基于PGNAA技術對地雷探測的MOCA模擬及能譜分析

李昌華,朱晨熙,陳向春,曹 倩,龍 渝,景士偉,b

(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)

PGNAA(Prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)技術是一種全物料測量過程，目前已廣泛應用于水泥、煤炭等行業(yè)的物料分析[1-3]，該技術對較低原子序數的元素有較高的分析靈敏度[4]，從原理上可探測地雷中相關γ能譜，PGNAA技術可以進行地雷探測. MOCA是基于蒙特卡羅思想的一種模擬中子和γ射線傳輸過程的程序，具有操作簡單、結果可靠等特點，更適合應用于PGNAA技術[5]，可用于模擬地雷探測過程. 該軟件在國內普及程度不高，使用MOCA程序進行的相關研究有限[6-9]. 探雷裝置的設計對探雷精度影響巨大，裝置內屏蔽體部分和反射體部分同時影響著中子成分和數量，若采用可關斷的NG-9型中子發(fā)生器，可無需對所有方向進行屏蔽，對屏蔽體與反射體部分的幾何構型和具體參量僅需考慮源到探測器之間屏蔽即可，從而僅需重點考慮提高熱中子數和比率問題. 本文對使用MOCA程序構建并優(yōu)化后的地雷探測構型進行探測可行性和精確度討論[9]，尋找其內在規(guī)律.

1 實驗原理及可行性討論

瞬發(fā)γ射線中子活化分析(PGNAA)技術利用中子源產生的中子流轟擊靶樣品中各元素的原子核從而發(fā)生輻射俘獲、非彈散射，各元素被激發(fā)和退激后放出特征γ射線，利用γ能譜探測器采集γ射線，從而根據特征γ射線的能量和強度確定元素種類和定量分析. 該方法的優(yōu)點是探測速度快(10-4s)，樣品無損，可進行全元素分析. 國外主要利用PGNAA技術進行煤質分析和水泥檢測，整個過程比較系統(tǒng)和完善. 近年來國內也開始了該技術的研究與應用[5,10-14].

地雷主要由C，H，O，N構成，與土壤的成分相比，地雷中C和N元素含量明顯高，H元素含量略高，O元素含量略低，初步認為C和N峰的測量數據對最終的地雷分析更加可靠. N峰在全譜很難被精確測出，在初步定性分析時使用LYSO探測器，在譜圖中找不到可供分析的N峰，將C，H和O作為分析元素，分析時C元素權重大.

地雷尺寸對地雷探測有顯著影響. 一方面影響C，H和O分析元素的質量，進而影響特征峰強度；另一方面，地雷的尺寸不是越大越容易被探測，這是由于地雷本身含有的C，H，O和N元素對快中子具有慢化作用，對本底計數率造成影響.

若已知標準樣品和待測樣品的計數率和標準樣品的質量，可通過中子活化分析技術對比得到待測樣品的質量[4]，方程式為

其中，m標和m0分別為標準樣品質量和待測樣品質量，c樣t′和c標t′分別為待測樣品和標準樣品在t′時刻所測元素計數率.

盡管中子活化分析探測地雷在原理上可行，但仍存在問題,如：地雷檢測環(huán)境中有土壤成分干擾，在能譜分析中的本底處理問題；如何從能譜中得到具體元素的準確計數率. PGNAA技術是全元素檢測，通過多元素分析，可提高探測精度.

