МЕТОДИКА И АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНАХ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат наук Бабин Герман Владимирович

• Бабин Герман Владимирович
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Бабин Герман Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Общая характеристика опасных веществ

1.2 Неядерно - физические методы обнаружения взрывчатых веществ

1.3 Ядерно-физические методы обнаружения взрывчатых веществ

1.4 Описание мобильной установки УВП-1103

1.5 Выводы к 1-ой главе

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И АЛГОРИТМЫ КАЛИБРОВКИ БЛОКОВ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНАХ

2.1 Описание математического аппарата и алгоритмов для определения положения пика полного поглощения гамма-кванта----------------------------------------43

2.2 Разработанная методика временной калибровки

2.3 Алгоритм энергетической калибровки

2.4 Выводы к 2-ой главе

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНАХ

3.1 Структура алгоритма обнаружения взрывчатых веществ в объеме

3.2 Алгоритм локализации и поиска подозрительного предмета в инспектируемой области на основе последовательного анализа

3.3 Выбор математического метода применительно к декомпозиции спектров —

3.4 Алгоритм принятия решения о наличии ВВ

3.5 Выводы к 3-ой главе

ГЛАВА 4 ПРОГРАММНО - АЛГОРИТМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС И ЕГО

ИСПЫТАНИЯ

4.1 Структура специализированного программно - алгоритмического комплекса СоПго1^ТП для мобильной установки УВП-1103

4.2 Методика измерения базисных характеристических спектров

4.3 Экспериментальная проверка алгоритма обнаружения ВВ

4.4 Выводы к 4-ой главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ, СИМВОЛЫ, ЕДИНИЦЫ И ТЕРМИНЫ

БД - блок детектирования НГ - нейтронный генератор ВВ - взрывчатое вещество ОВ - опасное вещество БД - блок детектирования

APINT - Associated Particle Imaging Neutron Technique - метод меченых нейтронов

LYSO - сцинтилляционный кристалл на основе ортосиликата лютеция с

легированным церием

ФЭУ - фотоэлектронный умножитель

ПУ - предусилитель

Смещ - смещение

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

СЛАУ - система линейных алгебраических уравнений

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «МЕТОДИКА И АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА МЕЧЕНЫХ НЕЙТРОНАХ»

Актуальность работы.

Повышение безопасности в местах с большим сосредоточением людей является приоритетным направлением любого развитого государства. Зачастую в подобных местах обнаруживаются предметы или вещи, которые могут оказаться потенциально опасными. По этой причине очевидна необходимость оснащения специализированных служб новейшими методами и средствами обнаружения опасных веществ в условиях замаскированности и в отсутствие возможности транспортировки подозрительного предмета. В настоящее время особую опасность при больших скоплениях людей представляют взрывчатые вещества (ВВ).

На данный момент задача поиска ВВ существенно усложнилась, поскольку злоумышленники стали использовать безоболочные пластиковые ВВ. Стоит отметить, что ВВ зачастую помещают в специальную изоляционную оболочку. Такой подход не позволяет частицам ВВ попасть в пространство вне объема самого ВВ. По данной причине многие физические методы обнаружения ВВ принципиально не могут справиться с данной задачей с помощью анализа химического следа на поверхности объекта или в непосредственной близости от него. В случае использования замаскированных ВВ применимость вышеупомянутых методов становится невозможной, в силу отсутствия таких следов. В качестве альтернативы разрабатываются установки на основе ядерно-физических методов, обладающих высокой проникающей способностью.

Особое внимание для успешной эксплуатации систем обнаружения ВВ приобретает требование к их автоматизированности и мобильности. Такое требование позволяет упростить обучение операторов навыкам настройки и подготовки комплекса перед инспекцией.

Одним из перспективных ядерно-физических методов является нейтронно-радиационный анализ. Основное преимущество метода заключается в использовании нейтронов в качестве зондирующего излучения. Отличительная особенность этих частиц состоит в их высокой по сравнению с другими

основными видами ионизирующих излучений проникающей способности. По этой причине в последнее время активно развиваются и совершенствуются методы, использующие для обнаружения ВВ поток нейтронов. И, в частности метод меченых нейтронов. Однако, практическое использование данного метода сдерживается отсутствием надежных программно-реализованных систем.

Таким образом, разработка алгоритмов и программного обеспечения для мобильной системы обнаружения ВВ на основе метода меченых нейтронов является актуальной задачей.

Исследования по теме диссертации проведены в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 -2020 годы» (соглашение с Минобрнаукой РФ 14.574.21.0002, идентификационный номер КТМЕТ157414Х0002) и проектной части госзадания Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности (проект №2.699.2014/К).

Степень проработанности темы исследования.

Вопрос обнаружения опасных веществ с помощью метода меченых нейтронов известен. Однако, до настоящего времени остаются до конца не исследованы методики, позволяющие использовать полную спектральную информацию для обнаружения ВВ. Отсутствуют процедуры динамического определения времени измерения и локализации ВВ в инспектируемом объеме.

Цель работы. Целью настоящей диссертации является разработка методов, алгоритмов и специализированного программного обеспечения для мобильной установки обнаружения взрывчатых веществ на меченых нейтронах. Система должна обеспечивать быстрое и надежное обнаружение опасного вещества при удовлетворительном количестве ложных тревог.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- теоретический анализ отличительных особенностей ВВ;

- сопоставительный анализ различных методов декомпозиции спектров;

- исследование влияния характеристик блоков детектирования на декомпозицию спектров;

- разработка алгоритма временной и энергетической калибровки;

- применение метода последовательного анализа для сокращения времени определения и локализации положения опасного вещества;

- разработка специализированного программного обеспечения для автоматизированного обследования подозрительных объемов для мобильной установки УВП - 1103.

