RU2444003C1 - Method of identifying concealed explosives and narcotic drugs - Google Patents

Method of identifying concealed explosives and narcotic drugs Download PDF

Info

Publication number
RU2444003C1
RU2444003C1 RU2010149620/28A RU2010149620A RU2444003C1 RU 2444003 C1 RU2444003 C1 RU 2444003C1 RU 2010149620/28 A RU2010149620/28 A RU 2010149620/28A RU 2010149620 A RU2010149620 A RU 2010149620A RU 2444003 C1 RU2444003 C1 RU 2444003C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nitrogen
time
spectrum
carbon
secondary radiation
Prior art date
Application number
RU2010149620/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Иванович Карев (RU)
Александр Иванович Карев
Валерий Георгиевич Раевский (RU)
Валерий Георгиевич Раевский
Леонид Завенович Джилавян (RU)
Леонид Завенович Джилавян
Лу Джозеф Бразерс (US)
Лу Джозеф БРАЗЕРС
Лари Кеннеф ВИЛХАЙД (US)
Лари Кеннеф Вилхайд
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН)
Priority to RU2010149620/28A priority Critical patent/RU2444003C1/en
Priority to PCT/US2011/054996 priority patent/WO2012078241A1/en
Priority to US13/253,934 priority patent/US8681939B2/en
Priority to US13/253,927 priority patent/US8582712B2/en
Priority to PCT/US2011/054998 priority patent/WO2012078242A1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2444003C1 publication Critical patent/RU2444003C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: analysed substance containing nitrogen and/or carbon is irradiated with a pulse of gamma-radiation. Secondary radiation from decay products formed by nitrogen-12 and boron-12 isotopes is picked up. The time spectrum of secondary radiation signals is recorded. The abundance ratio of nitrogen and carbon is determined from the obtained time spectrum analysis results. The analysed substance is identified based on its carbon and nitrogen composition through comparison with standard values from a data base. The time spectrum of the secondary radiation is recorded in a limited time interval, which starts from the end of the radiation pulse with time delay. The spectrum is processed by converting the measured differential time spectrum into an integral time spectrum. Determination of the abundance ratio of nitrogen and/or carbon in the sample is carried out for several time intervals of the measured spectrum. Accuracy of detecting substances containing nitrogen or carbon is determined by comparing values of abundance ratio of nitrogen and oxygen in the sample, calculated for different time intervals.
EFFECT: high accuracy and reliability of a photonuclear detector of explosive and narcotic substances with simultaneous increase in efficiency thereof.
3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области обнаружения скрытых взрывчатых веществ (ВВ) и наркотических средств (НС) методом фотоядерного детектирования и может быть использовано в стационарных и подвижных установках, например, при досмотре багажа авиапассажиров, таможенном досмотре или разминировании территорий в рамках гуманитарных акций.The invention relates to the field of detection of hidden explosives (BB) and narcotic drugs (NS) by the method of photonuclear detection and can be used in stationary and mobile installations, for example, when inspecting baggage of air passengers, customs inspection or clearing territories in the framework of humanitarian actions.

Известный метод фотоядерного детектирования скрытых ВВ и НС был предложен в [1] и развит в [2-4]. Этот метод относится к эффективным и быстродействующим методам прямого обнаружения ВВ и НС и заключается в регистрации продуктов распада короткоживущих изотопов 12В (бор-12) и 12N (азот-12), имеющих периоды полураспада Т1/2≅20,2 и 11,0 мс соответственно. Эти изотопы образуются на ядрах 14N (содержание изотопа в естественной смеси η≅99,63%) и 13С (η≅1,107%), чьи химические элементы азот и углерод составляют основу всех современных ВВ и природных НС при их облучении падающими гамма-квантами с энергией Еγ, большей пороговых значений Еγ п, в результате следующих фотоядерных реакций:The well-known method of photonuclear detection of hidden explosives and NS was proposed in [1] and developed in [2-4]. This method relates to effective and high-speed methods for direct detection of explosives and NS and consists in the registration of decay products of short-lived 12 V (boron-12) and 12 N (nitrogen-12) isotopes with half-lives of T 1/2 , 220.2 and 11 , 0 ms, respectively. These isotopes are formed on nuclei 14 N (isotope content in the natural mixture η≅99.63%) and 13 С (η≅1.107%), whose chemical elements nitrogen and carbon form the basis of all modern explosives and natural NSs when they are irradiated with incident gamma quanta with an energy of E γ greater than the threshold values of E γ p as a result of the following photonuclear reactions:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

