基于PGNAA技術(shù)對(duì)地雷探測(cè)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(xué) a.物理學(xué)院;b.物理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(東北師范大學(xué))，吉林 長(zhǎng)春 130024)

PGNAA(Prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)技術(shù)是一種全物料測(cè)量過程，目前已廣泛應(yīng)用于水泥、煤炭等行業(yè)的物料分析[1-3]，該技術(shù)對(duì)較低原子序數(shù)的元素有較高的分析靈敏度[4]，從原理上可探測(cè)地雷中相關(guān)γ能譜，PGNAA技術(shù)可以進(jìn)行地雷探測(cè). 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(jiǎn)單、結(jié)果可靠等特點(diǎn)，更適合應(yīng)用于PGNAA技術(shù)[5]，可用于模擬地雷探測(cè)過程. 該軟件在國(guó)內(nèi)普及程度不高，使用MOCA程序進(jìn)行的相關(guān)研究有限[6-9]. 探雷裝置的設(shè)計(jì)對(duì)探雷精度影響巨大，裝置內(nèi)屏蔽體部分和反射體部分同時(shí)影響著中子成分和數(shù)量，若采用可關(guān)斷的NG-9型中子發(fā)生器，可無需對(duì)所有方向進(jìn)行屏蔽，對(duì)屏蔽體與反射體部分的幾何構(gòu)型和具體參量?jī)H需考慮源到探測(cè)器之間屏蔽即可，從而僅需重點(diǎn)考慮提高熱中子數(shù)和比率問題. 本文對(duì)使用MOCA程序構(gòu)建并優(yōu)化后的地雷探測(cè)構(gòu)型進(jìn)行探測(cè)可行性和精確度討論[9]，尋找其內(nèi)在規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)原理及可行性討論

瞬發(fā)γ射線中子活化分析(PGNAA)技術(shù)利用中子源產(chǎn)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(cè)器采集γ射線，從而根據(jù)特征γ射線的能量和強(qiáng)度確定元素種類和定量分析. 該方法的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)速度快(10-4s)，樣品無損，可進(jìn)行全元素分析. 國(guó)外主要利用PGNAA技術(shù)進(jìn)行煤質(zhì)分析和水泥檢測(cè)，整個(gè)過程比較系統(tǒng)和完善. 近年來國(guó)內(nèi)也開始了該技術(shù)的研究與應(yīng)用[5,10-14].

地雷主要由C，H，O，N構(gòu)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(rèn)為C和N峰的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)最終的地雷分析更加可靠. N峰在全譜很難被精確測(cè)出，在初步定性分析時(shí)使用LYSO探測(cè)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(shí)C元素權(quán)重大.

地雷尺寸對(duì)地雷探測(cè)有顯著影響. 一方面影響C，H和O分析元素的質(zhì)量，進(jìn)而影響特征峰強(qiáng)度；另一方面，地雷的尺寸不是越大越容易被探測(cè)，這是由于地雷本身含有的C，H，O和N元素對(duì)快中子具有慢化作用，對(duì)本底計(jì)數(shù)率造成影響.

若已知標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品的計(jì)數(shù)率和標(biāo)準(zhǔn)樣品的質(zhì)量，可通過中子活化分析技術(shù)對(duì)比得到待測(cè)樣品的質(zhì)量[4]，方程式為

其中，m標(biāo)和m0分別為標(biāo)準(zhǔn)樣品質(zhì)量和待測(cè)樣品質(zhì)量，c樣t′和c標(biāo)t′分別為待測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品在t′時(shí)刻所測(cè)元素計(jì)數(shù)率.

盡管中子活化分析探測(cè)地雷在原理上可行，但仍存在問題,如：地雷檢測(cè)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(zhǔn)確計(jì)數(shù)率. PGNAA技術(shù)是全元素檢測(cè)，通過多元素分析，可提高探測(cè)精度.

