Белый Ю.И., Поцепня О.А., Семин Г.К., Семейкин Н.П.,
Шаршин Ю.А., Гарцев Н.А., Алексеев Н.П.
АППАРАТУРА ДЛЯ БОРЬБЫ С ТЕРРОРИЗМОМ НА ОСНОВЕ ЭФФЕКТА ЯКР
Метод ядерного квадрупольного резонанса
Журнал «Специальная техника»
Явление ядерного квадрупольного резонанса (ЯКР) было открыто в 1950 г. Следует отметить, что к классической ядерной физике, связанной с синтезом элементов и ионизирующими излучениями, это явление отношения не имеет.
Сущность явления заключается в следующем.
Ряд элементов таблицы Менделеева имеют несферическое распределение положительного заряда в ядре.
Степень несферичности оценивается особым параметром, который называется квадрупольным моментом.
Если вокруг такого ядра существует неоднородное локальное электрическое поле, созданное окружающими это ядро электрическими зарядами, то наблюдается явление ЯКР.
При воздействии на вещество внешнего электромагнитного поля определенной частоты имеет место резонансное поглощение энергии. По окончании воздействия происходит излучение энергии на частоте ЯКР.
Частота ЯКР зависит от формулы химического соединения, в которое входит квадрупольный элемент.
В число квадрупольных входят изотопы следующих элементов: «азот-14», «хлор-35», «хлор-37», «бор-10», «бор-11», «иод-127», «кислород-17», «натрий-23», «медь-63», «медь-65» и многие другие. Всего таких элементов около 50.
Следует подчеркнуть, что ЯКР возможен только при наличии двух факторов: квадрупольного момента у ядра и неоднородности окружающего его электрического поля (наличие градиента). Классический пример – поваренная соль. Оба элемента, входящие в состав молекулы, являются квадрупольными. Однако NaCl не обладает ЯКР, вследствие того, что ядра в кристаллической решетке расположены пространственно симметрично и электрическое поле вокруг каждого ядра однородно (градиент отсутствует).
Вещество может обладать не одной, а несколькими частотами ЯКР.
Количество частот ЯКР и интенсивность сигнала зависит от количества ядер данного квадрупольного элемента в формуле химического соединения, их химической эквивалентности, соединения с атомами других элементов.
Особенностью ЯКР является следующее: в настоящее время исследовано более 10000 химических соединений, и среди них нет ни одной пары веществ, ЯКР частоты которых совпадали бы. Поэтому частота ЯКР является как бы паспортом химического соединения (вещества).
Таким образом, возбудив вещество, содержащее в своем химическом составе квадрупольный элемент, радиоимпульсом определенной частоты и получив ответный ЯКР сигнал на данной частоте, можно однозначно говорить о наличии в исследуемом объекте именно данного вещества. То есть метод ЯКР является не только обнаруживающим, но и идентифицирующим.
Обнаруживаемое вещество может быть распределено по всему объему или находиться в механической смеси с другими веществами – это не влияет на принимаемый сигнал.
Примеси других веществ влияют на ширину спектральной линии и могут незначительно смещать частоту ЯКР, однако, радикального влияния на характеристики обнаружения они не оказывают.
Мало того, в некоторых случаях по характеру изменения линии ЯКР спектра можно определить производителя данного образца вещества.
Сигнал ЯКР, как правило достаточно мал, поэтому для накопления сигнала ЯКР и выделения его на фоне помех применяется ряд специальных методов, разработанных в рамках статистической радиотехники и радиолокации.
Для накопления сигнала производится воздействие на исследуемый объект не одним радиоимпульсом, а специальной последовательностью радиоимпульсов. Сигнал ЯКР слабо зависит от мощности зондирующего сигнала, он прямо пропорционален числу резонирующих ядер, а следовательно, массе исследуемого образца.
Для обнаружения конкретного вещества нужно в первую очередь знать его ЯКР частоты. Частоты ЯКР различных химических соединений лежат в диапазоне от сотен килогерц до сотен мегагерц.
Однако, знание частоты ЯКР не является достаточным для обнаружения ЯКР сигнала данного вещества.
Вещество, содержащее квадрупольный элемент, имеет так называемые параметры релаксации, которые нужно оценить, для того, что правильно построить последовательность зондирующих импульсов и организовать накопление сигнала.
Значения параметров релаксации для каждого вещества свои.
После того, как произведена их оценка, синтезируется оптимальная форма последовательности радиоимпульсов и оптимизируется процедура обнаружения данного вещества. Затем исследованное вещество вносится в базу данных обнаружителя вместе с отработанным для него режимом обнаружения.
Достоинства ЯКР обнаружителей взрывчатых веществ
Большинство взрывчатых веществ (ВВ) имеют в своем составе атомы «азот-14», по ЯКР сигналам которого производится обнаружение ВВ.
ЯКР метод обнаружения ВВ имеет следующие достоинства:
- Высокая избирательность к конкретному типу ВВ, способность идентификации конкретного типа ВВ. Наличие других веществ в обследуемом объекте, а также механическая смесь ВВ с другими веществами не мешает обнаружению искомого ВВ, на которое настроен обнаружитель.
- Характеристики обнаружения не зависят от геометрической формы ВВ.
- Возможность обнаружения ВВ, которые не газят” (например, пластиты), а также образцов ВВ, которые герметично упакованы.
- Метод ЯКР является неразрушающим методом обнаружения. Требуемая для работы напряженность переменного магнитного поля такова, что не происходит разрушения информации на магнитных носителях (компьютерные дискеты, кредитные карточки, магнитные ленты). Радиоустройства (приемники, плейеры) не выходят из строя.
