基于標記中子方法檢測墻體爆炸物扣除本底方法

沈 星，朱鵬飛，馬 瑞，侯晶晶，楊柏棟，景士偉,

(東北師范大學 a.物理學院；b.物理學國家級實驗教學示范中心(東北師范大學)，吉林 長春 130024)

墻體內(nèi)隱藏爆炸物的檢測難度較大，因為高密度混凝土墻體的存在，使得墻體內(nèi)爆炸物的信息不易被檢測. 利用中子瞬發(fā)伽瑪技術(shù)檢測爆炸物的過程中會受到一定的環(huán)境本底及康普頓散射背景影響[1]，通過處理數(shù)據(jù)，提高特定環(huán)境下檢測爆炸物的準確性尤為重要. 本文采用全能(TPA)峰面積法、科沃爾(Covell)峰面積法和沃森(Wasson)峰面積法對C/O進行分析處理[2]，可有效減少本底對C/O這一判據(jù)的干擾.

1 實驗原理

1.1 本底來源分析

由于γ射線與物質(zhì)的相互作用主要包括光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對效應(yīng)，所輸出能譜較為復(fù)雜，在能譜中形成全能峰、康普頓坪、單逃逸峰和雙逃逸峰等. 在實際的γ譜中，由于散射光子及反散射峰、湮沒輻射峰、特征X射線、軔致輻射、累計效應(yīng)、和峰效應(yīng)、邊緣效應(yīng)等因素的影響，使得測量能譜變得更為復(fù)雜.γ能譜的本底譜主要來源包括康普頓效應(yīng)引起的連續(xù)譜分布；γ射線在探測器靈敏體積內(nèi)的小角度散射；天然本底峰，包括宇宙射線及天然核素放射性核素產(chǎn)生的全能峰等.

實驗測量的爆炸物位于高密度的墻體內(nèi)，墻體會改變?nèi)肷涞奖ㄎ锷系闹凶幽芰亢蛷姸?，也會衰減爆炸物樣品元素產(chǎn)生的特征γ射線強度. 同時墻體內(nèi)水泥中的O和Si元素含量很大，其與中子作用產(chǎn)生的特征γ射線也會部分疊加到γ探測器中，直接影響到對爆炸物內(nèi)O元素的分析，增加了爆炸物檢測的難度.

1.2 標記中子成像原理

標記中子技術(shù)中，配備有多像素α探測器的中子發(fā)生器是核心設(shè)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(yīng)，產(chǎn)生各向同性的14MeV中子. 在質(zhì)心坐標系下，T(d，n)α的核反應(yīng)產(chǎn)生的α與n在180°方向為一一對應(yīng)，在時間上相關(guān)聯(lián). 位置靈敏的α探測器可以探測出α粒子的運動方向和時間信息，進而給出中子的方向和時間信息. 探測器所張的立體角對應(yīng)伴隨中子出射的錐形區(qū)域，當中子與元素反應(yīng)發(fā)生在這個錐形區(qū)域內(nèi)時，生成的γ射線可以通過符合電路被探測到.

在T(d，n)α核反應(yīng)中，α粒子與中子在方向上關(guān)聯(lián). 與α相關(guān)聯(lián)的中子與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生瞬發(fā)γ，而其他中子產(chǎn)生的γ射線在時間與該部分α粒子不關(guān)聯(lián)，形成本底. 通過γ與α信號的符合測量，獲得γ射線的飛行時間譜，通過時間窗可以選出與α粒子相關(guān)聯(lián)的中子產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線，獲得樣品的特征γ譜線，可以很大程度降低本底γ，便于對γ譜的分析[3-11].

1.3 3種峰面積計算方法

按照扣除本底以及選取邊界道址的不同，可分為全能峰面積(TPA)法、科沃爾(Covell)峰面積法和沃森(Wasson)峰面積法等,其示意如圖1所示[13-16].

1)全能峰面積(TPA)法：分別取兩邊峰谷L和R，將道址L-R間的脈沖計數(shù)全部相加，本底以線性扣除. 此方法也叫做線性本底法. 由于存在統(tǒng)計漲落的影響，以左右兩邊界點計算本底，邊界的誤差較大，故在左、右邊界周圍各取n點，共2n+1個點計算平均值作為本底. 雖然TPA法可以獲得最大的統(tǒng)計計數(shù)，但峰兩側(cè)靠近邊界L值和R道計數(shù)對峰面積貢獻不大，卻使誤差顯著增加.

2)Covell法：在峰值兩側(cè)選取對稱的邊界道址，并用直線連接峰曲線上對應(yīng)的邊界上兩點，把該直線以下的面積作為本底直接扣除. 只采用峰區(qū)中，相對標準差較小的道的計數(shù)來計算面積. 這種方法采用的基線,相對來說比較高,因而峰面積的標準偏差比較大.

3)Wasson法：邊界道址選取與Covell法一樣，本底部分為TPA法與兩邊界道址的重疊部分. 取窄峰區(qū)，用低基線.Wasson既吸取了Covell法的優(yōu)點,又保留了TPA法基線較低的長處.

