利用標記中子檢測墻體內(nèi)爆炸物

侯晶晶，沈 星，朱鵬飛，馬 瑞，景士偉

(東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024)

利用標記中子檢測墻體內(nèi)爆炸物

侯晶晶，沈 星，朱鵬飛，馬 瑞，景士偉

(東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024)

利用14MeV標記中子發(fā)生器、φ76mm×76mm硅酸釔镥(LYSO)γ探測器及時間分辨約1.7ns的快電子學系統(tǒng)搭建實驗裝置，獲得了D-T中子作用下空氣、墻體10cm和15cm深處以及硝銨和TNT模擬物分別在這些環(huán)境中的瞬發(fā)γ能譜. 計算了12C,14N,16O的元素特征峰計數(shù)，并討論了爆炸物在不同環(huán)境下的分辨方式.

標記中子；γ能譜；元素含量；爆炸物

近年來，國際恐怖主義組織的影響在不斷擴大，在全球化背景下，遏制國際恐怖主義的傳播和發(fā)展已經(jīng)成為各國都要面對的重要問題[1-4]. 爆炸源的隱藏方式多種多樣，能夠提前探測到爆炸源并及時做出處置，可以把爆炸案件消滅在未遂狀態(tài). 目前國際上發(fā)展以中子為探針來檢測爆炸物的方法，其中主要分為熱中子分析法和快中子分析法2種. 熱中子分析法對富含N的樣品有一定優(yōu)勢，但也因周圍環(huán)境的N元素存在而受干擾. 相對于熱中子，快中子具有穿透能力強的特點，通過近十幾年來快中子檢測技術的發(fā)展，基于D+T反應的伴隨粒子成像技術較其他快中子分析方法有許多優(yōu)點，最大的優(yōu)勢是抗干擾和空間分區(qū)檢測，因而備受研究者關注.

標記中子技術近年來發(fā)展很快，該技術通過檢測α粒子與γ射線的符合譜，大大降低了測量本底，并且可以對爆炸物的位置進行定位，是一項非常有前景的爆炸物檢測技術[5-7]. 本文采用標記中子法(Taggedneutronmethod，TNM)，對爆炸物所含元素C,N,O以及爆炸物所處的空氣和墻體環(huán)境進行了瞬發(fā)γ譜測量，并且對其進行了分析.

1 實驗原理

標記中子技術中，配備有多像素α探測器的中子發(fā)生器是核心設備. 在中子發(fā)生器內(nèi)，加速的D離子與靶中的T核發(fā)生t(d，n) α反應，產(chǎn)生各向同性的14 MeV中子. 每產(chǎn)生1個中子，都相應會產(chǎn)生1個α粒子. 在質心坐標系中，t(d，n) α的核反應產(chǎn)生的α與n在180°方向為一一對應，在時間上相關聯(lián). 位置靈敏的α探測器可以探測出α粒子的運動方向，因而會給出中子的方向信息. 探測器所張的立體角也相應會給出伴隨中子出射的錐形區(qū)域，當中子與元素反應發(fā)生在這個錐形區(qū)域內(nèi)時，生成的γ射線可以被探測到.

當與α粒子相關聯(lián)的中子與樣品發(fā)生反應后，一部分中子直穿出樣品，該部分中子在強度上減弱，但是時間上仍然與α粒子相關聯(lián)； 另一部分中子與樣品發(fā)生反應，產(chǎn)生瞬發(fā)γ射線，因中子與物質作用產(chǎn)生瞬發(fā)γ射線的時間極短(10-17～10-16s)，因此在時間上與α關聯(lián)，而其他中子產(chǎn)生的γ射線在時間上與該部分α粒子不關聯(lián)，形成本底. 通過γ與α信號符合測量，獲得γ射線飛行時間譜，通過時間窗可以選出與α粒子相關聯(lián)的中子產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線，獲得樣品特征γ譜線，同時很大程度降低本底γ，以便于對γ譜進行分析[7-14].

2 實驗裝置

實驗系統(tǒng)如圖1所示，裝置主體為手提箱式設計(93 cm×66 cm×47 cm)，內(nèi)有伴隨粒子中子發(fā)生器系統(tǒng)、硅酸釔镥(LYSO)探測系統(tǒng)、快電子學系統(tǒng)(包括多道分析器)等. 手提箱主體固定在可移動式小車上，可以移動至可疑墻體處進行檢測. 控制分析系統(tǒng)(筆記本電腦)通過單根網(wǎng)線與主體相連接. 2個φ76 mm×76 mm的LYSO探測器分別位于中子發(fā)生器一側，外有2 cm厚鉛準直器，探測器與中子發(fā)生器發(fā)射單元之間用15 cm厚鎢板隔開,以避免中子對探測器的直接照射.

