RU46363U1 - Smuggling Detection Device - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области исследования и/или анализа материалов радиационными методами для обнаружения контрабанды, в том числе ядерных систем, закладываемых в транспортных средствах.The utility model relates to the field of research and / or analysis of materials by radiation methods to detect smuggling, including nuclear systems embedded in vehicles.

Техническим и физическим результатами полезной модели является экспресс - анализ материалов, достоверность контроля, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах и средах с большим Z ядерных веществ и изделий из них, а также оценка сигнатурных признаков материала по реакциям ядерного вещества за счет образования (рождения) высокоэнергетичных γ-квантов и μ⁺-мюонов от распада π^--пионов и рождение мюонов ядерным веществом.The technical and physical results of the utility model are the express analysis of materials, the reliability of control, the identification of nuclear substances and products from them camouflaged in neutron-slowing media and environments with large Z, as well as the assessment of signature characteristics of the material from nuclear reactions due to the formation (birth) of high-energy γ quanta and μ ⁺ muons from the decay of π ^- pions and the creation of muons by nuclear matter.

Технический результат достигается тем, что в устройстве обнаружения контрабанды содержится ускоритель ионов, выполненный по трехмерной схеме ускорения ионов до энергии ГэВ-ного уровня значений, с угловой расходимостью пучка меньшей 10^-3 рад и содержит инжектор импульсных ионных сгустков.The technical result is achieved by the fact that the smuggling detection device contains an ion accelerator made according to a three-dimensional scheme of ion acceleration to a GeV energy of the level of values, with an angular beam divergence of less than 10 ^-3 rad and contains an injector of pulsed ionic clots.

1 н.п.ф. 3 илл.1 n.p.f. 3 ill.

Description

Полезная модель относится к области исследования и/или анализа материалов радиационными методами для обнаружения контрабанды, взрывчатки, взрывоопасных в том числе особо опасных - ядерных систем, закладываемых в транспортных средствах, может быть использовано в контрольно-пропускных пунктах и таможенных службах.The utility model relates to the field of research and / or analysis of materials by radiation methods for the detection of smuggling, explosives, explosive including especially dangerous - nuclear systems embedded in vehicles, can be used at checkpoints and customs services.

Известно устройство для анализа многокомпонентных материалов, которое содержит источник γ-излучения, детектор γ-излучения, усилитель, дискриминатор, контроллер и дисплей.A device for analyzing multicomponent materials is known, which comprises a γ-radiation source, a γ-radiation detector, an amplifier, a discriminator, a controller and a display.

Исследуемый образец помещается между указанными источником и детектором, γ-излучение, проходя сквозь образец, ослабляется по интенсивности, сохраняя энергию γ-квантов. Далее γ-кванты регистрируют детектором γ-излучения, импульсы детектора усиливают, и через счетчик подают в вычислительное устройство (контроллер), после обработки информацию выводят на дисплей. Патент Великобритании №2088050, G 01 N 23/08,1998 г.The sample under investigation is placed between the indicated source and detector; the γ radiation passing through the sample is attenuated in intensity, preserving the energy of γ quanta. Next, γ-quanta are recorded by a γ-radiation detector, the pulses of the detector are amplified, and fed through a counter to a computing device (controller), after processing, the information is displayed. UK patent No. 2088050, G 01 N 23 / 08.1998

Недостатком устройства является низкая стабильность измерений.The disadvantage of this device is the low measurement stability.

Известно и устройство, содержащее циклотрон для ускорения дейтронов, конвертор (d, n) для создания потока быстрых монокинетических нейтронов, коллиматор нейтронного потока для получения пучка нейтронов карандашного типа, сканирующую систему для направления пучка нейтронов карандашного типа на инспектируемый объект и перемещения его по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения A device is also known that contains a cyclotron for accelerating deuterons, a converter (d, n) for generating a fast monokinetic neutron flux, a neutron flux collimator for producing a pencil-type neutron beam, a scanning system for directing a pencil-type neutron beam to an inspected object and moving it over the object’s surface , a system of spectrometric detectors of gamma radiation, a system for analysis, processing and display of the generated image

внутреннего (скрытого) содержания объекта. Патент США №5076993, МПК: G 21 G 1/06, 1991 г. прототип.internal (hidden) content of the object. US patent No. 5076993, IPC: G 21 G 1/06, 1991 prototype.

Прототип имеет недостатки, которые не позволяют применить его для инспекции ядерных материалов, сокрытых в средах нейтронозамедляющих легкоэлементных веществ (типа воды, нефти, спирта и т.п.) или прикрытых защитными экранами из веществ большого атомного номера Z.The prototype has drawbacks that do not allow it to be used for the inspection of nuclear materials that are hidden in environments of neutron-slowing light-element substances (such as water, oil, alcohol, etc.) or covered with protective shields from substances of large atomic number Z.

