Российские ученые разработали уникальные нейтронные детекторы для аэропортов, вокзалов и таможенных терминалов, способные мгновенно опознать взрывчатку или наркотики даже в наглухо запертом сейфе
Рентгеновский луч высвечивает в чемодане узнаваемые формы будильника с ключом-заводом, батарейки с прикрепленными к ним проводами и нечто, напоминающее коробку с пластилином. Именно так на экране современных детекторов, установленных, например, в зонах досмотра аэропорта, выглядит взрывное устройство. Оператор может заподозрить что-то неладное, лишь разглядев таймер и элементы питания, а сама взрывчатка будет выглядеть точно так же аморфно, как книга, мыло или кусок халвы.
— Рентгеновские лучи хорошо определяют форму того или иного предмета,— говорит профессор Михаил Сапожников, генеральный директор ООО "Нейтронные технологии".— Но вот определить, из чего именно он состоит,— задача для рентгена практически не разрешимая. Простой пример — жидкости, которые на экране рентгеновского детектора кажутся абсолютно одинаковыми, будь то детское питание или взрывчатка. Именно поэтому во всех крупных аэропортах мира сегодня запрещено проносить на борт любые напитки.
Идея создать прибор, который бы не только видел, что именно лежит в чемодане или сейфе, но и мог бы определить элементный состав этого предмета, пришла в голову ученым более полувека назад, когда еще и рентгеновская установка считалась экзотикой. Примерно тогда же были предложены и первые идеи для реализации этой задачи. Ученые предположили, что если облучить некий предмет так называемыми быстрыми нейтронами, то этот предмет, в свою очередь, станет сам испускать специфический свет из "жестких гамма-квантов". Причем каждый химический элемент имеет свой спектр гамма-квантов, который служит своеобразным "отпечатком пальцев" позволяющим его идентифицировать. Сложность же проверки этой теории состояла в том, что для подобного процесса нужны частицы высоких энергий (порядка 100 кэВ), которые в природе встречаются только разве что внутри Солнца.
— В 1998 году в Ванкувере проходила историческая конференция, посвященная физике высоких энергий, где впервые объявили о существовании темной энергии,— говорит профессор Сапожников.— В числе прочих докладов мы вместе с тогдашним директором Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) академиком Владимиром Кадышевским услышали сообщение с простым названием — "Можно ли узнать, что спрятано в сейфе, не открывая его?". Этот доклад содержал исключительно красивую физическую идею, которую очень захотелось проверить.
Для этого в ОИЯИ, расположенном в подмосковной Дубне, были все необходимые условия и соответствующие ускорители. Еще в 1960-х годах был построен ускоритель Ван-де-Граафа, похожий со стороны на шестиэтажную башню.
— Именно там, на этом старом, но вполне добротном ускорителе, мы и опробовали всю методику,— говорит Михаил Сапожников.— Начали мы с того, что просто проверили, действительно ли можно распознавать вещество на расстоянии, проверили экспериментально чувствительность метода и решили различные технические проблемы.
Собственно, основная сложность для продвижения подобных детекторов на рынок к потребителю состояла в огромных размерах ускорителя, согласитесь, для нормальной работы в том же аэропорту прибор все-таки должен иметь более компактные размеры, чем обычная пятиэтажка. Так что в последнее десятилетие специалисты во всем мире пытались решить, как спрятать гигантский источник быстрых нейтронов в чемодан. В России подобные "портативные ускорители" начали выпускать в НИИ автоматики им. Н.Л. Духова. Когда-то это предприятие, целиком заточенное под оборонку, выпускало похожие приборы для военных целей.
— Когда объявили о первом прототипе детектора, было много комиссий и звонков из разных организаций,— рассказывает Михаил Сапожников.— Но единственные, кто заинтересовался всерьез и в итоге профинансировал опытные образцы, были представители ФСБ. А потом нам помог счастливый случай: в Дубну приехал Анатолий Чубайс и по этому поводу в местной особой экономической зоне была устроена выставка проектов. И вот какой-то добрый человек снабдил наш плакат табличкой "Подготовлено для представления в Роснано". Для нас это был сюрприз, но именно с него началось наше сотрудничество с Роснано. И мы получили финансирование проекта по созданию серийного производства детектора в Дубне.