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 模擬地雷探測(cè)裝置構(gòu)型

地雷探測(cè)裝置由中子發(fā)生器、γ射線探測(cè)器、屏蔽體、反射體和慢化體5部分組成，探雷裝置的幾何構(gòu)型和具體參量均會(huì)對(duì)中子慢化產(chǎn)生影響. 本文參考文獻(xiàn)[15-17]，根據(jù)自身研究特點(diǎn)對(duì)研究?jī)?nèi)容進(jìn)行相關(guān)修改和完善，為提高熱中子數(shù)舍棄了同心圓柱的構(gòu)型，同時(shí)增加反射體部分，所構(gòu)造的探雷裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示. 中子源選用東北師范大學(xué)自主研發(fā)的NG-9型中子發(fā)生器，LYSO為γ射線探測(cè)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(tái)結(jié)構(gòu)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(jìn)一步考慮熱中子數(shù)作為判據(jù). 3層屏蔽體的參量通過更改厚度后綜合考慮熱中子數(shù)量和熱中子與其他中子的比例，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示，構(gòu)造的裝置將打向地面方向的中子數(shù)最大化，盡可能減小中子源對(duì)探測(cè)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(gòu)型如圖3所示. 該裝置相比于國(guó)內(nèi)外其他項(xiàng)目組所研究的地雷探測(cè)裝置，最大的優(yōu)點(diǎn)在于利用NG-9型中子發(fā)生器本身具有可關(guān)斷這一特點(diǎn)，添加屏蔽裝置后可最大化減小對(duì)人的傷害，且將屏蔽與反射兩部分裝置分開，避免了由構(gòu)型過厚導(dǎo)致的中子源到待測(cè)地雷間距增大使得探測(cè)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(shí)驗(yàn)圖

表1 地雷探測(cè)裝置參量

(a)

(b)

(c)圖3 MOCA程序構(gòu)造地雷探測(cè)裝置示意圖

2.2 地雷深度探測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用RDX(黑索金)和TNT質(zhì)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(duì)象，項(xiàng)目組在之前實(shí)驗(yàn)中得到地雷位置在γ探測(cè)器正下方探測(cè)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(jīng)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(dá)地雷時(shí)會(huì)被土壤慢化，產(chǎn)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(dá)地雷位置處的低能中子數(shù)量增加，使相應(yīng)特征峰更為明顯；另一方面，中子與地雷中元素反應(yīng)后生成特征γ射線也會(huì)與土壤發(fā)生作用進(jìn)而減少進(jìn)入探測(cè)器的γ射線數(shù)量，因而地雷與γ射線探測(cè)器的位置應(yīng)盡量接近，據(jù)此文中所有涉及“地雷在探測(cè)裝置正下方”中意為在γ探測(cè)器正下方. 實(shí)驗(yàn)過程如下：使用MOCA軟件構(gòu)圖，將地雷位置確定在γ探測(cè)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(cè)量16組數(shù)據(jù)，再加上去除地雷時(shí)僅測(cè)量土壤本底計(jì)數(shù)共17組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)裝置相關(guān)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(yīng)截面

表2 土壤和地雷所含元素及質(zhì)量百分比

2.3 地雷定域內(nèi)具體位置探測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)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(nèi)探測(cè)地雷具體位置是符合實(shí)際情況的模擬測(cè)試. 在原有的構(gòu)型上設(shè)計(jì)了一種測(cè)量方式，圖5為地雷探測(cè)路徑，給定地雷可能存在區(qū)域?yàn)?20 cm×120 cm土壤，將探測(cè)裝置按圖5所示路徑對(duì)定域進(jìn)行掃描，縱向每隔5 cm測(cè)量1次，2條縱向測(cè)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(duì)應(yīng)三維坐標(biāo)建立關(guān)系，根據(jù)獲得的γ能譜數(shù)據(jù)，經(jīng)分析來確定地雷具體位置.

圖5 地雷探測(cè)路徑示意圖

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 地雷有效探測(cè)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(gè)在譜圖中較為明顯的峰進(jìn)行積分后得到4組數(shù)據(jù). 對(duì)于本底的去除方法為直接減去本底計(jì)數(shù)，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(jì)數(shù)和低于零的計(jì)數(shù)2類，根據(jù)不同深度下去本底后峰面積是否大于零作為有效探測(cè)深度的判據(jù).