2 實驗方案

2.1 模擬地雷探測裝置構型

地雷探測裝置由中子發(fā)生器、γ射線探測器、屏蔽體、反射體和慢化體5部分組成，探雷裝置的幾何構型和具體參量均會對中子慢化產生影響. 本文參考文獻[15-17]，根據自身研究特點對研究內容進行相關修改和完善，為提高熱中子數舍棄了同心圓柱的構型，同時增加反射體部分，所構造的探雷裝置結構如圖1所示. 中子源選用東北師范大學自主研發(fā)的NG-9型中子發(fā)生器，LYSO為γ射線探測器，慢化體材料選用鎢、碳化鎢作為反射體，將“鎢-含硼聚乙烯-鉛”3層圓臺結構作為屏蔽體. 由于NG-9型中子管外殼本身具有中子慢化作用，因而在考慮熱中子率的前提下進一步考慮熱中子數作為判據. 3層屏蔽體的參量通過更改厚度后綜合考慮熱中子數量和熱中子與其他中子的比例，實驗數據如圖2所示，構造的裝置將打向地面方向的中子數最大化，盡可能減小中子源對探測器的直接影響. 最終確定裝置具體參量如表1所示. 該裝置在MOCA程序上的構型如圖3所示. 該裝置相比于國內外其他項目組所研究的地雷探測裝置，最大的優(yōu)點在于利用NG-9型中子發(fā)生器本身具有可關斷這一特點，添加屏蔽裝置后可最大化減小對人的傷害，且將屏蔽與反射兩部分裝置分開，避免了由構型過厚導致的中子源到待測地雷間距增大使得探測效果變差的問題.

(a)鎢

(b)含硼聚乙烯

(c)鉛圖2 屏蔽體厚度確定實驗圖

表1 地雷探測裝置參量

(a)

(b)

(c)圖3 MOCA程序構造地雷探測裝置示意圖

2.2 地雷深度探測實驗設計

選用RDX(黑索金)和TNT質量各占50%的3.46 kg反坦克地雷(立方體，密度為1.73 g/cm3；體積為10 cm×10 cm×20 cm)作為研究對象，項目組在之前實驗中得到地雷位置在γ探測器正下方探測效果好于地雷位置在中子源正下方情況. 中子源發(fā)出中子經土壤(含5%水分，立方體，密度為1.575 g/cm3；體積為120 cm×120 cm×120 cm)到達地雷時會被土壤慢化，產生大量慢熱中子. 地雷中所含4種元素的俘獲截面隨著中子能量的減小而增加(如圖4所示[18])，土壤慢化作用使得到達地雷位置處的低能中子數量增加，使相應特征峰更為明顯；另一方面，中子與地雷中元素反應后生成特征γ射線也會與土壤發(fā)生作用進而減少進入探測器的γ射線數量，因而地雷與γ射線探測器的位置應盡量接近，據此文中所有涉及“地雷在探測裝置正下方”中意為在γ探測器正下方. 實驗過程如下：使用MOCA軟件構圖，將地雷位置確定在γ探測器正下方，地雷上表面距離地面上表面的間距以每隔1 cm的改變量從0 cm開始到15 cm共測量16組數據，再加上去除地雷時僅測量土壤本底計數共17組數據，實驗裝置相關參量如表1和表2所示.

圖4 C,H,O和N 4種元素的俘獲反應截面

表2 土壤和地雷所含元素及質量百分比

2.3 地雷定域內具體位置探測實驗設計

實際情況中，在一片可能埋藏區(qū)中地雷具體位置和深度未知，因此定域內探測地雷具體位置是符合實際情況的模擬測試. 在原有的構型上設計了一種測量方式，圖5為地雷探測路徑，給定地雷可能存在區(qū)域為120 cm×120 cm土壤，將探測裝置按圖5所示路徑對定域進行掃描，縱向每隔5 cm測量1次，2條縱向測量線間距為5 cm，共169組譜圖，將其中的H峰、C單逃逸峰、C全能峰和O峰面積與對應三維坐標建立關系，根據獲得的γ能譜數據，經分析來確定地雷具體位置.

圖5 地雷探測路徑示意圖

3 實驗數據及分析

3.1 地雷有效探測深度

利用MOCA程序模擬過程并輸出的譜圖如圖6所示，將圖6中C,H和O的全能峰以及C的單逃逸峰共4個在譜圖中較為明顯的峰進行積分后得到4組數據. 對于本底的去除方法為直接減去本底計數，作圖后如圖7所示. 上述峰在去本底后峰面積將分為高于零的計數和低于零的計數2類，根據不同深度下去本底后峰面積是否大于零作為有效探測深度的判據.

圖6 不同深度下γ射線能譜圖

(a)氫峰計數(減去本底)

(b)碳單逃逸峰計數(減去本底)

(c)碳全能峰計數(減去本底)

(d)氧峰計數(減去本底)圖7 不同元素特征γ射線去本底后峰面積與地雷深度對應關系

圖4中3種元素的特征峰對應的反應如下：

其中，H元素的俘獲反應截面由圖4可得，C元素和O元素的快中子非彈反應截面為200～400 mb和474 mb. 為提高特征峰面積，應盡可能增加到達地雷處的14 MeV快中子和低能熱中子數量.