Сейчас источник нейтронов весит восемь килограммов, а его размер не превышает 30 сантиметров. При этом весь детектор действительно заключен в обычный чемодан с красной лампочкой, напоминающей полицейскую мигалку, на крышке. Тестируют детекторы в одной из лабораторий ОИЯИ. Сюда ведет длинный коридор с низкими потолками и непривычными светофорами, освещающими пространство зеленым светом,— все это, вместе с гигантской свинцовой дверью толщиной в два метра,— осталось с советских времен, когда здесь работал ядерный ускоритель.
— На сегодняшний день мы разработали четыре модификации детектора взрывчатки и наркотиков (ДВИН),— говорит профессор Михаил Сапожников.— Это портативный переносной комплекс, стационарная система, детектор для заминированных автомобилей и портал для досмотра крупногабаритных грузов, таких как морские контейнеры или транспортные фуры. В мире аналогов нашей разработки не так много, есть только три организации, которые делают портативные нейтронные генераторы. При этом благодаря меньшим размерам "нейтронного луча" наша установка для досмотра морских контейнеров более чуткая — она обнаруживает в четыре раза меньшую массу опасного вещества, чем западные.
Самый "простой" портативный детектор просвечивает сумку за несколько минут. Предполагается, что в скором времени скорость досмотра будет существенно увеличена и можно будет совместить нейтронный детектор с рентгеновскими сканерами, которые пока работают намного быстрее. Если же рентген выявил что-то подозрительное, то в силу вступит ДВиН. Экран компьютера, за которым сидит оператор детектора, расчерчен на несколько квадратов. Если они горят ровным зеленым светом, то значит, что ничего похожего по составу на опасные вещества не обнаружено. Если же возникает угроза, то детектор не только выдает точные координаты залегания вещества, но и рисует кривую, которая показывает, что именно там спрятано.
— За время исследований мы детально выяснили, как "выглядит" спектр того или иного вещества,— говорит Михаил Сапожников.— Обычные вещества по соотношению углерода, азота и кислорода отличаются от взрывчатки. Наш детектор проверен на обнаружение более 30 видов взрывчатки, что бывает особенно важно для саперов, которым нужно разминировать найденное устройство.
Красота физического метода, применяемого в детекторе на быстрых нейтронах, в том, что он позволяет искать не только наркотики и взрывчатку, но и может вообще определять, что именно скрыто в том или ином месте — в бетонной стене, подвале, в сейфе или конверте.
— Существует масса проблем, для которых может пригодиться детектор ДВиН. Например, нас попросили, можно ли определить содержание железнодорожной цистерны без ее вскрытия,— говорит Михаил Сапожников.— Бывает, что по документам везут вино, а на деле оказывается коньяк, который облагается более высокой пошлиной. Для нашей техники отличить на расстоянии, какая жидкость находится в закрытой цистерне, оказалось так же легко, как и просто ее попробовать.
Но больше всего новый детектор ждут специалисты по безопасности. Известно, что в рамках правительственного постановления об обеспечении безопасности на транспорте, в метро и на вокзалах должны быть созданы специальные зоны досмотра. В состав оборудования таких зон уже включены детекторы взрывчатки на меченых нейтронах — федеральный бюджет выделил финансирование на закупку 300 таких систем.
Правда, сразу хочется успокоить, что пассажиров, несмотря на доказанную безопасность детекторов, облучать не будут. Полицейские и таможенники будут обследовать исключительно вещи и товары. Хотя в Новой Зеландии, например, подобные детекторы уже используются в быту, правда, пока не на людях, а на баранах. Дело в том, что местные фермеры просвечивают быстрыми нейтронами стада мясных барашков: прибор позволяет за считанные минуты определить, какое количество протеина содержится в бараньем жире, и, если нужно, скорректировать питание животных. Фермеры утверждают, что пока никакого вреда для животных они не обнаружили. Но кто знает, вдруг в этом отношении люди действительно отличаются от баранов?
Каждый детектор желает знать
Детали
В портативном ускорителе дейтроны сталкиваются с тритиевой мишенью и рождают нейтрон и альфу-частицу (ядро гелия-4). Нейтрон и альфа-частица разлетаются в противоположные стороны. "Поймав" альфу-частицу специальным встроенным детектором, ученые точно знают, в какую сторону полетел нейтрон, и на основе этого полета вычисляют его свойства.