Настоящая полезная модель устраняет недостатки аналога и прототипа обеспечивает возможность просвечивания полностью заполненных контейнеров и цистерн - любых объектов - с высокой разрешающей способностью поточечного анализа содержимого инспектируемого объекта.This useful model eliminates the disadvantages of the analogue and prototype, which allows the transmission of fully filled containers and tanks - any objects - with high resolution point-by-point analysis of the contents of the inspected object.

Техническим и физическим результатами полезной модели является экспресс - анализ материалов, достоверность контроля, выявление закамуфлированных в нейтронозамедляющих средах и средах с большим Z специальных ядерных веществ и изделий из них, а также оценка сигнатурных признаков материала по реакциям ядерного вещества за счет образования (рождения) высокоэнергетичных γ-квантов и μ⁺-мюонов от распада π-пионов и рождение мюонов ядерным веществом; использование в качестве сигнатурного признака зарегистрированных γ-квантов.The technical and physical results of the utility model are the express analysis of materials, the reliability of control, the identification of special nuclear substances camouflaged in neutron-slowing media and environments with large Z and their products, as well as the evaluation of signature characteristics of the material from nuclear reactions due to the formation (birth) of high-energy γ-quanta and μ ⁺ muons from the decay of π-pions and the production of muons by nuclear matter; use of registered γ-quanta as a signature feature.

Характеристические (мгновенные и запаздывающие) γ-кванты продуктов распада контрабанды используются для выявления специальных ядерных материалов в качестве сигнатурного признака.Characteristic (instantaneous and delayed) gamma rays of contraband decay products are used to identify special nuclear materials as a signature feature.

Технический результат достигается тем, что в устройстве обнаружения контрабанды, содержащем ускоритель ионов, сканирующую систему по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма - излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого The technical result is achieved by the fact that in the smuggling detection device containing an ion accelerator, a scanning system on the surface of the object, a system of spectrometric gamma radiation detectors, a system for analyzing, processing and displaying the generated image of the hidden

содержания объекта, ускоритель ионов выполнен по трехмерной схеме ускорения ионов на бегущей обратной волне до энергии ГэВ-ного уровня значений, с угловой расходимостью пучка меньшей 10^-3 рад и содержит инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, при этом инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ - мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ - мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ - источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя, объединены в группы с ВЧ - питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры, источник ионов выполнен с возможностью изменения частоты следования моноимпульсов ионов путем изменения частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку of the content of the object, the ion accelerator is made according to a three-dimensional scheme of ion acceleration on a traveling backward wave up to a GeV energy of a level with a beam angular divergence of less than 10 ^-3 rad and contains an injector of pulsed ionic bunches, accelerating structures with focusing systems, high-frequency power systems of these structures from klystron amplifiers at multiple frequencies, which are covered by an external phasing system, while the injector is connected to the end of the injection structure in series through the RF power through the waveguide a pyrator, an injection structure is connected in series via the RF power to the next structure, which in turn is the next one, and between the RF source that feeds the accelerating structures and the injector there are at least two accelerating structures, the accelerating structures are made from the condition that the average speed of the accelerated bunch with the phase velocity of the reciprocal spatial harmonic of the accelerating field from the calculation of the load of the accelerating structures with zero current, while the accelerating structures of the high-energy part are accelerated They are combined into groups with high-frequency power from one klystron, and the group consists of a number of accelerating structures, the input of the first structure along the high-frequency of one of them is connected to the klystron, and its output is connected to the input of the second high-frequency structure of the second high-frequency in the waveguide group a path with a phase shifter, the output of this second structure is connected to the RF input of the following structure, the ion source is configured to change the ion monopulse repetition rate by changing the frequency of voltage supply to the ion electrode’s extracting electrode or on elements transverse to the beam

отклоняющей пучок электромагнитной системы или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов.deflecting the beam of the electromagnetic system or by changing the frequency of plasma formation in the ion source.

При прохождении ГэВ-ного пучка через исследуемый объект (контейнер, цистерна и т.п.) угловая расходимость пучка меньшая, чем 10^-3 рад сохраняется, при этом практически сохраняется и диаметр 1.5-2 см инспектирующего луча.When the GeV beam passes through the object under study (container, tank, etc.), the angular divergence of the beam less than 10 ^-3 rad is preserved, while the diameter of 1.5-2 cm of the inspecting beam is practically preserved.

В этом случае будет обеспечиваться минимальная дискретность выявляемого микрообъема 2*2*3 см³.In this case, the minimum discreteness of the detected microvolume of 2 * 2 * 3 cm ³ will be ensured.

При проведении скоростной инспекции диаметр инспектирующего пучка можно варьировать вплоть до размеров превышающих размеры контейнера (цистерны).When conducting a high-speed inspection, the diameter of the inspection beam can be varied up to sizes exceeding the dimensions of the container (tank).