Выбор этих реакций в качестве маркирующих обеспечивает высокую селективность обнаружения веществ, содержащих азот и/или углерод, т.к. при облучении любых других химических элементов гамма-пучком с Еγ<~55 МэВ практически не образуются никакие другие изотопы с T1/2≈(1÷100) мс. Изотопы 12В и 12N являются β-активными и в процессе распада испускают электроны и позитроны с максимальной энергией ~13 МэВ и ~17 МэВ соответственно, которые, тормозясь в веществе, в свою очередь испускают вторичные гамма-кванты. Все вторичные гамма-кванты как только что указанные тормозные, так и от девозбуждения образуемых в распадах ядер 12С, а также от аннигиляции испускаемых при распадах 12N позитронов, вместе с электронами и позитронами составляют вторичные продукты распадов и могут быть зарегистрированы детектором. Следовательно, если облучить обследуемый объект импульсом длительностью порядка нескольких микросекунд достаточно энергичного гамма-излучения, то в последующем за ним временном интервале до ~100 мс он откликнется при наличии в нем достаточной концентрации азота и/или углерода потоком вторичных частиц от распада изотопов 12В и 12N. В противном случае этого потока в измеряемый промежуток времени не будет.The choice of these reactions as marking provides high selectivity for the detection of substances containing nitrogen and / or carbon, because upon irradiation of any other chemical elements with a gamma beam with E γ <~ 55 MeV, practically no other isotopes are formed with T 1/2 ≈ (1 ÷ 100) ms. The 12 V and 12 N isotopes are β-active and in the process of decay emit electrons and positrons with a maximum energy of ~ 13 MeV and ~ 17 MeV, respectively, which, braking in the substance, in turn emit secondary gamma rays. All secondary gamma quanta, just indicated as inhibitory ones, as well as from de-excitation of 12 C nuclei formed in decays, as well as from annihilation of 12 N positrons emitted during decays, together with electrons and positrons make up the secondary decay products and can be detected by a detector. Therefore, if the object under investigation is irradiated with a pulse of the order of several microseconds of sufficiently energetic gamma radiation, then in the subsequent time interval of up to ~ 100 ms, it will respond if there is a sufficient concentration of nitrogen and / or carbon in it with the flow of secondary particles from the decay of 12 V isotopes and 12 N. Otherwise, this flow will not be in the measured period of time.

Таким образом, ввиду уникальности и малости периодов полураспада радионуклидов, образующихся при указанном облучении азота и/или углерода, и с учетом того, что как инициирующее облучение, так и полезный сигнал формируются потоками гамма-излучения, обладающего большой проникающей способностью, детектор ВВ и НС, использующий фотоядерный метод обнаружения, должен обладать высокими эксплуатационными характеристиками: большой чувствительностью по глубине обнаружения в скрывающем веществе и быстродействием, что подтверждается результатами компьютерного моделирования его работы [5].Thus, in view of the uniqueness and small half-lives of the radionuclides formed during the indicated irradiation of nitrogen and / or carbon, and taking into account the fact that both the initiating irradiation and the useful signal are formed by gamma radiation streams with high penetrating power, the BB and NS detectors using the photonuclear detection method must have high operational characteristics: high sensitivity for the depth of detection in the hiding substance and speed, which is confirmed by the result and computer modeling of its work [5].

Успех реализации любого метода обнаружения ВВ и НС во многом определяется его селективностью. При использовании фотоядерной методики наряду с «полезными» сигналами от ВВ и НС возможно появление «ложных» сигналов от веществ, не являющихся ВВ или НС, но содержащих азот или углерод. Особое значение подавление ложных срабатываний имеет в установках для досмотра багажа авиапассажиров, когда источниками ложных сигналов могут быть различные объекты, содержащие прежде всего углерод (полимерные материалы, натуральные ткани или пищевые продукты). При работе фотоядерного детектора в акциях по гуманитарному разминированию источниками ложных сигналов могут стать различные биологические объекты в почве и азотосодержащие удобрения.The success of any method of detecting explosives and NS is largely determined by its selectivity. When using the photonuclear technique, along with “useful” signals from explosives and NSs, “false” signals from substances that are not explosives or NSs but contain nitrogen or carbon may appear. Of particular importance is the suppression of false positives in installations for screening baggage of air passengers, when the sources of false signals can be various objects containing primarily carbon (polymeric materials, natural fabrics or food products). When a photo-nuclear detector is used in humanitarian mine action, various biological objects in the soil and nitrogen-containing fertilizers can become sources of false signals.

В работе [4] предложен способ идентификации скрытых ВВ и НС, выбранный в качестве прототипа, основанный на анализе временного распределения сигналов вторичного излучения при использовании фотоядерного метода обнаружения.In [4], a method for identifying hidden explosives and NSs was selected, selected as a prototype, based on an analysis of the temporal distribution of secondary radiation signals using the photonuclear detection method.

Суть этого способа заключается в следующем. При однократном облучении исследуемого вещества, содержащего азот и/или углерод, пучком гамма-квантов с энергией более 31 МэВ в нем в результате реакций (1)-(3) образуются ядра короткоживущих изотопов 12В и 12N. Относительная концентрация этих изотопов однозначно связана с относительной концентрацией азота и углерода в облучаемом веществе и определяет уникальный «портрет» исследуемого вещества. Распадаясь, изотопы 12В и 12N формируют поток вторичного излучения, форма временной зависимости которого определяется периодами полураспада изотопов и их начальной относительной концентрацией. Как известно, закон изменения числа радиоактивных ядер одного элемента со временем есть:The essence of this method is as follows. Upon a single irradiation of the test substance containing nitrogen and / or carbon with a gamma ray beam with an energy of more than 31 MeV, nuclei of short-lived isotopes 12 V and 12 N are formed in it as a result of reactions (1) - (3). The relative concentration of these isotopes is uniquely related with the relative concentration of nitrogen and carbon in the irradiated substance and defines a unique "portrait" of the investigated substance. When decaying, the 12 V and 12 N isotopes form a secondary radiation flux, the shape of the time dependence of which is determined by the half-lives of the isotopes and their initial relative concentration. As you know, the law of change in the number of radioactive nuclei of one element over time is:

Figure 00000004
Figure 00000004

где N(t) - число нераспавшихся ядер к моменту времени t; N0 - исходное число образованных ядер (при t=0); λ - константа распада (λ=ln(2)/T1/2).where N (t) is the number of non-decayed nuclei at time t; N 0 is the initial number of nuclei formed (at t = 0); λ is the decay constant (λ = ln (2) / T 1/2 ).

