Использование обратно рассеянного ионизирующего излучения для контроля объектов.
Вандышев Борис Александрович, кандидат технических наук
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАТНО РАССЕЯННОГО ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ
ДЛЯ КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ
В статье рассматриваются некоторые виды досмотровой техники, принцип действия которых основан на использовании ионизирующего излучения, отраженного от предметов контрабанды, получивший название обратно рассеяное ионизирующее излучение.
Этот принцип позволяет получить информацию о внутреннем содержании контролируемого объекта при досмотре его с одной стороны.
В практике нередко встречаются ситуации, когда контроль объектов с использованием проходящего ионизирующего излучения в силу ряда причин бывает крайне затруднен, а порой и невозможен.
В таком случае прибегают к методу одностороннего контроля, использующего для получения информации о внутреннем содержании контролируемого объекта (КО) обратно рассеянные рентгеновские и гамма-кванты и нейтроны. Обратно рассеянное излучение (ОРИ) используется также наряду с проникающим излучением (ПИ) для повышения информативности контроля.
Сведения о КО представляются оператору либо в цифровом виде, либо в виде изображения на экране монитора.
Аппаратура контроля с использованием ОРИ изготавливается в стационарном, мобильном и портативном вариантах.
В основе принципа ее действия лежат эффекты взаимодействия квантов и частиц с атомами вещества, поэтому имеет смысл вкратце напомнить о некоторых из них, имеющих отношение к рассматриваемой аппаратуре.
Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
Рентгеновское и гамма- излучения обладают одинаковой природой (это коротковолновое электромагнитное излучение) и подчиняются одинаковым закономерностям при взаимодействии с веществом.
Принципиальная разница между двумя этими видами излучений заключается в механизме их возникновения: рентгеновское излучение внеядерного происхождения и возникает при торможении в веществе высокоэнергетических электронов; гамма-излучение является продуктом перехода ядра атома из одного энергетического состояния в другое.
В области энергий до сотен килоэлектронвольт (кэВ), обычно применяемых в досмотровой аппаратуре, рентгеновские и гамма- кванты (в дальнейшем — просто кванты) при прохождении сквозь вещество взаимодействуют с электронами атомных оболочек, поглощаясь (фотоэлектрический эффект) или рассеиваясь (так называемое комптоновское рассеяние).
При рассеянии квант часть своей энергии передает электрону, вырывая его из атома и изменяя направление своего первоначального движения.
Изменение направления движения может происходить в интервале углов от 0 до 180 градусов.
Кванты, рассеянные на углы, близкие к 180 градусам, называются обратно рассеянными и несут информацию о содержании КО.
Попадая в детектор, они производят в нем электрические сигналы, которые подвергаются электронной обработке и предъявляются оператору в виде изображения или числа.
Интенсивность обратно рассеянного излучения для веществ с меньшей плотностью и меньшим атомным номером (таких, как бумага, взрывчатые вещества, наркотики и других веществ органического происхождения) больше, чем для веществ с большей плотностью и большим атомным номером (например, сталь, латунь, свинец и др.).
Этот факт и является основополагающим принципом действия соответствующей аппаратуры.
Нейтроны, обладающие нулевым электрическим зарядом, при распространении в материальной среде взаимодействует главным образом с ядрами атомов веществ.
Одним из существенных видов такого взаимодействия являются процессы упругого столкновения, в результате которых нейтроны, передавая часть своей кинетической энергии ядрам атомов, замедляются и рассеиваются, в том числе и на углы, близкие к 180 градусам.
Замедление нейтронов является очень важным процессом, так как обычно источники нейтронов производят частицы довольно высоких энергий — порядка нескольких мегаэлектронвольт (МэВ).
Наилучшими замедлителями являются ядра легких элементов (например, водорода, углерода и др.), которые входят в состав органических веществ, в том числе взрывчатых (ВВ).
Вещества, состоящие из элементов с большим атомным номером (например, железа, меди, свинца и др.) значительно хуже замедляют и рассеивают нейтроны, благодаря чему они легко проникают сквозь толстые металлические преграды.
Таким образом, органическое вещество, помещенное за металлической преградой, будет являться “отражателем” нейтронов и по количеству обратно рассеянных нейтронов можно судить о наличии аномалии в этом месте (спрятанные бумага, ВВ, наркотики и т.д.). Этот принцип лежит в основе действия нейтронных досмотровых приборов.
