Виявлення вибухонебезпечних боєприпасів за допомогою технології зворотного розсіювання рентгенівських променів - новий процес породжує нові надії
НДТ у застосуванні, розробці та дослідженнях
Виявлення вибухонебезпечних боєприпасів за допомогою технології зворотного розсіювання рентгенівських променів - новий процес породжує нові надії
Резюме
Технології виявлення наземних мін, доступні сьогодні для практичного використання, все ще мають багато проблемних областей, таких як висока частота помилкових тривог, недостатня кількість доказів виявлення, високі ризики для експлуатаційного персоналу тощо. Слід побоюватися, що великі ділянки земель в Африці, Азії та на Балканах залишаться вилученими з людського користування в найближчому майбутньому, якщо не будуть розроблені та впроваджені нові методи виявлення та очищення.
YXLON International X-Ray GmbH здійснив новий технологічний підхід до виявлення наземних мін. Був розроблений прототип мобільного сканера, який оснащений потужною рентгенівською трубкою 450 кВ і використовує технологію зворотного розсіювання рентгенівських променів (RRT) для наочного зображення захованих мін. Нова технологія відкриває наступні можливості та переваги:
- Глибина інформації є достатньою для розпізнавання наземних мін, що регулярно закопуються.
- RRT може виявляти безмінні наземні міни
- За допомогою RRT виявляються наземні міни в різних типах грунтів, включаючи різний рослинний покрив.
Однак найважливішим аргументом на користь використання технології зворотного розсіювання рентгенівських променів є той факт, що, на відміну від усіх інших технологій, він дає змогу зобразити поховані предмети без необхідності вилучати предмети з їх первісного місця. Це наслідок того, що сигнал розсіювання рентгенівських променів від кожного опроміненого об'ємного елемента в ґрунті прямо пропорційний його щільності матеріалу. Технологія зворотного розсіювання рентгенівських променів має потенціал для низької частоти помилкових тривог та високої ймовірності виявлення. У цій статті представлені результати, які були досягнуті за допомогою прототипу сканера на тестових полях Бундесверу.
1. Загальні зауваження до проблеми наземних мін
Сухопутні міни існують у формі протипіхотних мін (ППМ) та протитанкових мін (АТМ). У довгостроковій перспективі Оттавський договір призведе до зменшення кількості ПВМ, оскільки виробництво, використання, зберігання та розповсюдження заборонено в державах, які ратифікували договір. Оскільки танкові міни не охоплені контрактом, зменшення цих шахт не може бути передбаченим. Нові технології виявлення захоронених мін повинні будуть зіграти дуже важливу роль у найближчі кілька десятиліть.
Коментарі до існуючих технологій виявлення
Велика кількість технологій використовується або розробляється, але в даний час немає детектора, який може надійно виявити всі відомі типи шахт за будь-яких зовнішніх умов.
Існує багато інформації про існуючі технології або технології, які перебувають на стадії розробки. Огляд можна знайти, наприклад, у [1]. На сьогоднішній день голка для пошуку мін та металошукач є найбільш часто використовуваними інструментами. Пошуковою голкою оператор риється в землю через рівні інтервали 2-3 см, поки не зустріне опору. Це не тільки дуже небезпечно, але й надзвичайно трудомістко. За типових умов експлуатації один підмітальний прибиральник може обшукувати лише кілька квадратних метрів на день. З металошукачами показники успішності такі ж скромні. За визначенням, металошукачі виявляють не міни, а металеві частини в землі. Сюди входять цвяхи, руди, що містять метал, осколки гранат у місцях колишніх бойових дій тощо. Все це призводить до надзвичайно високої швидкості помилкової тривоги. Що ще гірше, безмінні міни не виявляються.
На додаток до згаданих вище ручних інструментів, використовуються і розробляються більш складні технології; більшість вимагає транспортного засобу, і кожен має свої сильні та слабкі сторони. РЛС із наземним проникненням (GPR) має певний потенціал виявлення, але інтерпретувати сигнали важко. Деталі в сигналах потребують вдосконалення, а вологі грунти можуть призвести до значно знижених результатів.
При активації теплових нейтронів (TNA) виявляється гамма-випромінювання 10,6 МеВ активованого ізотопу N-14. Цей метод має високу частоту помилкових тривог від інших речовин, що містять азот, і мін, що не містять азоту, не виявлено. За допомогою ядерного квадрупольного резонансу (ЯКР) в принципі можна виявити дуже малу кількість вибухових речовин, але найбільш часто використовуваний вибуховий тротил дуже складно виявити цим методом. Що ще гірше, металеві корпуси можуть захищати сигнали NQR. Також використовуються візуальні методи, але не вдається виявити міни в глибокій рослинності. З наведених міркувань логічно випливає, що один метод не може відповідати вимогам виявлення мін. У ряді країн планується розробити нові, більш надійні процеси, засновані на поєднанні технологій. Але навіть якщо зібрати найкращу можливу комбінацію, все одно чогось не вистачає: всі методи є непрямими, а кінцева інформація є результатом більш-менш складної обробки та інтерпретації сигналу. Іншими словами: зручна система виявлення мін вимагає процесу візуалізації !
