Актуальной проблемой нашего времени является быстрое и безопасное обнаружение взрывчатых веществ. Для её решения требуется создать высокоэффективный метод, который отличался бы как точностью, так и высокой скоростью работы. Такой метод, основанный на фотоядерных реакциях, разработали специалисты ООО «Минитрон», резидента Фонда Сколково.
Печальной реальностью наших дней остаются террористические акты, совершаемые с помощью взрывных устройств. Поэтому всегда актуальной задачей будет улучшение технических средств, которые могут вовремя обнаружить взрывчатое вещество. Обычно в аэропортах для этого используют интроскопы – рентгенотелевизионные устройства. Но интроскоп дает лишь двумерную картинку просвеченного багажа, так что окончательное решение, представляет ли этот багаж опасность, остается за человеком-оператором. Хотя сотрудники службы безопасности, работающие на интроскопах, проходят специальную подготовку, они не застрахованы от ошибки, цена которой может быть очень высока. Не могут их полностью заменить и другие технические средства, такие как газоанализаторы.
Другая актуальная задача – разминирование местности. Многочисленные войны оставляют в земле опасное наследство. Иногда в течение десятилетий на минных полях продолжают погибать люди. К тому же из-за мин на больших площадях невозможно вести сельскохозяйственные работы, что особенно тяжело для стран Африки и Юго-Восточной Азии, жителям которых часто угрожает голод. Эта проблема остро стоит в Конго, Эфиопии, Судане, Сомали, Анголе, Афганистане, Ираке, Вьетнаме, Лаосе, Камбодже, Мьянме и многих других странах. В Европе много мин осталось не только после Второй мировой, но и после недавних войн 1990-х годов на Балканах. Не избавлена от минной проблемы и Россия.
Поэтому требуется создать высокоэффективный метод обнаружения взрывчатых веществ, который отличался бы как точностью, так и высокой скоростью работы. Такой метод предлагают специалисты ООО «Минитрон», резидента Фонда Сколково. Эта компания создана в 2011 году в городе Троицк, на базе Троицкого подразделения Физического института им.П.Н. Лебедева РАН.
Новый метод обнаружения взрывчатых веществ основан на фотоядерных реакциях. Эти реакции вызываются гамма-излучением. Ядро атома, поглотившее квант гамма-излучения получает дополнительную энергию. Если эта энергия больше, чем энергия связи протонов и нейтронов в ядре, то происходит фотоядерная реакция: ядро испускает часть частиц. Первая такая реакция была открыта у ядер дейтерия – изотопа водорода, ядро которого содержит всего один нейтрон и один протон. Получив гамма-квант, это ядро распадалось. Это явление было описано Джеймсом Чедвиком и Морисом Гольдхабером в статье «Ядерный фото-эффект (разложение дейтона γ-лучами)» еще в 1930-е годы. Потом были обнаружены и другие фотоядерные реакции.
Применить гамма-лучи для обнаружения взрывчатых веществ первым предложил в 1985 году американский физик Луис Альварес. В нашей стране идея получила развитие в исследованиях ученых Физического института им. П.Н.Лебедева РАН. Разработанный метод использует фотоядерные реакции, возникающие в ядрах изотопов азота (14N) и углерода (13C), которые содержатся во всех применяемых сегодня взрывчатых веществах. Если они встречают гамма-излучение, энергия гамма-квантов которого превышает определенные пороговые значения, то происходят определенные фотоядерные реакции. Ядро азота 14N может потерять два протона и превратиться в короткоживущее ядро бора 12B. Также азот 14N может лишиться двух нейтронов, тогда он превратится в другой изотоп азота – 12N. Если гамма-излучению подвергнуть углерод 13C, его ядро, потеряв один протон, также превратится в ядро бора 12B.
Что произойдет дальше? Возникшие ядра азота и бора существуют очень недолго. Период полураспада бора 12B равен 20,2 миллисекунды, а азота 12N – 11 миллисекунд. Они превращаются в ядра углерода 12C с выделением бета-частиц (электронов или позитронов):
12B* → 12C + e- + ν
12N* → 12C + e+ + ν
Эти бета-частицы в толще вещества вызывают, в свою очередь, генерацию гамма-квантов.
Полученные гамма-кванты вместе с позитронами и электронами регистрируются детектором. Выбор этих фотоядерных реакций в качестве реперных обеспечивает высокую чувствительность метода обнаружения ВВ, т.к. при облучении любых других химических элементов гамма-пучком с энергией меньше 55 МэВ не образуются никакие другие изотопы с периодом полураспада в диапазоне от 1 до 100 мс. Следовательно, если облучить обследуемый объект коротким импульсом гамма излучения с энергией гамма-квантов в диапазоне 31-55 МэВ, то в последующем за ним временном интервале ~20 мс он откликнется, при наличии в нем достаточной концентрации азота и/или углерода, потоком вторичных гамма-квантов от распада изотопов 12B и 12N, что означает возможное наличие в объекте взрывчатого вещества. В противном случае этого потока в измеряемый промежуток времени не будет.
Важное достоинство метода состоит в его быстроте. После облучения интересующего нас объекта коротким импульсом гамма-излучения, надо “подождать” лишь 20 миллисекунд, и придет ответ. Если концентрация азота и углерода достаточно велика, мы получим поток излучения.
