Postoji čitava lista različitih senzora koji se upotrebljavaju za kontrolu i inspekciju. Moderni sustavi inspekcije osoblja, tereta, paketa i vozila jesu neinvazivne “imaging” (slikotvorne) tehnike koje koriste penetrirajuće zračenje. Rad na razvoju novih senzora odvija se u nizu svjetskih laboratorija

Uobičajeni instrumenti koji koriste x-zrake osnivaju se na mjerenju redukcije njihovog intenziteta u prolasku kroz proučavani objekt. Za danu energiju x-zraka apsorpcija ovisi o debljini objekta te o njegovu atomskom broju, Z. Ako je energija x-zraka veća od 100 KeV, apsorpcija ovisi ponajprije o gustoći materijala, neovisno o njegovu atomskom broju. Zbog toga materijali veće gustoće apsorbiraju više x-zraka, što daje tamniju sliku. To se načelo primjenjuje za detekciju oružja u prtljazi u zračnim lukama. No, time se ne može detektirati eksplozivna naprava koja se u prtljazi nalazi iza objekta velike gustoće.

Da se poveća vjerojatnost detekcije eksploziva, potrebno je povećati osjetljivost metode s obzirom na atomski broj materijala. To se može postići pobudom istog uzorka drugom (manjom) energijom x-zraka. Za niže energije x-zraka apsorpcija ovisi i o atomskom broju i o debljini. Na taj je način moguće razlikovati željezo, koje ima Zef od 25, i eksploziv, koji ima Zef od 7. Kombinacija x-zraka niske i visoke energije (sustav dvostruke energije) omogućuje identifikaciju eksploziva koji imaju veliku gustoću, a mali Z.

Nuklearna kvadrupolna rezonancija
Nuklearna kvadrupolna rezonancija (NQR) jest metoda koja se osniva na uporabi kvadrupolnog momenta dušika za detekciju spojeva kao što je TNT. NQR metoda se osniva na interakciji između nuklearnog kvadrupolnog momenta i gradijenta električnog polja. NQR frekvencija je svojstvo materijala. Prednost je ove metode da gottovo nema krivih pozitivnih signala. Problem je pak u tome što metoda ne može detektirati eksploziv unutar vodljivog materijala, dakle je neuporabljiva za metalne mine. Metoda je osjetljiva samo na TNT, a problem je i detekcija zakopanih mina.

Portali za mjerenje radijacije
Portali za mjerenje radijacije razvijeni su u prošlosti uglavnom za kontrolu ulaska i izlaska iz nuklearnih postrojenja. Rani modeli su bili uglavnom scintilacijski ili proporcionalni brojači koji bi detektirali povećanu dozu alfa, beta ili gama zračenja u trenutku prolaska objekta ili osobe kraj njih i bili su povezani s jednostavnim svjetlosnim ili zvučnim alarmom. Suvremeniji portali koriste ne samo detektore nego i računala sa softverom koji omogućuje identifikaciju radioaktivnog izotopa čije je zračenje detektirano. Ista je tehnologija korištena za izgradnju portala za kamione i ostala vozila na graničnim prijelazima na mnogim granicama. Primjer “pametne granice” su monitori radioaktivnog zračenja na mnogim graničnim prijelazima u Europi bilo cestovnim bilo pomorskim.

Pregled sadašnjeg stanja tehnologije za kontrolu kontejnerskog tereta
Brzo skeniranje standardnog kontejnera (od nekoliko minuta do manje od 1 minute) upotrebom x-zraka (300 keV ili više) ili gama-zraka iz radioaktivnih izvora (137Cs i 60Co s energijama od 600 do 1300 KeV) carinskom službeniku daju sliku tereta u kontejneru. Nažalost, ta je informacija “nespecifična” jer ne daje podatke o prirodi objekta koji se ne bi slagali s deklaracijom, a koji se ne mogu uočiti vizualnom analizom dobivene slike. Osim toga, postoje i područja kontejnera gdje su i x-zrake i gama- zrake “slijepe” zbog prisustva veće količine materijala višeg atomskog broja, što je na slici prezentirano crnim mrljama .