Для распада интересуемых изотопов двух элементов получаем:For the decay of the isotopes of two elements of interest, we obtain:

Figure 00000005
Figure 00000005

при t=0:

Figure 00000006
at t = 0:
Figure 00000006

где λ(N-12) и λ(B-12) - константы распада для 12N и 12В, соответственно;where λ (N-12) and λ (B-12) are the decay constants for 12 N and 12 V, respectively;

N0(N-12) и N0(B-12) - числа образовавшихся ядер 12N и 12В, соответственно;N 0 (N-12) and N 0 (B-12) are the numbers of formed nuclei 12 N and 12 V, respectively;

N - суммарное число образовавшихся ядер радиоактивных изотопов 12В и 12N.N is the total number of formed nuclei of radioactive isotopes 12 V and 12 N.

Анализируя после окончания импульса облучения форму и ход временной зависимости потока вторичного излучения от распадов 12В и 12N, можно определить начальную относительную концентрацию изотопов 12В и 12N и идентифицировать исследуемое вещество.By analyzing after the end of the irradiation pulse the shape and course of the time dependence of the secondary radiation flux on the decays of 12 V and 12 N, it is possible to determine the initial relative concentration of isotopes 12 V and 12 N and to identify the test substance.

Результаты анализа временного спектра продуктов распада изотопов 12В и 12N представляются в виде значений параметра k, определенного как:The results of the analysis of the time spectrum of the decay products of isotopes 12 V and 12 N are presented in the form of values of the parameter k, defined as:

Figure 00000007
Figure 00000007

где kB-12=N0(B-12)/N0∑, kN-12=N0(N-12)/N0∑.where k B-12 = N 0 (B-12) / N 0∑ , k N-12 = N 0 (N-12) / N 0∑ .

Знание значения k позволяет определить принадлежность облученного вещества к ВВ и НС, а путем сравнения результатов, полученных при работе детектора с результатами, полученными при облучении эталонных образцов, идентифицировать ВВ и НС.Knowing the value of k allows one to determine the affiliation of the irradiated substance with explosives and NSs, and by comparing the results obtained when the detector was operated with the results obtained with the irradiation of reference samples, identify explosives and NSs.

Однако в реальных условиях работы заявленным в [4] устройством регистрируется дифференциальный временной спектр, где в каждом измеряемом временном интервале (bin) регистрируется количество распадов этих изотопов, т.е. n{t}=(dN/dt)×Δt, так что измеряемое в процессе работы установки временное распределение регистрируемых детектором событий от распадов изотопов 12N и 12В описывается выражением:However, under real operating conditions, the device declared in [4] records the differential time spectrum, where in each measured time interval (bin) the number of decays of these isotopes is recorded, i.e. n {t} = (dN / dt) × Δt, so that the temporal distribution of events recorded by the detector from decays of isotopes 12 N and 12 V, measured during installation, is described by the expression:

Figure 00000008
Figure 00000008

где Δt - ширина канала измеряемого временного распределения.where Δt is the channel width of the measured time distribution.

Определенная сложность обработки получаемых сигналов обусловлена тем, что накопление сигналов для построения временного распределения в реальном детекторе ВВ и НС можно проводить лишь в течение некоторого ограниченного временного интервала. В первые несколько миллисекунд после окончания облучения в гамма-детектор поступают многочисленные гамма-кванты, связанные прежде всего с реакциями (n,γ), вызываемыми фотонейтронами, которые способны сильно исказить результаты измерений. Поэтому анализ временного спектра можно начинать только после окончания импульса облучения с некоторой задержкой. С другой стороны, продолжительность накопления также ограничена требованиями обеспечения заданного быстродействия детектора. Последнее особенно актуально при режиме сканирования обследуемого образца, когда для получения полной картины необходимо провести многократное облучение различных зон. Таким образом, из-за ограничений, накладываемых на временной интервал накопления распадной кривой, оказывается невозможным непосредственное измерение величины N и прямое вычисление значения k, что снижает производительность установки, а также точность и достоверность полученных результатов.A certain complexity of processing the received signals is due to the fact that the accumulation of signals for constructing a time distribution in a real explosive and NS detector can be carried out only for a certain limited time interval. In the first few milliseconds after the end of the irradiation, numerous gamma quanta are received in the gamma detector, which are primarily associated with the reactions (n, γ) caused by photoneutrons, which can greatly distort the measurement results. Therefore, the analysis of the time spectrum can begin only after the end of the irradiation pulse with a certain delay. On the other hand, the accumulation duration is also limited by the requirements to ensure a given detector performance. The latter is especially relevant in the scanning mode of the test sample, when, in order to obtain a complete picture, it is necessary to irradiate repeatedly in different zones. Thus, due to the restrictions imposed on the time interval for the accumulation of the decay curve, it is impossible to directly measure N and directly calculate the value of k, which reduces the performance of the installation, as well as the accuracy and reliability of the results.

Задачей, решаемой предлагаемым изобретением, является повышение точности и достоверности работы фотоядерного детектора обнаружения ВВ и НС при одновременном увеличении его производительности.The problem solved by the invention is to increase the accuracy and reliability of the photonuclear explosive and NS detection detector while increasing its performance.

