pixels of the α-particle detector; laser line generators are installed with the possibility of indicating on the object of inspection the shape of the flux of labeled monochromatic neutrons corresponding to the pixels of the α-particle detector. 5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что содержит дополнительный детектор γ-излучения на основе кристалла LaBr₃, расположенный параллельно первому детектору γ-излучения, сориентированный аналогично ему и также снабженный защитой от пучка меченых нейтронов.5. The device according to claim 4, characterized in that it contains an additional γ-radiation detector based on a LaBr ₃ crystal, located parallel to the first γ-radiation detector, oriented similarly to it and also equipped with protection from a tagged neutron beam. 6. Устройство по любому из пп.4 и 5, отличающееся тем, что содержит модуль намотки соединительных кабелей Ethernet и питания. 6. The device according to any one of paragraphs.4 and 5, characterized in that it contains a module for winding Ethernet connecting cables and power.

Images