Коллимированный высокоэнергетический пучок протонов с диаметром пучка ~2 см и с угловой расходимостью менее 10^-3 рад, создают в ускорителе, компактность которого обеспечена выполнением его по трехмерной схеме.A collimated high-energy proton beam with a beam diameter of ~ 2 cm and with an angular divergence of less than 10 ^-3 rad is created in an accelerator, the compactness of which is ensured by performing it according to a three-dimensional scheme.

Сущность полезной модели поясняется на фиг.1, фиг.2, фиг.3. На фиг.1 представлены распределения E_z(z) и P(z) ВЧ - мощности по длине ускоряющих структур (м) в любой точке z вдоль ускоряющей структуры.The essence of the utility model is illustrated in figure 1, figure 2, figure 3. Figure 1 shows the distribution of E _z (z) and P (z) RF - power along the length of the accelerating structures (m) at any point z along the accelerating structure.

На фиг.2 представлена блок-схема ускорителя, где: 1 -источник ускоряемых частиц, 2 - инжектор ускоряемых частиц; 3 -система высоковольтного питания инжектора; 4 - система управления инжектором и источником, находящимся под высоким инжекционным потенциалом; 5 - последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона. При этом размеры ячеек ускоряющих структур монотонно возрастают. 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкоэнергетической части ускорителя, выполненной в виде Figure 2 presents the block diagram of the accelerator, where: 1 is the source of accelerated particles, 2 is the injector of accelerated particles; 3 - high-voltage power supply system of the injector; 4 - control system of the injector and the source, which is under high injection potential; 5 is a sequence of accelerating structures of the low-energy part of the accelerator with RF power from one low-frequency klystron amplifier. In this case, the cell sizes of accelerating structures monotonically increase. 6 - magnetic focusing systems of the injection and subsequent structures of the low-energy part of the accelerator, made in the form

последовательности сверхпроводящих соленоидов с соответствующим обеспечением; 7 - система поворотных магнитов, 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя, объединенных в группы с ВЧ - питанием от одного клистрона.sequences of superconducting solenoids with appropriate software; 7 - a system of rotary magnets, 8 - a sequence of accelerating structures of the high-energy part of the accelerator, combined into groups with high-frequency power from one klystron.

На фиг.3 представлена структурная схема устройства обнаружения контрабанды, где: 1 - источник ускоряемых частиц; 2 -инжектор ускоряемых частиц; 5 - последовательность ускоряющих структур низкоэнергетической части ускорителя с ВЧ-питанием от одного низкочастотного усилителя-клистрона; 6 - магнитные фокусирующие системы инжекционной и последующих структур низкочастотной части ускорителя; 8 - последовательность ускоряющих структур высокоэнергетической части ускорителя; 9 - инспектирующий пучок; 10 - инспектируемый объект; 11 - контрабанда; 12 - сигнатурные гамма кванты; 13 - датчик момента выхода моносгустка из ускорителя. 14 - детекторы сигнатурных гамма квантов; 15 - детекторы мгновенных и запаздывающих нейтронов, плюс мезонов. 16 - информационные каналы с детекторов на обрабатывающий центр 17; 17 - обрабатывающий информацию с детекторов центр; 18 - монитор.Figure 3 presents a structural diagram of a device for detecting smuggling, where: 1 - a source of accelerated particles; 2 -injector of accelerated particles; 5 is a sequence of accelerating structures of the low-energy part of the accelerator with RF power from one low-frequency klystron amplifier; 6 - magnetic focusing systems of the injection and subsequent structures of the low-frequency part of the accelerator; 8 is a sequence of accelerating structures of the high-energy part of the accelerator; 9 - inspection beam; 10 - inspected object; 11 - smuggling; 12 - signature gamma quanta; 13 is a sensor of the moment of exit of a monobunch from the accelerator. 14 - signature gamma quanta detectors; 15 - detectors of instantaneous and delayed neutrons, plus mesons. 16 - information channels from detectors to the processing center 17; 17 - center processing information from the detectors; 18 is a monitor.

Устройство обнаружения контрабанды работает следующим образом. Инспектирующий пучок 9 направляют на инспектируемый объект 10. Перемещением пучка (или объекта) обеспечивают сканирование объекта. Протоны ГэВ-ного уровня энергии проходят насквозь инспектируемый объект 10, при этом диаметр и угловая расходимость пучка практически не меняются (по крайней мере, до тех пор, пока энергия протонов не уменьшится до существенно меньшего, чем 100 МэВ, значения). При прохождение инспектируемого объекта 10 ГэВ-ные протоны взаимодействуют с The smuggling detection device operates as follows. The inspection beam 9 is sent to the inspected object 10. Moving the beam (or object) provide scanning of the object. The protons of the GeV energy level pass through the inspected object 10, while the diameter and angular divergence of the beam practically do not change (at least until the proton energy decreases to a significantly lower value than 100 MeV). During the passage of the inspected object, 10 GeV protons interact with