- Метод является прямым и не требует калибровки прибора и интерпретации результатов оператором.
- Сравнительная простота аппаратуры, ее безопасность, возможность практической реализации как в стационарном (в том числе конвейерном), так и в переносном виде.
- Возможность комплексирования ЯКР обнаружителя с приборами, построенными на основе других физических принципов, например, с рентгеновской досмотровой установкой, что повышает достоверность обнаружения.
- Возможность оценки массы искомого ВВ.
Для совершения терактов часто применяются пластические ВВ (пластиты), которые изготавливаются на основе гексогена и ТЭНа, а также эластиты (на основе ТЭНа). Октоген встречается редко, еще реже тетрил.
С точки зрения обычных методов обнаружения ВВ (например, собаки, газоанализаторы) пластиты и эластиты ими практически не обнаруживаются.
С помощью ЯКР метода эти ВВ обнаруживаются очень эффективно, поскольку гексоген и ТЭН дают достаточно сильный сигнал ЯКР.
При обнаружении ВВ на основе смесей ЯКР обнаружитель может вести обнаружение по любому из ВВ, входящему в смесь. Например, смеси типа ТГ и ТГА можно эффективно обнаруживать по наличию в них гексогена.
Метод обнаружения ВВ на основе ЯКР, как и любой другой метод, не является идеальным.
В частности, если ВВ находится в металлическом или металлизированном корпусе, то оно не может быть обнаружено.
Однако, ЯКР датчик при этом фиксирует наличие металла в контролируемом объекте, т.е. он одновременно выполняет функции металлоискателя.
Для ряда задач, таких как, например, поиск мин, это свойство может быть использовано для обнаружения мин в металлических корпусах.
То есть, ЯКР обнаружитель ВВ помимо основных функций одновременно может выполнять функции индукционного высокоселективного металлоискателя.
Помимо этого для повышения эффективности работы ЯКР обнаружитель может быть использован в комплексе с приборами, построенными на основе других физических принципов, например, в комплексе с георадарими.
Состояние разработок ЯКР обнаружителей ВВ
Изучение ЯКР проводилось как в нашей стране, так и за рубежом. В СССР исследования ЯКР велись в Новосибирске, Казани, Перми, Москве, Калининграде (Кенигсберге). В период войны в Афганистане проводились первые исследования по возможности применения метода ЯКР для обнаружения мин в пластиковых корпусах.
Вопрос о применении ЯКР для обнаружения мин впервые был поднят в США во время войны во Вьетнаме, однако, уровень техники того времени не позволил реализовать подобный прибор.
В настоящее время работы в плане применения эффекта ЯКР для создания обнаружителей ВВ проводятся фирмами Naval Research Laboratory, Quantum Magnetics и Martin Marietta в США, Hitachi в Японии и British Technology Group Ltd в Англии.
Сейчас промышленные ЯКР обнаружители ВВ выпускаются только фирмой Quantum Magnetics (США). С сентября 1997 года Quantum Magnetics входит в состав фирмы InVision, разрабатывающей конвейерные рентгеновские (Х-ray) установки для проверки багажа.
Quantum Magnetics рекламирует следующие ЯКР обнаружители ВВ:
- Обнаружитель конвейерного типа для досмотра мелкого багажа пассажиров в аэропортах (чемоданы, портфели, сумки и др.) Q-Scan QR-160 с объемом рабочей камеры 160 литров (60см * 40см * 64см).
- Обнаружитель конвейерного типа для досмотра крупного багажа в аэропортах Q-Scan QR-500 с объемом рабочей камеры 500 литров (99см * 45см * 110см).
В 1996 г. экспериментальные образцы ЯКР обнаружителя QR-160 проходили испытания в аэропортах Манчестера и Хитроу.
Регистрировались ВВ на основе гексогена: С4, Semtex, Detasheet. Результаты испытаний показали вероятность обнаружения 89 % и вероятность ложной тревоги 2 %. Испытания, показавшие аналогичные результаты, проводились также в аэропорту Лос-Анджелеса.
Стоимость ЯКР обнаружителей фирмы Quantum Magnetics составляет несколько сот тысяч долларов США.
В 1998 – 2000гг. фирма QM провела полевые испытания макета миноискателя, который показал хорошие результаты.
Было продемонстрировано эффективное обнаружение противопехотных и противотанковых мин в неметаллических корпусах, содержащие гексоген и ТНТ. Обнаружение велось по гексогену.
В феврале 2000 года Quantum Magnetics сообщила о проведении испытаний миноискателя, работающего по обнаружению ТНТ, в результате оторых получен высокий процент обнаружения противотанковых и противопехотных мин на основе ТНТ.
Однако, нужно отметить, что пока испытываемый образец представляет собой выносной датчик размерами с миноискатель, который соединен кабелем с аппаратурой, размещенной на тележке.
Результаты разработки ЯКР обнаружителей в “Логис” и ГП НИИ приборостроения им. В. В. Тихомирова (г. Жуковский)
Начало разработки приборов на основе ЯКР относится к 1996 году. Работы базировались на заделе в области ЯКР отечественных исследователей и коллективов и на базе опыта разработок в области радиолокационных систем.
В процессе работ был создан ряд экспериментальных и опытных образцов обнаружителей ВВ различного назначения.
Был также создан исследовательский стенд, на котором проводятся исследования образцов ВВ (оценка параметров релаксации, предварительная отработка процедур обнаружения ВВ и т.д.).
Журнал «Специальная техника»
Продолжить чтение статьи: Обнаружители взрывчатых веществ на основе ЯКР для систем безопасности