王 強(qiáng)，王 月，鄭玉來

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

當(dāng)今世界恐怖事件時(shí)有發(fā)生，恐怖分子將爆炸物隱藏在包裹內(nèi)再伺機(jī)引爆是其進(jìn)行恐怖活動(dòng)的常用方式之一。為有效檢測(cè)隱藏爆炸物，亟需快速、準(zhǔn)確識(shí)別爆炸物的檢測(cè)方法與設(shè)備。爆炸物核檢測(cè)技術(shù)主要有X射線檢測(cè)法、中子檢測(cè)方法、電磁測(cè)量法、電化學(xué)檢測(cè)法[1]。其中，X射線檢測(cè)法包括X射線透射法、雙能X射線檢測(cè)法、X射線散射法、X射線-CT密度檢測(cè)等；電磁測(cè)量法包括電磁法、核磁共振法(NMR)、核四極矩共振檢測(cè)法(NQR)。目前，國(guó)際上采用最多的為X射線透視法、X射線-CT密度檢測(cè)法、電四極矩探測(cè)法等。X射線成像技術(shù)能分辨物品的密度，但無法識(shí)別物品的元素成分，不能確認(rèn)包裹中是否存在爆炸物，而中子技術(shù)可確定檢測(cè)區(qū)域的元素含量，被譽(yù)為爆炸物檢測(cè)領(lǐng)域的“指紋”技術(shù)，具有高靈敏度、高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)。中子檢測(cè)爆炸物技術(shù)主要有熱中子法(TNA)、快中子法(FNA)、脈沖快熱中子法(PFTNA)、快中子伴隨α粒子成像技術(shù)(API)[2]。伴隨α粒子成像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的三維空間定位檢測(cè)，有效降低檢測(cè)過程中14 MeV中子與被檢測(cè)物品周圍環(huán)境中產(chǎn)生的強(qiáng)γ輻射本底，具有較高的空間分辨本領(lǐng)和較強(qiáng)的爆炸物識(shí)別能力，在隱藏爆炸物和毒品檢測(cè)方面具有廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。本研究設(shè)計(jì)了包裹爆炸物中子裝置，模擬計(jì)算了硅酸釔镥(LYSO)γ射線探測(cè)器的探測(cè)效率和能量響應(yīng)，以便為爆炸物的準(zhǔn)確鑒別提供參考。

1 方法原理

爆炸物的化學(xué)元素組成主要是C、H、O和N，日常用品的化學(xué)成分也主要為這4 種元素，但元素含量與前者比差別很大。測(cè)定C、O和N 的原子密度或相對(duì)含量，就可判別是炸藥、毒品，還是其他有機(jī)物[9]。快中子伴隨α粒子成像技術(shù)(API)通過探測(cè)快中子與爆炸物富含的C、O和N元素的非彈性散射發(fā)出的特征γ射線，確定檢測(cè)區(qū)域C、O和N元素的含量，判別包裹中是否存在爆炸物。同時(shí)利用α-γ符合測(cè)量技術(shù)進(jìn)行中子方向標(biāo)記，并細(xì)分檢測(cè)區(qū)域，減小中子與周圍環(huán)境產(chǎn)生的強(qiáng)γ干擾信號(hào)，提高信噪比。

1.1 快中子非彈性散射

快中子分析方法利用氘氚反應(yīng)產(chǎn)生的14 MeV快中子與N、C和O元素作用發(fā)生非彈性散射，發(fā)出能量為5.11、4.43、6.13 MeV的γ射線。三個(gè)反應(yīng)的γ射線能量很高，易于探測(cè)，通過測(cè)量快中子引起的非彈性散射特征γ射線，就可以確定物品中C、N和O元素的含量。

1.2 伴隨α-γ符合檢測(cè)