ядерным веществом. Попадание протона в ядро характеризуется рядом реакций: образования π-пионов и μ⁺-мюонов и γ-квантов; мгновенным распадом π°-пионов на два высокоэнергетических γ-кванта (с энергией Еу ~70 МэВ); перезарядкой π^--мезонов на протонах с образованием π°-мезонов и перезарядкой π^--мезонов на протонах с испусканием 131 МэВ-ных γ-квантов; рождением высокоэнергетических μ⁺-мюонов, расщеплением ядер и испусканием характеристических мгновенных и запаздывающих гамма квантов 12. Высокоэнергетические (Еу ~70 МэВ и Еу=131 МэВ) гамма-кванты и μ⁺-мюоны являются сигнатурными признаками 12, их регистрируют детекторами гамма- и мюонного-излучения 14, 15, 16.nuclear material. The proton entering the nucleus is characterized by a number of reactions: the formation of π-pions and μ ⁺ muons and γ-quanta; instant decay of π ° pions into two high-energy γ-quanta (with an energy Eu ~ 70 MeV); by recharging π ^- mesons on protons with the formation of π ° mesons and recharging π ^- mesons on protons with the emission of 131 MeV γ-quanta; the creation of high-energy μ ⁺ muons, nuclear fission, and the emission of characteristic instantaneous and delayed gamma quanta 12. High-energy (Eu ~ 70 MeV and Eu = 131 MeV) gamma quanta and μ ⁺ muons are signature features 12, they are detected by gamma and muon radiation 14, 15, 16.

Высокая энергия гамма квантов гарантирует беспрепятственное прохождение их через содержимое инспектируемого объекта.The high energy of gamma quanta guarantees their unhindered passage through the contents of the inspected object.

Дополнительным каналом выявления специальных ядерных материалов служит регистрация характеристических мгновенных и запаздывающих гамма квантов осколков деления этих ядер.An additional channel for identifying special nuclear materials is the registration of characteristic instantaneous and delayed gamma quanta of fission fragments of these nuclei.

Применение ускоренных протонов, сформированных в моноимпульсы субнаносекундной длительности, в сочетании с времяпролетной методикой регистрации гамма-квантов (и μ⁺-мюонов) и сканированием этими моноимпульсами поверхности инспектируемого объекта 10 позволяет определить точное местонахождение контрабандного ядерного вещества 11 внутри инспектируемого объекта 10 и сформировать поточечное высококонтрастное трехмерное изображение контрабандных материалов 11 и выявить их месторасположение среди веществ содержащихся в инспектируемом объекте 10.The use of accelerated protons generated in monopulses of subnanosecond duration, in combination with a time-of-flight technique for detecting gamma rays (and μ ⁺ muons) and scanning these surfaces with monopulses of the surface of the inspected object 10, allows one to determine the exact location of the smuggled nuclear material 11 inside the inspected object 10 and to form a pointwise high-contrast three-dimensional image of smuggled materials 11 and to identify their location among the substances contained in the inspected Object 10.

Ускоритель (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) устройства обнаружения контрабанды работает следующим образом:The accelerator (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) of the smuggling detection device works as follows:

В нашем случае (фиг.1) распределения E_z(z) и P(z) ВЧ-мощности в любой точке z вдоль каждой ускоряющей структуры равномерно. Суммарная длина структур составляет 50-120 м при применении одного стандартного 4-МВт-ного источника ВЧ-питания ускорителя на частоте 433 МГц, а приращение энергии ускоряемых ионов составляет около 100 МэВ. Распределения E_z(z) и P(z) и приращение энергии сгустка ионов постоянны при изменении числа ускоряемых протонов. Эквивалентный ток можно варьировать от нулевого значения до 2000 мА при этом величина приращения энергии ускоряемых протонов остается неизменной. В этом случае в ускоряющих структурах активная ВЧ - мощность источника ВЧ -питания ускорителя расходуется только на покрытие омических потерь. Ускорение в последовательности структур одиночного моноимпульса (вне зависимости от числа ускоряемых частиц), позволяет этому сгустку (моноимпульсу) взаимодействовать с тем значением компонента E_z(z), которое установилось в структурах в отсутствие нагрузки током.In our case (Fig. 1), the distributions of E _z (z) and P (z) of the RF power at any point z along each accelerating structure are uniform. The total length of the structures is 50-120 m when using one standard 4-MW source of RF accelerator power at a frequency of 433 MHz, and the energy increment of accelerated ions is about 100 MeV. The distributions of E _z (z) and P (z) and the increment of the energy of the ion bunch are constant when the number of accelerated protons changes. The equivalent current can be varied from zero to 2000 mA, while the magnitude of the energy increment of the accelerated protons remains unchanged. In this case, in accelerating structures, the active HF - power source of the HF power supply of the accelerator is spent only on covering ohmic losses. The acceleration in the sequence of structures of a single monopulse (regardless of the number of accelerated particles) allows this bunch (monopulse) to interact with the value of the component E _z (z), which is established in the structures in the absence of current load.