Методы исследования

При выполнении работы были использованы методы матричного исчисления, статистического анализа, математического моделирования.

Научная новизна диссертационной работы

1. Разработаны алгоритмы временной и энергетической калибровки измерительных блоков экспериментальной мобильной установки УВП-1103, учитывающие изменение параметров окружающей среды (температура, влажность).

2. Математически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность использования метода последовательного анализа спектров как метода сокращения времени инспектирования подозрительного объекта в установках контроля ВВ на меченых нейтронах.

3. Показана и подтверждена вычислением методической погрешности результатов возможность приложения к процедуре декомпозиции спектров метода Ричардсона-Люси, существенно сокращающего требуемый объем выборки.

4. Применительно к экспериментальной мобильной установке на меченых нейтронах предложена методика определения опасного вещества, обеспечивающая за короткое время инспектирования 95% - процентную вероятность обнаружения ВВ.

5. Разработан специализированный программно-алгоритмический комплекс для экспериментальной мобильной установки УВП - 1103,

обеспечивающий процесс локализации опасного вещества, его идентификацию и предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.

Теоретическая значимость работы

Использованные в диссертации подходы и методы (метод последовательного анализа спектров, процедура декомпозиции спектров по методу Ричардсона-Люси) развивают теоретические основы радиационного метода контроля опасных веществ и способствуют совершенствованию и повышению информационной надежности технических средств и систем указанного направления.

Практическая значимость работы

1. Применительно к мобильной установке УВП - 1103 разработан программно-алгоритмический комплекс для обнаружения ВВ при инспектировании контролируемого объема.

2. Работоспособность предложенного программно реализованного комплекса в составе экспериментальной мобильной установки УВП-1103 подтверждена её испытаниями на предмет обнаружения ВВ в различных материалах.

3. Разработанные алгоритмы на основе методе последовательного анализа могут быть применены в различных системах обнаружения и контроля веществ, использующие нейтронно-радиационного анализ.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы предприятием «Научно-технический центр «РАТЭК» при разработке программного обеспечения для мобильной установки УВП-1103, предназначенной для обнаружения ВВ в инспектируемых предметах.

Личный вклад автора

1. Разработка алгоритмов для временной и энергетической калибровки измерительных блоков экспериментальной мобильной установки УВП-1103, учитывающие изменение параметров окружающей среды.

2. Разработка методики определения и локализации опасного вещества для установки на меченых нейтронах.

3. Разработка специализированного программно-алгоритмического комплекса обеспечивающего процесс локализации опасного вещества, его идентификацию и предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.

Достоверность результатов

Достоверность полученных в диссертационной работе научных положений и выводов подтверждается корректностью примененного математического аппарата и использованных методов исследования, практической реализацией результатов, математической строгостью преобразований при получении доказательств, утверждений и выводе аналитических зависимостей, а также тестированием алгоритмов при испытаниях мобильной установки УВП-1103.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Алгоритм обнаружения и локализации подозрительного объекта в инспектируемом объеме для обнаружения ВВ на меченых нейтронах, использующий метод последовательного анализа спектров.

2. Алгоритмы временной и энергетической калибровки измерительных блоков экспериментальной мобильной установки УВП-1103, учитывающие изменение параметров окружающей среды (температура, влажность).

3. Программно-алгоритмический комплекс экспериментальной мобильной установки на меченых нейтронах для обнаружения опасных веществ, предусматривающий автоматизацию процедуры обследования инспектируемого объема.

4. Методика определения опасного вещества для экспериментальной мобильной установки на меченых нейтронах

В первой главе дана характеристика опасным веществам (ОВ) и далее рассмотрен наиболее опасный тип ОВ - ВВ. Приведено описание основных физических методов и систем для обнаружения ВВ в подозрительных объемах и

охарактеризована проблема обнаружения замаскированных ВВ. В частности, для оценки эффективности использования различных методов обнаружения ВВ проанализированы основные признаки и свойства, с помощью которых происходит обнаружение ВВ. Отмечено, что подавляющее большинство ВВ, обладающих достаточно большой мощностью, имеют в своем составе комбинацию четырех элементов: углерод, азот, кислород и водород. Процентное содержание азота объеме в данных типах ВВ обычно составляет от 17% до 38%. Большинство ВВ имеют органическую природу происхождения и обладают

-5

высокой плотностью от 1,2 до 2 г/см .

На сегодняшний день в основном используются следующие методы и средства: методы на основе нейтронно-радиационного анализа, специализированные собаки, методы, основанные на ионной хроматографии (анализаторы паров частиц) и рентгенографии.

Проведенный обзор показал, что большинство из них не могут быть использованы в мобильных системах и, что более важно, не обладают стабильностью обнаружения замаскированных ВВ и не обеспечивают их локализацию. Сформулировано несколько важных параметров для систем обнаружения ВВ: время, затраченное для проверки подозрительного объема, вероятность достоверного обнаружения ВВ, вероятность ложной тревоги, автоматизация и безопасность использования.

Сущность метода меченых нейтронов состоит в оценке элементного состава подозрительного объекта и его локализации в пространстве инспектируемого объема. Данный метод позволяет анализировать объект с помощью энергетических спектров.

Обоснованность перспективности использования метода меченых нейтронов в мобильных установках для решения задач обнаружения ВВ связана с его особенностями:

- возможность неконтактного обнаружения ВВ, в том числе замаскированных и герметично упакованных;

- возможность проверки различных объектов без разрушения или разборки;

- возможность оценки мер противодействия обнаружению ВВ путем установки защиты от облучения быстрыми нейтронами или от гамма-излучения;

- возможность локализации ВВ в пространстве инспектируемого объекта.