伴隨α粒子爆炸物檢測(cè)技術(shù)原理示于圖1。T(d,n)α核反應(yīng)中，在質(zhì)心坐標(biāo)系，α與n在180°方向一一對(duì)應(yīng)，在時(shí)間上相關(guān)聯(lián)。因此，用α位置靈敏探測(cè)器測(cè)定α粒子的飛行方向確定中子的飛行方向；測(cè)定α粒子和中子引起的γ射線隨時(shí)間的變化，由中子飛行速度確定中子的飛行距離；由中子的飛行方向和距離確定被測(cè)元素的空間分布。伴隨粒子法可以確定C、N、和O元素含量的空間分布圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)可疑爆炸物區(qū)域的空間定位檢測(cè)。伴隨α粒子檢測(cè)方法可標(biāo)記與爆炸物作用的中子，有效降低檢測(cè)過程中14 MeV中子與被檢測(cè)物品周圍環(huán)境中產(chǎn)生的強(qiáng)γ輻射本底。

圖1 伴隨α粒子爆炸物檢測(cè)技術(shù)原理[6]Fig.1 Associated particle imaging technique diagram for the explosives detection[6]

2 實(shí)驗(yàn)裝置

包裹爆炸物中子檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)示意圖示于圖2。裝置主體為箱式設(shè)計(jì)，內(nèi)有伴隨粒子中子發(fā)生器、γ探測(cè)器、快電子學(xué)系統(tǒng)( 包括多道分析器)等。控制分析系統(tǒng)( 筆記本電腦) 通過單根網(wǎng)線與主體連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物檢測(cè)的遠(yuǎn)程控制，保證爆炸檢測(cè)人員的輻射安全。兩個(gè)Saint-Gobain 公司生產(chǎn)的Φ76 mm×76 mm 硅酸釔镥(LYSO)探測(cè)器分別位于中子發(fā)生器兩側(cè)。LYSO閃爍晶體具有高光輸出、快發(fā)光衰減、有效原子序數(shù)多、密度大等特性，并且物化性質(zhì)穩(wěn)定、不潮解、對(duì)γ射線探測(cè)效率高。探測(cè)器與中子發(fā)生器發(fā)射單元之間用鎢板隔開，避免中子對(duì)探測(cè)器直接照射。采用俄羅斯VNIIA工廠研制的ING-27 型發(fā)生器作為中子源，該中子源共有9個(gè)10 mm×10 mm的α探測(cè)器。α探測(cè)器距離中子管靶6.2 cm，中子發(fā)生器的最大產(chǎn)額約5×107s-1。整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率優(yōu)于2 ns。

圖2 包裹爆炸物中子檢測(cè)裝置示意圖Fig.2 Diagram for explosive neutron detection device

3 蒙特卡羅模擬計(jì)算

3.1 LYSO探測(cè)器響應(yīng)

為研究LYSO探測(cè)器對(duì)爆炸物中C、N、O元素與快中子非彈散射發(fā)出的特征γ射線的性能，進(jìn)行蒙特卡羅(Monte Carlo, MC)模擬計(jì)算。LYSO晶體為φ63 mm×50 mm，γ射線沿晶體中心軸垂直入射至晶體端面，模擬計(jì)算爆炸物中C、N、O元素產(chǎn)生的4.44 MeV、5.11 MeV、6.13 MeV的特征γ射線在LYSO探測(cè)器內(nèi)的能量沉積特性，其中C、N元素γ射線能量沉積譜示于圖3，LYSO探測(cè)器的全能峰效率和單逃逸峰效率以及比值列于表1。

a——4.44 MeV；b——5.11 MeV圖3 γ射線能量沉積譜a——4.44 MeV；b——5.11 MeVFig.3 The γ-ray energy deposition spectra

表1 C、N、O 元素特征γ射線能量沉積特性Table 1 The γ-ray energy deposition of elements C, N, and O in different detectors

從表1數(shù)據(jù)可以看出，LYSO探測(cè)器的本征效率略低于鍺酸鉍(BGO)探測(cè)器，但明顯高于碘化鈉(NaI)探測(cè)器。 BGO、LYSO和NaI探測(cè)器在Cs-137的661 keV γ射線下的能量分辨率分別為15.4%、7%和7%(廠家測(cè)試數(shù)據(jù))，具有較高能量分辨率的探測(cè)器可提高檢測(cè)精度、縮短檢測(cè)時(shí)間。綜上所述，LYSO探測(cè)器具有較好的能譜特性，可作為爆炸物檢測(cè)的γ射線探測(cè)器。

