爆炸物檢測(cè)中的模擬計(jì)算

王新華 安 力 鄭 普 郭海萍 何 鐵

（中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽(yáng) 621900）

爆炸物檢測(cè)中的模擬計(jì)算

王新華 安 力 鄭 普 郭海萍 何 鐵

（中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽(yáng) 621900）

為優(yōu)化基于伴隨α粒子技術(shù)的爆炸物檢測(cè)系統(tǒng)中的γ探測(cè)器和數(shù)據(jù)分析軟件，利用蒙特卡羅程序EGSnrc對(duì)γ探測(cè)器的探測(cè)效率和能量響應(yīng)分別進(jìn)行了模擬。NaI(Tl)、BGO等幾種無(wú)機(jī)閃爍體γ探測(cè)器探測(cè)效率的模擬計(jì)算結(jié)果為探測(cè)器的優(yōu)化選擇提供依據(jù)；對(duì)碳、氧單質(zhì)元素、硝酸氨、模擬炸藥樣品在14 MeV中子作用下的特征γ射線，在Φ5″×8″NaI(Tl)探測(cè)器的能量響應(yīng)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量能量響應(yīng)進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，模擬方法可靠，應(yīng)用該方法可對(duì)其他的單質(zhì)材料來(lái)進(jìn)行響應(yīng)計(jì)算以建立響應(yīng)函數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

爆炸物檢測(cè)，蒙特卡羅模擬，探測(cè)效率，響應(yīng)函數(shù)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、非侵入式檢測(cè)行李包裹中的爆炸物，已成為當(dāng)今國(guó)際社會(huì)反恐活動(dòng)的重要議題[1,2]?；赬射線或者γ射線的檢測(cè)系統(tǒng)，只能提供被檢測(cè)物品的密度和形狀，不能提供被檢測(cè)物品的化學(xué)組成信息；而基于快中子的伴隨α粒子檢測(cè)技術(shù)，則具有一定優(yōu)勢(shì)[3–5]。其利用14 MeV的D-T中子與被檢測(cè)物品中的 C、N、O等元素發(fā)生非彈性散射產(chǎn)生的特征 γ射線[6]，由此分析被檢測(cè)物品的C、N、O含量，從而確定是否為爆炸物。伴隨α粒子檢測(cè)技術(shù)可有效降低檢測(cè)過(guò)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。為優(yōu)化設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)的中子發(fā)生器中子產(chǎn)額、探測(cè)器位置、探測(cè)器類型以及體積等，我們對(duì)一些無(wú)機(jī)閃爍體γ探測(cè)器的效率和來(lái)自爆炸物樣品的特征γ譜的能量響應(yīng)進(jìn)行的蒙特卡羅模擬計(jì)算。

1 檢測(cè)原理與裝置模型

圖1為伴隨α粒子技術(shù)檢測(cè)爆炸物原理圖。在質(zhì)心坐標(biāo)系，T(d,n)4He反應(yīng)的α粒子與n在180°方向?yàn)橐灰粚?duì)應(yīng)，且時(shí)間關(guān)聯(lián)。當(dāng)與α相關(guān)聯(lián)的中子與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，一部分中子直穿出樣品，該部分在強(qiáng)度上減弱，時(shí)間上仍與α相關(guān)聯(lián)；另一部分與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生瞬發(fā) γ，因中子與物質(zhì)作用產(chǎn)生瞬發(fā) γ的時(shí)間極短(約 10–16–10–17s)，因此與 α 也是時(shí)間關(guān)聯(lián)的，而其它中子產(chǎn)生的γ與該部分α無(wú)時(shí)間關(guān)聯(lián)，形成本底。通過(guò)γ與α信號(hào)的符合時(shí)間測(cè)量，獲得 α-γ的時(shí)間譜。通過(guò)時(shí)間窗可選出與 α粒子相關(guān)聯(lián)的中子產(chǎn)生的瞬發(fā)γ，獲得樣品的特征γ譜線，同時(shí)可很大程度地降低本底 γ，便于對(duì)γ譜的分析。因此，采用與α伴隨的快中子飛行時(shí)間技術(shù)和符合測(cè)量可獲得被伴隨α粒子“標(biāo)識(shí)”的中子產(chǎn)生的瞬發(fā)γ，通過(guò)分析γ能譜的C、N、O的特征γ射線比例來(lái)推斷 C、N、O原子比，最后鑒定是否為爆炸物。

圖1 伴隨α粒子技術(shù)檢測(cè)爆炸物原理圖Fig.1 The principle of explosive inspection with associated alpha particle technique.