На основе проведенного анализа сделан вывод о перспективности и известной уникальности метода меченых нейтронов. Также оценена степень завершенности в области использования данного метода в практических задачах обнаружения ВВ и сделан ряд основных выводов:

- продолжительное и фиксированное время измерения и обработки спектров, независящее от наполнения инспектируемого объема;

- метод на основе меченых нейтронов имеет ряд преимуществ при решении задач обнаружения ВВ по сравнению с другими методами и средствами. Метод позволяет оценить положение и химический состав ВВ;

- отсутствие у аналогичных установок методики обработки энергетических спектров в условиях неопределенного состава подозрительного объекта и определения положения ВВ;

- известные аналогичные установки обладают низким уровнем автоматизации при обнаружении ВВ.

Во второй главе дано обоснование существенности решения задач точной энергетической и временной калибровки блоков детектирования для установки на меченых нейтронах. Выполнено моделирование процесса изменения энергетической шкалы и сравнение методов локализации положения пиков. Разработана методика энергетической и временной калибровки блоков детектирования, предназначенная для учета влияния температуры внутри установки на параметры электрического тракта измерительного канала.

В третьей главе подробно рассмотрены методы анализа спектральных данных характеристического излучения, применяемые в установках на меченых нейтронах. С использованием методов компьютерного

моделирования и теоретических выкладок предложены алгоритмы обнаружения и локализации подозрительного объекта в объеме. Алгоритмы используют методологию последовательного анализа энергетических спектров гамма - излучения для всего объема, и обеспечивают сокращение времени инспектирования и позволяют определить положение ВВ. Предложенная методика контроля предусматривает анализ результата на каждом определенном кванте времени для счетности в заранее определенных областях энергетического спектра. Таким образом осуществляется разделение объема на подозрительные и безопасные воксели. Это позволяет отказаться от известного строго фиксированного времени анализа подозрительного объекта, которое зачастую является излишним, например при обнаружении:

- безопасного объекта;

- азота, не содержащего объекта;

- объектов, резко отличающихся от ВВ.

Для подтверждения вероятности присутствия различных типов ВВ в случаях обнаружения подозрительного вокселя осуществляется декомпозиция энергетического спектра на базисные в данной области. Далее производится оценка коэффициентов интенсивностей каждого из базисных спектров. Каждый такой коэффициент связан с плотностью химического элемента данного базисного спектра. После оценки коэффициентов интенсивностей, предположительно входящих в подозрительный объект, производится их сравнение с набором известных для ВВ. Это позволяет обнаружить ВВ в подозрительной области или отнести объект к безопасному, используя не только счетность в каждом канале спектра, но и его форму. Вследствие того, что алгоритм декомпозиции требует больших вычислительных мощностей и чувствителен к статистике спектра, предложено использовать его на последнем шаге алгоритма определения ВВ - после обнаружения подозрительной области.

Для выбора математического метода декомпозиции спектров выполнено моделирование энергетических спектров методом Монте-Карло с различным

соотношением плотностей элементов в нем в предположении, что количество зарегистрированных блоком детектирования гамма-квантов является пуассоновской величиной.

На основе полученных данных для декомпозиции спектров выбран метод Ричардсона-Люси. Он позволяет наиболее точно оценить коэффициенты плотностей элементов в процедуре декомпозиции. В главе также предложен и описан метод оценки ошибки вычисленных значений коэффициентов для метода декомпозиции. Благодаря использованному подходу последовательный анализ реализован на каждом шаге алгоритма - от определения подозрительного вокселя до идентификации ВВ.

Четвертая глава посвящена практической реализации специализированного программного обеспечения, предназначенного для работы мобильной установки УВП-1103 (пуск, подготовка, обработка данных и обнаружение ВВ при инспектировании подозрительного объема). В предложенном программном продукте реализовано параллельное вычисление для уменьшения времени обработки спектров, в частности декомпозиции энергетических спектров, количество которых может достигать 2322, рассмотрена структура работы с измерительной системой, обеспечивающей повышение стабильности работы установки. Представлены результаты экспериментов по обнаружению ВВ с помощью установленного внутри установки УВП-1103 программно-алгоритмического комплекса.

В Заключении приведены основные результаты.

Апробация работы

Результаты диссертации апробированы на различных конференциях:

- научной конференции, посвященной 185-й годовщине образования Санкт-петербургского государственного технологического института (технического университета) СПб.: СПбГТИ(ТУ) 27 ноября 2013 года

- V научно-технической конференции молодых ученых Санкт-Петербург 2014 Неделя науки СПб.: СПбГТИ(ТУ) 31 марта - 1 апреля 2014 г.

- научной конференции, посвященная 186-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) СПб.: СПбГТИ(ТУ) 2-3 декабря 2014 года

- V научно-технической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых, приуроченной к 80-летию проф. кафедры органической химии СПбГТИ (ТУ) Б.И. Ионина и открытию НИЛ "Каталитические технологии" СПб.: СПбГТИ(ТУ) 5 марта 2015 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ. Из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ; 2 свидетельства о государственной регистрации программ на ЭВМ № 2014660656, №2015610549. Подана 1 заявка на полезную модель и 1 на изобретение.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 119 страницах, состоит из четырех глав и _4 приложений, содержит 51 рисунок, 6 таблиц, список литературы насчитывает 97 наименований.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1 Общая характеристика опасных веществ

В соответствии с рекомендациями ООН и ГОСТ 19433-88 [1] для перевозимых опасных грузов предложена классификация, предусматривающая их разделение на классы опасности.

Класс 1 — взрывчатые вещества: черный порох, взрывчатые вещества, бикфордовы шнуры.