2. Основи технології рентгенівського зворотного розсіювання
Коли рентгенівські промені проникають у речовину, вони послаблюються, тобто поглинаються або розсіюються. З міркувань цієї роботи цікавим ефектом є розсіювання рентгенівських променів (комптонівське розсіювання). Фізику комптонівського розсіювання можна знайти в підручниках або оглядових публікаціях, таких як [2], а також у спеціальних публікаціях, що стосуються використання комптонівського розсіювання для тестування матеріалів [3-5]. Хоча розсіювання рентгенівських променів може бути найсильнішим із усіх процесів загасання, вимірювані детектором сигнали дуже слабкі. Це пов’язано з тим, що для достатнього просторового дозволу потрібно використовувати дуже обмежені отвори детектора, а також через поглинання рентгенівських променів у досліджуваному об’єкті. Найбільші втрати виникають між центром розсіювання та детектором, оскільки завдяки ефекту Комптона енергія розсіяного рентгенівського випромінювання нижча, ніж на шляху туди.
Для певних тестових застосувань в авіації методи RRT стали постійною складовою [3]. Можливість виявлення корозії представляє особливий інтерес для цього промислового сектору. Технологія рентгенівського зворотного розсіювання (RRT) має такі цікаві аспекти:
- виміряний сигнал розсіювання пропорційний щільності матеріалу опроміненого об'єму
- RRT вимагає лише одностороннього доступу до тестового об'єкта
- можливі високі контрасти зображення.
3. Результати зі сканером-прототипом ComScan450
Для того, щоб довести можливості RRT для виявлення наземних мін, компанія YXLON розробила мобільний демонстраційний сканер, призначений для використання на військових полігонах. У цьому прототипі головка сканера встановлена на причепі, який Unimog наводить на поховані предмети. Потужна рентгенівська трубка 450 кВ та багатоканальна детекторна система є основними компонентами системи. Прототип кілька разів використовувався на дослідній ділянці для виявлення та відображення різних типів наземних мін за різних грунтово-рослинних умов. Деякі вибрані результати представлені нижче.
3.1 Результати протипіхотних мін
Найбільша кількість закопаних наземних мін - це протипіхотні міни. Поки вони знаходяться на землі та над рослинністю, небезпека, яку вони представляють, все ще може бути оцінена певною мірою; На жаль, більшість із них глибиною в кілька сантиметрів у землі. Наступний приклад демонструє RRT-зображення захороненої міни ППМ-2. Діаметр шахти становить приблизно 12 см, представлені шарові зображення глибиною 2 та 4 см. Структури шахтного покриву добре видно на зображенні першого шару. Жодне нерудне (каміння, рослинність тощо) не призведе до появи таких структур на рентгенівському зображенні! На зображенні другого шару видно внутрішні структури міни. Порівняння із фотографією наземної міни (рис. 2) показує, що відтворено багато внутрішніх конструкцій (рис. 3).
3.2 Результати протитанкових мін
Протитанкові міни (наприклад, ТМ-62, див. Рис. 4) є у багатьох районах світу, наприклад, у Косово, Афганістані тощо. Коли вони поховані, їх часто важко виявити. На малюнку 5 представлені зрізні зображення RRT TM-62 із глибини 6 см та 12 см. Порівняння з фотографією показує, що циліндричні структури на шарових зображеннях можуть бути використані для ідентифікації.
3.3 Порівняння: Інертні шахти проти шахт, наповнених тротилом
Результати в попередніх розділах були отримані на шахтах, заповнених замісниками, а не вибуховими речовинами. У деяких експериментах для обох випадків також проводилось порівняння якості зображення. Далі (див. Рис. 6) представлені результати протитанкової міни ТМ-62 з інертним заповненням та з TNT-заповнювачем. Очевидно, що якість зображення заповнених тротилом відсотків є принаймні рівноцінною і, як правило, ще кращою.
4. Короткий зміст та перспективи
Результати, представлені в цій дипломній роботі, чітко показують, що техніка рентгенівського зворотного розсіювання - це техніка, яка не тільки дозволяє наглядно зобразити захоронені міни, а й безліч деталей всередині об’єктів. За допомогою RRT була виявлена методика, яка має високий потенціал для ідентифікації мін. Тільки точна ідентифікація дозволяє чітко визначити заходи, необхідні для очищення або знищення знайденої міни.
Фізичне обмеження інформаційної глибини RRT визначається процесами поглинання та багаторазового розсіювання в ґрунті. Робота зі сканером-прототипом 450 кВ показала, що існує достатня глибина інформації для виявлення регулярно розміщених наземних мін (АПМ та АТМ).
Результати, представлені в цій дипломній роботі, були досягнуті за допомогою прототипу сканера, який був розроблений для використання в певних військових випробувальних областях. Для практичного використання при пошуку мін у таких країнах, як Афганістан, Ангола, колишня Югославія тощо, головка сканера повинна бути встановлена на відповідному транспортному засобі. На рисунку 7 показано бачення такої майбутньої системи.
день подяки
Ця робота з виявлення прихованих наземних мін фінансувалася Федеральним міністерством оборони BMVg через Федеральне управління оборонних технологій та закупівель (BWB) у Кобленці.