(a) TPA法

(b) Covell法

(c) Wasson法

2 實驗裝置

系統(tǒng)裝置框圖如圖2(a)所示，裝置主體為手提箱式設(shè)計(93cm×66cm×47cm)，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. 俄羅斯自動化研究所(VNIIA)研制的ING-27型發(fā)生器作為中子源，中子產(chǎn)額5×107s-1，α探測采用半導(dǎo)體硅探測器，數(shù)量為9個按3×3排列，每個α探測器的尺寸為10mm×10mm，從檢測裝置向被測物方向看9個α探測器對應(yīng)的檢測區(qū)域標號視覺圖如圖2(b)所示. 加上電子學系統(tǒng)，可給出α粒子的時間和探測器序號，α探測器對3MeV的α粒子探測的本征效率接近100%.

(a)實驗系統(tǒng)

(b)α探測器標號圖2 實驗系統(tǒng)及α探測器標號

手提箱主體固定在可移動式小車上，可移動至可疑墻體處進行檢測. 控制分析系統(tǒng)安裝在筆記本電腦上，通過單根網(wǎng)線與主體相連. 2個φ76mm×76mm的LYSO探測器分別位于中子發(fā)生器一側(cè)，外有2cm厚鉛準直器，探測器與中子發(fā)生器發(fā)射單元之間用15cm厚鎢板隔開以避免中子對探測器的直接照射.

3 實驗數(shù)據(jù)及實驗結(jié)果

實驗用硝銨及TNT模擬物的成分配比見表1和表2. 將按比例混和好的粉末壓制成與實際爆炸物密度相當?shù)姆綁K，每份50g密封完好備用. 利用實驗裝置測量300g(6塊)硝銨及300gTNT模擬物分別在10cm和15cm墻中的瞬發(fā)γ能譜圖，經(jīng)過平滑處理如圖3所示，中子產(chǎn)額5×107s-1，測量時間300s.

表1 100 g模擬TNT炸藥的組成

表2 100 g模擬硝銨炸藥的組成

根據(jù)所測得能譜計算出3種元素C，N和O的特征峰計數(shù)，實驗中確定每個γ探測器與α探測器的2,3,5和6號探頭符合測量后的能譜為最后判定數(shù)據(jù). 由于O峰對N峰影響較大，只選擇2種元素C和O的特征峰計數(shù)進行計算，求出C/O值，作為判斷10 cm墻和15 cm墻內(nèi)是否存在硝銨和TNT爆炸模擬物的依據(jù). 之后采用3種扣除本底方法對2種元素C和O特征峰計數(shù)進行處理，得到去除本底后的C/O值，判定在同種特定環(huán)境下，是否能更準確地斷出是否有硝銨和TNT爆炸模擬物存在. 本文中以2個γ探測器與之符合的α探測器中的2,3,5和6號8個探頭中至少有6個探頭能夠與非爆炸物有明顯區(qū)別，作為有效判定依據(jù).

未扣除本底法與全能峰面積(TPA)法中C元素含量的峰面積計算道址取值為575～632道，O元素峰面積道址取值為777～847道. Covell法與Wasson法中C元素道址取值為587～617道，O元素道址取值為790～820道.

(a)10 cm

(b)15 cm圖3 硝銨、TNT模擬物分別在10 cm和15 cm墻體中的γ能譜圖

采用上述4種方法計算硝銨與TNT分別在10 cm和15 cm墻中2,3,5和6號探頭對應(yīng)的C和O峰面積，得到的C/O如圖4～7所示. (圖中將2個γ探測器對應(yīng)的2，3，5和6號8個α探頭依次排序為1～8號探頭. )

計算在不同環(huán)境下C和O兩峰對應(yīng)的峰面積，得出相應(yīng)的C/O值，以此為判據(jù)來判斷是否有爆炸模擬物的存在. 通過3種不同去除本底的方法計算出C和O兩峰對應(yīng)的峰面積，得到C/O值與未去除本底時的C/O相比，在特定環(huán)境下，C/O這一依據(jù)適用范圍有了很大改善，而這一依據(jù)具體結(jié)果如表3所示，用“√”表示判斷依據(jù)可用.

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

表3 不同方法扣除本底前后判斷爆炸模擬物比較

4 結(jié) 論

高密度強體的強干擾作用，使得墻體內(nèi)爆炸模擬物中的N元素特征峰很難被探測到，同時，因N的5.1 MeV特征峰被O元素的6.13 MeV特征峰的雙逃逸峰干擾，采用N作為判定標準誤差很大. 選用C/O作為判據(jù)，判斷特定環(huán)境下是否存在爆炸物，并對這一判據(jù)進行處理分析. 采用3種不同扣除本底方法計算C/O值，與未扣除本底時C/O值進行對比，提高了C/O判據(jù)適用性，說明該方法具有較強實用性. 未來將測試判斷爆炸物存在的其他方法，如小波分析、SNIP等進行扣除本底處理，減少本底帶來的干擾，提高判據(jù)的準確性.

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