Класс 2 — газы: сжатые, сжиженные и растворенные под давлением: хлорный газ, бутан, пропан. Основная их опасность — давление, под которым газ находится в таре, а также ядовитость, опасность задохнуться, горючесть, чрезвычайно низкие температуры, содействие процессам горения, разъедающее и коррозионное действие.

Класс 3 — легковоспламеняющиеся жидкости. Представители данного класса: бензин, битумные соединения, топливный мазут. Основная опасность этого типа веществ заключается в их легковоспламеняемости и горючести. Помимо этого, легковоспламеняющиеся жидкости отличаются опасностью взрыва при переходе в газообразное состояние, а также возможностью нанесения ущерба водным ресурсам.

Класс 4 — легковоспламеняющиеся твердые вещества, самовозгорающиеся вещества; вещества, выделяющие воспламеняющиеся газы при взаимодействии с водой. При транспортировке опасность этих веществ заключается в их способности к воспламенению.

Класс 5 — окисляющие вещества и органические пероксиды: перекись водорода, азотсодержащие минеральные удобрения. Вещества этого класса способствуют горению; следует избегать их контакта с горючими веществами. Кроме того, они обладают раздражающим воздействием на кожу, ядовитостью, едкостью.

Класс 6 — ядовитые и инфекционные вещества: синильная кислота, средства дезинфекции, клинические (больничные) отходы. Организуя транспортировку такого типа веществ, необходимо помнить, что главная их опасность заключается в сильнейшем действии ядов. Также стоит обратить внимание на такие свойства, как горючесть, разъедающее действие, образование ядовитых газов при соприкосновении с водой.

Класс 7 — радиоактивные материалы: нитрат урана, медицинские препараты и оборудование с применением радиоактивных элементов. Исходя из определения, радиоактивное излучение в форме альфа-, бета- или гамма-излучения характеризуют ту опасность, которую таят в себе подобные грузы. Дополнительные опасности заключаются в способности таких веществ к самовоспламенению, освобождению тепловой энергии, выделению едких частиц.

Возможный ущерб от воздействия лучевого излучения — ожоги, нарушения иммунной системы, изменения состава крови, выпадение волос, раковые заболевания, лейкемия, генетические нарушения, проявляющиеся у потомства, смерть.

Класс 8 — едкие или коррозионные вещества: серная кислота, ртуть, щелочь натрия, растворы аммиака. Крайне агрессивное коррозионное, разъедающее воздействие на живые ткани и на материалы — это основные характеризующие свойства данного класса грузов. Им также свойственны такие опасные качества как ядовитость, пожароопасность, самовозгораемость, образование легковоспламеняющихся газов при соприкосновении с водой, способствующее возгоранию воздействие.

Класс 9 — прочие опасные вещества: асбест, литиевые батареи, подушки безопасности для автомобилей Опасные свойства данного типа грузов характеризуются пожароопасностью, опасностью для здоровья, взрывоопасностью, образованием двуокиси углерода, угрозой окружающей среде и загрязнением водных ресурсов.

Министерством образования и науки РФ обозначены приоритетные направления развития науки, в число которых входят наиболее эффективные

проекты в сферах обеспечения национальной безопасности [2]. На основании изложенного можно заключить, что разработка методов обнаружения взрывчатых веществ, относящихся к первому классу опасных веществ, является актуальной научно - технической задачей.

Большинство взрывчатых веществ условно можно разделить на три основные группы по взрывчатым свойствам:

- инициирующие или первичные;

- бризантные или вторичные;

- пороха или метательные.

Инициирующие - данный тип ВВ предназначен для возбуждения взрывчатых превращений в других ВВ. Отличительной особенностью данной группы ВВ является их повышенная чувствительность и легкость детонации от внешних факторов (электрическая искра, удар, трение и т.д.). Инициирующими ВВ являются гремучая ртуть, тетразен и прочие вещества с высокой скоростью детонации.

Бризантные ВВ менее чувствительны к внешним воздействия чем инициирующие. Начало взрывных превращений в них осуществляется главным образом с помощью инициирующих ВВ. Основные бризантные ВВ содержат различные нитросоединения, такие как тротил, тетрил, гексоген.

Пороха в основном, применяют в качестве метательных зарядов для различных видов оружия. Ключевое предназначения этой группы ВВ - придание снаряду определенной начальной скорости. Основные смеси, используемые для создания метательных ВВ, селитра, сера, уголь.

По физическому состоянию ВВ бывают газообразными, жидкими, гелеобразными, суспензионными, твердыми, эмульсионными, эластичными и пластичными. Как видно из представленной таблицы 1.1, все ВВ содержат в своем составе молекулы кислорода, необходимые для взрывной реакции. Кислород содержится в составе органических соединений азота, нитратов, перхлоратов и хлоратов.

Таблица 1.1 - Некоторые свойства основных ВВ [3 - 7].

ВВ Плотность. -5 г/см Молекулярная масса Давление насыщенных паров Количество атомов элементов

Па С H N O

EGDN 1.49 152 9,3 2 4 2 6

RDX 1.83 222 0,6 •Ю-6 3 6 6 6

NG 1.59 227 4,Ы0-2 3 5 3 9

HMX 1.96 296 0,4-10-6 4 8 8 8

PETN 1.78 316 1,9 •Ю-6 5 8 4 12

DNB 1.58 168 0,4 6 4 2 4

Picric acid 1.76 229 0,8-10-6 6 3 3 7

TNT 1.62 221 0,8-10-3 7 5 3 6

Tetryl 1.73 287 0,8-10-3 7 5 5 8

TATP 1.2 222 — 9 18 — 6

AN 1.59 80 1,2 •Ю-3 — 4 2 3

Таким образом во всех ВВ, за исключением ТАТР, содержится азот. Подводя итог, можно сказать, что все ВВ состоят из углерода, водорода, кислорода, азота, которые образуют разнообразные органические вещества.

