устройство для обнаружения взрывчатых веществ в контролируемых предметах, преимущественно в авиабагаже

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ В КОНТРОЛИРУЕМЫХ ПРЕДМЕТАХ, ПРЕИМУЩЕСТВЕННО В АВИАБАГАЖЕ, включающее расположенные в защитном от радиации кожухе излучатель тепловых нейтронов, содержащий источник быстрых нейтронов и замедлитель, блоки детектирования гамма-излучения, отражатели тепловых нейтронов, средство транспортирования контролируемых предметов, содержащее грузовую платформу, разделенную на образованные вертикальными в виде пластин отражателями тепловых нейтронов секции для размещения контролируемых предметов, и аппаратуру обработки поступающей с блоков детектирования гамма-излучения информации, отличающееся тем, что кожух выполнен в виде разомкнутого кольцевого тоннеля, П-образного в вертикальном сечении, из материалов-поглотителей нейтронов и гамма-излучения, средство транспортирования контролируемых предметов выполнено в виде расположенной в кольцевом канале, круговой кольцевой платформы с приводом ее вращения, при этом вертикальные отражатели расположены параллельно друг другу и плоскости симметрии секций, проходящей через ось симметрии кольцевой платформы, и жестко закреплены на ней, излучатель тепловых нейтронов и блок детектирования расположены соответственно под и над секцией, расположенной диаметрально противоположно разомкнутой части кольцевого тоннеля, причем высота тоннеля в месте расположения блока детектирования больше высоты остальной части тоннеля на величину, превышающую длину блока детектирования, излучатель тепловых нейтронов выполнен в виде блока с обращенной в сторону чувствительных элементов блоков детектирования гамма-излучения излучающей нейтроны поверхностью, площадь которой не больше площади основания секции для размещения контролируемых предметов, длина L тоннеля выбрана из соотношений

L D 1- ; ;

l D 1- , ,

где l - длина внутренней стенки тоннеля;

D - диаметр внешней стенки канала;

d - диаметр внутренней стенки канала;

n - число секций для размещения контролируемых предметов, а в тоннеле в его стенках между излучающей нейтроны поверхностью блока излучателя и плоскостью торцов чувствительных элементов блоков детектирования установлены дополнительные отражатели нейтронов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство транспортирования снабжено опорными и центрирующими катками, при этом грузовая платформа установлена горизонтально на опорных катках, а центрирующие катки взаимодействуют с ее внутренней торцевой поверхностью.

3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что на нижней плоскости грузовой платформы выполнена кольцевая фрикционная поверхность.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что приводы вращения грузовой платформы установлены под ней и имеют ведущие катки с фрикционной поверхностью, предназначенные для взаимодействия с фрикционной поверхностью грузовой платформы.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок излучателя тепловых нейтронов снабжен радиационной защитой в виде блоков-поглотителей нейтронного и гамма-излучения, размещенных на его внешних боковых поверхностях, обращенных в проходы тоннеля.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к анализу материалов радиационными методами измерением вторичной эмиссии с использованием нейтронов, а более конкретно к устройствам, предназначенным для обнаружения взрывчатых веществ (ВВ) среди содержимого различных контролируемых предметов, преимущественно авиабагажа (портфели, сумки, радио- и видеоаппаратура, баулы, чемоданы и т. п. ) без их вскрытия,

Известно устройство для проверки багажа авиапассажиров на наличие ВВ, содержащее источник быстрых нейтронов калифорний-252, блоки детектирования гамма-излучения, аппаратуру обработки, проступающей с блоков детектирования информации, запрограммированную на принятие решения, и ленточный транспортер для перемещения багажа [1] . При этом источник нейтронов установлен в камере контроля под лентой транспортера, а блоки детектирования - над ней напротив источника нейтронов. Поток быстрых нейтронов используемого источника калифорний-252 ок. 10⁹нейтрон/с (300 мкг изотопа), доза излучения, получаемая обслуживающим персоналом за календарный год, составляет ок. 200 мбэр.

