Перспективы применения ядерных методов обнаружения взрывчатых веществ

Aviation Week & Space Technology.- 1996 .- 145, № 15 .- P. 46, 47, 49.

Перспективы применения ядерных методов обнаружения взрывчатых веществ

Несмотря на появляющуюся неблагоприятную критику метода обнаружения взрывчатых веществ (ВВ) на основе анализа тепловых нейтронов (АТН), финансируемые из Федерального бюджета США исследования этого метода и возможностей его применения продолжаются.

Это объясняется высокой способностью метода различать отдельные вещества.

Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) по заявлению его научного консультанта по безопасности еще не определило окончательно своего отношения к этому методу.

АТН являлся основным методом обнаружения ВВ в конце 80-х годов. Тогда было изготовлено шесть опытных образцов систем, способных обнаруживать ВВ массой более 1 кг. Но анализ катастрофы самолета авиалинии Pan Am 103 над Локкерби (Шотландия) в 1989 г. показал, что причиной аварии был взрыв ВВ массой менее 0,5 кг. Повышение чувствительности метода АТН до 0,7 кг привело к увеличению уровня ложных тревог с 5-10 до 25-30%, что неприемлемо для авиалиний. Это означало, что 25-30% предметов авиабагажа необоснованно будут признаны подозрительными. К недостаткам этих систем относились также их большие габаритные размеры и высокая стоимость (от 750000 до 1 млн. долл.). Поэтому их эксплуатация была прекращена в 1994 г. Отрицательное отношение прессы к системам на основе АТН усилилось после заключения комиссии, расследовавшей аварию самолета вблизи Локкерби. В настоящее время ведущее место среди систем обнаружения ВВ занимает система СТХ 5000 фирмы In Vision, являющаяся единственной системой, сертифицированной FAA. В ней применяется метод рентгеновской компьютерной томографии с воспроизведением изображений на мониторе. Эта система также стоит около 1 млн. долл., а по данным ее применения в аэропортах США уровень ложных тревог достигает 30%. Размеры системы СТХ 5000 приблизительно такие же, как и системы на основе АТН. Администрация авиалиний не проявляет особого энтузиазма в отношении применения системы СТХ 5000.

Фирма SAIC (США) в настоящее время разрабатывает систему на основе АТН меньших размеров для досмотра предметов ручного багажа с размерами портфеля типа "дипломат", FAA финансирует аэропорты, авиакомпании и агентства, планирующие проведение испытания этой системы в начале 1997 г.

Для обнаружения ВВ система на основе АТН просматривает большое количество элементов объема, занимаемого предметом багажа. В предшествовавшей системе на основе АТН размер одного такого элемента объема равнялся 100 мм и был слишком большим для обнаружения опасных предметов небольших размеров. Уменьшение этого размера в новой системе до 50 мм означает увеличение числа детекторов в четыре раза в уже достаточно дорогой системе и снижение силы сигнала, поступающего в детектор.

Но уменьшение размеров досматриваемых предметов багажа от сдаваемых до проносимых вручную и применение метода АТН для обнаружения электронных приборов и устройств, жидкостей и других веществ с малым содержанием азота должно привести к снижению фонового шума и повысить вероятность обнаружения ВВ массой менее 0,5 кг. Комитет по безопасности в гражданской авиации Национального совета США по исследованиям рекомендовал в 1993 г. продолжать приоритетную разработку систем на основе АТН, пока не будут доступны другие системы с лучшими характеристиками.

Система фирмы SAIC для досмотра ручного багажа, получившая название SPEDS (Small Parcel Explosive Detection System), может досматривать предметы размерами до 50х45 х 20 см. В ней, как и в ранних системах на основе АТН, используется источник нейтронов Калифорний 252.

Испускаемые им нейтроны замедляются до энергии 0,025 эВ, что эквивалентно тепловому воздействию окружающей среды. Эти тепловые нейтроны проникают в досматриваемый предмет багажа и поглощаются ядрами атомов азота. В результате эти ядра излучают гамма-лучи с энергией 10,8 МэВ. ВВ отличаются большой концентрацией в них азота. Разрешающая способность детекторов, расположенных вокруг досматриваемого предмета и воспринимающих частично коллимированное гамма-излучение, равна шести элементам объема, 410 позволяет отличать менее интенсивное гамма-излучение веществ с меньшей концентрацией азота, таких как шерсть, кожа и нейлон, от гамма-излучения ВВ. Стоимость SPEDS при серийном производстве составит около 100000 долл. Система будет автоматически принимать решение "пропустить-задержать" и показывать, какой элемент объема относится к подозрительной зоне.

Другая ядерная технология обнаружения ВВ основана на импульсном анализе быстрых нейтронов ИАБН (PFNA-Pulsed Fast Neutron Analysis). Исследования по применению этой технологии были начаты FAA, затем Управление перспективных проектов и разработок МО США (DARPA) выделило фирме SAIC около 15 млн. долл. на разработку в течение 1991-1996 гг. системы обнаружения наркотиков в больших контейнерах. Поддержка DARPA этой разработки прекратилась в октябре 1996 г., когда это управление отказалось от своего участия в борьбе с наркотиками, Но за этим последовало выделение еще 6 млн. долл. рабочей группой технической поддержки DARPA.

В конце 1995 г. FAA заключило контракт с фирмой SAIC стоимостью 800000 долл. на модификацию существующей аппаратуры ИАБН для проверки авиагрузов. В 1992 г. фирма провела испытания системы на досмотре контейнеров LD-3, загруженных чемоданами. Испытания FAA планировались на конец 1996 г.