Дадим некоторую характеристику любому органическому веществу, которое содержит углерод, кислород и азот. Для этого охарактеризуем его тремя

отношениями: -—-, -—-, и-—-, где под С, N. О будем понимать

С + — + — С + — + — С + — + —

условную плотность химических элементов: углерода, азота и кислорода в веществе:

ч.

N..

хим.элем. хим.элем.

хим.элем.

Мвв

Рвв

(1.1)

где дхим. элем. - условная плотность химического элемента г/см ; Цшм. элем. - молекулярная масса химического элемента г/моль; №хим. элем. - количество атомов элемента в химическом составе ВВ; цВВ - молекулярная масса ВВ г/моль; рВВ - плотность ВВ г/см .

Тем самым можно присвоить каждому веществу точку в трехмерном пространстве (рисунок 1.1), по осям которого отложены данные отношения. Очевидно, что

С

+

О

+

N

С + N + О С + N + О С + N + О

= 1

(1.2)

и поэтому любое вещество в данном пространстве будет лежать на плоскости, описываемой уравнением (1.2), причем только в положительной её части.

Рисунок 1.1 - Плоскость с____О N =

С + N + О С + N + О С + N + О ~

Совершим поворот системы координат таким образом, чтобы одна из её координатных плоскостей совпала с плоскостью (1.2). Теперь можно представить вещества точками, которые лежат внутри треугольника, как это показано на рисунке 1.2. В вершинах треугольника находятся чистые элементы: кислород, углерод, азот. Прямые, соединяющие вершины треугольника, соответствуют веществам, у которых отсутствует один из элементов.

Рисунок 1.2 - Расположение некоторых химических веществ в плоскости

С , — , —

+

+

= 1

С + — + — С + — + — С + — + —

Из рисунка 1.2 видно, что все азотсодержащие ВВ занимают компактную область пространства с высоким содержанием кислорода и азота. По данной причине обнаружение ВВ можно осуществлять за счет определения концентраций кислорода и азота в инспектируемом объеме. Что касается не содержащих азот ВВ, таких как ТАТР, их обнаружение усложнено, но возможно по соотношению концентраций кислорода и углерода.

В заключение следует заметить, что в процессе производства ВВ к ним могут быть добавлены специальные вещества, облегчающие их идентификацию или обнаружение. Однако такие способы маркировки не могут являться универсальным способом повышения эффективности контроля обнаружения ВВ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бабин Герман Владимирович, 2015 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 19433-88 ГСИ. Грузы опасные. Классификация и маркировка.-Введ.1990-01-01. -М.: Издательство стандартов,1990.

2. Указ президента российской федерации от 7 июля 2011 г. N899

3. Андреев К.К., Беляев А.Ф., Гольбиндер А.И. Теория взрывчатых веществ. - М.: Оборонгиз, 1963. -579 С.

4. Hannum D. W., Survey of Commercially Available Explosives Detection Technologies and Equipment / Parmeter J. E., Hannum D. W., - National Institute of Justice, November 1998. - 96 P.

5. Yinon J., Forensic and Environmental Detection of Explosives / J. Yinon -Chichester, UK: John Wiley & Sons, 1999. - 304 P.

6. Rosenblatt D. H., Organic Explosives and Related Compounds / D. H. Rosenblatt, E. P. Borrows, W. R. Mitchell, D. L. Palmer // The Handbook of Environmental Chemistry - Vol. 3, Part G, Ed 0 - 24 May, 1991 - P. 195-234.

7. Rhykerd C. L., Guide for the Selection of Commercial Explosives Detection Systems for Law Enforcement Applications / C. L. Rhykerd, D. W. Hannum, D. W. Murray, J. E. Parmeter // NIJ Guide - September 1999. P.99-100.

8. Фланаган П., Наука и техника против терроризма / Фланаган П., // Электроника - 1989 - N 13 - С. 15-22.

9. Hughes D., Thermedics Begins Production of Portable Bomb Detection Unit // Aviation Week & Space Technology - 1989, 19 June. Vol.130. Issue 25. P 164165.

10. Hughes D., Explosives Detection Equipment Firms Develop Enchanced X-ray and Vapor Technologies // Aviation Week & Space Technology - 1991, 25 March. Vol. 134. Issue - 12; P. 60-62.

11. Transport Canada Uses Vapor Detection With Other Steps to Ensure Security // Aviation Week & Space Technology. - 1991, 25 March - P. 65- 67.

12. Flanagan R., Technological bomb busters. Airports using science to sniff out plastic explosives // The Dallas Morning News - 1992, 27 April.

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24.

25

26

McKenna E.L., FAA Permits Operational Testing of Advanced Explosive Detectors // Aviation Week & Space Technology - 1992, 17 August, Vol. 137, Issue 7, P. 39

McKenna E.L., Edwarw L. Northwest Opens High Technology Security Checkpoint in Detroit // Aviation Week & Space Technology. - 1992, 17 August. Vol. 137. Issue 7. - P. 40-41.

Hughes D., FAA Prepares Testing Procedure for Explosive Detection Systems // Aviation Week & Space Technology - 1993, 7 June. Vol. 138. Issue 23. P. 122123.

Aldo J.J., Explosives detection on the baggage line speeds handling, saves costs // Airport Forum - 1993, Vol. 23. N 5. P.48-50

Gallucci J., Explosive Detection - Selection for the Task // INTERSEC - 1994, V. 4, N 1 - P. 12-14.

Report Aviation Security In Practice // INTERSEC - 1994, V. 4, N 1 - P. 32-33. Phares D.J., Holt J.K., Smedley G.T., Flagan R.C. J. Forensic Sci., 45, 2000 -P. 774.