圖1 實驗系統(tǒng)

3 實驗結果

實驗選取了2種爆炸物硝銨和TNT的模擬物，分別測量在空氣中、墻體10 cm和15 cm深處C,N,O 3種元素的瞬發(fā)γ譜，并測量相應的本底譜. 硝銨和TNT模擬物在空氣、墻體10 cm和15 cm深處的γ能譜如圖2～4所示. 可看出，C元素的4.43 MeV特征峰及O元素的6.13 MeV特征峰都非常明顯.

圖2 硝銨和TNT模擬物在空氣中的γ能譜圖

圖3 硝銨和TNT模擬物在墻體10 cm深處的γ能譜圖

圖4 硝銨和TNT模擬物在墻體15 cm深處的γ能譜圖

4 爆炸物判定

根據(jù)所測得的能量譜計算C,O,N 3 種元素的計數(shù)，并且分別求出2個γ探測器所分別對應的第2，3，5，6個α探測器的N(C)∶N(O ),N(N)∶N(O),N(C)∶N(C+O+N),N(N)∶N(C+O+N),N(O)∶N(C+O+N)的值[9](注：下文用元素符號之比表示計數(shù)比)，及各自的誤差，利用某一確定的條件下環(huán)境與爆炸模擬物的各項計數(shù)比的差別判斷環(huán)境中是否存在硝銨和TNT模擬物.

實驗數(shù)據(jù)處理采用了寬能窗和窄能窗進行爆炸模擬物的判定，寬能窗用C,N,O各元素所在峰的峰面積表示元素含量，峰面積比表示相應元素含量比，窄能窗所取范圍是寬能窗范圍的中間區(qū)域，其包含了相應元素的大部分信息. 寬能窗C元素峰面積計算取值為575～632道，N元素取值為657～700道，O元素取值為777～847道. 窄能窗C元素取值為584～613道，N元素取值為671～685道，O元素取值為784～823道.

利用寬能窗N/O值判斷墻體10 cm深處的爆炸模擬物見圖5，可以看出硝銨模擬物與10 cm墻的N/O值中8個數(shù)據(jù)全部存在顯著差異，即認為有8個有效數(shù)組，TNT模擬物與10 cm墻的N/O值不存在顯著差異，即有0個有效數(shù)組. 因此可通過寬能窗的N/O的值判斷墻體10 cm深處的硝銨，無法判斷墻體10 cm深處的TNT.

圖5 利用寬能窗N/O判斷墻體10 cm深處爆炸模擬物

利用窄能窗N/O的值判斷墻體10 cm深處的爆炸模擬物如圖6所示，由圖6可以看出硝銨和TNT模擬物與10 cm墻的N/O值中，各自都只有1組數(shù)據(jù)存在顯著差異，即認為各自有1個有效數(shù)組，因此無法通過窄能窗的N/O的值判斷墻體10 cm深處的硝銨與TNT. 在算法中認為有2組或者2組以上的數(shù)據(jù)存在明顯性差異便可以判斷相應環(huán)境中的爆炸物，否則認為該方法無法判斷出此種情況是否存在爆炸物.

圖6 利用窄能窗N/O判斷墻體10 cm深處爆炸模擬物

用同樣的方法得出在空氣中、墻體10 cm和15 cm深處用C/O,N/O,C/(C+N+O),N/(C+N+O),O/(C+N+O)分辨爆炸物的有效組數(shù)，見表1. 可以看出用不同指標判斷不同環(huán)境下不同爆炸物的有效數(shù)據(jù)不盡相同. 用窄能窗處理時，最多只有1組數(shù)據(jù)存在明顯差異，因此用窄能窗無法有效判斷爆炸物，用寬能窗處理時，N/O，C/(C+N+O)， N/(C+N+O)，O/(C+N+O)計數(shù)比可有效判斷環(huán)境中的爆炸物.