Технология ИАБН использует ускоритель для формирования импульсного потока быстрых нейтронов с энергией 7-9 МэВ, движущихся со скоростью, равной 1/10 скорости света. Неупругие столкновения нейтронов с ядрами атомов вещества приводят к превращению энергии. Ядра атомов вещества излучают энергию в форме гамма-лучей различной интенсивности. Кислород и углерод почти не обнаруживаются при облучении их потоком тепловых нейтронов, но столкновения их атомных ядер с быстрыми нейтронами вызывают гамма-излучение с энергией 6,13 и 4,44 МэВ соответственно, что дает дополнительную информацию для дискриминации различных веществ. ВВ характеризуются высокой концентрацией кислорода и сравнительно низкой концентрацией углерода. Азот обнаруживается по гамма-излучению с энергией 1,6; 2,3 и 5,1 МэВ.

Пучок быстрых нейтронов сканирует контейнер, и результаты облучения вычисляются по времени прихода гамма-излучения на детекторы при каждом импульсе, так как фронт импульса нейтронов движется медленно по сравнению с гамма-излучением, распространяющимся со скоростью света. В результате производится трехмерное измерение с разрешающей способностью, равной размеру элемента объема, т. е. 50 мм.

Быстрые нейтроны легко проникают в тяжелые элементы, но замедляются легкими элементами. Но при небольшой скорости сканирования можно обнаружить ВВ даже в контейнере, заполненном картофелем.

Первое применение системы на основе ИАБН найдут на авиалиниях для досмотра грузов, но в дальнейшем они будут использоваться для окончательного досмотра сдаваемого авиабагажа. Размеры и стоимость системы зависят от типа применяемого ускорителя нейтронов. В настоящее время применяется ускоритель на основе электростатического генератора Ван-де-Граафа. Стоимость системы, способной досматривать десять контейнеров LD-3 в 1 ч, составит 5 млн. долл.

По мнению экспертов, метод ИАБН является наиболее перспективным атомным методом обнаружения ВВ, так как он дает возможность идентифицировать атомы различных элементов, входящих в состав ВВ. Однако потенциальными недостатками этой технологии остаются высокая стоимость и сложность. Поэтому рекомендуется придать среднюю приоритетность испытаниям и разработкам опытных образцов систем на основе этой технологии.

Быстрые нейтроны используются также в методе просвечивающей радиографии (transmissive radiography), разрабатываемом по двум финансируемым FAA проектам: в физическом отделении университета шт. Орегон и фирмой Tensor Technology. Технология еще не достигла такого уровня, когда уже система может быть поставлена на эксплуатационные испытания. FAA уже затратило на разработку этих систем 3,5 млн. долл., и его руководство надеется, что эти системы будут доведены до стадии их применения для досмотра грузов и предметов багажа в контейнерах. Стоимость, сложность и необходимость экранирования у систем просвечивающей радиографии примерно такие же, как у систем на основе метода ИАБН.

В методе просвечивающей радиографии веерообразный пучок нейтронов со сплошным энергетическим спектром до значений 8,2 МэВ сканирует предмет багажа или контейнер, а находящаяся за досматриваемым объектом решетка детекторов измеряет спектры энергии прошедших сквозь объект нейтронов. Азот, кислород, углерод и водород в различной степени ослабляют энергию нейтронов, и спектральный анализ должен определить элементный состав веществ, сквозь которые проходит сканирующий пучок. В результате получается двухмерное изображение энергетических спектров, служащее информацией для обнаружения ВВ.

Опытный образец Орегонского университета содержит линейную решетку из 16 детекторов, формирующую изображение с размерами его элемента на поверхности досматриваемого предмета 30 мм. Этот предмет продвигается на 30 мм за время пересечения им пучка нейтронов. Досмотр чемодана длиной 62 см занимает 26,7 мин. Но разработчики системы считают, что это время может быть сокращено до 8 с, если применить более мощный пучок нейтронов, быстродействующую электронику и плоскую решетку 10х16 детекторами.

Система была испытана на досмотре 50 чемоданов с проведением 130 измерений. В половине чемоданов содержались ВВ десяти различных типов в различных количествах и формах. Масса ВВ заключалась в пределах 150-650 г при толщине около 6 мм. Исследователи разработали алгоритм преодоления выявленных недостатков и ограничений, в частности применение только двухмерных изображений. Пороговые значения были вычислены на основе досмотра III предметов багажа, 61 из которых содержал ВВ. Получены следующие результаты испытаний: один случай ложной тревоги (2%), семь случаев необнаружения (9,5%) и 54 правильных обнаружений (88,5%).

Несколько чемоданов досматривались под различными углами просвечивания, и пластические ВВ были надежно обнаружены при воспроизведении трехмерных изображений.

FAA может возобновить финансирование исследований и разработок на основе метода ядерного резонансного поглощения и применений этого метода для досмотра контейнеров. Ранее им финансировались исследования по применению данного метода для досмотра сдаваемого авиабагажа. Метод ядерного резонансного поглощения гамма-излучения состоит в генерировании и анализе гамма-излучения с энергией 9,17 МэВ, которое преимущественно поглощается азотом. Применение метода окупается, если он допускает досмотр полного контейнера LD-3. Но для этого требуются ускорители и экранирование всей системы. Остается также открытым вопрос о влиянии высокоэнергетического излучения на продукты питания.