Использование в этом устройстве ленточного транспортера приводит к снижению плотности потока тепловых нейтронов в месте размещения контролируемого багажа по причине поглощения тепловых нейтронов материалами ленточного полотна и роликоопорами транспортера, а также за счет увеличения расстояния от источника нейтронов до контролируемого багажа на величину, равную высоте транспортера. Для компенсации этого снижения плотности потока тепловых нейтронов необходимо применять источник быстрых нейтронов с большим потоком нейтронов (ок. 10⁹нейтрон/с), что требует усиления радиационной защиты, влекущее за собой удорожание устройства как за счет возрастания стоимости радиационной защиты, так и стоимости источника быстрых нейтронов. Далее, применение в упомянутом устройстве источника быстрых нейтронов с большой величиной потока нейтронов (ок. 10⁹ нейтрон/с) с одной стороны, и принятые технические решения по конструкции камеры контроля - прямолинейный транспортер и ввод-вывод контролируемого багажа в камеру через открытые проемы с другой, предопределили высокий уровень облучения персонала (200 мбэр за календарный год), что снижает радиационную безопасность при эксплуатации устройства. Такой высокий уровень облучения полностью исключает участие в процессе досмотра багажа и других предметов их владельцев, что сокращает эксплуатационные возможности устройства.

Известное устройство, принятое за прототип, предназначенное для контроля багажа, включает камеру, стенки которой являются замедлителем нейтронов, размещенный в стенке внутри камеры источник быстрых нейтронов, первый и второй ряды блоков детектирования гамма-излучения [2] . При этом источник быстрых нейтронов размещен между первым и вторым рядами блоков детектирования. Внутренние размеры камеры соответствуют предельному размеру багажа, который вводится (выводится) в камеру посредством ленточного транспортера.

Для размещения багажа на транспортере последний разделен на секции при помощи вертикально установленных экранов, выполненных из материала замедлителя нейтронов и служащих отражателями нейтронов. Блоки детектирования первого ряда предназначены для определения общего содержания азота в контролируемом багаже, а блоки детектирования второго ряда - для определения количества азота "в просматриваемом" каждым блоком детектирования отдельном участке предмета. Электрические сигналы с блоков детектирования первого и второго рядов поступают на электронно-анализирующее устройство, осуществляющее обработку поступающей информации и выработку решения о наличии или отсутствии ВВ в контролируемых предметах.

Задачей изобретения является создание устройства для обнаружения ВВ в контролируемых предметах, преимущественно в авиабагаже, без их вскрытия, которое бы обеспечивало радиационную безопасность участвующих в досмотре владельцев предметов и повышало радиационную безопасность персонала без снижения производительности устройства.

При осуществлении изобретения достигается технический результат, заключающийся в том, что без снижения производитель- ности устройства снижается мощность дозы излучения в месте загрузки контролируемых предметов в устройство и в месте их выгрузки до значений, обеспечивающих уменьшение дозы облучения персонала за календарный год работы и допускающих участие в процессе досмотра владельцев контролируемых предметов.

В известном устройстве, включающем источник быстрых нейтронов и замедлитель нейтронов излучатель тепловых нейтронов, блоки детектирования гамма-излучения, отражатели нейтронов, аппаратуру обработки, поступающей с блоков детектирования гамма-излучения информации, и средство транспортирования контролируемых предметов, содержащее грузовую поверхность, разделенную на образованные поперечными вертикальными в виде пластин отражателями нейтронов секции для размещения контролируемых предметов, устройство снабжено радиационной защитой, выполненной в виде кругового разомкнутого П-образного ступенчатого тоннеля из блоков поглотителей нейтронного и гамма-излучения.

Внутри тоннеля размещены средство транспортирования контролируемых предметов, блоки детектирования гамма-излучения, излучатель тепловых нейтронов и отражатели нейтронов.

Средство транспортирования контролируемых предметов выполнено в виде круговой кольцевой грузовой платформы с приводами ее вращения.

Поперечные вертикальные отражатели расположены параллельно радиальной оси симметрии секций для размещения контролируемых предметов и жестко закреплены на грузовой платформе.

Излучатель тепловых нейтронов выполнен в виде блока с излучающей нейтроны поверхностью, которая обращена в сторону чувствительных элементов блоков детектирования.