Moore D.S. Rev. Sci. Instrum., 2004 - P. 75.

Committee on the Review of Existing and Potential Standoff Explosives Detection Techniques. Existing and Potential Standoff Explosives Techniques Washington, DC: Nat. Acad. Press, 2004.

Parmeter J.E. Proc. 38th Annual 2004 Intern. Carnahan Conf. Security Technol. New York: IEEE, 2004. - P.355.

Habiger K.W., Explosives detection with energetic photons // Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. - 1991, V.B56/57 - P. 834-838.

Henderson B.W., Airport X-Ray CT Scanner Finds Small Amounts of Explosives in Baggage // Aviation Week & Space Technology - 1991, 25 March - P. 34. Lenorovitz J., France Nears Service Introduction of X-ray based Cargo Inspection System // Aviation Week & Space Technology - 1991, 25 March - P. 64. Backscatter X-ray Explosives Detector Completes Tests on Heathrow Baggage // Aviation Week & Space Technology - 1992, 10 August - P. 35.

27. Гума В.И., Демидов А.М., Иванов В.А.,. Миллер В.В. Нейтронно-радиационный анализ. - М.: Энергоатомиздат, 1984 - 64 С.

28. Hassan A.M., Analytical applications of neutron capture gamma-ray spectroscopy // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1983, V. 16, N 11 - P. 2061-2074.

29. Ryde S.J.S., Calibration and evaluation of a Cf-252 based neutron activation analysis instrument for the determination of nitrogen in vivo // Phys. Med. Biol.

- 1989, V. 34, N 10 - P. 1429-1441.

30. Davorin Sudac, Silvia Pesente, Giancarlo Nebbia, Giuseppe Viesti,Vladivoj Valkovic Identification of materials hidden inside a container by using the 14 MeV tagged neutron beam // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 261, 2007. - P.321-325

31. Grodzins L. Nuclear techniques for finding chemical explosives in airport luggage // Nucl. Instr. and Meth. Phys. Res. - 1991, V. B56/57 - P. 829-833.

32. Henderson B.W., FAA Stays Undecided on Deploying TNA Amid Conflicting Views and Test Results // Aviation Week & Space Technology - 1991, 25 March

- P. 55-56.

33. Fotos C., Aviation Security Act Puts TNA Buy on Hold // Aviation Week & Space Technology - 1991, 25 March - P. 57-58.

34. Nuclear Techniques Being Developed to Provide More Discriminating Explosive Detection Capability // Aviation Week & Space Technology - 1991, 25 March - P. 52.

35. GIOS: Gerat zur Identifizierung Organischer Substanzen // I.U.T. (InstitutfurUmwelttechnologien) GmbH, brochure. URL: http://www.iut-berlin.de/

36. Faust A.A., McFee J.E., Bowmana C.L., Mosquera C., Andrews H.R. , Kovaltchouk V.D., Ing H. . Feasibility of fast neutron analysis for the detection of explosives buried in soil // Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A659. 2011. - P. 591-601

37. Lunardona M., Nebbiaa G., Pesentea S., Viestia G., Barbuib M., Cinauserob M., D'Erasmoc G., Palombac M., Pantaleoc A., Filippini V. Detection of landmines

by using 14MeV neutron tagged beams. // Applied Radiation and Isotopes 61. 2004. - P. 43-49.

38. Perot B., Carasco C., Bernard S. Development of the EURITRACK tagged neutron inspection system. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 26. 2007. - P. 295-298

39. Perot B., ElKanawati W., Carasco C., Quantitative comparison between experimental and simulated gamma-ray spectra induced by 14 MeV tagged neutrons. // Applied Radiation and Isotopes 70. 2012. - P. 1186-1192

40. Silvia Pesentea, Giancarlo Nebbiaa, Marcello Lunardona. Detection of hidden explosives by using tagged neutron beams with sub-nanosecond time resolution // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 531. 2004. - P. 657667.

41. Davorin Sudac, Slavko Majetic, Robert Kollar. Inspecting Minefields and Residual Explosives by Fast Neutron Activation Method. // IEEE transactions on nuclear science, Vol. 59, no. 4, August 2012. - P. 1421-1425.

42. Valkovic V., Sudac D., Obhodas J. The use of alpha particle tagged neutrons for the inspection of objects on the sea floor for the presence of explosives. // Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A 703 2013. - P. 133-137.

43. Сапожников М.Г. Детекторы на основе метода меченых нейтронов // Сборник докладов международной научно-технической конференции, 22-26 Октября 2012. -M.: ООО ИПЦ Маска. - С.591-598.

44. Батяев В.Ф., Беличенко С.Г., Бестаев Р.Р., Бочкарев О.В. Обнаружение экранированных взрывчатых веществ методом меченых нейтронов// Сборник докладов международной научно-технической конференции, 22-26 Октября 20126-M.: ООО ИПЦ Маска.- С.446-459.

45. Vakhtin D., Kuznetsov A., et.al. "SENNA - portable sensor for explosives detection based on nanosecond neutron analysis". //NATO Security through Science Series - B: Physics and Biophysics, Detection and Disposal of Improvised Explosives - 2005- Vol.6 - P.87-96.

46. Ananiev A.A., Belichenko S.G., Bogolyubov E.P., Bochkarev O.V., et al. Development of decision making algorithm for control of sea cargo containers by "tagged" neutron method.// AIP Conference Proceedings, Volume 1194, Int. Conference on Applications of Nuclear Techniques, Crete (Greece). 14-20 June 2009, Bharuth -Ram, K.(Ed.), 2010. - P. 175-181.

47. Carso C., Perot B., et.al. "In-field tests of the EURITRACK tagged neutron inspection system"// Nuclear Instruments and Methods in Physics Research -Vol.A588. 2008. - P.397-405.

