Исследование и разработка рентгеновского сканера для оперативного контроля и досмотра

Актуальность работы.

Важнейшими составляющими деятельности, направленной на противодействие терроризму, является создание и широкомасштабное использование высокоэффективного антитеррористического оборудования. Затраты на закупку такого оборудования в экономически развитых странах растут ежегодно на десятки и сотни процентов. Это способствует постоянному совершенствованию оборудования в соответствии с развитием науки и техники, регулярному появлению новых технических средств.

В порядке приоритета при решении поисковых, досмотровых и специальных задач на первое место следует поставить оборудование, реализующее методы радиационной интроскопии ввиду их информативности, возможности быстрого получения результата обследования с высокой достоверностью. Эти методы позволяют эффективно решать не только антитеррористические задачи, но и целый ряд других задач оперативного контроля и досмотра: противодействие незаконному распространению наркотических и психотропных веществ, защита информационных каналов, обеспечение безопасности объектов государственной охраны, предотвращение незаконного вывоза из страны предметов, представляющих историческую, культурную и художественную ценность. Объектами досмотра могут быть контейнеры, автотранспорт, грузы, сумки, сувениры, стены, перекрытия, оргтехника, а предметами поиска — оружие, взрывные устройства, взрывчатые и наркотические вещества, предметы контрабанды, устройства съема информации и т. д.

Вместе с тем, несмотря на ряд фундаментальных работ в данной области, оперативный досмотр при одностороннем доступе конструктивно сложных объектов до настоящего времени остается одной из острых проблем для силовых подразделений, противодействующих терроризму. В связи с этим, разработка портативного рентгеновского сканера для проведения оперативного досмотра и поиска является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное государственное значение. Государственная значимость решаемой проблемы подтверждена «Стратегией национальной безопасности Российской Федерации до 2010 года», утвержденной Указом Президента Российской Федерации от 12 мая 2009 года № 527, Указом Президента Российской Федерации от 15 февраля 2006 года № 116 «О мерах противодействия терроризму», Федеральным законом «О борьбе с терроризмом» от 25 июля 1998 года.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является создание рентгеновского сканера, предназначенного для антитеррористических подразделений правоохранительных органов, на основе развития метода регистрации обратно рассеянного излучения, разработки комплекса малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала.

Достижение поставленной в диссертационной работе цели обеспечивается решением следующих задач:

— проведение системного анализа состояния методов и средств, используемых для оперативного контроля и досмотра авто (авиа)транспорта, грузов, сумок, сувениров, капитальных строений и перекрытий и выявление приоритетных путей их развития, определение тактико-технических требований к сканеру;

— разработка математической модели взаимодействия рентгеновского излучения с преградами и предметами (вложениями), скрытыми за ними, проведение теоретических исследований взаимодействия излучения с объектами досмотра методом многократного моделирования;

— разработка алгоритма конструирования малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала и их создание, проведение экспериментальных исследований;

— создание рентгеновского сканера, проведение сертификации, освоение серийного выпуска, оснащение разработанной техникой антитеррористических подразделений правоохранительных органов.

Методы исследований, достоверность результатов.

Теоретические исследования проводились с использованием методов математического анализа, математической статистики (Монте-Карло), теории вероятностей.

Математическое моделирование реализовано в среде GUIDE пакета МатЛаб в векторной форме.

Экспериментальные исследования проводились на сертифицированных, метрологически поверенных средствах измерений, с применением стандартных методик.

Достоверность результатов работы подтверждается соответствием теоретических результатов экспериментальным данным, положительным опытом эксплуатации сканера и разработанных рентгеновских аппаратов в рентгенофлуоресцентных анализаторах и досмотровых комплексах.

Научная новизна работы.

1. Теоретически и экспериментально исследованы процессы взаимодействия рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 10 до 50 кэВ с различными объектами с последующей регистрацией обратно рассеянных квантов учитывающие не только комптоновское рассеяние, но и флуоресцентное излучение. Определены границы применения метода.

2. Разработана двухуровневая математическая модель взаимодействия рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ней скрытым объектом, позволяющая на первом этапе исследовать процесс взаимодействия исходного излучения с преградой и скрытом объектом, а на второмисследовать процесс взаимодействия обратно рассеянных квантов от скрытого объекта с преградой и последующей их регистрацией.

