Установки для обнаружения взрывчатых веществ

Противодействие угрозам  террористических актов с применением взрывчатых веществ (ВВ) является  в настоящее время  приоритетной задачей для  мирового  сообщества. Осуществление этого противодействия невозможно без оснащения  соответствующих спецслужб техническими средствами для эффективного дистанционного обнаружения скрытых в различных объектах ВВ.
Одной из наиболее актуальных остается задача обеспечения безопасности полетов гражданской авиации, особенно в отношении пресечения проноса ВВ на борт воздушных судов, для решения которой в настоящее время предложен ряд методов в разной степени использующихся на практике.

Рентгеновские методы

Установки, использующие для зондирования различных объектов рентгеновское излучение,  в настоящее время рассматриваются в качестве самых быстрых и дешевых средств обнаружения потенциально опасных предметов и ВВ. Однако обычные досмотровые рентгеновские установки не могут отделить ВВ от безопасных веществ с близкой плотностью и эффективным атомным номером. Эти установки в лучшем случае дают только подсказки с помощью оконтуривания подозрительных областей в багаже, оставляя окончательное решение за оператором. Последнее обстоятельство приводит к существенной зависимости качества досмотра от опыта и квалификации оператора. Эти установки не могут на практике  производить обнаружение ВВ в форме тонких листов, в жидком виде или, хорошо замаскированных под обычные предметы (самодельные взрывные устройства). Кроме того, использование таких установок на практике даже с томографическим принципом получения изображения, показало, что число ложных тревог остается весьма значительным (20-30%) и требует использования дополнительных средств для проверки на наличие ВВ подозрительного багажа. В случае использования  обычных рентгеновских установок, обнаружение ВВ в автоматическом режиме приводит к появлению  ложных тревог с вероятностью, превышающей 40 %. Указанные недостатки рентгеновских установок привели к необходимости создания комбинированных систем для автоматического обнаружения ВВ на основе использования разных физических методов.

Метод нейтронного радиационного анализа

Одним из перспективных для использования в комбинированных системах обнаружения ВВ является метод нейтронного радиационного анализа (НРА). Этот метод основан на том, что при облучении взрывчатого вещества тепловыми нейтронами с энергией около 0,025 эВ происходит радиационный захват тепловых нейтронов ядрами атомов азота-14, в результате чего образуются ядра атомов азота-15 в возбужденном состоянии (их число зависит от массы взрывчатого вещества, плотности потока тепловых нейтронов и сечения реакции захвата). При переходе в основное состояние в среднем около 14% ядер атомов азота-15 испускают гамма-кванты с энергией 10,83 МэВ, которые могут быть зарегистрированы при помощи детекторов. В силу того, что большинство известных ВВ имеют высокую концентрацию азота, регистрация указанных гамма-квантов, может быть использована в качестве признака обнаружения ВВ.

Основными достоинствами устройств на основе НРА являются способность обнаружения замаскированных ВВ и возможность работы в полностью автоматическом режиме. Однако, первые образцы устройств обнаружения ВВ на основе метода НРА показали довольно высокий уровень ложных тревог и низкую производительность досмотра.  Причиной высокого уровня ложных тревог  являлось  наличие большого количества азотосодержащих материалов в составе багажа, не являющихся ВВ, в том числе в шерстяных, кожаных изделиях и в продуктах питания. Поэтому установки обнаружения ВВ, использующие метод НРА, могли быть применены для решения узкого круга задач обеспечения безопасности, в которых  не требовалась высокая скорость при  досмотре объектов, а  сами объекты не содержали предметы с высоким содержанием азота. Для обеспечения решения задач авиационной безопасности такие установки не могли быть использованы.
Исследования, проведенные в ОАО «НТЦ «РАТЭК», показали, что эти установки со специальной конструкцией и алгоритмами обработки данных могут с успехом быть использованы при создании комбинированных многоуровневых систем обнаружения ВВ.

В этих системах рентгеновская установка на первом уровне досмотра обеспечивает сортировку проверяемых объектов (багажа авиапассажиров) на несодержащие подозрительные предметы и на содержащие их, т.е. которые потенциально могут быть ВВ и взрывными устройствами. При этом современные рентгеновские установки могут дать указание на координаты подозрительного предмета в багаже авиапассажира. Таким образом, установка НРА может применяться для исследования только части подозрительных на наличие ВВ багажей с выделенной областью для такого исследования. Это позволяет  увеличить время досмотра для установок НРА, которые будут обследовать на наличие ВВ не все багажи авиапассажиров, а только подозрительные, и организовать в установке НРА получение гамма-квантов только из области в багаже, содержащей подозрительный предмет, а не от всего багажного объема. Последнее должно привести к значительному уменьшению количества ложных тревог в такой установке НРА.

Таким образом, для использования установки НРА в комбинированной системе обнаружения ВВ необходимо предусмотреть конструктивные решения и алгоритмы обработки данных, позволяющие осуществлять регистрацию гамма-излучения ядер азота только из подозрительной области багажа, т.е. создать установку НРА с пространственным разрешением при принятии решения об обнаружении ВВ.

Конструктивные решения сводятся к разработке специального формирователя поля нейтронов, обеспечивающего преимущественное облучение нейтронами подозрительной области багажа, создание многодетекторной системы для регистрации гамма-квантов, дающей возможность выбора гамма-квантов от ядер азота, находящихся в подозрительной на наличие ВВ области багажа.
Алгоритмы обработки данных должны обеспечить получение оптимального пространственного разрешения в установке НРА.
Для создания таких установок необходимо разработать методы оценки этого разрешения.