Поставленная задача решается заявляемым способом, суть которого заключается в следующем. После окончания облучения обследуемого объекта импульсом первичного гамма-излучения регистрация временного спектра вторичного излучения начинается с временной задержкой длительностью в несколько миллисекунд и длится на протяжении времени, сравнимом с периодами полураспада изотопов 12В и 12N. После этого зарегистрированный временной спектр сигналов преобразуется из дифференциальной в интегральную форму. Затем путем анализа нескольких участков интегрального временного спектра вычисляются соответствующие этим временным интервалам значения k. Далее, анализируя совокупность вычисленных значений k, определяется принадлежность облученного вещества к азот- или углеродсодержащим веществам.The problem is solved by the claimed method, the essence of which is as follows. After the exposure of the object under study with a primary gamma-ray pulse, the registration of the time spectrum of the secondary radiation begins with a time delay of several milliseconds and lasts for a time comparable to the half-lives of the isotopes 12 V and 12 N. After that, the recorded time spectrum of the signals is converted from differential to integral form. Then, by analyzing several sections of the integral time spectrum, the values of k corresponding to these time intervals are calculated. Further, by analyzing the totality of the calculated values of k, the membership of the irradiated substance in nitrogen- or carbon-containing substances is determined.

Предлагаемый способ позволяет определять значение k, исходя из двух измеренных значений n(t), соответствующих разным моментам времени t. В этом случае получим систему из двух уравнений, линейных по отношению к искомым N0(N-12) и N0(B-12):The proposed method allows to determine the value of k, based on two measured values of n (t), corresponding to different times t. In this case, we obtain a system of two equations linear with respect to the desired N 0 (N-12) and N 0 (B-12) :

Figure 00000009
Figure 00000009

Решение системы (9) даст значения N0(N-12), N0(B-12) и k=N0(N-12)/(N0(N-12)+N0(B-12)). Применяя описанную процедуру к совокупности значений i и j=i+1, можно получить последовательность значений ki, относящихся к каждому интервалу Δt временного спектра.The solution of system (9) will give the values N 0 (N-12) , N 0 (B-12) and k = N 0 (N-12) / (N 0 (N-12) + N 0 (B-12) ) . Applying the described procedure to the combination of values of i and j = i + 1, we can obtain a sequence of values of k i related to each interval Δt of the time spectrum.

Чтобы уменьшить статистическую погрешность при определении величин N0(N-12), N0(B-12) и соответственно k, вызванную относительно небольшой статистикой, накопленной в каждом отдельном канале временного распределения, можно перейти от дифференциальной формы описания процесса распада изотопов к его интегральному описанию и работать с суммарным числом событий, накопленных в нескольких каналах, соответствующих, скажем, временному промежутку (t2-t1). В этом случае разница между количеством нераспавшихся ядер к моментам времени t1 и t2 равна:In order to reduce the statistical error in determining the values of N 0 (N-12) , N 0 (B-12), and accordingly k, caused by the relatively small statistics accumulated in each individual channel of the time distribution, we can go from the differential form of the description of the isotope decay process to its integral description and work with the total number of events accumulated in several channels corresponding, say, to the time interval (t 2 -t 1 ). In this case, the difference between the number of non-decayed nuclei at time t 1 and t 2 is equal to:

Figure 00000010
Figure 00000010

где

Figure 00000011
- сумма событий, зарегистрированных в каналах, соответствующих интервалу (t2-t1). А если взять два временных промежутка (t2-t1) и (t4-t3), то из соответствующих уравнений типа (10) получим систему, аналогичную системе (9):Where
Figure 00000011
- the sum of the events recorded in the channels corresponding to the interval (t 2 -t 1 ). And if we take two time intervals (t 2 -t 1 ) and (t 4 -t 3 ), then from the corresponding equations of type (10) we get a system similar to system (9):

Figure 00000012
Figure 00000012

где

Figure 00000011
и
Figure 00000013
- суммы сигналов, накопленные в каналах, соответствующих временным интервалам (t2-t1) и (t4-t3). Решение системы (11) относительно значений N0(N-12) и N0(B-12) позволяет найти и значения k.Where
Figure 00000011
and
Figure 00000013
- the sum of the signals accumulated in the channels corresponding to the time intervals (t 2 -t 1 ) and (t 4 -t 3 ). The solution of system (11) with respect to the values of N 0 (N-12) and N 0 (B-12) allows us to find the values of k.

При соответствующем выборе t1, t2, t3 и t4 интегральное описание позволяет получать значения N0(N-12), N0(B-12) и k (назовем их здесь «оптимальными»), связанные с полным числом событий, накопленных во всех каналах измеренного временного спектра, и заданные с наилучшей доступной в проведенном измерении статистической точностью (или близкой к ней).With the appropriate choice of t 1 , t 2 , t 3 and t 4, the integrated description allows to obtain the values of N 0 (N-12) , N 0 (B-12) and k (we call them “optimal” here) associated with the total number of events accumulated in all channels of the measured time spectrum and given with the best available statistical measurement accuracy (or close to it).

В то же время интегральное описание позволяет получать также со сравнительно высокой статистической точностью значения N0(N-12), N0(B-12), которые можно приписать тем или иным способом временным интервалам измеренного спектра. Одним из таких способов, который предлагается здесь, является следующий: для измеренного временного спектра в интервале от начального момента времени t1 до конечного tкон находятся определенные выше «оптимальные» интегральные значения N0(N-12) и N0(B-12), а также N(t1)=N0(N-12)×exp(-λ(N-12)×t1)+N0(B-12)×exp(-λ(B-12)×t1) (в согласии с уравнением (5)), далее путем последовательного поканального вычитания находятся:At the same time, the integral description also allows one to obtain, with comparatively high statistical accuracy, the values of N 0 (N-12) , N 0 (B-12) , which can be attributed in one way or another to the time intervals of the measured spectrum. One of these methods, which is proposed here, is the following: for the measured time spectrum in the interval from the initial moment of time t 1 to the final t kon are found above the "optimal" integral values of N 0 (N-12) and N 0 (B-12 ) , as well as N (t 1 ) = N 0 (N-12) × exp (-λ (N-12) × t 1 ) + N 0 (B-12) × exp (-λ (B-12) × t 1 ) (in accordance with equation (5)), then by sequential per-channel subtraction are:

Figure 00000014
Figure 00000014

и т.д. В итоге из экспериментальных данных по измерению дифференциального спектра строится интегральное распределение N(t) для ограниченного временного интервала. Это распределение имеет значительно большую статистическую обеспеченность и позволяет со значительно лучшей точностью определить параметр k (используя (5)-(7)) как функцию k(t) во всем анализируемом временном интервале.etc. As a result, the integral distribution N (t) for a limited time interval is constructed from the experimental data on measuring the differential spectrum. This distribution has a significantly greater statistical security and allows one to determine the parameter k (using (5) - (7)) with a much better accuracy as a function of k (t) in the entire analyzed time interval.