總體來看，對于H峰、C單逃逸峰、C全能峰和O峰而言，地雷埋藏越深，H峰、C單逃逸峰和C全能峰的峰面積總體呈下降趨勢，而O峰的峰面積總體呈上升趨勢，且C單逃逸峰和C全能峰分別在深度14 cm和深度8 cm后峰面積小于本底面積. 由于C單逃逸峰是由探測器內部反應產生，與C全能峰并無本質區(qū)別，將二者求和后綜合判斷深度9 cm定為本裝置有效地雷探測深度. O峰峰面積始終小于本底面積，因為地雷所含O元素質量分數小于土壤中O，與2種元素H和C變化規(guī)律不同. 3種元素峰面積隨深度非單調性變化的產生原因是多方面的：PGNAA技術是全譜分析，有一些截面較小的反應也會被記錄在總譜中，但其截面較小，特征峰不明顯，與康普頓坪等部分一同被當做本底而去除，又由于有無地雷時元素分布的差異性，會出現2次測量時本底不完全相同從而在相減后出現偏差；地雷埋藏深度不同影響著中子分布，不同分布會對最終統(tǒng)計結果造成影響；元素特征峰面積隨地雷深度變化呈單調性是中子產額趨于無限的理想情況，實際模擬時受模擬次數影響，不能達到無限次模擬，較大影響著最終譜圖[19]；由于γ射線會與物質發(fā)生相互作用時形成康普頓坪，影響特征峰峰面積以及本底計數，又因為康普頓效應的產生概率與核外電子運動有關，因而與電子云分布有關.

盡管有著多種因素限制著去本底后峰面積的單調性變化，但為了地雷位置探測的需要，仍需要建立起地雷深度與峰面積的相關規(guī)律.

3.2 地雷具體位置探測

本底確定是數據處理時面臨的重要問題，由于中子源和土壤相對位置的改變，導致中子分布產生巨大變化，進而導致本底不同. 盡管土壤和地雷在幾何模型上具有比較好的對稱性，但由于地雷探測裝置的不對稱性，從幾何對稱性分布角度去分析不同坐標本底同樣會帶來誤差. 把區(qū)域內所有測量點的γ能譜取平均，將該平均值作為本底. 這樣定義的優(yōu)點在于充分利用測量數據，且地雷在土壤中所占比重越小算出的本底越可靠，本模型中地雷體積僅占土壤的1/864，因而是一種比較有效的本底確定方式. 缺點在于會減去部分被正確測量的峰面積，因此此方法只能作為定性判斷. 使用這種本底定義方法初步判斷地雷坐標，進而用程序模擬1組該坐標無地雷時的γ計數作為真正的本底用于定量計算.

地雷坐標探測結果如圖8所示，圖中為C的全能峰和單逃逸峰積分后求和的數據. 圖中白框部分為地雷的實際位置，可以看到C的高計數位置(35，45)、(35，50)與地雷的實際質心位置(40，50)存在一定偏差，坐標誤差為5.59 cm，且在坐標為(25，35)和(55，35)兩點有誤報現象存在.

圖8 地雷坐標探測數據圖

4 結束語

驗證了運用MOCA程序對地雷探測這一過程進行模擬的可行性，后續(xù)研究方向將分為以下幾個方面：改進探雷路徑，嘗試更改探測器、含雷土壤和中子源三者的相對位置，試圖消除坐標偏差；進一步分析已有數據，例如在地雷深度判斷時將C的全能峰和單逃逸峰、雙逃逸峰等放在一起考慮，這樣處理后裝置有效深度判斷距離應大于9 cm；考慮不同種類的反坦克地雷和不同土壤類型下的探測能譜，提高該裝置實用性；利用MOCA程序進一步補充實驗數據，利用支持向量機或神經網絡對大量實驗數據進行分析，尋求其內在規(guī)律并總結成公式或建立一套健全的數據庫，期望得到一種可自我進化的地雷判斷方法.