Площадь излучающей нейтроны поверхности излучателя тепловых нейтронов не больше площади секции для размещения контролируемых предметов.

Тоннель смонтирован симметрично относительно своей вертикальной диаметральной плоскости, проходящей через центр блока излучателя тепловых нейтронов.

Длина тоннеля определяется из соотношений:

L D 1- ,

l D 1- , где L и l - длина наружной и внутренней стенки тоннеля соответственно;

D и d - диаметр круговой оси симметрии наружной и внутренней стенки тоннеля соответственно;

n - число секций для размещения контролируемых предметов.

Высота тоннеля в месте расположения блока излучателя тепловых нейтронов больше высоты на остальной длине тоннеля на величину, превышающую длину блока детектирования гамма-излучения.

Отражатели нейтронов выполнены в виде вертикальных пластин длиной не менее длины секции для размещения контролируемых предметов и установлены внутри тоннеля в его стенках между излучающей нейтроны поверхностью блока излучателя тепловых нейтронов и плоскостью торцов чувствительных элементов блоков детектирования гамма-излучения.

Кроме того, в известном устройстве средство транспортирования снабжено опорными и центрирующими катками; грузовая платформа установлена горизонтально на опорных катках; центрирующие катки взаимодействуют с внутренней торцевой поверхностью грузовой платформы; на нижней плоскости грузовой платформы выполнена кольцевая фрикционная поверхность.

Приводы вращения грузовой платформы установлены под грузовой платформой и имеют ведущие катки с фрикционной поверхностью, предназначенные для взаимодействия с фрикционной поверхностью грузовой платформы.

Блок излучателя тепловых нейтронов снабжен радиационной защитой в виде блоков поглотителей нейтронного и гамма-излучения, размещенных на его внешних боковых поверхностях, обращенных в проходы тоннеля.

На фиг. 1 и 2 показан общий вид (фронтальный) устройства; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 3. на фиг. 5 - разрез В-В на фиг. 3; на фиг. 6 - разрез Г-Г на фиг. 3; на фиг. 7 - блок излучателя тепловых нейтронов, разрез; на фиг. 8 - разрез устройства А-А на фиг. 2 со снятой грузовой платформой (показана левая симметричная относительно оси РР половина устройства); на фиг. 9 показан разрез Д-Д на фиг, 8; на фиг. 10 - разрез Е-Е на фиг. 8; на фиг. 11 - разрез Ж-Ж на фиг. 8; на фиг. 12 и 13 - схемы загрузки секций грузовой платформы средства транспортирования контролируемыми предметами (секции пронумерованы цифрами I-VII, зона контроля показана условно пунктиром); на фиг. 14 - распределение мощности эквивалентной дозы излучения в окружающем устройство пространстве и в отдельных характерных местах на его поверхности, в вертикальной диаметральной плоскости, проходящей через центр блока излучателя тепловых нейтронов; на фиг. 15 - то же, (в горизонтальной плоскости, проходящей через центр блока излучателя тепловых нейтронов).

Предлагаемое устройство включает радиационную защиту, выполненную в виде кругового разомкнутого П-образного ступенчатого тоннеля 1 из блоков поглотителей нейтронного и гамма-излучения, размещенные в нем средство транспортирования контролируемых предметов, состоящее из круговой кольцевой грузовой платформы 2 и приводов 3 ее вращения, блоки 4 детектирования гамма-излучения, излучатель тепловых нейтронов, выполненный в виде блока 5, отражатели нейтронов 6, 7 и 8, и аппаратуру обработки поступающей с блоков детектирования гамма-излучения информации (на чертеже не показана).

Грузовая платформа 2 средства транспортирования разделена на секции 9, предназначенные для размещения контролируемых предметов 10 посредством поперечных вертикальных пластин 6 из материала отражателя нейтронов. При этом пластины - отражатели нейтронов 6 расположены параллельно радиальной оси симметрии (см. например, ось 0^I-0^I на фиг. 3) секций 9 и жестко закреплены на грузовой платформе 2.