Получение такой последовательности значений k(t) в каждой измеренной точке дает информацию о достоверности результата идентификации вещества на наличие азота и/или углерода или об их отсутствии. В идеальном случае при наличии азота и/или углерода функция k(t) описывается прямой с углом наклона к временной оси, равным нулю. В противном случае аппроксимирующая функцию k(t) прямая имеет угол наклона к временной оси, сильно отличающийся от нуля. Это описание может служить дополнительным критерием достоверности результата. Кроме того, указанное выше «оптимальное» значение k дает значение «фотоядерного портрета вещества», т.е. характеризует наличие в веществе азота и/или углерода и их относительные концентрации.Obtaining such a sequence of k (t) values at each measured point gives information about the reliability of the result of the identification of a substance for the presence of nitrogen and / or carbon or their absence. In the ideal case, in the presence of nitrogen and / or carbon, the function k (t) is described by a straight line with an angle of inclination to the time axis equal to zero. Otherwise, the straight line approximating the function k (t) has an angle of inclination to the time axis that is very different from zero. This description may serve as an additional criterion for the reliability of the result. In addition, the above “optimal” value of k gives the value of “photonuclear portrait of a substance”, i.e. characterizes the presence in the substance of nitrogen and / or carbon and their relative concentrations.

Таким образом, заявляемое изобретение в отличие от прототипа [4] предлагает способ анализа измеренных фотоядерным детектором данных, полученных в реальных условиях, и вводит новый критерий, определяющий достоверность обнаружения веществ, содержащих азот или углерод, а именно:Thus, the claimed invention, in contrast to the prototype [4], offers a method for analyzing data measured by a photonuclear detector obtained in real conditions, and introduces a new criterion that determines the reliability of detection of substances containing nitrogen or carbon, namely:

1. Предложен способ перехода к описанию измеренных дифференциальных спектров к интегральной форме, что существенно повышает статистическую точность измерений.1. A method is proposed for transitioning to the description of the measured differential spectra in an integral form, which significantly increases the statistical accuracy of the measurements.

2. Предложен способ анализа временных спектров в ограниченном временном интервале. Ограничение со стороны малых времен позволяет ослабить влияние на временной спектр фоновых процессов, обусловленных прежде всего фотонейтронами, образующимися при взаимодействии электронного пучка с отдельными частями установки. Ограничение со стороны больших времен увеличивает общее быстродействие детектора.2. A method for analyzing time spectra in a limited time interval is proposed. The limitation from the side of small times makes it possible to reduce the influence of the background processes on the time spectrum, which are primarily caused by the photoneutrons formed during the interaction of the electron beam with individual parts of the setup. The limitation on the part of large times increases the overall performance of the detector.

3. Предложен критерий достоверности результата, основанный на анализе зависимости от времени значений k, вычисленных для различных временных интервалов.3. A criterion for the reliability of the result based on the analysis of the time dependence of k values calculated for various time intervals is proposed.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.The invention is illustrated by the following example.

Для подтверждения эффективности заявляемого способа было проведено моделирование его применения к задаче поиска и идентификации скрытых взрывчатых веществ в условиях, имитирующих инспекцию багажа, в установках контроля в аэропортах, таможенных терминалах и т.п.To confirm the effectiveness of the proposed method, its application to the search and identification of hidden explosives in conditions simulating baggage inspection was carried out in control installations at airports, customs terminals, etc.

С помощью компьютерного моделирования, учитывающего процессы, происходящие в облучаемом образце, выход вторичного излучения и его регистрацию детектором вторичного излучения, моделировалась процедура обнаружения и идентификации ВВ. Определялось значение параметра kист, равное отношению образовавшихся в образце ядер изотопа 12N(N0(N-12)) к общему числу образованных ядер радионуклидов N0∑, и строился временной спектр событий, зарегистрированных детектором. Далее этот спектр обрабатывался с помощью вышеописанной процедуры, и определялись значения kизм, соответствующие выбранным временным интервалам.Using computer simulation, taking into account the processes occurring in the irradiated sample, the output of the secondary radiation and its registration by the secondary radiation detector, the procedure for detection and identification of explosives was simulated. We determined the value of the parameter k source equal to the ratio of the nuclei of the isotope 12 N (N 0 (N-12) ) formed in the sample to the total number of formed nuclei of radionuclides N 0∑ , and the time spectrum of events recorded by the detector was constructed. Further, this spectrum was processed using the above procedure, and the values of k ISM corresponding to the selected time intervals were determined.