Стационарное распределение компонента E_z(z), соответствующее распределению в отсутствие сгустка, создается потоком ВЧ - мощности, направленным навстречу ускоряемому сгустку, и тем обстоятельством, что ускоряют частицы в моноимпульсе, используя накопленную (запасенную) в структурах энергию ВЧ - электромагнитного поля.The stationary distribution of the component E _z (z), which corresponds to the distribution in the absence of a bunch, is created by an RF-power flow directed towards the accelerated bunch, and by the fact that particles are accelerated in a single pulse using the stored (stored) energy of the RF-electromagnetic field in the structures.

В процессе ускорения сгустка (моноимпульса), запасенная в структурах ВЧ - энергия трансформируется в кинетическую энергию ускоряемых частиц, стационарное электромагнитное поле, соответствующее значению изменится.In the process of acceleration of a bunch (monopulse), the energy stored in the HF structures is transformed into the kinetic energy of the accelerated particles, the stationary electromagnetic field corresponding to the value will change.

А именно: значения компонента E_z(z) бегущего навстречу сгустку электромагнитного поля от точки z, в которой в данный Namely: the values of the component E _z (z) running towards the bunch of electromagnetic fields from the point z at which

момент находится сгусток, до инжекционного выходного по высокой частоте конца ускорителя нарушится, т.е. сразу за сгустком, достигшим точки z, - изменится, а от сгустка до ВЧ - источника не изменится.the moment is a bunch, before the injection output at the high frequency of the end of the accelerator is violated, i.e. immediately after the bunch, reaching the point z, it will change, and from the bunch to the HF source, it will not change.

Через некоторый интервал времени после прохождения сгустка (моноимпульса) стационарное распределение компонента E_z(z) во всех структурах восстановится, т.к. придет следующая порция энергии от ВЧ - источника во все, последовательно присоединенные к данному ВЧ - источнику, структуры.After a certain time interval after the passage of the bunch (monopulse), the stationary distribution of the component E _z (z) in all structures will be restored, because the next portion of energy from the HF source will come to all structures sequentially connected to this HF source.

Отметим, что число частиц, ускоряемых в моносгустке, можно произвольно изменять. Количество частиц можно варьировать по желанию потребителя при неизменности распределения компонента E_z(z) в структурах и, следовательно, неизменной энергии ускоренных частиц.We note that the number of particles accelerated in a mono bunch can be arbitrarily changed. The number of particles can be varied at the request of the consumer with a constant distribution of the component E _z (z) in the structures and, therefore, a constant energy of accelerated particles.

Ускорение проводят в многочастотном режиме на кратных частотах, вводя ВЧ - мощность в низкоэнергетическую часть ускорителя от ВЧ - клистрона метрового или длинно -дециметрового диапазона длин волн, а высокоэнергетическую часть - от ВЧ - клистронов коротко-дециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн, с фазированием ВЧ - источников от задающего генератора-синхронизатора. В этом случае можно применять как фокусировку продольным стационарным магнитным полем, так и аксиально-симметричным ВЧ - ускоряющим полем. При использовании для ускорения коротко-дециметрового или сантиметрового диапазонов длин волн (в том числе и в низкоэнергетической части ускорителя) целесообразно применять фокусировку аксиально-симметричным ВЧ - полем.The acceleration is carried out in the multi-frequency mode at multiple frequencies, introducing the HF power into the low-energy part of the accelerator from the HF - klystron of the meter or long decimeter wavelength range, and the high-energy part from the HF - klystrons of the short-decimeter or centimeter wavelength ranges, with phasing of the HF - sources from the master oscillator-synchronizer. In this case, it is possible to apply both focusing by a longitudinal stationary magnetic field, and axially symmetric RF - accelerating field. When using short-decimeter or centimeter wavelength ranges for acceleration (including in the low-energy part of the accelerator), it is advisable to use focusing by an axially symmetric RF field.

В ускорителе для получения максимального к.п.д. преобразования ВЧ - мощности в кинетическую энергию In the accelerator to obtain maximum efficiency HF power conversion into kinetic energy

