Современные информационно-технические средства обеспечения безопасности: обзор и перспективы

Двадцать первый век человечества ознаменовался многими событиями. В том числе следует отметить и негативные процессы, в частности, возрастание террористической угрозы. На фоне этого становится важным инструментальное определение взрывчатых веществ (ВВ) и оружия в местах массового скопления  людей: в аэропортах, вокзалах, стадионах и т.д. Возрастает и объём несанкционированных перевозок наркотических веществ, контроль за распространением которых не менее важен, чем борьба с терроризмом. Методы анализа здесь играют одну из главных ролей. Ниже сделан обзор по существующим инструментальным методам выявления ВВ и наркотических веществ на основе докладов на V Межведомственной конференции по вопросам обнаружения ВВ и наркотических  средств  16 декабря 2010 года. Также рассмотрены перспективы комплексного применения описанных методов в местах массового скопления людей.

Методы обнаружения (идентификации) взрывчатых веществ.  

Все технические методы определения взрывчатых и наркотических веществ основаны на физико-химических свойствах этих веществ. Используются как аналитические методы химии, так и ядерные методы определения ультрамалых количеств веществ. На рис.1 приведены основные аналитические методы обнаружения ВВ.

Некоторые характеристики методов приведены в таблице 1.

Техническое описание методов. Спектрометрия ионной подвижности (СИП; ИДС; IMS). Применение  в сфере безопасности:

- более 50 000 портативных IMS детекторов ОВ в армиях стран НАТО;

- более 10 000 IMS анализаторов в пунктах контроля безопасности в аэропортах;

- около 10 млн измерений ежегодно.

 Данный метод применим также для экспресс анализа наркотических веществ

в  системе  «Электронный нос». 

 Рисунок 1 – Основные аналитические методы обнаружения взрывчатых веществ 

Таблица 1

Характеристики инструментальных методов обнаружения взрывчатых веществ

 Дистанционное детектирование взрывчатых веществ методами дистанционной лазерной спектрометрии. Дистанционный лазерный спектрометр (ДЛС) разработан для дистанционного (до 100 м и более) обнаружения ВВ. В 1998 году П. Франкен высказал идею о наличии продуктов распада ВВ. В 2000 году были получены Фурье спектры продуктов распада ВВ (NO, N₂O, CO) [1]. В 2005 году были обнаружены следовые количества NH₃  в воздухе над ВВ – продукт распада на основе аммиачной селитры. Регистрация аммиака возможна по поглощению лазерного излучения соответствующей длины волны.

При исследовании возможных маркеров было обнаружено, что из оболочки с ВВ выделяется HNCO – изоциановая кислота. Её взаимодействие с атмосферной водой приводит к появлению аммиака по реакции:

               HNCO + H₂O = NH₃ + CO₂

Таким образом, аммиак является маркером всех содержащих азот ВВ.

В отделе ДЛС Института общей физики им. А.М. Прохорова группой Надеждинского А.И. была создана система с топографическим отражателем (диаметр приёмной оптики 20 см) [2]. Использовался волоконный усилитель для увеличения уровня принимаемого сигнала. Было исследование обнаружения аммиака внутри автомобиля на расстоянии 100 м. Предел обнаружения – 1ppm, что соответствует 20 кг ВВ. Применение портативной системы с кюветой Чернина (длина оптического пути 39 м) позволила при скорости автомобиля 10 км/час обнаруживать ВВ массой от 10 кг. В помещении при сканировании до 10 сек обнаруживался пакет с ВВ массой 2 кг. При сканировании 1 мин в багажнике автомобиля спустя сутки после изъятия обнаруживались следы ВВ массой 400 г. Общая масса прибора ДЛС не превосходит 10 кг.

Радиоволновые системы. Принцип работы основан на амплитудно-фазовом анализе отражённых от контролируемого объекта волн с перестраиваемыми частотами от 10 до 30 ГГц.

Существующая система SafeScout (США) производится в большом количестве и поставляется во многие аэропорты мира. Однако из-за низкой скорости переключения частоты система не свободна от недостатков. Необходимо стоять, расставив ноги и руки, на экране видны анатомические особенности тела, нет возможности проводить скрытое или дистанционное наблюдение.