實(shí)驗(yàn)測(cè)量在本所的ns-200中子發(fā)生器上進(jìn)行，中子產(chǎn)額約為5×107/s。用PIN、YAP(Ce)和ZnS等α 粒子探測(cè)器以及Φ4″×4″ NaI(Tl)、Φ1.5″×1.5″LaCl3、和Φ5″×8″ NaI(Tl)等 γ探測(cè)器進(jìn)行了性能測(cè)試，最后選用 ZnS α粒子探測(cè)器和 5″×8″NaI(Tl)探測(cè)器組成探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)石墨、水、液氮、硝酸氨、模擬炸藥、紙張、沙子等多種樣品進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)得的典型α-γ符合時(shí)間譜如圖2所示。按照中子飛行時(shí)間序列，顯示在時(shí)間譜上各種信號(hào)的時(shí)間順序依次為：中子發(fā)生器靶產(chǎn)生的γ射線、中子在樣品上產(chǎn)生的γ射線、最后為樣品周圍散射中子，這些信號(hào)均疊加在隨機(jī)本底信號(hào)上。因此，測(cè)量中須將樣品時(shí)間窗信號(hào)減去隨機(jī)本底信號(hào)，方得純樣品信號(hào)，測(cè)量得到的石墨樣品典型特征γ譜如圖3所示。

圖2 α-γ符合時(shí)間譜Fig.2 Alpha-gamma coincidence time spectrum.

圖3 石墨樣品典型γ射線譜Fig.3 Gamma-ray spectrum of the graphite sample.

2 蒙特卡羅模擬計(jì)算

2.1 探測(cè)效率計(jì)算

在爆炸物的檢測(cè)系統(tǒng)中，γ探測(cè)器成一定的立體角置于被檢測(cè)物周圍。為在一定的中子產(chǎn)額、短時(shí)間條件下提高檢測(cè)效率和檢測(cè)精度，γ探測(cè)器須有如下特點(diǎn)：本征探測(cè)效率高、能量分辨率好、響應(yīng)時(shí)間快，且費(fèi)用盡可能低。要滿足這些要求，一般選用大體積、高密度、高原子序數(shù)的無(wú)機(jī)閃爍體γ探測(cè)器。常用的有NaI(Tl)、BGO、BaCl2，LaCl3、LaBr3等閃爍體探測(cè)器。

用EGSnrc蒙特卡羅程序[7]對(duì)γ射線在標(biāo)準(zhǔn)無(wú)機(jī)閃爍體內(nèi)能量沉積的特性進(jìn)行了模擬計(jì)算。EGSnrc程序是一個(gè)通用的光子、電子、正電子耦合輸運(yùn)蒙特卡羅程序，能模擬1 keV–TeV能量的光子和10 keV–TeV能量的電子在任意三維幾何體內(nèi)輸運(yùn)情況。對(duì)于γ射線在無(wú)機(jī)閃爍體內(nèi)的能量沉積特性模擬如下：

(1) 模擬的閃爍體為直角圓柱裸晶體；

(2) 入射的 γ射線為平行束，垂直入射在晶體端面，平行束截面與探測(cè)器晶體截面相等；

(3) 晶體內(nèi)少量為發(fā)光而摻雜的物質(zhì)在模擬計(jì)算中忽略不計(jì)；

(4) 考慮γ射線在晶體中的邊界效應(yīng)。

模擬計(jì)算的無(wú)機(jī)閃爍體單能γ射線全能峰本征效率和單逃逸峰的本征效率示于圖4。爆炸物中C、N、O三種元素產(chǎn)生的2313、4439、5103和6130 keV的特征γ射線在各種閃爍體全能峰和單逃逸峰以及它們比值見(jiàn)表1。

圖4 蒙特卡羅模擬計(jì)算的六種閃爍體探測(cè)器的γ射線全能峰本征效率(a)和第一逃逸峰本征效率(b)Fig.4 Full-energy peak intrinsic efficiency (a) and single escaped peak intrinsic efficiency (b)for six large inorganic scintillators simulated with EGSnrc code

表1 C、N、O元素在14 MeV作用下的特征γ射線在探測(cè)器內(nèi)能量沉積特性Table 1 Energy deposition characteristics of scintillator for prompt γ-ray from C, N and O by 14 MeV neutrons

2.2 響應(yīng)函數(shù)計(jì)算

對(duì)于閃爍探測(cè)器測(cè)量到的γ能譜可采用傳統(tǒng)的逆矩陣法、最小二乘法等復(fù)雜γ能譜解析方法，對(duì)解得的γ能譜不同能區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)進(jìn)行分析，就可得到被測(cè)物品的 C、N、O含量，從而確定被測(cè)物品是否屬于爆炸物。但是，由于在對(duì)行李進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，受時(shí)間和中子注量的限制，測(cè)量得到的γ能譜的統(tǒng)計(jì)性一般都很差，用傳統(tǒng)解譜法得出的結(jié)果不確定度很大，易造成誤判。因此我們采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行γ能譜的識(shí)別，具有識(shí)別速度快、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，對(duì)爆炸物和日常有機(jī)物識(shí)別的結(jié)果令人滿意。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用前需要進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。通常利用多次測(cè)量的大量樣品γ能譜作為初始向量，以進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。由于統(tǒng)計(jì)漲落，同一樣品每次測(cè)得的γ能譜不會(huì)完全相同，因此網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練中的目標(biāo)向量，須通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行模擬計(jì)算而得到。