圖6 不同深度下γ射線能譜圖

(a)氫峰計(jì)數(shù)(減去本底)

(b)碳單逃逸峰計(jì)數(shù)(減去本底)

(c)碳全能峰計(jì)數(shù)(減去本底)

(d)氧峰計(jì)數(shù)(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(duì)應(yīng)關(guān)系

圖4中3種元素的特征峰對(duì)應(yīng)的反應(yīng)如下：

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

總體來看，對(duì)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(shì)，而O峰的峰面積總體呈上升趨勢(shì)，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(cè)器內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生，與C全能峰并無本質(zhì)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(cè)深度. O峰峰面積始終小于本底面積，因?yàn)榈乩姿琌元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(diào)性變化的產(chǎn)生原因是多方面的：PGNAA技術(shù)是全譜分析，有一些截面較小的反應(yīng)也會(huì)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(dāng)做本底而去除，又由于有無地雷時(shí)元素分布的差異性，會(huì)出現(xiàn)2次測(cè)量時(shí)本底不完全相同從而在相減后出現(xiàn)偏差；地雷埋藏深度不同影響著中子分布，不同分布會(huì)對(duì)最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果造成影響；元素特征峰面積隨地雷深度變化呈單調(diào)性是中子產(chǎn)額趨于無限的理想情況，實(shí)際模擬時(shí)受模擬次數(shù)影響，不能達(dá)到無限次模擬，較大影響著最終譜圖[19]；由于γ射線會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)形成康普頓坪，影響特征峰峰面積以及本底計(jì)數(shù)，又因?yàn)榭灯疹D效應(yīng)的產(chǎn)生概率與核外電子運(yùn)動(dòng)有關(guān)，因而與電子云分布有關(guān).

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

3.2 地雷具體位置探測(cè)

本底確定是數(shù)據(jù)處理時(shí)面臨的重要問題，由于中子源和土壤相對(duì)位置的改變，導(dǎo)致中子分布產(chǎn)生巨大變化，進(jìn)而導(dǎo)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(duì)稱性，但由于地雷探測(cè)裝置的不對(duì)稱性，從幾何對(duì)稱性分布角度去分析不同坐標(biāo)本底同樣會(huì)帶來誤差. 把區(qū)域內(nèi)所有測(cè)量點(diǎn)的γ能譜取平均，將該平均值作為本底. 這樣定義的優(yōu)點(diǎn)在于充分利用測(cè)量數(shù)據(jù)，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(diǎn)在于會(huì)減去部分被正確測(cè)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(biāo)，進(jìn)而用程序模擬1組該坐標(biāo)無地雷時(shí)的γ計(jì)數(shù)作為真正的本底用于定量計(jì)算.

地雷坐標(biāo)探測(cè)結(jié)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(shù)據(jù). 圖中白框部分為地雷的實(shí)際位置，可以看到C的高計(jì)數(shù)位置(35，45)、(35，50)與地雷的實(shí)際質(zhì)心位置(40，50)存在一定偏差，坐標(biāo)誤差為5.59 cm，且在坐標(biāo)為(25，35)和(55，35)兩點(diǎn)有誤報(bào)現(xiàn)象存在.

圖8 地雷坐標(biāo)探測(cè)數(shù)據(jù)圖

4 結(jié)束語(yǔ)

驗(yàn)證了運(yùn)用MOCA程序?qū)Φ乩滋綔y(cè)這一過程進(jìn)行模擬的可行性，后續(xù)研究方向?qū)⒎譃橐韵聨讉€(gè)方面：改進(jìn)探雷路徑，嘗試更改探測(cè)器、含雷土壤和中子源三者的相對(duì)位置，試圖消除坐標(biāo)偏差；進(jìn)一步分析已有數(shù)據(jù)，例如在地雷深度判斷時(shí)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(yīng)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(cè)能譜，提高該裝置實(shí)用性；利用MOCA程序進(jìn)一步補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用支持向量機(jī)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，尋求其內(nèi)在規(guī)律并總結(jié)成公式或建立一套健全的數(shù)據(jù)庫(kù)，期望得到一種可自我進(jìn)化的地雷判斷方法.