Портативные приборы
Американской компанией “Campbell Security Equipment Company” (“CSECO”) разработан и серийно выпускается портативный детектор контрабанды К 910 В “Buster”.
Принцип его действия основан на регистрации отраженных от обследуемой поверхности гамма-квантов радиоактивного источника барий-133.
Активность источника в разных вариантах приборов колеблется от 100 до 500 микрокюри.
Обратно рассеянное излучение регистрируется твердотельным детектором, изготовленным из теллурида кадмия.
Прибор предназначен для обнаружения за преградами из металла, дерева, пластмассы, ткани спрятанных наркотиков, ВВ, валюты и другой контрабанды.
С его помощью могут досматриваться с целью обнаружения тайников легковые автомобили, грузовики и фургоны, стенки контейнеров, топливные баки, автомобильные шины, лодки и суда и т.д. Оперировать прибором весьма просто.
В начале обследования он автоматически калибруется на обследуемой поверхности, после чего прибор вручную перемещается по поверхности и сигнализирует об изменении интенсивности отраженных квантов. Показания выводятся в цифровом виде на жидкокристаллический дисплей, а при обнаружении тайника подается звуковой сигнал тревоги.
Прибор комплектуется наушниками для работы в условиях сильного шума. При габаритах 140х64х64мм он весит 1,1кг. Питание осуществляется от перезаряжаемых никель-кадмиевых батарей.
Аналогичный прибор для тех же целей имеет наименование “SEARCHER” и предлагается потребителям фирмой “Folien-Vogel”.
Он имеет несколько большие, по сравнению с “Buster”, весогабаритные характеристики (масса датчика-зонда составляет 2кг, отдельный электронный блок имеет размеры 170х120х50мм) и сигнализирует о наличии тайников с контрабандой подачей звукового сигнала.
Прибор достаточно чувствителен и позволяет обнаруживать за преградой небольшое количество нитрата аммония.
Питание осуществляется от щелочных аккумуляторов напряжением 9В, обеспечивающих непрерывную работу системы в течение 8 часов.
Характерным представителем портативных нейтронных приборов, предназначенных для обнаружения контрабандных тайников за преградами, является детектор “CINDI (Compact Integrated Narcotics Detection Instrument), разработанный американской фирмой “NOVA R&D, Inc.”.
Он содержит источник быстрых нейтронов калифорний-252 активностью около 50 микрокюри. Регистрация обратно рассеянных нейтронов производится сцинтилляционной детекторной системой, цифровая информация выводится на жидкокристаллический дисплей; имеется пороговый звуковой индикатор, сигнализирующий о наличии аномалий в обследуемом объекте.
В качестве объектов обследования служат контейнеры, цистерны, автофургоны, легковые автомобили, суда и т.д.
Прибор имеет автономное батарейное питание и снабжен системой автоматической калибровки перед началом измерений.
Порядок проведения операции обследования такой же, как и у гамма-детекторов, т.е. сканирование рабочей частью прибора по поверхности КО.
Положительной особенностью прибора является его способность обнаруживать упаковки наркотиков, расположенные за стенкой как пустых, так и заполненных водородосодержащими веществами (бензин, моторное масло и др.) емкостей.
Для пустой цистерны (топливного бака, бочки) сигнал детектора в месте расположения контрабанды будет возрастать, для заполненной — уменьшаться, так как содержание основного рассеивающего элемента — водорода в наркотиках меньше, чем в указанных жидкостях. Испытания прибора с применением импровизированного имитатора наркотиков — сахара показали, что он уверенно обнаруживается за преградами из свинца и железа.
Прибор соответствует нормам радиационной безопасности, действующим в США.
В качестве примера отечественных аппаратов рассматриваемого класса можно привести нейтронный поисковый прибор Сверчок”.
Он предназначен для обнаружения водородосодержащих закладок (ВВ, наркотиков и др.) за преградами из металла, кирпича, бетона и т.п.
Работа прибора основана на количественной зависимости между регистрируемым потоком отраженного нейтронного излучения и массой вещества в зоне контроля. Источником нейтронов служит изотоп калифорний-252 с потоком порядка 106 н/сек.