3. Впервые разработан алгоритм построения ручного рентгеновского сканера основанный на отстройке от квантов, рассеянных преградой. Теоретически установлена, экспериментально подтверждена возможность создания сканера с максимальным напряжением на рентгеновской трубке 50 кВ и широким динамическим диапазоном.

Практическая полезность работы.

1. Разработанная модель взаимодействия рентгеновского излучения с энергией квантов 10−50 кэВ с различными объектами может быть использована при проектировании и разработке комплексов на основе регистрации обратно рассеянных квантов, а также при исследовании процессов взаимодействия и преобразования рентгеновского излучения с материалами различного состава и толщины.

2. Разработан алгоритм конструирования рентгеновских аппаратов постоянного потенциала, включая высоковольтную часть, систему управления, преобразования напряжения. Разработаны новые конструкции малогабаритных рентгеновских аппаратов и сканера. Результаты работы могут быть использованы при проектировании и разработке рентгеновских источников постоянного потенциала с напряжением до 100 кВ и анодным током до 2 мА.

Реализация и внедрение результатов.

1. Обоснована конструкция, разработан ручной сканер «Ватсон», позволивший выявлять несплошность и неоднородность структуры за преградой из дерева толщиной 50 мм, алюминия — 12 мм, стали — 1,5 мм. Рентгеновский сканер «Ватсон» не имеет отечественных и зарубежных аналогов.

2. Разработано и организовано серийное производство ручных рентгеновских сканеров для оперативного контроля, досмотра и поиска. К 2012 году выпущено и внедрено в подразделениях МО РФ, МВД РФ, ФСБ РФ, ФСО РФ, ФТС РФ, ФСИН РФ более 565 сканеров. Использование рентгеновского сканера Ватсон только на таможенных пунктах позволило сократить время досмотра автотранспорта в 10 раз.

3. Разработана и серийно освоена серия малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала с выходным напряжением от 15 до 100 кВ. Аппараты нашли широкое применение в рентгенофлуоресцентных анализаторах различного назначения, рентгеновских досмотровых комплексах. Всего было выпущено более 1 335 аппаратов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты поиска и анализа путей повышения эффективности деятельности антитеррористических подразделений правоохранительных структур на основе развития метода регистрации обратно рассеянного излучения и создания новых малогабаритных рентгеновских аппаратов.

2. Математическая модель взаимодействия рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ней скрытым объектом. Теоретические и экспериментальные исследования, позволившие установить: распределения числа квантов, рассеянных преградой и прошедших через нее, включая многократно рассеянныераспределения числа актов рассеяния в преградераспределения углов, координат и энергий, рассеянных объектом квантовраспределения числа актов взаимодействия квантов, рассеянных скрытым объектом и преградой, закономерности распределения углов, координат и энергий регистрируемых квантов рентгеновского излучения.

3. Теоретические и экспериментальные исследования по определению переходных функций рентгеновского сканера при сканировании объекта контроля, позволившие создать и обосновать методики применения рентгеновского сканера при проведении оперативного досмотра и контроля.

4. Технические и технологические решения, примененные при создании нового поколения рентгеновских аппаратов, рентгеновского сканера и их конструкции.

Апробация.

Основные результаты работы доложены и обсуждены на 3-ей Международной конференции «Диагностика трубопроводов», 21−26 мая 2001 г., 6-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 15−17 мая 2007 г., 7-й Международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности», 11−13 марта 2008 г., XIV Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики», 3−7 октября 2011 г.

Личный вклад автора.

Теоретические и экспериментальные исследования процессов взаимодействия рентгеновского излучения с преградами и скрытыми за ними объектами методом многократного моделированияразработка методики обнаружения скрытых объектовразработка алгоритмов конструирования, оптимизации аппаратов постоянного потенциала и обоснование выбора их структурной схемыпроведение экспериментальных исследований технических и радиационных характеристик рентгеновского сканера. Автор принимал непосредственное участие в разработке, испытаниях и внедрении рентгеновского сканера и рентгеновских аппаратов постоянного потенциала.

Публикации.

Всего по теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из которых: в журналах, рекомендованных ВАК — 6.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа изложена на 147 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 83 рисунка и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 91 наименования, приложения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. На основе анализа антитеррористического оборудования, используемого в развитых странах мира и России, показано, что эффективным, а зачастую и единственным решением задач оперативного контроля и досмотра при одностороннем доступе к объекту досмотра в труднодоступных местах, является использование портативного рентгеновского сканера, основанного на регистрации обратно рассеянного излучения.