Приведенные ниже результаты компьютерного моделирования были получены при следующих начальных условиях: образец облучался в течение 6 мкс пучком гамма-квантов, генерируемым в вольфрамовой тормозной мишени толщиной 0,35 мм при падении на нее электронов с энергией 55 МэВ и током 30 мА в импульсе длительностью 6 мкс. Детектор вторичного излучения площадью 1 м2 находился от образца на расстоянии 60 см, и эффективность детектора составляла 100%. Для моделирования использовались в качестве мишеней тротил, массой 100 г, графит, массой 100 г и генерировался фоновый спектр, адекватный загрузке детектора фоном от ядерных реакций типа (n,γ), вызываемых фотонейтронами. Ниже приведены результаты, полученные при моделировании облучения мишени одним импульсом ускорителя.The following computer simulation results were obtained under the following initial conditions: the sample was irradiated for 6 μs by a gamma-ray beam generated in a tungsten inhibitory target 0.35 mm thick when electrons with an energy of 55 MeV and a current of 30 mA in a pulse of duration 6 were incident on it μs. The secondary radiation detector with an area of 1 m 2 was located at a distance of 60 cm from the sample, and the detector efficiency was 100%. For modeling, we used TNT, weighing 100 g, graphite, weighing 100 g, as targets, and generated a background spectrum that was adequate to loading the detector with the background from nuclear reactions of the type (n, γ) caused by photoneutrons. Below are the results obtained by simulating target irradiation with a single accelerator pulse.

На фиг.1 показан дифференциальный временной спектр вторичного излучения, регистрируемый детектором, полученный при моделировании облучения образца, содержащего тротил (кривая 1), и типичный спектр, вызываемый фоновыми процессами (кривая 2). При этом предполагалось, что детектор вторичного излучения включался через 5 мс после окончания импульса облучения, регистрация событий происходила в течение 15 мс, а ширина канала временного анализатора составляла 1 мс.Figure 1 shows the differential time spectrum of the secondary radiation recorded by the detector obtained by simulating the irradiation of a sample containing TNT (curve 1), and a typical spectrum caused by background processes (curve 2). In this case, it was assumed that the secondary radiation detector was switched on 5 ms after the end of the irradiation pulse, the events were recorded for 15 ms, and the channel width of the time analyzer was 1 ms.

На фиг.2 показан интегральный временной спектр N(t) вторичного излучения для тротила, полученный из дифференциального временного спектра (кривая 1 на фиг.1) с использованием процедуры (12). Физический смысл представленного на фиг.2 спектра - это кривая, описывающая число нераспавшихся ядер 12N и 12B в облученном веществе к каждому моменту времени ti. Из сравнения соответствующих кривых на фиг.1 и 2 видно, что по сравнению с дифференциальным спектром интегральный спектр отличается значительно большей однородностью вычисленных значений, что в итоге приводит к большей точности определения параметра k.Figure 2 shows the integral time spectrum N (t) of the secondary radiation for TNT obtained from the differential time spectrum (curve 1 in figure 1) using procedure (12). The physical meaning of the spectrum shown in FIG. 2 is a curve describing the number of non-decayed nuclei 12 N and 12 B in the irradiated substance at each time t i . From a comparison of the corresponding curves in FIGS. 1 and 2, it can be seen that, in comparison with the differential spectrum, the integrated spectrum is characterized by a significantly greater uniformity of the calculated values, which ultimately leads to greater accuracy in determining the parameter k.

С помощью заявляемого способа можно не только идентифицировать вещества, имеющие близкий элементный состав, но и отделять образцы, элементный состав которых отличается от заранее предполагаемого. Если в ходе облучения образуются радионуклиды с периодами полураспада, отличными от ожидаемых, то уравнение (11) для данного случая перестает правильно описывать протекающие распадные процессы, что выразится в том, что значения k, рассчитанные для разных временных интервалов, перестанут быть постоянными, что может служить важнейшим квалификационным признаком.Using the proposed method, it is possible not only to identify substances having a close elemental composition, but also to separate samples whose elemental composition differs from the previously assumed. If radionuclides with half-lives other than expected are formed during irradiation, then equation (11) for this case ceases to correctly describe the occurring decay processes, which will be expressed in the fact that the values of k calculated for different time intervals cease to be constant, which may serve as the most important qualification attribute.

Примером неоднозначного определения параметра k с помощью заявляемого способа могут служить данные, представленные на фиг.3, где показаны зависимости k(t) для тротила (3), графита (4) и фонового процесса (5). Видно, что для фонового процесса наблюдается значительная нестабильность значений k, что позволяет надежно отделить ложный объект от искомых ВВ и НС.An example of ambiguous determination of the parameter k using the proposed method can be the data presented in figure 3, which shows the dependence of k (t) for TNT (3), graphite (4) and the background process (5). It can be seen that for the background process there is a significant instability of the values of k, which allows one to reliably separate the false object from the desired explosives and NS.

В таблице представлены суммарные данные по моделированию процессов регистрации, где для разных детектируемых веществ указаны «истинные» значения kист, которые вычислены из известного количества образовавшихся ядер радионуклидов, измеренные значения kизм, полученные в ходе обработки временных спектров по заявляемому способу, и тангенсы угла наклона прямых, аппроксимирующих k(t)-зависимость.The table presents the total data on modeling registration processes, where for the various detected substances the “true” values of k source are calculated, which are calculated from the known number of radionuclide nuclei formed, the measured values of k ISM obtained during the processing of time spectra by the present method, and the tangents of the angle the slope of the lines approximating the k (t) -dependence.