ускоряемого сгустка ионов, повышения темпа ускорения в последовательностях структур, питаемых от одного клистрона, расходуют лишь половину ВЧ - мощности клистрона - 0.5 Р_кл. Оставшиеся 0.5 Р_кл извлекают из выходных - по ВЧ - концов каждой 5 последовательности ускоряющих структур и направляют на входы волноводных 3-дБ-мостов. Установленные в схемы ВЧ - питания ускорителя волноводные 3 дБ - мосты сложения мощности на своих выходах обеспечивают значение ВЧ - мощности такое же, как и величина ВЧ - мощности от примененных клистронов Ркл, величины мощности на выходе клистрона, принимаемой за единицу. Это позволяет вдвое сэкономить на числе примененных клистронов и повысить в целом надежность и экономичность системы ВЧ -питания (уменьшив число активных элементов схемы заменой на пассивные высоконадежные элементы - мосты).accelerated ion clot, increasing the acceleration rate in sequences of structures fed from one klystron, spend only half of the RF - the power of the klystron is 0.5 R _cells . The remaining 0.5 R _cells are extracted from the output - along the HF - ends of each 5 sequences of accelerating structures and sent to the inputs of the waveguide 3-dB bridges. The waveguide 3 dB - power addition bridges installed in the accelerator’s RF power supply circuits at their outputs provide the value of the RF power the same as the value of the RF power from the applied klystrons Rcl, the output power of the klystron taken as a unit. This allows you to save half the number of applied klystrons and increase the overall reliability and efficiency of the RF power supply system (by reducing the number of active circuit elements by replacing passive highly reliable elements - bridges).

На входы мостов подают мощность по 0.5 Р_кл с двух последовательностей ускоряющих структур, а получившуюся 1 Р_кл с выхода моста направляют на вход третьей последовательности структур, достигая этим и максимального темпа ускорения, и максимального к.п.д., при этом повышается надежность иPower of 0.5 R _cells from two sequences of accelerating structures is supplied to the inputs of the bridges, and the resulting 1 R _cells from the output of the bridge is sent to the input of the third sequence of structures, thereby achieving both the maximum acceleration rate and maximum efficiency, while increasing reliability and

ЭКОНОМНОСТЬ.ECONOMY.

Для получения приращения энергии 120 МэВ суммарная длина структуры существенно сокращается и составляет менее 50 метров (при ВЧ - питании от одного 4-МВт-ного на частоте f=433 МГц клистрона). Ее выполняют составной из структур меньшей 25 длины 3-6 метровых.To obtain an energy increment of 120 MeV, the total length of the structure is significantly reduced and is less than 50 meters (for high-frequency power supply from one 4 MW at a frequency f = 433 MHz klystron). It is made of composite structures of less than 25 3-6 meters long.

ВЧ-мощность передают из одной структуры в другую по волноводным каналам с ВЧ - выхода последующей структуры на ВЧ - вход предыдущей (по ходу пучка) структуры.RF power is transferred from one structure to another via waveguide channels from the RF — the output of the subsequent structure to the RF — the input of the previous (along the beam) structure.

Фазирование сгустка, выходящего из предыдущей структуры и поступающего на вход последующей структуры, относительно фазы ускоряющего компонента, корректируют фазовращателями, вставленными в волноводный канал связи, соединяющий рядом расположенные структуры.The phasing of the bunch leaving the previous structure and entering the input of the next structure relative to the phase of the accelerating component is corrected by phase shifters inserted into the waveguide communication channel connecting adjacent structures.

После установления в последовательностях структур стационарного распределения ВЧ-поля, (в отсутствие ускоряемых частиц в ней) производят инжекцию следующего одиночного сгустка частиц, в течение промежутка времени равного обратному значению частоты ВЧ-питания низкоэнергетической части ускорителя. Следующий сгусток направляют в ускоритель после завершения в структурах переходного процесса, вызванного ускорением предыдущего сгустка, примерно через микросекунду.After the stationary distribution of the RF field is established in the sequence of structures (in the absence of accelerated particles in it), the next single particle bunch is injected over a period of time equal to the reciprocal of the RF power frequency of the low-energy part of the accelerator. The next bunch is sent to the accelerator after completion of the transition process in the structures caused by the acceleration of the previous bunch, in about a microsecond.

При низкочастотном питании начальной части ускорителя ускоряемый пучок фокусируют стационарным соленоидальным магнитным полем сверхпроводящих соленоидов 6. После того, как частицы будут сформированы в сгустки короткой фазовой протяженности, их фокусируют силами ускоряющего электромагнитного поля.With a low-frequency power supply to the initial part of the accelerator, the accelerated beam is focused by the stationary solenoidal magnetic field of the superconducting solenoids 6. After the particles are formed into clusters of short phase length, they are focused by the forces of an accelerating electromagnetic field.

Компоновка ускорителя выполнена по 2D-двумерной схеме, если требуется иметь несколько выводов частиц разной энергии на одном геодезическом уровне; или по 3D-трехмерной схеме для наибольшей компактности.The accelerator layout is made according to a 2D two-dimensional scheme if it is required to have several conclusions of particles of different energy at the same geodetic level; or in 3D three-dimensional scheme for maximum compactness.

Возможны варианты, например низкоэнергетическая часть плоская, высокоэнергетическая часть трехмерная пространственная фигура.Variants are possible, for example, the low-energy part is flat, the high-energy part is a three-dimensional spatial figure.