U mnogim europskim zemljama koriste se različiti modeli uređaja koje proizvodi tvrtka Smiths Heimann iz Njemačke. Najčešće korišten je sistem Smiths Heimann SilhouetteScan Mobile 300. Na slici 4. prikazan je pokretni uređaj “Smiths Heimann SilhouetteScan Mobile 300”. Tri takva uređaja koristi i naša carinska služba.

Treba napomenuti da se korištenjem ovih uređaja ne isporučuju značajne doze na ispitivani predmet. Smiths Heimann sistem u obliku slova “L” daje dvije slike, tj. dvije projekcije predmet. Svi se proizvođači slažu da korištenje samo jednog senzora ili portala ima ograničenu moć kontrole i zato se sve više koriste kombinacije više portala.

Metoda pregleda brodica: Compton Backscatter Imaging
Održavanje “exclusion” zone oko skupih ratnih brodova težak je problem. Sami ratni brodovi mogu se donekle kontrolirati, ali najveći je problem u bezbroj malih brodova koji se kreću u njegovoj blizini ili pak pristaju uz brod noseći raznu robu. Do danas jedini način kontrole je zaustaviti malu brodicu na putu k ratnom brodu, ukrcati se na nju i izvršiti manualnu kontrolu broda. Ono što je ustvari potrebno je mogućnost kontrole brodica, bez ukrcavanja na njih i sa što manjim ometanjem prometa.

Jedno moguće rješenje tog problema je pomoću patentirane tehnologije “Backscatter imaging technology”. Tim se sistemom može pregledati malu brodica i utvrditi da li se na njoj nalazi eksploziv za vrijeme plovidbe brodice s udaljenosti od desetak metara. U jednoj izvedbenoj verziji Backscatter Imaging Module (BIM) se montira na neku brodicu ili skelu i s njime se upravlja iz kontrolne kućice te se tako može obaviti potrebna inspekcija.

BIM se također može montirati na obali ili doku za potrebe pregleda brodica koje prolaze pokraj sistema. Geometrija korištenog sistema omogućuje pregled volumena prolazeće (kontrolirane) brodice koji je ispod površine mora.

Nuklearne tehnike
Nuklearne tehnike se koriste za detekciju sakrivenih eksploziva već niz godina. U osnovi, te metode koriste princip da se jezgre kemijskih elemenata u istraživanom uzorku mogu bombardirati prodornim nuklearnim zračenjem (uglavnom neutronima). Kao rezultat tog bombardiranja nastaju nuklearne reakcije i pri tom nastaje čitav niz različitih čestica, gama zračenje i emisija x-zraka. To je zračenje karakteristično za svaki pojedini kemijski element.

Pobuda neutronima: neutronski senzor
Problem identifikacije i detekcije materijala (eksplozivi, droge, opasne kemikalije) može se reducirati na problem mjerenja koncentracije kemijskih elemenata i omjera koncentracija. Naročito su prikladne nuklearne reakcije inducirane brzim ili sporim neutronima.

Treba razlikovati korištenje sporih ili termalnih neutrona od korištenja brzih neutrona. Naime udarni presjeci za proizvodnju karakterističnog gama zračenja ovise o brzini upadnih neutrona.

Moć penetracije neutrona i gama zračenja nudi efektivan način mjerenja koncentracije vodika, ugljika, dušika, kisika, fosfora, sumpora i klora u sumnjivim materijalima. Pritom se mogu koristiti bilo procesi elastičnog raspršenja neutrona , bilo procesi aktivacije neutronima. Elementi od interesa mogu se identificirati mjerenjem, bilo raspršenih neutrona, bilo emitiranih gama zraka. Kao izvor neutrona mogu se koristiti bilo radioaktivni izvori, bilo akceleratori, poznati pod imenom neutronski generatori. Proizvedeni neutroni mogu imati različite energije što je kritičan parametar za veličinu udarnog presjeka.