BеществоSubstance kист k east kизм k rev Тангенс угла наклона k(t)Slope tangent k (t) ТротилTNT 0,720.72 0,696±0,0620.696 ± 0.062 0,0036430.003643 ГрафитGraphite 0,00,0 -0,04±0,07-0.04 ± 0.07 0,0041430.004143 ФонBackground -- 2,962±0,0622,962 ± 0,062 -0,173105-0.173105

Таким образом, приведенный пример указывает на работоспособность заявляемого способа, который основан, в отличие от прототипа [4], на:Thus, the above example indicates the efficiency of the proposed method, which is based, in contrast to the prototype [4], on:

1. Способе перехода от измеренных дифференциальных спектров к интегральной форме представления убыли со временем числа ядер радионуклидов, что существенно повышает статистическую точность измерений.1. The method of transition from the measured differential spectra to the integral form of representing the decrease over time of the number of nuclei of radionuclides, which significantly increases the statistical accuracy of the measurements.

2. Способе анализа временных спектров в ограниченном временном интервале. Ограничение со стороны малых времен позволяет исключить влияние на временной спектр фоновых процессов. Ограничение со стороны больших времен увеличивает общее быстродействие детектора.2. A method for analyzing time spectra in a limited time interval. The restriction from the side of small times allows to exclude the influence on the time spectrum of background processes. The limitation on the part of large times increases the overall performance of the detector.

3. Предложении критерия достоверности результата обнаружения азот- и/или углеродсодержащих веществ, который связан с анализом k-зависимости и повышении точности определения значения k.3. Offering a reliability criterion for the result of the detection of nitrogen and / or carbon-containing substances, which is associated with the analysis of k-dependence and increasing the accuracy of determining the value of k.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4756866, 376/157.1. US patent No. 4756866, 376/157.

2. Е.А.Knapp, A.W.Saunders, and W.P.Trower. Direct Imaging of Explosives. Proceedings Euroconference on: Sensor systems and signal processing techniques applied to the detection of mines and unexploded ordnance, MINE'99, October 1-3, 1999. Villa Agape, Firenze, Italy Laboratorio Ultrasuoni e Controlli Non Distruttivi Università di Firenze, Italy. http.2. E.A. Knapp, A.W. Saunders, and W.P. Trower. Direct Imaging of Explosives. Proceedings Euroconference on: Sensor systems and signal processing techniques applied to the detection of mines and unexploded ordnance, MINE'99, October 1-3, 1999. Villa Agape, Firenze, Italy Laboratorio Ultrasuoni e Controlli Non Distruttivi Università di Firenze, Italy. http.

3.Устройство для обнаружения скрытых взрывчатых веществ. Патент РФ №2185614.БИ №20, 2002 г.3. A device for detecting hidden explosives. RF patent No. 2185614. BI No. 20, 2002

4. Способ и устройство для обнаружения и идентификации скрытых взрывчатых веществ и наркотических средств. Патент РФ №2226686. (Бюл. №10)/14, 2004 г.4. A method and apparatus for detecting and identifying hidden explosives and drugs. RF patent No. 2226686. (Bull. No. 10) / 14, 2004

5. A.I.Karev, V.G.Raevsky, J.A.Konyaev, A.S.Rumyantsev, R.R.Iliutschenko. The High Efficiency Complex for Detection of Landmines. In Proceeding of NATO Advanced Research Workshop #977941 «Detection of Explosives and Land Mines: Methods and Field Experience», St.-Petersburg, 11th-14th of September 2001, Russia, NATO-Series book, Kluwer Academic Publisher, Netherlands.5. AIKarev, VGRaevsky, JAKonyaev, ASRumyantsev, RRIliutschenko. The High Efficiency Complex for Detection of Landmines. In Proceeding of NATO Advanced Research Workshop # 977941 Detection of Explosives and Land Mines: Methods and Field Experience, St. Petersburg, 11 th -14 th of September 2001, Russia, NATO-Series book, Kluwer Academic Publisher, Netherlands.

Claims (3)

1. Способ идентификации скрытых взрывчатых веществ и наркотических средств, включающий облучение исследуемого вещества, содержащего азот и/или углерод, импульсом гамма-излучения, регистрацию вторичного излучения от продуктов распада, образованных изотопами азота-12 и бора-12, регистрацию временного спектра сигналов вторичного излучения, определение по результатам анализа временного спектра относительного содержания азота и углерода, идентификацию исследуемого вещества по его углеродному и азотному составу путем сравнения с эталонными значениями базы данных, отличающийся тем, что временной спектр вторичного излучения регистрируют в ограниченном по длительности временном интервале, начинающемся после окончания импульса облучения с временной задержкой; обработку спектра проводят путем преобразования измеренного дифференциального временного спектра в интегральный; определение относительного содержания в образце азота и/или углерода проводят для нескольких временных интервалов измеренного спектра; достоверность обнаружения веществ, содержащих азот или углерод, определяют путем сравнения значений относительных количеств азота и углерода в образце, рассчитанных для разных временных интервалов.1. A method for identifying hidden explosives and narcotic drugs, including irradiating a test substance containing nitrogen and / or carbon with a gamma-ray pulse, recording secondary radiation from decay products formed by nitrogen-12 and boron-12 isotopes, recording the time spectrum of secondary signals radiation, determination by the analysis of the time spectrum of the relative content of nitrogen and carbon, identification of the test substance by its carbon and nitrogen composition by comparison with the reference values of the database, characterized in that the time spectrum of the secondary radiation is recorded in a limited duration of a time interval beginning after the end of irradiation of pulse with a time delay; spectrum processing is carried out by converting the measured differential time spectrum into integral; the determination of the relative content of nitrogen and / or carbon in the sample is carried out for several time intervals of the measured spectrum; the reliability of detection of substances containing nitrogen or carbon is determined by comparing the values of the relative amounts of nitrogen and carbon in the sample, calculated for different time intervals. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что временная задержка регистрации временного спектра вторичного излучения составляет несколько миллисекунд.2. The method according to claim 1, characterized in that the time delay of recording the time spectrum of the secondary radiation is several milliseconds. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность временного интервала, в котором регистрируют временной спектр вторичного излучения, сравнима с периодами полураспада изотопов азот-12 и бор-12. 3. The method according to claim 1, characterized in that the duration of the time interval in which the time spectrum of the secondary radiation is recorded is comparable to the half-lives of the nitrogen-12 and boron-12 isotopes.
RU2010149620/28A 2010-12-06 2010-12-06 Method of identifying concealed explosives and narcotic drugs RU2444003C1 (en)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010149620/28A RU2444003C1 (en) 2010-12-06 2010-12-06 Method of identifying concealed explosives and narcotic drugs
PCT/US2011/054996 WO2012078241A1 (en) 2010-12-06 2011-10-05 Device for detection and identification of carbon- and nitrogen-containing materials
US13/253,934 US8681939B2 (en) 2010-12-06 2011-10-05 Device for detection and identification of carbon- and nitrogen-containing materials
US13/253,927 US8582712B2 (en) 2010-12-06 2011-10-05 Methods of detection and identification of carbon- and nitrogen-containing materials
PCT/US2011/054998 WO2012078242A1 (en) 2010-12-06 2011-10-05 Methods of detection and identification of carbon-and nitrogen-containing materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010149620/28A RU2444003C1 (en) 2010-12-06 2010-12-06 Method of identifying concealed explosives and narcotic drugs