Используя фотоядерные реакции для выявления взрывчатых веществ, важно научиться отличать случаи, когда азот и углерод действительно сигнализируют об опасности, от случаев «ложной тревоги». В самом деле, вокруг нас множество вещей могут содержать большое количество азота или углерода. Сигнал о наличии углерода могут давать разнообразные полимерные материалы или просто пищевые продукты. Если же такой детектор используется для поиска мин в земле, то из-за применения химических удобрений, содержащих азот, мы также будем получать множество бесполезных сигналов.
Чтобы избежать подобных случаев, исследователи разработали специальный метод. Все материалы: как взрывчатые вещества, так и остальные – характеризуются соотношением содержащихся в них 14N и 13C. Проанализировав временной спектр зафиксированного излучения, можно определить, какое соотношение азота и углерода имеется в данном объекте. Это возможно благодаря тому, что периоды полураспада у ядер 12N и 12B хоть и одинаково короткие, но все-таки разные. Ученые определили характерные временные спектры для разных веществ, назвав их k-портретами. По значению k-портрета можно понять, когда в багаже безобидная древесина, а когда – гексоген.
Еще одно преимущество метода фотоядерных реакций – возможность его применения, когда изучаемый объект недоступен для непосредственного наблюдения. Например, при поиске скрывающихся в почве мин. Слой почвы перестает быть проблемой из-за высокой проникающей способности гамма-излучения. Компьютерное моделирование показало, что детектор взрывчатых веществ, использующий фотоядерные реакции данного вида, будет находить 40 граммов тринитротолуола под слоем земли толщиной до 25 сантиметров или в воде на глубине до 40 сантиметров.
Помимо всего прочего, устройство способно работать в автоматическом режиме, разыскивая взрывчатые вещества без участия человека-оператора и, в случае их обнаружения, подавая сигнал или запуская специального робота-сапера.
Использовать такое устройство можно как в стационарном, так и в мобильном варианте. В основе его конструкции - импульсный электронный ускоритель, электронный пучок из которого будет направляться на тормозную мишень. Она представляет собой тонкую пластинку из тантала, где пучок электронов преобразуется в гамма-излучение, направленное на исследуемый объект, например, на чемодан на багажной ленте. После короткогооблучения ограниченной зоны на чемодане в дело вступает детектор вторичного излучения, который через 20 мс должен обнаружить, имеется ли ответный поток гамма-излучения или нет. Если нет, то всё повторяется снова уже для следующей зоны. В итоге время полного досмотра чемодана составит не более 2 секунд, а в случае появления сигнала тревоги мы будем дополнительно знать даже место, где в чемодане находится взрывчатое вещество.
Если же детектор разместить на гусеничном шасси, он может проводить поиск мин на местности. Управлять таким устройством можно дистанционно.
Расчеты показывают, что при ширине исследуемой полосы земли в 3,3 м производительность мобильного детектора составит около 1500 кв. м в час. Производительность работы сапера обычно не превышает 50 кв. м в час. При этом фотоядерный детектор не требует предварительной подготовки местности, например, удаления растительности, не зависит от погодных условий и, что самое главное, уменьшает риск для жизни людей.
Специалисты ООО «Минитрон» работают над созданием фотоядерных установок обнаружения скрытых взрывчатых веществ как для стационарного, так и для мобильного применения. Причем стационарные установки разрабатываются не только для контроля авиабагажа в аэропортах, но и для инспекции грузовых контейнеров.
«К настоящему времени коллектив «Минитрона» завершает работы по созданию лабораторной установки фотоядерного детектора обнаружения скрытых взрывчатых веществ. Собран электронный ускоритель, закуплено необходимое оборудование для лабораторной установки (поставщики: Италия, США, Россия), выполнен ряд исследований, подтверждающих жизненность проекта; на основе результатов проведенных экспериментов, профинансированных фондом «Сколково», получено заключение ВНИИФТРИ о безопасности мониторинга авиабагажа», - рассказал Генеральный директор компании Александр Яковлев.
По его словам, ряд организаций из России, Италии, Индии, США и Турции уже проявили интерес к существующей лабораторной версии детектора и задумались о дальнейшем сотрудничестве по созданию опытного образца фотоядерного детектора обнаружения скрытых взрывчатых веществ.
«Проблема обнаружения взрывчатых веществ имеет высокую актуальность, так как на поверхности планеты, особенно в районах гражданских конфликтов, находится порядка 120 миллионов противопехотных и противотанковых мин. По статистике, на этих минах каждый час подрываются 3 человека. Актуально также применение детектора для досмотра грузов в аэропортах, морских портах и на ж/д транспорте», - уверен вице-президента, исполнительного директора Кластера ядерных технологий Игорь Караваев.
Для старта проекта от фундаментальной идеи до начала коммерциализации Кластер ядерных технологий предоставил компании «Минитрон» грант в размере 5 млн рублей для доработки и тестирования аппарата на безопасность и эффективность работы. «Испытания прошли успешно, и в настоящее время компания находится в поиске стратегического заказчика и инвестора», - рассказал Караваев.