Poznate su nam nuklearne reakcije inducirane neutronima čija se svojstva mogu koristiti za detekciju kemijskih elemenata, mjerenje njihove koncentracije, omjera koncentracija dvaju ili više elemenata, te za mjerenje elementalnih mapa u eksplozivima i bojnim otrovima.

Tako se, na primjer, bojni otrov sarin najbolje vidi u spektru gama zraka proizvedenim bombardiranjem brzim neutronima linijom energije 1.778,7 keV iz nuklearne reakcije 31P(n,?)28Al (2,24 minute) i linijom energije 1.356,8 keV iz reakcije 19F(n,p)19O (26,9 sekundi). Spektar gama zraka dobiven bombardiranjem iperita je pak karakteriziran linijom 3.103 keV iz reakcije 37Cl(n,p)37S (5 minuta) i linijom 2.128 keV iz reakcija 37Cl(n,?)34P (12,4 sekundi) i 34S(n,p)34P. Detaljnije o toj problematici može se saznati iz literature.

Detekcija ugljika vrlo je osjetljiva metoda kada se koristi inelastično raspršenje neutrona energije veće od 5 MeV. Dušik se pak može detektirati bilo uhvatom termalnih neutrona, bilo inelastičnim raspršenjem neutrona, bilo nuklearnim reakcijama, ili aktivacijom, izazvanim brzim neutronima. Prisustvo vodika se lagano detektira uhvatom termalnih neutrona. Za istovremeno određivanje prisustva tih elemenata, i za mjerenje njihove koncentracije, potrebno je koristiti pulsirani neutronski snop velike energije. Za vrijeme pulsa emitiraju se 14 MeV neutroni koji interagiraju s materijalom, što dovodi do inelastičnog raspršenja i promptne emisije gama zraka, te do nuklearnih reakcija koje rezultiraju u promptnoj ili zakašnjeloj emisiji bilo gama zraka, bilo čestica. Za vrijeme pulsa moguće je detektirati uglavnom inelastično raspršenje i promptnu emisiju uzrokovanu nuklearnim reakcijama, s malim rezidualnim pozadinskim zračenjem. Glavne linije u spektru gama zraka su one koje pripadaju kisiku (6.13 MeV, 3.84 MeV,…..), dušiku (5.106 MeV, 2.31 MeV), i ugljiku (4.43 MeV). Za vrijeme između dva pulsa neutrona, prije emitirani neutroni se brzo termaliziraju i interagiraju s materijalom kroz uhvat, koji rezultira bilo u promptnoj ili zakašnjeloj emisiji gama zraka. Glavne linije u spektru gama zraka su one koje dolaze od dušika (10.83 MeV, slab intenzitet), vodik (2.23 MeV), klor (6.11 MeV, s velikim brojem drugih linija).

Već na osnovi ovih podataka čini se da će najprikladnija eksperimentalna konfiguracija biti korištenje neutronskog izvora u kontinuiranom i pulsnom radu, s time da se detektiraju gama zrake koje su posljedica inelastičnog raspršenja neutrona, uhvata termalnih neutrona i aktivacije brzim i termalnim neutronima.

Korištenje brzih neutrona s detekcijom pridružene alfa čestice: novi neutronski senzor
Kod nuklearne reakcije d + t ?? + n bombardiranjem tricijeve mete snopom deuterona nastaju 14 MeV neutroni i tako zvana pridružena alfa čestica. Za svaki neutron jedna alfa čestica. Zakoni čuvanja energije i količine gibanja definiraju i kutove čestica, pa se detekcijom alfa čestice točno zna smjer u kojem je otišao pridruženi neutron. Brzina neutrona ovisi o njegovoj kinetičkoj energiji, pa se mjerenjem vremena preleta može ustanoviti put kojeg je neutron prošao. Sve je to ilustrirano na slici 6.

Koristeći ove osnovne principe nuklearne fizike u tijeku su eksperimenti s namjerom razvoja sistema za inspekciju kontejnerskog tereta pomoću brzih neutrona.Ti se eksperimenti izvađaju na Institutu Ruđer Bošković u Neutronskom laboratoriju koji je smješten u podzemnom prostoru (DEPu).