Источник заряженных частиц 1 инжектирует сгусток ионов, который краевым полем сверхпроводящего соленоида ускорителя (или отдельной магнитной линзы или электрическими полями The source of charged particles 1 injects a bunch of ions, which is the edge field of the superconducting solenoid of the accelerator (or a separate magnetic lens or electric fields

ускоряющей трубки инжектора ускорителя) сжимают до размеров 1-5 мм в диаметре и направляют на вход первой ускоряющей структуры. С конца этой структуры, противоположного инжекционному, в нее направляют ВЧ - энергию с выходного по ВЧ конца следующей структуры, которая, в свою очередь, соединена ВЧ - трактом с последующей структурой.accelerator tube of the injector of the accelerator) is compressed to a size of 1-5 mm in diameter and sent to the input of the first accelerating structure. From the end of this structure, which is opposite to the injection one, the RF energy is directed into it from the RF output end of the next structure, which, in turn, is connected by the RF path with the subsequent structure.

В первой структуре происходит захват сгустка в режим ускорения и формирование заданной фазовой протяженности сгустка. Затем сгусток ускоряют в поле обратной пространственной гармоники, распространяющейся попутно с ускоряемым сгустком навстречу потоку ВЧ - энергии от клистрона. После ускорения в этой структуре сгусток поступает в следующую структуру. В последующих структурах фазовая протяженность сгустка сокращается, что облегчает процесс ускорения и использования для дальнейшего ускорения ВЧ - питания более высокой частоты и позволяет фокусировать сгусток аксиально-симметричными силами ускоряющего поля при изменении значения равновесной фазы.In the first structure, the bunch is captured in acceleration mode and the specified phase length of the bunch is formed. Then the bunch is accelerated in the field of inverse spatial harmonic, which propagates along with the accelerated bunch towards the flow of HF energy from the klystron. After acceleration in this structure, the clot enters the following structure. In subsequent structures, the phase length of the bunch is reduced, which facilitates the process of acceleration and the use of a higher frequency RF power for further acceleration and allows the bunch to be focused by axially symmetric forces of the accelerating field when the equilibrium phase value changes.

Количество секций ускорителя выбирают исходя из требования достижения конечной энергии ускоренных частиц.The number of accelerator sections is selected based on the requirement to achieve the final energy of accelerated particles.

Никаких дополнительных коллиматоров не используют. С помощью электромагнитной сканирующей системы пучок субнаносекундной длительности (длительности, меньшей длительности одного периода колебаний ВЧ - источника, запитывающего инжекционную секцию многосекционного на линейных ускоряющих структурах класса «структуры с аномальной дисперсией» ускорителя), направляют в любую точку на поверхности инспектируемого объекта 10. No additional collimators are used. Using an electromagnetic scanning system, a beam of subnanosecond duration (a duration shorter than a single oscillation period of the HF source, which feeds the injection section of a multisectional accelerator with linear accelerating structures of the class “structures with anomalous dispersion”), is sent to any point on the surface of the inspected object 10.

Пересечение инспектирующего пучка 9 с инспектируемым объектом 10 выделяет малую поверхность с координатами (x_i,y_i)- The intersection of the inspection beam 9 with the inspected object 10 produces a small surface with coordinates (x _i , y _i ) -

т.н. pixel. Координату z_i получают времяпролетным методом, вычисляя положение z_i по известному значению скорости ионов и моменту времени, когда импульс частиц направлен на объект. Этот момент фиксируется датчиком момента выхода моносгустка 13 из ускорителя. 14 - детекторы сигнатурных тем самым определяют трехмерное (х_i, y_i, z_i) положение микрообъема (voxel), из которого в данный (фиксированный), момент времени произошла эмиссия сигнатурных частиц 12 (сигнатурных гамма квантов, мгновенных и запаздывающих нейтронов, мю-плюс мезонов). Сигнатурные частицы 12 попадают на детекторы 14 сигнатурных гамма квантов; детекторы мгновенных и запаздывающих нейтронов, мю-плюс мезонов 15, а по информационным каналам 16 с детекторов 14 и 15 на обрабатывающий центр 17, а затем изображение контрабанды 11 выводится на монитор 18.the so-called pixel. The coordinate z _{i is} obtained by the time-of-flight method, calculating the position z _i from the known value of the ion velocity and the time when the momentum of the particles is directed at the object. This moment is recorded by the sensor of the moment of exit of the monobunch 13 from the accelerator. 14 - signature detectors thereby determine the three-dimensional (x _i , y _i , z _i ) position of the microvolume (voxel), from which, at a given (fixed) time moment, emission of signature particles 12 (signature gamma quanta, instantaneous and delayed neutrons, mu plus mesons). The signature particles 12 fall on the detectors 14 signature gamma quanta; detectors of instantaneous and delayed neutrons, mu-plus mesons 15, and through information channels 16 from detectors 14 and 15 to the processing center 17, and then the image of contraband 11 is displayed on the monitor 18.