Воспользуемся понятием информации, которую можно получить на основе имеющихся данных по регистрации гамма-излучения в многодетекторной системе  для принятия решения об обнаружении избыточного количества азота в подозрительной на наличие ВВ области багажа, с целью  анализа имеющегося пространственного  разрешения установки НРА.

 

Метод информационного анализа пространственного разрешения установок НРА

По смыслу информация, которую необходимо использовать для анализа пространственного разрешения установок, соответствует мере информации по Кульбаку . (С. Кульбак «Теория информации и статистика»)  Произведем расчет этой меры информации для одного из вариантов установки НРА. Установка имеет щелевой формирователь нейтронного  поля и   многодетекторную систему регистрации гамма-излучения из трех детекторов.

На макете установки УВП-5101 были получены экспериментальные матрицы откликов детекторов, нормированные на один грамм азота и один нейтрон источника.     Вся досмотровая камера установки НРА делится на ячейки. Размеры ячеек выбираются, исходя из геометрии установки - размеров формирователя пучка тепловых нейтронов, размеров детекторов и их взаимного расположения. Каждый элемент матрицы откликов детекторов соответствует определенной ячейке досмотровой камеры. Для расчета меры информации по Кульбаку используем матрицу откликов детекторов, рассчитанную для ячеек среднего уровня досмотровой камеры. Положение ячеек на среднем уровне досмотровой камеры зададим координатой , где  и  - координаты ячейки по длине и ширине камеры соответственно. Разбиение среднего уровня досмотровой камеры на ячейки представлено на рис. 1.

Рис. 1
Возможные точки целеуказания выделены красным цветом

Ячейки досмотровой камеры с координатами , где  и , являются возможными точками целеуказания внутри контролируемого объекта по указанию оператора рентгеновской установки.
Возможные точки целеуказания выделены красным цветом. Порог обнаружения ВВ, установленного для данного исследования, составляет 100 г азота.  Будем поочередно закладывать ВВ, в котором содержится азот массой 100 г, в каждую ячейку багажной камеры на среднем уровне.

После осуществления закладки данного ВВ в ячейку с координатой , рассмотрим две альтернативные гипотезы:
- Н1 ?  показания детекторов соответствуют  регистрации фона и эффекта, связанного с регистрацией гамма-излучения  азота массой 100 г, расположенного в ячейке ;
- H2 -  показания детекторов соответствуют регистрации фона.
Мера информации по Кульбаку равна:

 ,                   

? плотность распределения показаний детектора при регистрации фона и эффекта, связанного с регистрацией гамма-излучения от азота массой 100 г в ячейке с координатами ;

• ? среднее число отсчетов детектора в i-том канале энергетического спектра при регистрации фона  при отсутствии ВВ;
•  ?  среднее число отсчетов детектора в i-том канале энергетического спектра при регистрации гамма-излучения от азота массой 100 гр., расположенного в ячейке с координатой ;

? плотность распределения показаний детектора при регистрации фона;

 (см. выше).

Откуда мера информации по Кульбаку выражается следующим образом:

Значения мер информации по Кульбаку для каждой ячейки багажной камеры, расположенной на среднем уровне, представлены в таблице1. 

Матрица

 

 

Таблица 1

	1	2	3	4	5	6	7	8
1	0.002598	0.003323	0.004660	0.004849	0.004853	0.004720	0.003374	0.002659
2	0.002322	0.002893	0.002789	0.002840	0.002845	0.002829	0.002949	0.002383
3	0.004573	0.005601	0.006327	0.006801	0.006806	0.006396	0.005718	0.004698
4	0.039920	0.050796	0.051877	0.054615	0.054675	0.052461	0.051553	0.040801
5	0.146966	0.184163	0.209213	0.223242	0.223298	0.211172	0.186892	0.150079
6	0.146966	0.184163	0.209213	0.223242	0.223298	0.211172	0.186892	0.150079
7	0.039920	0.050796	0.051877	0.054615	0.054675	0.052461	0.051553	0.040801
8	0.004573	0.005601	0.006327	0.006801	0.006806	0.006396	0.005718	0.004698
9	0.002322	0.002893	0.002789	0.002840	0.002845	0.002829	0.002949	0.002383
10	0.002598	0.003323	0.004660	0.004849	0.004853	0.004720	0.003374	0.002659

 

Таким образом, получена матрица информаций. По данным этой матрицы построен график (рис. 2). Он показывает пространственное разрешение установки УВП-5101.

 

Рис.2
Пространственное разрешение установки НРА УВП-5101

Следует отметить, что информация, которую возможно использовать для правильного обнаружения взрывчатых веществ, получается, когда ячейка гамма-излучения совпадает с точкой целеуказания. В случае, когда такое совпадение отсутствует (присутствует гамма-излучение не из точки целеуказания) регистрация гамма-излучения приводит к появлению ложной тревоги.

Приведенный пример показывает целесообразность использования мер количества информации в качестве метода анализа и оценки пространственного разрешения установки НРА.  Использование мер количества информации по Кульбаку для определения оптимального  пространственного разрешения путем изменения конфигурации щелевого формирователя нейтронного  поля и   детекторов системы регистрации гамма-излучения позволяет улучшить показатели по назначению установки НРА: значений вероятностей правильного обнаружения ВВ и ложных тревог. Высокое пространственное разрешение со специальным программным обеспечением установки НРА дает возможность соответствовать необходимому уровню для успешного применения установок на практике. Поэтому эксплуатация установки НРА, интегрированной в комплексную досмотровую систему с рентгенотелевизионным интроскопом, обеспечивает надежное обнаружение взрывчатых веществ и минимизацию числа ложных тревог.