Zaključak ovih mjerenja je da je pokazana mogućnost određivanja lokacije objekta koji se nalazi u zatvorenom kontejneru (za ugljik i TNT). Ta se informacija nalazi u mjerenom vremenu proleta, takozvani TAC spektar (pridružena alfa čestica je start impuls a gama zraka proizvedena u ispitivanom objektu je stop impuls). Identifikacija objekta se pak vrši analizom koincidentnog gama spektra.

S ovim mjerenjima učinjen je “prove of principle”. Time je pokazano da je moguće konstruirati multisenzorski sistem koji se sastoji od brzog ispitnog senzora x-zraka (čitavi kontejner) iza kojeg slijedi detaljna elementalna analiza sumnjivog volumena korištenjem neutronskog senzora.

Prijenosni neutronski senzor
Potreba za utvrđivanjem prisustva ili neprisustva eksploziva često se javlja na terenu pa je za takve slučajeve potrebno razviti prijenosni sistem. Slika 12 prikazuje komponente prijenosnog sistema: neutronski izvor, detektore i PC s 50 metara kabla.

Detekcija nuklearnog materijala skrivenog u kontejneru
Aktivacija brzim neutronima upotrebljiva za detekciju kemijskih elemenata: O, Cl, F, U. Mogu se detektirati uranovi spojevi: floridi, oksidi i kloridi. Aktivacija brzim i sporim neutronima može razlikovati različite omjere koncentracija 235U/238U.

Projekti u tijeku
Dva najznačajnija projekta na kojima sada radimo u Institutu Ruđer Bošković su:

A. NATO projekt SfP-980526 “Control of Illicit Trafficking in Threat Materials and Humans”. Projekt se realizira u suradnji s INFN, Padova, Italija (članica NATO), a opisan je ukratko i u NATO News No.66; ukupno odobrena sredstva za realizaciju projekta za trogodišnji perod iznose 310.000,00 eura.

B. Europska unija, FP6 Specific Targeted Research or Inovation Project – “EURITRACK, European Illicit Trafficking Countermeasures Kit”. U ovom evropskom projektu učestvuju institucije iz Francuske, Italije, Belgije, Poljske, Švedske i mi. Rezultat bi trebao biti model evropskog uređaja za inspekciju kontejnera. Projekt košta 4.198.566,00 Eura, od kojih EU daje 2.450.000,00 Euro. Naša uloga u projektu, iako mala (192.000,00 Eura) je bitna, jer iako Hrvatska nije članica EU mi smo u projektu ravnopravni partneri zbog priznanja naše ekspertize i kvalitete laboratorija. Prikazat ćemo ukratko neke od rezultata rada na ta dva projekta.

NATO projekt SfP-980526
Cilj projekta je izvršiti sva mjerenja i proračune koji bi omogućili konstrukciju neutronskog senzora. Njegova bi funkcija bila u dobivanju elementalne informacije na mjestu od interesa utvrđenom prethodnim pregledom pomoću x ili gama senzorom.

Do sada je učinjen niz eksperimenata uglavnom da bi se izabrao tip detektora, najpovoljnija geometrija, utjecaj matrice tj. materijala s kojim je popunjen kontejner na brzinu brojanja detektora. Dosadašnji rezultati su prikazani na međunarodnim konferencijama i u znanstveno-tehničkoj literaturi.

Učinjeni su i eksperimenti sa stvarnim eksplozivima, i to s 30 kg TNT i s 100 kg Semtex 1A. Preliminarni rezultati pokazuju mogućnost detekcije prisustva eksploziva unutar zatvorenog kontejnera.

Tako na primjer slika 15 prikazuje vremenske i energijske spektre za dvije mete: eksploziv SEMTEX 1A i papir (korišten često kao elementalni simulant eksploziva) skrivenih u matrici željeza u kontejneru. Energijski spektri detektiranih gama zraka su slični jer je omjer C/O za ta dva materijala skoro isti. Zbog toga kao treću varijablu u identifikaciji materijala koristimo broj neutrona (vremenski prozor na unaprijed raspršene neutrone) što je proporcionalno gustoći materijala.