Характеристические гамма кванты 12 (с энергией ~половины массы пиона и с энергией пиона, а также положительные мюоны) регистрируют спектрометрическими детекторами 14, информацию с которых от обрабатывающего центра 17 отображают в виде трехмерного изображения объема (voxel), (изображения контрабанды 11) эмиссирующего эти сигнатурные частицы 12 на контурном фоне инспектируемого объекта 10. The characteristic gamma quanta 12 (with an energy of ~ half the mass of the pion and with the energy of the pion, as well as positive muons) are recorded by spectrometric detectors 14, the information from which from the processing center 17 is displayed in the form of a three-dimensional image of the volume (voxel), (contraband image 11) emitting these signature particles 12 on the contour background of the inspected object 10.

Claims (1)

Устройство обнаружения контрабанды, содержащее ускоритель ионов, сканирующую систему по поверхности объекта, систему спектрометрических детекторов гамма-излучения, систему анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого содержания объекта, отличающееся тем, что ускоритель ионов выполнен по трехмерной схеме ускорения ионов до энергии ГэВ-ного уровня значений, с угловой расходимостью пучка меньшей 10^-3 рад и содержит инжектор импульсных ионных сгустков, ускоряющие структуры с системами фокусировки, системы высокочастотного питания этих структур от клистронных усилителей на кратных частотах, которые охвачены системой внешней фазировки, при этом инжектор присоединен к концу инжекционной структуры последовательно по ВЧ-мощности через волноводный группирователь, инжекционная структура соединена последовательно по ВЧ-мощности со следующей структурой, которая в свою очередь - с последующей, а между ВЧ-источником, питающим ускоряющие структуры, и инжектором размещено не менее двух ускоряющих структур, ускоряющие структуры выполнены из условия равенства средней скорости ускоряемого сгустка с фазовой скоростью обратной пространственной гармоники ускоряющего поля из расчета нагрузки ускоряющих структур нулевым током, при этом ускоряющие структуры высокоэнергетической части ускорителя, объединены в группы с ВЧ-питанием от одного клистрона, при этом группа состоит из ряда ускоряющих структур, вход первой структуры по ВЧ одной из них соединен с клистроном, а выход ее соединен с входом предыдущей по пучку структуры второй по ВЧ в группе волноводным трактом с фазовращателем, выход этой второй структуры соединен с входом по ВЧ следующей структуры, источник ионов выполнен с возможностью изменения частоты следования моноимпульсов ионов путем изменения частоты подачи напряжения на вытягивающий электрод источника ионов или на элементы поперечной к пучку отклоняющей пучок электромагнитной системы или изменением частоты формирования плазмы в источнике ионов, при этом система анализа, обработки и отображения формируемого изображения скрытого содержания объекта, выполнена в виде датчика момента выхода моносгустка из ускорителя, детекторов сигнатурных гамма квантов, детекторов мгновенных и запаздывающих нейтронов и мю-плюс мезонов, информационные каналы детекторов соединены с входом обрабатывающего центра, а выход обрабатывающего центра соединен с входом монитора.A contraband detection device comprising an ion accelerator, a scanning system on the object’s surface, a system of gamma-ray spectrometric detectors, a system for analyzing, processing and displaying the generated image of the hidden content of an object, characterized in that the ion accelerator is made in accordance with a three-dimensional scheme for accelerating ions to GeV energy level values, with the angular divergence of the beam at 10 ^-3 rad and comprises an injector pulsed ion bunches accelerating structure with focusing systems, system vysokocha total supply of these structures from klystron amplifiers at multiple frequencies that are covered by an external phasing system, while the injector is connected to the end of the injection structure in series with the RF power through the waveguide grouper, the injection structure is connected in series with the RF power with the next structure, which in turn - followed by, and between the RF source supplying the accelerating structures and the injector there are at least two accelerating structures, the accelerating structures are made from the condition of equal VA of the average velocity of the accelerated bunch with the phase velocity of the reciprocal spatial harmonic of the accelerating field from the calculation of the load of the accelerating structures with zero current, while the accelerating structures of the high-energy part of the accelerator are combined into RF-powered groups from one klystron, and the group consists of a number of accelerating structures, the input the first structure in the HF of one of them is connected to the klystron, and its output is connected to the input of the previous structure in the second beam in the second HF in the group by a waveguide path with a phase shifter, the output of this The structure is connected to the RF input of the following structure, the ion source is configured to change the ion monopulse repetition rate by changing the frequency of voltage supply to the extracting electrode of the ion source or to elements of the electromagnetic system deflecting the beam transverse to the beam or by changing the frequency of plasma formation in the ion source, this system of analysis, processing and display of the generated image of the hidden content of the object, made in the form of a sensor of the moment the mono clot exits from acceleration For example, detectors of signature gamma quanta, detectors of instantaneous and delayed neutrons and mu-plus mesons, the information channels of the detectors are connected to the input of the processing center, and the output of the processing center is connected to the input of the monitor.