由MCNP程序計(jì)算中子、γ耦合輸運(yùn)的F8記錄，在本質(zhì)上不具有可靠性[8]，對(duì)此Perot等[9]已有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此響應(yīng)函數(shù)計(jì)算分兩步進(jìn)行：第一步是使用MCNP5計(jì)算能量為14 MeV的各向同性點(diǎn)源中子作用在樣品上的產(chǎn)生連續(xù)能量的γ射線譜，γ射線用F5點(diǎn)探測(cè)器在離樣品20 cm處來(lái)進(jìn)行記錄，點(diǎn)探測(cè)在不同方向的記錄顯示，較小樣品出射的 γ射線與角度無(wú)關(guān)。第二步是將F5記錄到的γ射線譜作為EGSnrc程序模擬中的源譜來(lái)計(jì)算γ探測(cè)器內(nèi)的能量響應(yīng)，得出的脈沖幅度譜根據(jù)探測(cè)器的能量分辨進(jìn)行高斯展寬。模擬計(jì)算了石墨、水、硝酸氨和模擬炸藥四種典型樣品的特征 γ射線在Φ5″×8″NaI(Tl)探測(cè)器內(nèi)的脈沖幅度譜，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的進(jìn)行了比較，計(jì)算和測(cè)量的脈沖幅度譜的比較結(jié)果見(jiàn)圖5。

3 結(jié)果與分析

圖4和表1分別為幾種閃爍體探測(cè)器的全能峰本征效率以及逃逸峰在探測(cè)器內(nèi)能量沉積特性。從其數(shù)據(jù)和曲線分布可以看出，如果只考慮探測(cè)器的探測(cè)效率，BGO探測(cè)器明顯要優(yōu)于其它的幾種探測(cè)器，LaBr3探測(cè)器位居其后。隨著探測(cè)器閃爍體的密度下降探測(cè)效率相應(yīng)降低，而且本征效率越高，其相應(yīng)的第一逃逸峰和第二逃逸峰相對(duì)越低，這樣在測(cè)量的脈沖幅度譜中，高能γ射線由于逃逸峰對(duì)低能γ射線全能峰的干擾相對(duì)大大降低，有利于γ能譜的分析。

如果考慮到探測(cè)器能量分辨，根據(jù)文獻(xiàn)[10,11]顯示Φ3″×3″的 BGO、LaBr3、LaCl3、NaI(Tl)探測(cè)器對(duì)137Cs的661 keV γ射線的能量分辨率分別為15.4%、3.0%、4.2%、7.0%?？紤]到爆炸物檢測(cè)中爆炸物的主要成分為C、N、O，它們?cè)谥凶幼饔孟庐a(chǎn)生的γ射線能量為2.38–6.13 MeV，在整個(gè)脈沖幅度譜的高能部分峰的半寬最高可達(dá)500 keV左右，這樣全能峰、康譜頓以及逃逸峰就會(huì)相互重疊，對(duì)譜的分析造成困難，降低檢測(cè)精度。

因此從探測(cè)效率和能量分辨兩個(gè)方面考慮，LaBr3閃爍體探測(cè)器為最佳備選探測(cè)器，然后為大體積 NaI(Tl)、再次為 BGO，其它的探測(cè)器基本上較少考慮。但是現(xiàn)在大尺寸的LaBr3正在研制中，還未有產(chǎn)品。且LaBr3和BGO的價(jià)格較高，NaI探測(cè)器是最為一種常用的探測(cè)器，價(jià)格便宜，性能適中，在爆炸物檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室研究中，可滿足實(shí)驗(yàn)所需。

圖5 碳(a)、氧(水樣品)(b)、硝酸氨(c)和模擬炸藥樣品(d)的NaI γ能譜 (●模擬譜；×測(cè)量譜)Fig.5 NaI γ-ray spectra of (a) graphite, (b) water, (c) ammonium and (d) mock explosive sample(● calculated; × measured)

圖5是石墨、水、硝酸氨和模擬炸藥在14 MeV中子作用下產(chǎn)生的特征γ射線在NaI(Tl)探測(cè)器內(nèi)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和模擬計(jì)算的能譜。C、N、O產(chǎn)生的特征γ射線的全能峰以及逃逸峰，在γ能譜的高能區(qū)，實(shí)驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)果符合的較好，兩者的偏差來(lái)自于模擬計(jì)算中的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)14 MeV中子非彈截面與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的差別[6]。而在3.5 MeV以下則存在著較大的偏差。這個(gè)是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，散射中子中的快成分與周圍材料作用產(chǎn)生的γ射線以及散射中子直接在探測(cè)器內(nèi)作用，由于探測(cè)器時(shí)間分辨受到一定限制，無(wú)法將其分開(kāi)造成的，另外模擬計(jì)算中使用的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)對(duì)這種偏差有一定的貢獻(xiàn)。