EURITRACK

Zadaća 4.198.566,00 eura vrijednog projekta je konstrukcija europskog uređaja za kontrolu kontejnerskog tereta čiji bi se ukupni koncept ispitao u nekoj Europskoj kontejnerskoj luci. Princip rada je prikazan na slici 16. Uređaj se satoji od portala koji omogućuje pozicioniranje neutronskog genaratora na položaj u kojem se nalazi sumljivi predmet što je prethodno utvrđeno radiografijom. Gama zračenje proizvedeno u kontejneru detektira se pomoću tri baterije NaI(Tl) detektora: šesnaest iznad kontejnera, četiri na suprotnoj stani kontejnera i dva na istoj strani kontejnera kao i neutronski generator. Ispitivani objekt će se identificirati mjerenjem omjera koncentracija elemenata C, N i O.

Projekt EURITRACK čine slijedeći zadaci: razvoj prijenosnog deuterium-tritium neutronskog generatora s position senzitivnim alfa detektorom (8?8 matrica YAP:Ce kristala povezan s multi-anodskim fotomultiplikatorom), detektori brzih neutrona i gama zraka, razvoj elektronike za mjerenje koincidentnih gama spektara te razvoj integriranog softwera koji upravlja generatorom i detektorima, sakupljanjem i analizom podataka.

Realizacija ovog trogodišnjeg projekta je podjeljena u devet radnih paketa (work packages): WP1-Potrebe, WP2-Projektiranje, WP3-TNIS (Tagged Neutron Inspection System), WP4-Informacijski sistemi, WP5-Prototip, WP6-Demonstracija, WP7-Iskorištenje i Informiranje, WP8-Evaluacija i WP9-Menagement. WP3 ima 10 zadataka (tasks) uključujući i Task 2: Laboratorijska ispitivanja koji je naša odgovornost. U realizaciji tih mjerenja u Neutronskom laboratoriju IRBa osim Ruđerovaca (Vladivoj Valković, Davorin Sudac, Saša Blagus, Jamina Obhođaš, Karlo Nađ, Mladen Koncul, Željko Orlić) sudjeluju i ekipe iz CEA (Francuska), INFN (Italija), SODERN (Francuska), JRC (Ispra, Italija), IPJ (Poljska).

U tijeku je takozvani “Integration test”, ispitivanje svih konačnih komponenti uređaja u realnim uvjetima rada neutronskog portala. Nakon što je čitav sistem sastavljen u središte kontejnera punog željeznih kutija (željezna matrica gustoće ? = 0,2 g/cm3) stavljen je volumen papira (simulant eksploziva) kao što pokazuje slika 17:

Prisustnost simulanta u kontejneru utvrđeno je iz vremenskog spektra (lokacija) i energijskog spektra gama zraka (kemijski sastav materijala). Ta dva spektra dobivena eksperimentalno pokazana su na slikama 18. i 19. što se smatra dokazom da u principu ovakav sistem može raditi. Sve dalje je stvar poboljšanja rada i traženja optimalnih tehničkih rješenja. Sva laboratorijska mjerenja biti će dovršena do kraja mjeseca lipnja ove godine.

Zaključna razmatranja
U dosadašnjem eksperimentalnom i teorijskom radu (Monte Carlo proračuni) pokazana je mogućnost određivanja lokacije objekta koji se nalazi u zatvorenom kontejneru (za ugljik, eksplozive: Semtex 1A i TNT). Ta se informacija nalazi u mjerenom vremenu pre-leta, takozvani TAC spektar (pridružena alfa čestica je start impuls a gama zraka proizvedena u ispitivanom objektu je stop impuls). Identifikacija objekta se pak vrši analizom koincidentnog gama spektra.

S ovim mjerenjima učinjen je “dokaz principa”. Time je pokazano da je moguće konstruirati multisenzorski sistem koji se sastoji od brzog ispitnog senzora x-zraka (čitav kontejner) iza kojeg slijedi detaljna elementalna analiza sumnjivog volumena korištenjem neutronskog senzora.