Для фиксации контролируемых предметов 10 при размещении их в секциях 9 предусмотрены ограничительные стенки 11. Блок 5 излучателя тепловых нейтронов, обладающий высокой степенью конвертируемости быстрых нейтронов в тепловые (состав тепловых и быстрых нейтронов 51 и 49% соответственно в сравнении с 10 и 90% соответственно для сферического излучателя), содержит цилиндр 12 из материала замедлителя нейтронов с источником 13 быстрых нейтронов, размещенный по оси отражателя нейтронов 14 квадратного сечения, внутренняя поверхность которого близка к поверхности параболоида вращения. Излучающая нейтроны поверхность 15 обращена в сторону чувствительных элементов блоков детектирования гамма-излучения. При этом блок излучателя тепловых нейтронов 5 установлен под грузовой платформой 2, а блоки детектирования гамма-излучения 4 - над ней (см. фиг. 4 и 5).

Площадь излучающей нейтроны поверхности 15 блока излучателя тепловых нейтронов 5 выполнена не больше площади секции 9 для возможности облучения нейтронами всего объема контролируемых предметов, с одной стороны, и ограничения выхода излучения в проходы тоннеля, с другой. В зависимости от предельных размеров контролируемых предметов, на которые рассчитано устройство, блок 5 излучателя тепловых нейтронов может быть составлен из нескольких отдельных излучателей, изображенных на фиг. 7.

Отражатели нейтронов 7 и 8 выполнены в виде вертикальных пластин длиной не менее длины секции 9 и установлены внутри тоннеля 1 в его наружной 16 и внутренней 17 стенках соответственно между излучающей нейтроны поверхностью 15 блока излучателя тепловых нейтронов 5 и плоскостью торцов чувствительных элементов блоков 4 детектирования гамма-излучения. Круговой тоннель П-образного сечения предназначен для снижения уровня излучения в окружающем устройство пространстве и обеспечения радиационной безопасности персонала и владельцев контролируемых предметов в месте загрузки и выгрузки контролируемых предметов (см. фиг. 3).

Для осуществления загрузки и выгрузки контролируемых предметов на грузовую платформу 2 средства транспортирования, тоннель выполнен разомкнутым, в результате чего обеспечен свободный доступ к двум секциям 9 грузовой платформы (см. на фиг. 3 - "Загрузка предметов" и "Выгрузка предметов"). Для обеспечения безопасных в радиационном отношении условий на рабочих местах у секций "Загрузка предметов" и "Выгрузка предметов" тоннель смонтирован симметрично относительно своей вертикальной диаметральной плоскости РР^I, проходящей через центр Q блока излучателя тепловых нейтронов 5. В результате этого указанные рабочие места находятся на максимальном и одинаковом удалении от источника нейтронов. Принимая во внимание, что: D и d - длина наружной и внутренней стенки тоннеля соответственно;

и - длина дуги радиусом и соответственно с центральным углом 2 /n; где D и d - диаметр круговой оси симметрии наружной и внутренней стенки тоннеля соответственно;

n - число секций 9 для размещения контролируемых предметов, то, с учетом необходимости обеспечения свободного доступа к двум секция 9 ("Загрузка предметов" и "Выгрузка предметов") длина тоннеля определяется из соотношений:

L D - 2 = D1- ;

L D - 2 = D1- , где L и l - длина наружной и внутренней стенки тоннеля соответственно.

Тоннель по длине выполнен с различной высотой. В месте установки блока 5 излучателя тепловых нейтронов 5 высота тоннеля больше, чем на остальной части тоннеля (см. фиг. 6) на величину, равную длине блоков 4 детектирования гамма-излучения. Это необходимо, во-первых, для снижения уровня рассеянного излучения вдоль длины тоннеля до допустимого значения у рабочих мест загрузки и выгрузки предметов при минимальной длине тоннеля, а, во-вторых, в целях экономии материалов радиационной защиты и удешевления устройства. Отражатели нейтронов 6, 7 и 8 предназначены для повышения среднего значения плотности потока тепловых нейтронов в зоне контроля и выравнивания его распределения. Помимо этого, поперечные отражатели 6, установленные с минимальным технологическим зазором в тоннеле, являются одновременно средством радиационной защиты рабочих мест загрузки и выгрузки предметов, частично снижающим рассеянное и нерассеянное излучение. Выполнение радиационной защиты в виде кругового тоннеля П-образного сечения предопределило необходимость применения средства транспортирования контролируемых предметов в виде кольцевой грузовой платформы.