表1 爆炸模擬物分辨有效組數(shù)

5 結 論

建立了利用標記中子方法檢測墻體內(nèi)爆炸物的實驗測量系統(tǒng),并且開展了相應的測量研究，獲得了D-T中子作用下空氣中、墻體10 cm和15 cm深處以及硝銨和TNT模擬物分別在這些環(huán)境中的瞬發(fā)γ譜. 通過寬能窗和窄能窗取峰面積法分別處理了各種條件下γ譜中的C,N,O峰面積，進而利用爆炸物在環(huán)境中的C/O,N/O,C/(C+N+O),N/(C+N+O),O/(C+N+O)的數(shù)值之間的差異判斷相應環(huán)境中是否存在爆炸物. 在寬能窗中可以判斷出空氣中、墻體10 cm深處的硝銨模擬物，以及墻體15 cm深處TNT模擬物的存在，但不同環(huán)境下判斷不同的爆炸物依據(jù)的方式不盡相同，在寬能窗的情況下無法通過這些方式判斷出墻體10 cm深處的TNT模擬物和墻體15 cm深處的硝銨模擬物，在窄能窗的情況下無法通過這些方式有效地判斷出環(huán)境中存在的爆炸物.

[1] Pesente S, Nebbia G, Lunardon M, et al. Detection of hidden explosives by using tagged neutron beams with sub-nanosecond time resolution [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2004,531(3):657-667.

[2] 鄭博斐. 全球化背景下國際恐怖主義組織的傳播轉型[J]. 信息安全與通信保密,2017(4):23-28.

[3] 安健飛,成彬彬,桑子儒,等. 基于目標極化特性的人體隱藏危險品檢測方法[J]. 電子與信息學報，2017,39(7):1612-1618.

[4] 梁永磊,黃寅生,鈕雪冰,等. 典型爆炸物探測技術研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 中國安防,2015(22):74-78.

[5] 景士偉,郭勇,鄭玉來,等. 標記中子法檢測包裹內(nèi)爆炸物[J]. 核電子學與探測技術,2015,35(7):721-725.

[6] Sudac D, Matika D, Valkovic V. Identification of materials hidden inside a sea-going cargo container filled with an organic cargo byusing the tagged neutron inspection system [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2008,589(1):47-56.

[7] 郭海萍,鄭普,安力,等. 爆炸物檢測中典型樣品的瞬發(fā)γ譜測量[J]. 強激光與粒子束,2013,25(9)：2429-2432.

[8] 徐四大,朱維彬. 檢測爆炸物和毒品的伴隨粒子成像方法[J]. 原子能科學技術,1998,32(6):482-486.

[9] 安力，何鐵，郭海萍,等. 伴隨粒子法瞬發(fā)γ能譜測量技術研究[J]. 原子能科學技術,2010,44(S1):15-18.

[10] 何鐵,陳淵,安力,等. α粒子散射對爆炸物檢測時間分辨的影響[J]. 強激光與粒子束,2010,22(10):2437-2440.

[11] Donzella A, Bodini I, Zenoni A, et al. Experimental validation of MCNP simulations for the EURITRACK tagged neutron inspection system [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2007,261(1/2):291-294.

[12] 楊祎罡,李元景,王宏淵,等. 基于14 MeV μs脈沖中子發(fā)生器與NaI(Tl)和BGO閃爍探測器的爆炸物檢測系統(tǒng)的研制[J]. 同位素,2005,18(1):34-38.

[13] 徐四大. 伴隨粒子成像及其應用[J]. 青島大學學報(自然科學版),1997,10(2):60-61.

[14] 鄭玉來,王強,楊璐,等. 基于快中子伴隨α粒子方法的爆炸物檢測技術的蒙特卡羅方法模擬[J]. 核電子學與探測技術,2013,33(10):1175-1178.

Inner-walldetectionofexplosivesusingtaggedneutron

HOU Jing-jing, SHEN Xing, ZHU Peng-fei, MA Rui, JING Shi-wei

(School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China)

The tagged neutron method was used to detect explosives. The experiment device was set up using 14 MeV tagged neutron generator, LYSO gamma ray detector and fast electronics system with time resolution about 1.7 ns. The prompt gamma energy spectra were obtained under the action of D-T neutron in air, 10 cm and 15 cm wall body, and ammonium nitrate and TNT simulants in these environments. After the analysis of the count areas of12C，14N，16O, the distinguishment of the explosive in the specific environment was discussed.

tagged neutron; γ energy spectra; element content; explosive

O571.53;X932

A

1005-4642(2017)10-0010-04

[責任編輯：任德香]

2017-06-19

侯晶晶(1994-)，女，山西代縣人，東北師范大學物理學院2014級本科生.

指導教師：景士偉(1975-)，男，遼寧葫蘆島人，東北師范大學物理學院副教授，博士，主要研究方向為中子發(fā)生器研制及射線應用.