Napomenimo da su osnova razmišljanja sigurnosti SAD u pomaku granica i kontroli kontejnera prije nego li se ukrcaju za SAD. Da bi se to realiziralo potreban je čitav spektar mjera: od instalacije kontrolnih uređaja u kontejnerskim terminalima do uređaja koji osiguravaju da kontejner nije bio otvaran za vrijeme transporta, a sve to uz satelitski prijenos podataka.
Kontrola na početku puta znači da kontejner koji se treba ukrcati na brod koji putuje u SAD neće biti ukrcan ukoliko ne zadovolji striktne uvjete sigurnosti. Nova granica treba biti “elektronska” a ne fizička, uz prikaz profila tereta u kontejneru dobivenog korištenjem uz sofisticirane banke podataka u kojoj su sadržani svi mogući podaci: od vladinih do komercijalnih, financijskih te podaci o putovanju kontejnera prije dolaska u terminal.

Kao početna mjera uvedena je takozvana Container Security Initiative”(CSI). Minimalni standardi za uključenje u CSI, su: 1. Luka mora imati redovni, direktni i značajan promet kontejnera prema lukama SAD. 2. Carinska služba mora biti u mogućnosti inspekcije terata koji potiče iz zemlje, koji je u tranzitu kao i onog koji se samo prekrcava. 3. Mora postojati mogućnost korištenja uređaja za neintruzivnu inspekciju (gama ili X-zrake) kao i uređaja za detekciju zračenja.

Danas već veliki broj svijetskih luka radi u režimu CSI. To su slijedeće luke: Sjeverna Amerika – Montreal, Vancouver i Halifax (Canada), Europa – Rotterdam (Holandija), Bremerhaven i Hamburg (Njemačka), Antwerpen i Zeebrugge (Belgija), Le Havre i Marseille (Francuska), Gothenburg (Švedska), La Spezia, Genoa, Naples, Gioia Tauro i Livorno (Italija) Felixstowe, Liverpool, Thamesport, Tilbury i Southampton (U.K.), Piraeus (Grčka),. Algeciras, (Španjolska), Azija – Singapore (Singapur), Yokohama, Tokyo, Nagoya i Kobe (Japan),. Pusan, (Južna Koreja), Port Klang i Tanjung Pelepas (Malezija). Laem Chabang (Tajland). Shanghai i Hong Kong (Kina), Dubai (Ujedinjeni Arapski Emirati), Afrika – Durban (Južna Afrika).

Očito je da Hrvatska mora imati barem jednu luku opremljenu tako da može raditi u CSI ili nekom sličnom režimu. Putovi prijevoza robe kontejnerima zaobilaziti će luke gdje metode kontrole usporavaju tok prometa, jako dugo traju i neefikasne su. Hrvatska će još neko vrijeme biti granična država s EU i na križanju mnogih puteva nezakonite trgovine. Zbog toga treba razviti i primijeniti koncept “pametne granice” s čime bi se doprinijelo bržem prolazu tereta i ljudi preko granice uz povećanu efikasnost kontrole.

Doprinos ekonomskom razvoju Hrvatske osim uključenja u tokove prometa može biti i proizvodnja neutronskog senzora ili samo nekih njegovih komponenti za potrebe tržišta što bi omogućilo partnerstvo RH s EU na ekonomskoj osnovi.

Naš budući eksperimentalni rad koncentrirat će se na razvoj sistema koji bi radeći na istom principu mogao utvrditi prisustvo (ili ne) u objektima koji leže na dnu mora. Naime nakon ratova u prošlom stoljeću ostala su dna mnogih mora kontaminirana objektima kao što je ovaj pokazan na slici 20.
Zajedno s kolegama sa Fakulteta elektronike i računarstva te Instituta za istraživanje i razvoj obrambenih sustava pokušat ćemo razviti senzor koji će moći utvrditi nalazi li se u ovakvom objektu na dnu mora nalazi eksploziv ili ne. To će biti doprinos sigurnosti naših luka i priobalnog mora.

Vladivoj VALKOVIĆ