В России разработана ТГц – система (разработчик Волков Л.В.) без этих недостатков. Объёмно-голографическая система с диапазоном волн 26,5 – 33,5 ГГц позволяет получать чёткое изображение скрытых под одеждой предметов без детализации анатомических особенностей. Число кадров в сек – не менее 20. Чёткость изображения позволяет применять для анализа и распознавания образцов компьютерную обработку без участия оператора. Скорость получения  информации – менее 1 сек. Для переключения диапазонов может быть использован разработанный в ЗАО НПК МЕРА (Краснодар) наносекундный генератор. Варианты применения – 1) портальное; 2) дистанционное, в том числе скрытое.  Развитием методики может быть создание дистанционного ручного сканера с дистанцией обследования до 100 м. Возможность применения компьютерной обработки позволяет проводить контроль в режиме непрерывного движения толпы людей (например, в метро, при посадке на городской транспорт, на стадионах и т.д.).

Рентгеновские досмотровые системы (Новосибирск) СРК. Система работает (описание сделано на основе открытого письма производителя Бару С.Е., д.т.н., проф., главный научный сотрудник Института ядерной физики Сибирского отделения РАН  к российским пассажирам) по принципу рентгеновского томографа и в тех же диапазонах энергий рентгеновского излучения. Благодаря применению кабины с дополнительной зашитой от внешнего излучения и применению матрицы чувствительных детекторов, удалось снизить поток излучения от рентгеновской пушки в несколько раз. При этом были достигнуты следующие преимущества:

1) Эффективность досмотра, т.е. способность системы «видеть» опасные предметы, которые нельзя проносить в самолет. Американская система, работающая на миллиметровых волнах, «видит» только то, что находится на теле человека, одетого в легкую одежду. Поэтому плотную верхнюю одежду надо снять, обувь надо снять, под потной рубашкой ничего не видно, под кофтой с люрексом тоже ничего не видно. Взрывчатка с электронным взрывателем, спрятанная, например, в прямой кишке или другом подобном месте, также гарантированно не будет обнаружена. В отечественной системе, работающей на проникающем излучении, которое «видит»  человека насквозь, этих проблем не существует.

2) Опасность и безопасность процедуры досмотра. Этот параметр стоит обсуждать,  только если установка выполняет свое основное предназначение – эффективно «видит» опасные предметы в любом месте на человеке и даже внутри него. Человек получает ежесуточно на поверхности Земли ~ 5 условных единиц облучения. Такую же дозу получает авиапассажир  на высоте 10 км  за 1 час полета. За один досмотр на СРК человек получит ~ 0,5 единицы. Т.е. за перелет Москва – Новосибирск, например, пассажир получит в 40 раз большую дозу, чем при досмотре. Отечественная установка имеет все необходимые сертификаты, разрешающие досмотр на ней до 600 раз в год.

3) Неудобства досмотра. Эта процедура на отечественной установке просто не доставляет никаких неудобств. Пассажир, не снимая верхней одежды и обуви, заходит в кабину установки и должен там постоять в вольной позе 4-5 секунд. Все. Выйдя из кабины, он подходит к оператору, и, если тот увидит на снимке какие-то подозрительные предметы, попросит пассажира их предъявить. Досмотр закончен.

Необходимо упомянуть еще об одном конкуренте СРК, который также применяется в некоторых аэропортах России. Это тоже «просвечивающая» система Homoscan.  Установка не имеет никаких преимуществ перед СРК, недостаток же есть, и существенный – у нее размер пикселя изображения по площади в 10 раз больше. Соответственно, и качество снимка намного хуже, т.е. изображение спрятанных предметов существенно менее отчетливое. Кроме того, в отличие от СРК, где движения человека во время съемки не смазывают снимок, во время съемки в Homoscan’е нужно стоять неподвижно, иначе снимок будет испорчен. Объективно выбирать (при желании, конечно) довольно нетрудно – система должна быть эффективной (высокое разрешение снимка и способность видеть внутри тела), безопасной (доза облучения должна быть не более, например, 0,5 единицы), удобной (не надо разоблачаться, стоять можно в вольной позе), деликатной (снимок не должен шокировать), не вредить персоналу и окружающим (фон вокруг - как у багажного интроскопа).