48. Sudac D. et.al. "Barrel inspection utilizing a 14 MeV neutron beam and associate alpha particle method". //Applied Radiation and Isotopes - V.70. 2012. -P.1070-1074.

49. Fawsett T. "An introduction to ROC analysis"/ Fawsett T. Pattern Recognition Letters 27. 2006 - P.861-874.

50. Батяев В.Ф., Бестаев Р.Р. Расчетное моделирование порогов обнаружения опасных веществ методом меченых нейтронов. // Сборник докладов международной научно-технической конференции, 22-26 Октября 2012. -M.: ООО ИПЦ Маска.- С. 460-467 .

51. А.А. Ананьев, С.Г. Беличенко, О.В. Бочкарев, Е.В. Петров. Нейтронно-радиационная система для обнаружения взрывчатых веществ в грузовых контейнерах. // Вопросы атомной науки и техники: Серия «Ядерное приборостроение». - 2009. - Вып.1(26). - С.116-127.

52. Vakhtin D., Kuznetso A., et. al. "SENNA - portable sensor for explosives detection based on nanoseconds neutron analysis". //NATO Security through Science Series -B: Physics and Biophysics. Detection and Disposal of Improvised Explosives. Vol. 6. 2005 - P. 87-96.

53. Ельцин В.Ф, Ермак М.Г., Скакун Г.Е., Тимофеев А.В., Переносной спектрометрический комплекс СКС-14П «Шелеспер» предназначенный для поиска и идентификации опасных, в том числе взрывчатых веществ. // Сборник докладов международной научно-технической конференции, 22-26 Октября 2012. -M.: ООО ИПЦ Маска.- С. 479 - 483 .

54. Балыгин К.А., Зайцев В.И., Каретников М.Д. [ и д.р.]. Системы обнаружения взрывчатых веществ методом меченых нейтронов с использованием аппаратной селекции полезных событий. // Сборник докладов международной научно-технической конференции, 22-26 Октября 2012. -M.: ООО ИПЦ Маска. - С. 479 - 483 .

55. Мобильная установка обнаружения взрывчатых веществ УВП-1103 URL: http://www.ratec- spb.ru/index.php?device&devices_type=1& devices_id=42&devices_pic=1 (последняя дата обращения 1.8.2015)

56. Нейтронный генератор на газонаполненной нейтронной трубке ИНГ-27 URL: http://www.vniia.ru/ng/element.html (последняя дата обращения 1.8.2015)

57. Сцинтилляционный кристалл LYSO, документация URL: http://www.azimp.ru/pdf/950/(последняя дата обращения 20.11.2014)

58. Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика /Мухин К.Н. : Учеб. для вузов. В 2 кн. Кн.1. Физика атомного ядра. Ч. II. Ядерные взаимодействия. -М.: Энергоатомиздат, 1993. - 320 С.

59. Окунев В. С. Основы прикладной ядерной физики и введение в физику ядерных реакторов: Учеб. пособие / Под ред. Солонина В.И. Сер. Физика в техническом университете. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2010. -464 с.

60. Мухин К. Н. Экспериментальная ядерная физика / Мухин Учебник для вузов. В 2 кн. Кн.1. Физика атомного ядра. Ч. 4. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 616 С.

61. Anonymous, Software for Nuclear Spectrometry// IAEA-TECD0C-1049, IAEA, Vienna 1998.

62. Mariscotti M.A. //Nucl. Instrum. Method 50 (1967). - p - 309.

63. Phillips G.W and Marlow K.W. // IEEE Transactions on Nuclear Science 24 1977. - P. - 154.

64. Robertson A., Prestwich W.V. and Kennett T.J.. // Nucl. Instrum. Methods 100 1972. - P. - 317.

65

66

67

68

69

70

71

72

73

74

75

76

77

78

J.T. Routti, S.G. Prussin. // Nucl. Instrum. Methods 72. 1969. - P.- 125 Blaauw M., The Holistic Analysis of Gamma Spectra in Instrumental Neutron Activation Analysis / Interfacultair Reactor Instituut van de Technische Universiteit Delft, Holland 1993. Sterlinski S, Anal. Chem. 3 1968

Loska L. and Janczyszyn J. , Appl. Radiat. Isot. 48. 1997. - P. 127.

Blok H.P., De Lange J.C. and Schotman J.W., // Nucl. Instrum. Methods 128

1975. - P.545.

Yazid P.I., Spect Y. A Multi-Method Gamma Spectrometry Analysis Program, // Atom Indonesia Vol. 39 No.1 2013. - P. 40-49.

Spaargaren D., Jonker C.C. Angular correlations in inelastic neutron scattering by carbon at 15.0 MeV // Nuclear Physics A161. 1971. - P. - 354-374. Вальд А. // Последовательный анализ М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1960. - 329 C.

Закс Ш. Теория статистических выборов. М., Издательство «МИР», 1975. -776 С.

Кочергин А.В. Реконструкция сигнала с использованием аппаратурной функции в задачах спектрометрии ионизирующих излучений / А.В. Кочергин // Вестник СевНТУ. 2009. - C. 86-92.

Морозов О.А., Рыжикова Т.Г., Фидельман В.Р. Эффективный вычислительный алгоритм реализации метода максимальной энтропии в задачах обращения свертки // Известия вузов. Радиофизика., 45. No 8. 2002 - P. 722-729/

Кей С.М., Марпл С.Л. // Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Т.69, №11. 1981. - С. 5 - 6.

Рокафеллар Р.Выпуклый анализ. / Рокафеллар Р., Левешин Л.В. Салецкий А.М. М.:Мир, 1973. - 472 С.

Джейнс Э.Т. // Труды института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике. Т.70, №9. 1982. - С.33 -34.