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2444003C1 true RU2444003C1 (en) 2012-02-27

Family

ID=45852388

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010149620/28A RU2444003C1 (en) 2010-12-06 2010-12-06 Method of identifying concealed explosives and narcotic drugs

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2444003C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4756866A (en) * 1985-10-09 1988-07-12 Alvarez Luis W Nitrogen detection
US5144140A (en) * 1989-08-14 1992-09-01 Cogent Limited Detection of explosives
US5153439A (en) * 1987-05-26 1992-10-06 Science Applications International Corporation Multi-sensor explosive detection system using an articifical neural system
US5159617A (en) * 1991-11-13 1992-10-27 Southwest Research Institute Explosive detection method and apparatus using selective gamma ray resonance absorption
RU2185614C1 (en) * 2000-12-18 2002-07-20 Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН Detector of hidden explosives
RU2226686C1 (en) * 2002-08-14 2004-04-10 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Method and device for detection and identification of concealed explosives and narcotics
RU2238545C2 (en) * 2002-02-01 2004-10-20 Яковлев Генрих Васильевич Method for detection, indentification and localization of organic substances, including explosive and narcotic substnaces, with use of impulse flow of fast neutrons

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4756866A (en) * 1985-10-09 1988-07-12 Alvarez Luis W Nitrogen detection
US5153439A (en) * 1987-05-26 1992-10-06 Science Applications International Corporation Multi-sensor explosive detection system using an articifical neural system
US5144140A (en) * 1989-08-14 1992-09-01 Cogent Limited Detection of explosives
US5159617A (en) * 1991-11-13 1992-10-27 Southwest Research Institute Explosive detection method and apparatus using selective gamma ray resonance absorption
RU2185614C1 (en) * 2000-12-18 2002-07-20 Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН Detector of hidden explosives
RU2238545C2 (en) * 2002-02-01 2004-10-20 Яковлев Генрих Васильевич Method for detection, indentification and localization of organic substances, including explosive and narcotic substnaces, with use of impulse flow of fast neutrons
RU2226686C1 (en) * 2002-08-14 2004-04-10 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Method and device for detection and identification of concealed explosives and narcotics

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Buffler Contraband detection with fast neutrons
US4941162A (en) Method and system for detection of nitrogenous explosives by using nuclear resonance absorption
EP0396618B1 (en) Neutron scatter method and apparatus for the noninvasive interrogation of objects
Pesente et al. Detection of hidden explosives by using tagged neutron beams with sub-nanosecond time resolution
KR920701985A (en) Prohibited article detection system and method
KR20090046805A (en) A detection system and a detection method based on pulsed energetic particles
US5440136A (en) Anisotropic neutron scatter method and apparatus
RU2397513C1 (en) Procedure for neutron gamma logging and facility for its implementation
Bystritsky et al. Stationary setup for identifying explosives using the tagged neutron method
Im et al. Analytical capability of an explosives detection by a prompt gamma-ray neutron activation analysis
Lunardon et al. Detection of landmines by using 14 MeV neutron tagged beams
CN109581474B (en) Method for detecting overlapping time windows accompanied by particle neutron detection
US8582712B2 (en) Methods of detection and identification of carbon- and nitrogen-containing materials
RU2444003C1 (en) Method of identifying concealed explosives and narcotic drugs
Lim Recent developments in neutron-induced gamma activation for on-line multielemental analysis in industry
RU2226686C1 (en) Method and device for detection and identification of concealed explosives and narcotics
Mitra Identification of UXO using the associated particle neutron time-of-flight technique, final report
Cinausero et al. Development of a thermal neutron sensor for Humanitarian Demining
Dzhilavyan et al. Detection and identification of hidden explosives in photonuclear detection systems
Borysiuk et al. Evaluation of a setup for pNRA at LIBAF for applications in geosciences
JP2009236635A (en) Method and apparatus for detecting nitrogen-containing substance
Sudac et al. Chemical composition identification using fast neutrons
WO2007035396A2 (en) Method for detecting an element
NL2026338B1 (en) Material analysis method and system
Evsenin et al. Detection of hidden explosives by nanosecond neutron analysis technique

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151207