3.2 模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

將模擬計(jì)算的石墨樣品特征γ射線在探測(cè)器內(nèi)的脈沖幅度譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)按特征峰最高計(jì)數(shù)相等進(jìn)行比較，計(jì)算和測(cè)量的脈沖幅度譜比較結(jié)果示于圖4。由圖4結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果的全能峰和單逃峰的峰形符合較好，驗(yàn)證了模擬計(jì)算的正確性。

圖4 γ探測(cè)器上的脈沖幅度譜的模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較Fig.4 The detector response spectrumfor MC calculation and experiment

4 樣品測(cè)量

4.1 石墨樣品

中子發(fā)生器的中子產(chǎn)額設(shè)定為4×107s-1。對(duì)石墨樣品采用直接測(cè)量和伴隨α方法測(cè)量，測(cè)量30 min，得到γ探測(cè)器的能譜示于圖5。由圖5結(jié)果可知，直接測(cè)量得到的能譜很難識(shí)別C元素4.44 MeV的特征γ射線峰，而伴隨α方法測(cè)量得到的能譜易于識(shí)別C元素的特征γ射線峰。此外，直接測(cè)量譜的最高計(jì)數(shù)在10萬左右，遠(yuǎn)高于伴隨α方法測(cè)量譜的的最高計(jì)數(shù)300。利用快中子檢測(cè)爆炸物時(shí)，快中子將與被檢測(cè)物品周圍環(huán)境中產(chǎn)生較強(qiáng)的γ輻射本底，需使用伴隨α方法抑制本底，提高信噪比。

4.2 多種樣品的γ譜

a——直接測(cè)量；b——伴隨α方法測(cè)量圖5 石墨樣品的探測(cè)器能譜a——Direct measurement method;b——Associated alpha particle measurement methodFig.5 The detector response spectrum for graphite sample

圖6 多種樣品的γ譜Fig.6 The detector response spectrum for different sample

通過測(cè)量石墨、鋁、三聚氰胺、SiO2、Na2CO3、H2O的能譜(圖6)，經(jīng)過C、N、O元素能譜密度歸一，得到C、N、O元素的相對(duì)純凈譜(圖7)，為鑒別爆炸物的基礎(chǔ)。檢測(cè)未知材料得到的γ能譜，可通過元素信號(hào)的線性組合判斷相對(duì)計(jì)數(shù)份額。

4.3 爆炸物模擬物及干擾物γ譜

日常用品如洗衣粉、奶粉等，其化學(xué)成分與爆炸物成分相近，與爆炸物共同放置時(shí)，其特征譜形的區(qū)分度降低。TNT爆炸模擬物與干奶粉的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)譜示于圖8，硝銨樣品譜及解譜示于圖9。由圖8、圖9結(jié)果可知，干奶粉的譜線與爆炸物的譜線非常相似，需要仔細(xì)分析其譜數(shù)據(jù)的差異性，進(jìn)行準(zhǔn)確判別。

圖7 C、N、O三種元素純凈譜 Fig.7 The detector response pure spectrum for C, N and O elements

圖8 TNT與干奶粉譜形的比較Fig.8 The comparison of detector response spectrum for TNT and milk sample

圖9 硝銨樣品譜及解譜Fig.9 Detector response spectrum and strip spectrum for NH4NO3 sample

5 小結(jié)

基于快中子的伴隨α粒子方法設(shè)計(jì)的包裹爆炸物檢測(cè)裝置，可對(duì)中子的發(fā)射方向進(jìn)行標(biāo)記，并通過中子飛行時(shí)間符合測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)區(qū)域的空間定位，可在一定程度上抑制探測(cè)器的干擾信號(hào)，提高信噪比。將LYSO閃爍體探測(cè)器用于中子與爆炸物作用產(chǎn)生的特征γ射線探測(cè)效果較好。通過對(duì)石墨、水、三聚氰胺等多種樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)量，獲得了C、N、O元素的相對(duì)純凈譜。同時(shí)對(duì)與洗衣粉、奶粉等干擾物一起放置的TNT、硝銨樣品進(jìn)行了測(cè)試，得到在不同條件下的高信噪比譜數(shù)據(jù)，為爆炸物的準(zhǔn)確鑒別提供了參考。

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