79. Van Cittert P.H. Zum Einflub der Spaltbreite auf die Intensitatsverteilung in Spektrallinien II. Zeitschrift fur Physik, 69. 1931. - P.298-308,

80. Jansson P.A , Hunt R.H., and Peyler E.K.. Resolution enhancement of spectra. Journal of the Optical Society of America, 60, 1970. - P.596-599.

81. Coote G.E., Iterative smoothing and deconvolution of one- and two-dimensional elemental distribution data, NIM B 130. 1997. - P.118.

82. Report Arijit Dutta Aurindam Dhar Kaustav Nandy Indian Statistical Institute image Deconvolution By Richardson Lucy. 2010. - 16 P.

83. Richardson W.H., Bayesian-based iterative method of image restoration. // J. Opt. Soc. Am. 62(1972) - P. 55.

84. Lucy L.B., An iterative technique for the rectification of observed images, Astronomical Journal 79, 1974. - P. 745-754.

85. Lin Y., and Lee D.D., Bayesian regularization and nonnegative deconvolution for room impulse response estimation, IEEE Transactions on Signal Processing 54 (3). 2006.- P. 839-847.

86. Бабин Г.В. , Халимон В.И. Анализ методов деконволюции спектров в экспериментах с использованием меченых нейтронов. // Известия СПбГТИ(ТУ) №26 2014. - C. 102-108.

87. Бабин Г.В. ,. Халимон В.И, Вишневкин А.Б., Илькухин . Н.Ю. Алгоритм оценки соотношений концентраций элементов по спектральным данным в экспериментах с использованием меченых нейтронов. // Вопросы оборонной техники. Научно-технический журнал. Технические средства противодействия терроризму. Серия 16, выпуск 11 — 12, 2014. - C. 81-88.

88. Бабин Г.В., Бабина К.А. Проблема оценки стоимости программного обеспечения в установках обнаружения опасных веществ. // Международный научно-исследовательский журнал №1 (32) Часть 2. 2015. - C. 12-14.

89. Бабин Г.В., Халимон В.И. Программный комплекс для получения и анализа данных в измерительных системах с использованием источника меченых

нейтронов. // Информационные системы и технологии (Госуниверситет -УНПК) № 5 (91) сентябрь-октябрь 2015. - C. 110-116.

90. Бабин Г.В., Халимон В.И. Программный комплекс для получения и анализа данных в измерительных системах с использованием источника меченых нейтронов // V научно-техническая конференция студентов, аспирантов, молодых ученых, приуроченная к 80-летию проф. кафедры органической химии СПбГТИ (ТУ) Б.И. Ионина и открытию НИЛ "Каталитические технологии" 2015. - С. 167.

91. Бабин Г.В. Метод кластеризации на основе k-средних с использованием критерия согласия Пирсона для спектральных данных // Научная конференция, посвященная 186-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) 2-3 декабря 2014. - С. 178

92. Bisseling H., Parallel Scientific Computation A structured approach using BSP and MPI// Oxford university press - 2004. - 324 P.

93. Воеводие Вл.В., Воеводин В.В. Параллельные вычисления // СПб БХВ-Петербург, 2002. - 608 C.

94. Воеводие Вл.В., Теория и практика исследования параллелизма последовательный программ // Программирование. №3. 1992. - С. 38-53

95. Жуматий С.А, Совольев С.И. Оценка загруженности компьютера в различных UNIX-системах // Численные методы, параллельные вычисления и инфрмационные технологии // Издательство Московского Университета 2008. - С.143.

96. Johnsson, S. L. Communication efficient basic linear algebra computations on hypercube architectures. // Journal of Parallel and Distributed Computing (1987)., 4, P. 133.

97. Mark D. Hill, Derek Hower, Kevin E. Moore,Michael M. Swift, Haris Volos, and David A. Wood., A Case for Deconstructing Hardware Transactional Memory Systems // Univ. of Wisconsin Computer Sciences Technical Report CS-TR-, June 2007. - P. 1594

ПРИЛОЖЕНИЕ А Сведения о практической реализации результатов диссертации

Открытое акционерное общество «Научно-технический центр «РАТЭК»

Санкт-Петербург, Октябрьская наб., д.44, к.2 Для писем: 193079, Санкт-Петербург, а/я 84 Тел/Факс [phone] E-mail: [e-mail] http://www.ratec-spb.ru/

«УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор \

/ЮА(|шЦ ^АТЭКед

//^ ТО.Й.

\ 'У ¿/у

«21» ¿и*-.»*-ЩжУ

Акт о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы Бабина Германа Владимировича «Методика и алгоритмы обнаружения и контроля опасных веществ для мобильной установки на меченых нейтронах»

Председатель - Ольшанский Ю.И. к.т.н., генеральный директор НТЦ: члены комиссии:

- Гольцев М.А. - ведущий инженер «ОАО НТЦ «РАТЭК»

- Гжибовский Н.Э. - руководитель группы программирования «ОАО

НТЦ «РАТЭК»

Составили настоящий акт о том, что «ОАО НТЦ «РАТЭК» при разработке экспериментальной установки УВП-ПОЗ были использованы результаты кандидатской работы Бабина Г.В.. а именно:

метод временной и энергетической калибровки блоков детектирования метод и алгоритм обнаружения опасного вещества в объеме инспектирования Тестовые сравнения полученных результатов лабораторных опытов показали успешность использования данного алгоритма обнаружения в 95% случаях. В качестве информативного критерия оценки точности алгоритма использовались имитаторы опасных веществ.

Результаты переданы в виде численных расчетов с соответствующими комментариями и сохранены на электронном носителе.

Председатель Члены комиссии:

Ольшанский Ю.И. Гольцев М.А. Гжибовский Н.Э.