Электропитание осуществляется от девяти элементов типа 373 (или аккумуляторов) с ресурсом непрерывной работы не менее 30 часов. Вес прибора в снаряженном состоянии не превышает 5кг при весе пульта 3,5кг и выносного измерительного блока со штангой 1,5кг.
Прибор обслуживается одним оператором и соответствует действующим в России нормам радиационной безопасности.
Зарубежные портативные приборы, использующие для контроля объектов обратно рассеянное нейтронное и гамма-излучения, показали свою эффективность в досмотровой практике; ведутся работы по созданию комбинированного прибора, использующего одновременно оба вида излучения, что позволит расширить возможности портативной поисковой аппаратуры.
Стационарная и мобильная аппаратура
Пионером в области получения изображений КО в обратно рассеянных рентгеновских лучах является американская фирма American Science and Engineering, Inc.” (AS&E); она же является мировым лидером в разработке и производстве такой аппаратуры.
В процессе получения изображения КО, движущийся мимо источника рентгеновского излучения (на ленте транспортера или иным способом), подвергается вертикальному сканированию узким рентгеновским лучом (так называемая технология “карандашного луча” или летающего пятна”).
Узкий луч образуется из широкого пучка рентгеновского излучения, исходящего от анода рентгеновской трубки, путем пропускания его через вращающиеся коллиматоры, представляющие собой либо диск с прорезью, либо колесо с узкими радиальными каналами.
Установка имеет две независимые системы детекторов: проходящего через КО рентгеновского луча и отраженных от КО квантов.
При этом одна система находится за КО, другая — перед ним.
Сигналы от детекторов, подвергнутые компьютерной обработке по специальной программе и в привязке к координате луча на КО, являются основой для формирования на экранах двух мониторов черно-белых изображений в проходящем и обратно рассеянном рентгеновском излучении.
Примеры таких изображений приведены на рис.1.
 |
Рис. 1. Изображение саквояжа в проходящем (а) и обратно рассеяном (б) рентгеновском излучении. Яркое белое прямоугольное пятно на рис. 1б — имитатор пластического ВВ, спрятанного в радиоприемнике.
Анализируя их, оператор может обнаружить спрятанное в радиоприемнике вещество органического происхождения (в данном случае, имитатор пластического взрывчатого вещества).
На картине, полученной в проходящем пучке, изображение этого вещества затеняется более плотными слоями, сильнее поглощающими рентгеновское излучение.
Подобная досмотровая аппаратура, выпускаемая в широком ассортименте, устанавливается в аэропортах, таможнях и на важных объектах.
По радиационной терминологии она именуется “микродозовой”, так как дозовая нагрузка на КО за один сеанс составляет 20 микрорентген (нормальный естественный радиационный фон составляет 10? 20 микрорентген в час) и не повреждает фотоматериалов.
Для работы в полевых условиях создана система “101 Van”.
Рентгеновская досмотровая установка монтируется в мини-фургоне, как показано на рис.2.
Рис. 2. Внешний вид системы “101 Van”.
Установка снабжена конвейерной системой и пультом оператора, электропитание осуществляется либо от бортового электрогенератора, работающего на бензине или сжиженном газе, либо от внешней электросети.
Рентгеновский аппарат функционирует при двух напряжениях на рентгеновской трубке, выбираемых оператором — 140 кВ и 90 кВ.
Проникающая способность излучения составляет 12мм по стали.
Испытания, проведенные с использованием 1000 упаковок, некоторые из которых содержали имитаторы контрабанды, показали 83% правильного анализа и 17% неправильного (пропуски и ложное срабатывание” оператора).
Среднее время анализа одной упаковки составило 1мин 7сек.
Для сравнения приводятся результаты испытаний рентгеновской томографической установки СТХ 5000 SP американской фирмы “In Vision”: при обследовании 864 упаковок в 90% случаев были получены правильные анализы, в 10% — неправильные. Время анализа одной упаковки составляло 1мин.30сек.
То есть, аппаратура контроля, использующая проходящее и обратно рассеянное рентгеновское излучение, по своей эффективности сравнима с лучшей из существующих, но гораздо более сложной и стационарной системой аналогичного назначения.