Грузовая платформа 2 установлена горизонтально на четырех опорных катках 18 и ее положение фиксируется четырьмя центрирующими катками 19, взаимодействующими с внутренней торцовой поверхностью грузовой платформы (см. фиг. 8. 9 и 10). Два привода 3 вращения расположены под грузовой платформой 2 и имеют ведущие катки 20 с фрикционной поверхностью, которые взаимодействуют с кольцевой фрикционной поверхностью 21, выполненной на нижней плоскости грузовой платформы (см. фиг. 8 и 11). Опорные катки 18, центрирующие катки 19 и приводы 3 вращения установлены на кольцевой раме 22. Привод 3 вращения содержит электродвигатель 23, муфту - тормозной барабан 24, тормоз 25, включающий соленоид с тормозным элементом, редуктор 26, ведущую звездочку 27, цепь 28 и ведомую звездочку 29, выполненную заодно с ведущим катком 20. Привод смонтирован на основании 30, установленном на качающейся опоре 31, ответная часть которой 32 жестко крепится к раме 22. Поджим ведущего катка 20 к фрикционной поверхности 21 грузовой платформы 2 осуществляется при помощи пружинного пригруза 33, осевой стержень которого 34 жестко крепится к раме 22.

На внешних боковых поверхностях блока излучателя тепловых нейтронов 5, обращенных в проходы тоннеля 1, размещена радиационная защита 35. Для возможности осуществления останова секции 9 в зоне контроля в конструкцию устройства введен конечный выключатель (на чертежах не показан), который установлен на границе зоны контроля (например, на внутренней поверхности наружной стенки 16 тоннеля 1), а исполнительный орган (например, металлическая пластина, входящая в зазор конечного выключателя электромагнитного или индукционного типа) - на поперечных отражателях.

В качестве источника 13 быстрых нейтронов применен закрытый радионуклидный источник калифорний-252. Материал замедлителя и отражателя нейтронов - полиэтилен, поглотителей нейтронов - поли- этилен с бором, поглотителей гамма-излучения - свинец или сталь. Ограничительная стенка 11 выполнена из текстолита или стеклотекстолита, грузовая платформа 2 - из листового стеклотекстолита (малопоглощающие тепловые нейтроны материалы).

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Исходное состояние устройства в произвольный момент времени, совпадающий с окончанием процесса измерения гамма-излучения (см. фиг. 12):

контролируемые предметы 10 загружены в секции 9 I-VI;

секции 9 II-VI находится в тоннеле, секции I и VII - вне его;

предметы, загруженные в секции I, II и III должны быть подвергнуты контролю, а находящиеся в секциях IV, V и VI - прошли контроль.

В момент окончания измерения аппаратурой обработки поступающей с блоков детектирования гамма-излучения информации вырабатывается сигнал, обеспечивающий подачу напряжения на электродвигатели 23 приводов вращения 3 грузовой платформы 2. Вращение вала электродвигателя 23 через муфту 24, редуктор 26 и ведущую звездочку 27 приводит во вращение ведомую звездочку 29 посредством цепи 28. Вследствие этого ведущий каток 20, выполненный заодно с ведомой звездочкой 29, за счет фрикционного сцепления с кольцевой фрикционной поверхностью 21, выполненной на нижней плоскости грузовой платформы 2, приводит последнюю во вращение по опорным каткам 18 в направлении по часовой стрелке, при этом центрирующие катки 19 предотвращают какое-либо смещение грузовой платформы 2 от оси ее вращения.