Опыт применения СРК уже есть. В новосибирском аэропорту Толмачево стоят только установки СРК (одна на российских авиалиниях, другая – в  международном терминале). Через них проходят до 2000 пассажиров в сутки, и сибиряки  - пассажиры и сотрудники безопасности – давно оценили удобство и эффективность этих установок.

Ядерные методы регистрации взрывчатых и наркотических веществ. К ядерным методам относятся методы нейтронно-активационного анализа, фотоядерного анализа веществ, ЯКР - анализа и методы, основанные на поглощении и отражении излучения от исследуемого объекта (электронные и рентгеновские излучатели). Первые два метода определяют непосредственно химический состав контролируемого объекта. Другие методы определяют скрытые предметы.

В нейтронно-активационном анализе [3-7] регистрируются гамма-лучи с энергией 10,8 МэВ от азота и 2,2 МэВ от водорода, входящих в состав ВВ и облачаемых импульсами тепловых нейтронов. 100 г – минимальная чувствительность по ВВ достигнута при облучении в течении 1 мин. Размеры всей системы не превосходят 1 м куб. Система радиационно-безопасна и используется в аэропортах для досмотра багажа.

Метод ядерно-квадрупольного анализа разрабатывается группой Сеймейкина (Москва). Более сложной, чем диполь, электрической характеристикой ядра является электрический квадрупольный момент – мера отклонения распределения заряда от сферически симметричного [8]. Различают собственный (внутренний) квадрупольный момент ядра и наблюдаемый квадрупольный момент ядра. Величина собственного квадрупольного момента может быть получена из экспериментальных данных сечения кулоновского возбуждения вращательных уровней ядер и вероятности гамма-переходов между этими уровнями. Наблюдаемый квадрупольный электрический момент определяется относительно оси z. совпадающей с выделенным направлением в пространстве. Его величина зависит от ориентации ядра относительно оси z. В случае совпадения частоты внешнего электро-магнитного поля с частотой прецессии вокруг оси z наступает ядерно-квадрупольный резонанс. Частота меняется в зависимости от ядра. Поэтому по поглощёнию в спектре частот можно определить дистанционно химический состав вещества, в частности определять азото-содержащие ВВ. Главная проблема метода – защита от внешнего электромагнитного фона, резко снижающего чувствительность. При применении изолирующих кабин на теле человека обнаруживались ВВ массой от 1 кг за 1-2 сек.

Принцип отражения (и поглощения при просвечивании) высокоэнергичных электронов и рентгеновского излучения одинаков для обоих видов излучения [9]. Метод применяется для просвечивания крупногабаритных грузов (без присутствия человека) на таможнях, блок-постах и т.д. Однако разработана мобильная система рентгеновского контроля «Дозор», использующая малые дозы рентгеновского излучения, что позволяет проводит анализ в присутствии человека. Работа системы основана на принципе детектирования излучения, рассеянного от объекта. Система позволяет получать изображения фотографического качества, чётко разделяя органические и неорганические предметы гаммой серых цветов от ярко-белого до чёрного. Источником излучения является рентгеновская трубка с энергией излучения 225 кэВ. Система может быть использована в движении, стационарно и дистанционно. 

Принцип работы устройства фотоядерного детектирования [10] можно представить на примере детектора взрывчатых веществ и наркотиков (ДВВН) в системах инспекции багажа в аэропортах. Досматриваемый объект, например чемодан, устанавливается на транспортер, перемещающий его в зону контроля, где он сканируется широким (диаметром ~10 см) пучком гамма-излучения. При этом для первичного досмотра единицы багажа с фронтальным размером 100 × 70 см² потребуется время порядка 1,8 сек. В случае появления сигнала о наличие высокой концентрации азота или углерода, проводится повторный более тщательный досмотр. При разрешении ±2,5 см на эту операцию будет затрачено менее 8 сек.