Для контроля крупногабаритных объектов (например, легковых автомобилей и большегрузных автомобильных трейлеров) разработаны как стационарные, так и мобильные системы.
Стационарная система, именуемая CARGOSEARCH”, может контролировать большегрузные трейлеры длиной 19,5м, шириной 2,4м, высотой 4,2м и весом до 36 тонн.
В состав системы входят две рентгеновские сканирующие установки (450 кВ, 10 мА), расположенные по обе стороны от грузовика с целью получения наиболее полной информации о КО; изображения в проходящем и обратно рассеянном излучении выводятся на экраны четырех мониторов. Системы излучателей и детекторов расположены под углом 80 градусов к продольной оси транспортного средства для получения изометрического изображения КО.
При этом выявляется наличие двойных стенок со скрытой между ними контрабандой, а также не заявленные в таможенной декларации грузы и незаконные иммигранты, укрытые в фургоне трейлера. Доза облучения при обследовании КО не превышает 2 миллирентген.
Применяются три скорости обследования: 8; 4 и 1 метр в минуту. Наряду со стационарной разработана также и мобильная система контроля транспортных средств (в том числе и большегрузных трейлеров), оперирующая только обратно рассеянным излучением (“MOBILSEARCH”).
Система базируется на грузовике (рис.3); мобильность позволяет повысить эффективность выявления контрабанды за счет эффекта неожиданности при развертывании ее в нетрадиционных местах.
Рис. 3. Внешний вид системы “MOBILSEARCH”
Установка оснащена рентгеновским излучателем на 450кВ с радиальным прерывателем, обеспечивающим получение “летающего пятна” для сканирования КО, и блоком детекторов обратно рассеянного излучения.
Электропитание осуществляется от автономного дизельного электрогенератора мощностью 22 киловатта.
Перемещение КО при сканировании обеспечивается с помощью специальных электромеханических устройств. Установка обслуживается тремя операторами, один из которых является водителем грузовика.
На рис.4 представлено изображение легкового автомобиля в обратно рассеянных рентгеновских лучах; четко видны имитирующие наркотик пакеты с сахаром, спрятанные в багажнике автомобиля.
Рис. 4. Изображение легкового автомобиля в обратно рассеянном рентгеновском излучении, полученное с помощью системы “MOBILSEARCH”.
Обратно рассеянное рентгеновское излучение применяется также для выявления контрабанды и диверсионно-террористических средств, скрытых под одеждой человека.
Для этого создана установка “BODYSEARCH” (рис.5).
Рис. 5. Внешний вид системы “BODYSEARCH”
Обследование неподвижного субъекта осуществляется путем перемещения рентгеновской сканирующей системы; оператор анализирует полученное на экране монитора изображение, имея возможность управлять яркостью и контрастностью изображения, увеличивать его в 2; 4 и 8 раз и документировать при необходимости.
Время обследования составляет 8-10 секунд, дозовая нагрузка при этом не превышает 5 микрорентген.
На рис.6 показано фронтальное демонстрационное изображение одетого “террориста”, полученное с помощью установки “BODYSEARCH”.
В средней части снимка — блок пластического ВВ под правой подмышкой, автоматический пистолет “Смит и Вессон” калибра 9мм в области промежности, связка ключей на правом бедре, бумажник на левом бедре; в нижней части снимка — складной швейцарский армейский нож на правой лодыжке; верхняя часть снимка не вызывает подозрений.
Рис. 6. Фронтальное изображение в обратно рассеянном рентгеновском излучении одетого террориста, полученное с помощью системы “BODYSEARCH”.
Из изложенного в статье материала ясно проступает роль оператора в анализе информации, которую предоставляет ему обратно рассеянное ионизирующее излучение в процессе обследования КО.
Во-первых, для эффективного использования такой аппаратуры, несмотря йа все принятые меры для упрощения ее пользованием, необходим квалифицированный и хорошо обученный оператор, прошедший стажировку в условиях, максимально приближенных к реальным.
Во-вторых, эффективность работы оператора будет непрерывно повышаться по мере приобретения им практического опыта, поэтому весьма важной является необходимость создания условий для закрепления” таких кадров и периодического обучения их с целью повышения квалификации.
Именно в таком аспекте рассматривается человеческий фактор” специалистами, имеющими отношение к борьбе с контрабандой и терроризмом.