通過(guò)計(jì)算常見(jiàn)的爆炸物、日常有機(jī)物和一些單質(zhì)元素的14 MeV中子誘發(fā)的γ射線在探測(cè)器內(nèi)的響應(yīng)函數(shù)，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)爆炸物識(shí)別目標(biāo)向量數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)對(duì)檢測(cè)到的脈沖幅度譜進(jìn)行識(shí)別，可以有效替代為識(shí)別爆炸物而建立特征γ射線數(shù)據(jù)庫(kù)所需要的樣品和大量繁瑣的測(cè)量工作，提高工作效率。

4 結(jié)論

本工作的目的是通過(guò)蒙特卡羅模擬計(jì)算來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)基于快中子的伴隨α粒子技術(shù)的隱含爆炸物檢測(cè)系統(tǒng)。在對(duì)幾種閃爍體探測(cè)器的效率模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，分析表明，在伴隨α粒子技術(shù)的隱含爆炸物檢測(cè)系統(tǒng)中，這幾種探測(cè)器各自有自己的優(yōu)點(diǎn)，因此建議在爆炸物檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室研究中可以使用較便宜的NaI(Tl)探測(cè)器，而在作為產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用中，盡可能使用LaBr3、大體積NaI(Tl)或者BGO探測(cè)器，這樣可以提高檢測(cè)效率并降低誤報(bào)率。模擬計(jì)算石墨、水、硝酸氨和模擬炸藥在14 MeV中子作用下γ射線在探測(cè)器內(nèi)的脈沖幅度譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，模擬方法可靠，可由通過(guò)模擬來(lái)建立一個(gè)常見(jiàn)的單質(zhì)元素和爆炸物及富含C、N、O元素的日常用品在14 MeV中子作用下的γ射線在探測(cè)器內(nèi)的脈沖幅度譜數(shù)據(jù)庫(kù)，為以后爆炸物檢測(cè)中的數(shù)據(jù)分析提供支持。

1 Gozani T. Nucl Instr Meth, 1994, A353: 635

2 Gozani T. Nucl Instr Meth, 2004, B213: 460

3 Buffler A, Brooks F, Allie M,et al. Nucl Instr Meth, 2001,B173: 483

4 Perot B, Perret G, Mariani A,et al. Proc of SPIE, 2006,6213: 621305

5 Kuznetsov A, Evsenin A, Osetrov O,et al. Proc of SPIE,2006, 6213: 621306

6 Simakov S P, Pavlik A, Vonach H,et al. IAEA Nuclear Data Section, Final Report of Research Contract 7089/RB,2006,

7 Kawrakow I, Rogers D W O. NRCC Report PIRS-701,2005,

8 Thomas E, Booth John T, Goorley A S,et al.LA-CP-03-0245 Los Alamous USA, 2003

9 Perot B, Carasco C, Bernard S,et al. Appl Radiat Isot,2008, 66: 421

10 汲長(zhǎng)松. 核輻射探測(cè)器及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)手冊(cè). 北京: 原子能出版社, 1990. 300 JI Changsong. Handbook of nuclear radiation detectors &their experiment techniques. Beijing: Atomic Energy Press, 1990. 300

11 Gautier G, Iltis A, Raby P,et al. SGC Technical Paper—Recent Progress in LaCl3(Ce), BrilLanCe,October. 2004

CLCO571, TL84

Monte Carlo simulation for designing an explosive-inspection system

WANG Xinhua AN Li ZHENG Pu GUO Haiping HE Tie
(Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

In order to optimize the design of γ-ray detectors and data analysis of the system for inspection of explosive with associated alpha particle technique, Monte Carlo code EGSnrc was used to simulated detection efficiency and response function of inorganic scintillator detector for γ-rays, aimed at choosing the right type detector.Pulse height spectra of γ-rays ofΦ5″×8″ NaI(Tl) from graphite, water, ammonium nitrate and simulated explosive induced by 14 MeV neutron were simulated. The calculated results were analyzed and compared with experiments results, demonstrating that simulation method is reliable and it can be used to obtain the database of response function for explosive inspection.

Inspection of explosive, Detection efficiency, Response function, Monte Carlo simulation, Neural network

O571，TL84

王新華，男，1978年出生，2008年于蘭州大學(xué)獲碩士學(xué)位，粒子物理與原子核物理專業(yè)，從事中子物理學(xué)方面的研究

2009-11-20，

2009-12-17