2. Теоретически исследованы и экспериментально подтверждены границы применения метода регистрации обратно рассеянных квантов в диапазоне энергий от 10 до 50 кэВ с различными объектами. Показано, что на низких энергиях при расчете рассеянных квантов следует учитывать не только комптоновское рассеяние, но и характеристическое излучение.

3. Разработана двухуровневая математическая модель взаимодействия рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ней скрытым объектом, позволяющая на первом этапе исследовать процесс взаимодействия исходного излучения с преградой и скрытом объектом, а на втором — процесс взаимодействия квантов, обратно рассеянных от скрытого объекта с преградой, с последующей их регистрацией. Получены зависимости: радиуса вылета обратно рассеянных квантов их энергий, вектора распространения квантов рассеянных, как в преграде, так и в скрытом объекте для объектов различного сочетания эффективных атомных номеров.

4. На основе теоретических исследований, разработанной математической модели взаимодействия рентгеновского излучения с преградой и находящимся за ним скрытым объектом впервые предложен алгоритм построения ручного рентгеновского сканера, основанный на отстройке от регистрации квантов, рассеянных преградой. Теоретически установлена, экспериментально подтверждена возможность создания сканера с максимальным напряжением на рентгеновской трубке до 50 кВ с широким динамическим диапазоном.

5. Результаты проведенных экспериментальных исследований рентгеновского сканера подтвердили соответствие теоретических положений результатам экспериментальных исследований, правильность принятой математической модели и принятых предпосылок, в том числе соответствие вида и характеристик переходных функций рентгеновского сканера. Выявлены предельные толщины преград, за которыми метод регистрации обратно рассеянного излучения эффективен:

— для обнаружения вложения объемом 1 см, массой 0,5−2 гр предельная толщина преграды составляет: из стали -1,0 мм, дерева — 40 мм, алюминия — 10 мм, резины — 20 мм, при скорости сканирования 1 см/с;

— для обнаружения вложения объемом 1 л, массой 0,5−2,0 кг предельная толщина преграды составляет: из стали -1,5 мм, дерева -50 мм, алюминия — 12 мм, резины — 30 мм, при скорости сканирования 10 см/с.

6. Разработан, выдержал полномасштабные испытания и запущен в серийное производство ручной рентгеновский сканер «Ватсон», обеспечивающий возможность поиска оружия, наркотических веществ, контрабандных вложений в транспортных средствах, устройствах съема информации с высокой скоростью досмотра, в том числе в труднодоступных местах. Рентгеновский сканер обеспечивает полную радиационную безопасность персонала и окружающих лиц и не имеет аналогов. К настоящему времени в структурные подразделения МВД РФ, ФТС РФ, ФСБ РФ, ФСО РФ поставлено и находится в эксплуатации 565 рентгеновских сканеров «Ватсон».

7. Внедрение рентгеновского сканера «Ватсон» на таможенных пунктах, пунктах пропуска через государственную границу и транспортных узлах позволило увеличить в 3−4 раза пропускную способность, в том числе в условиях необорудованных пунктов, путем сокращения времени досмотра автотранспорта и багажа до 10 раз, повысить эффективность обнаружения наркотических и взрывчатых веществ.

8. Прошла испытания и сертифицирована серия малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала, позволившая создать новое поколение рентгеновских средств контроля для решения актуальных задач поиска и досмотра. Организовано серийное производство малогабаритных рентгеновских аппаратов постоянного потенциала (аппарат «Модуль-50» и аппараты серии «ХС» — «ХС-50», «ХС-15», «ХС-70», «ХС-100»), нашедшие применение в различных комплексах (приборах) — более 1350 изделий:

— ренгенофлуоресцёнтные анализаторы для обеспечения количественного анализа материалов и веществ, в том числе — сплавов драгоценных металлов при обращении, производстве и контроле драгоценных металлов, в соответствии требованиями Российской Государственной Пробирной Палаты;

— радиометрические системы сепарации руд и техногенного сырья на месте добычи, позволяющие исключить дорогостоящую транспортировку пустой породы к предприятиям переработки;

— толщиномеры покрытий, научно-исследовательские системы;

— досмотровые портативные и стационарные комплексы.