Необходимая сила прижима ведущих катков 20 к фрикционной поверхности 21 и исключение проскальзывания обеспечиваются размещением привода вращения 3 на основании 30, установленном на качающейся опоре 31, в совокупности с пружинным пригрузом 33, который регулирует силу прижима. Вращение грузовой платформы 2 происходит до момента срабатывания конечного выключателя (на фиг. не показан), когда секция 9 N III войдет в зону контpоля (см. фиг. 13) и контролируемый предмет, загруженный в эту секцию, окажется в поле тепловых нейтронов, сформированном блоком 5 излучателя тепловых нейтронов и отражателями 6, 7 и 8.

Срабатывание конечного выключателя открывает канал аппаратуры для регистрации импульсов от вторичного гамма-излучения с энергией гамма-квантов 10,8 МэВ блоками детектирования 4, поступающих в результате взаимодействия тепловых нейтронов с азотом, содержащимся в ВВ (в случае наличия его среди содержимого контролируемого предмета). В течение времени измерения поступающая с блоков детектирования гамма-излучения инфор- мация накапливается в аппаратуре ее обработки. Одновременно в течение времени измерения в секцию N VII загружается предмет, подлежащий контролю на наличие в нем ВВ, а из секции N VI выгружается предмет, ранее прошедший контроль (см. фиг. 13).

По окончании процесса измерения аппаратурой по заданному алгоритму осуществляется анализ и обработка поступившей информации и формируется решение о наличии или отсутствии ВВ с отображением его на световом табло или дисплее. Одновременно с окончанием процесса измерения аппаратурой обработки поступающей с блоков детектирования гамма-излучения информации вырабатывается сигнал, обеспечивающий подачу напряжения на электродвигатели 23 приводов вращения 3 грузовой платформы 2, и в дальнейшем работа устройства осуществляется в порядке, описанном выше.

Для принятой конструкции устройства: наружный диаметр кругового тоннеля - около 4 м, внутренний - около 2 м; высота тоннеля в месте расположения блока излучателя тепловых нейтронов и блоков детектирования гамма-излучения - около 2 м, остальной части тоннеля - около 1,2 м; число секций для размещения контролируемых предметов 7; размеры зоны контроля 450 х 650 х 850 мм; толщина стенок и потолка тоннеля из блоков борированного полиэтилена от 200 до 400 мм; толщина радиационной защиты, установленной на боковых поверхностях блока излучателя тепловых нейтронов 60 мм свинца; источник быстрых нейтронов - калифорний-252 с потоком нейтронов 210⁸ нейтрон/с (плотность потока тепловых нейтронов в зоне контроля, сформированного описанным блоком излучателя - 10⁴нейтрон/см²с - получена экспериментальным путем на макете устройства); расчетная производительность устройства - 360 единиц багажа/ч, получены следующие результаты.

Максимальная мощность эквивалентной дозы излучения в необслуживаемой зоне устройства:

вплотную к внешней поверхности тоннеля 1 мбэр/ч (в месте размещения блока излучателя тепловых нейтронов); на расстоянии 1 м от нее - 0,1 мбэр/ч (там же), что соответственно в 10 и 3 раза меньше значений, регламентированных НРБ-76/87 для радионуклидных приборов.

Максимальная мощность эквивалентной дозы излучения в месте загрузки-выгрузки контролируемых предметов составляет от менее, чем 0,01 мбэр/ч, до 0,02 мбэр/час.

В соответствии с этим:

доза излучения, получаемая при эксплуатации заявляемого устройства персоналом категории Б за календарный год (2000 рабочих часов), составляет от 20 до 40 мбэр, что в 5-10 раз меньше, чем соответствующая величина, приведенная в описании аналога устройства,

доза излучения, получаемая при досмотре владельцами контролируемых предметов за время 10 мин (что принято с большим коэффициентом запаса), составляет от 210^-3 до 410^-3 мбэр; принимая во внимание, что на высоте 10 тыс. см мощность дозы космического излучения составляет около 0,35 мбэр/час, то доза, получаемая, например, авиапассажирами при досмотре багажа с их участием при помощи заявляемого устройства, составит 0,4% от дозы, которую они получат при трехчасовом полете на этой высоте.

Таким образом, приведенные результаты проработок и расчетов, выполненных на предприятии, подтверждают достижение технического результата при осуществлении заявляемого изобретения.