利用标记中子检测墙体内爆炸物

侯晶晶，沈 星，朱鹏飞，马 瑞，景士伟

(东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024)

利用标记中子检测墙体内爆炸物

侯晶晶，沈 星，朱鹏飞，马 瑞，景士伟

(东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024)

利用14MeV标记中子发生器、φ76mm×76mm硅酸钇镥(LYSO)γ探测器及时间分辨约1.7ns的快电子学系统搭建实验装置，获得了D-T中子作用下空气、墙体10cm和15cm深处以及硝铵和TNT模拟物分别在这些环境中的瞬发γ能谱. 计算了12C,14N,16O的元素特征峰计数，并讨论了爆炸物在不同环境下的分辨方式.

标记中子；γ能谱；元素含量；爆炸物

近年来，国际恐怖主义组织的影响在不断扩大，在全球化背景下，遏制国际恐怖主义的传播和发展已经成为各国都要面对的重要问题[1-4]. 爆炸源的隐藏方式多种多样，能够提前探测到爆炸源并及时做出处置，可以把爆炸案件消灭在未遂状态. 目前国际上发展以中子为探针来检测爆炸物的方法，其中主要分为热中子分析法和快中子分析法2种. 热中子分析法对富含N的样品有一定优势，但也因周围环境的N元素存在而受干扰. 相对于热中子，快中子具有穿透能力强的特点，通过近十几年来快中子检测技术的发展，基于D+T反应的伴随粒子成像技术较其他快中子分析方法有许多优点，最大的优势是抗干扰和空间分区检测，因而备受研究者关注.

标记中子技术近年来发展很快，该技术通过检测α粒子与γ射线的符合谱，大大降低了测量本底，并且可以对爆炸物的位置进行定位，是一项非常有前景的爆炸物检测技术[5-7]. 本文采用标记中子法(Taggedneutronmethod，TNM)，对爆炸物所含元素C,N,O以及爆炸物所处的空气和墙体环境进行了瞬发γ谱测量，并且对其进行了分析.

1 实验原理

标记中子技术中，配备有多像素α探测器的中子发生器是核心设备. 在中子发生器内，加速的D离子与靶中的T核发生t(d，n) α反应，产生各向同性的14 MeV中子. 每产生1个中子，都相应会产生1个α粒子. 在质心坐标系中，t(d，n) α的核反应产生的α与n在180°方向为一一对应，在时间上相关联. 位置灵敏的α探测器可以探测出α粒子的运动方向，因而会给出中子的方向信息. 探测器所张的立体角也相应会给出伴随中子出射的锥形区域，当中子与元素反应发生在这个锥形区域内时，生成的γ射线可以被探测到.

当与α粒子相关联的中子与样品发生反应后，一部分中子直穿出样品，该部分中子在强度上减弱，但是时间上仍然与α粒子相关联； 另一部分中子与样品发生反应，产生瞬发γ射线，因中子与物质作用产生瞬发γ射线的时间极短(10-17～10-16s)，因此在时间上与α关联，而其他中子产生的γ射线在时间上与该部分α粒子不关联，形成本底. 通过γ与α信号符合测量，获得γ射线飞行时间谱，通过时间窗可以选出与α粒子相关联的中子产生的瞬发γ射线，获得样品特征γ谱线，同时很大程度降低本底γ，以便于对γ谱进行分析[7-14].

2 实验装置

实验系统如图1所示，装置主体为手提箱式设计(93 cm×66 cm×47 cm)，内有伴随粒子中子发生器系统、硅酸钇镥(LYSO)探测系统、快电子学系统(包括多道分析器)等. 手提箱主体固定在可移动式小车上，可以移动至可疑墙体处进行检测. 控制分析系统(笔记本电脑)通过单根网线与主体相连接. 2个φ76 mm×76 mm的LYSO探测器分别位于中子发生器一侧，外有2 cm厚铅准直器，探测器与中子发生器发射单元之间用15 cm厚钨板隔开,以避免中子对探测器的直接照射.

图1 实验系统

3 实验结果

实验选取了2种爆炸物硝铵和TNT的模拟物，分别测量在空气中、墙体10 cm和15 cm深处C,N,O 3种元素的瞬发γ谱，并测量相应的本底谱. 硝铵和TNT模拟物在空气、墙体10 cm和15 cm深处的γ能谱如图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特征峰都非常明显.

图2 硝铵和TNT模拟物在空气中的γ能谱图

图3 硝铵和TNT模拟物在墙体10 cm深处的γ能谱图

图4 硝铵和TNT模拟物在墙体15 cm深处的γ能谱图

4 爆炸物判定

根据所测得的能量谱计算C,O,N 3 种元素的计数，并且分别求出2个γ探测器所分别对应的第2，3，5，6个α探测器的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：下文用元素符号之比表示计数比)，及各自的误差，利用某一确定的条件下环境与爆炸模拟物的各项计数比的差别判断环境中是否存在硝铵和TNT模拟物.

实验数据处理采用了宽能窗和窄能窗进行爆炸模拟物的判定，宽能窗用C,N,O各元素所在峰的峰面积表示元素含量，峰面积比表示相应元素含量比，窄能窗所取范围是宽能窗范围的中间区域，其包含了相应元素的大部分信息. 宽能窗C元素峰面积计算取值为575～632道，N元素取值为657～700道，O元素取值为777～847道. 窄能窗C元素取值为584～613道，N元素取值为671～685道，O元素取值为784～823道.

利用宽能窗N/O值判断墙体10 cm深处的爆炸模拟物见图5，可以看出硝铵模拟物与10 cm墙的N/O值中8个数据全部存在显著差异，即认为有8个有效数组，TNT模拟物与10 cm墙的N/O值不存在显著差异，即有0个有效数组. 因此可通过宽能窗的N/O的值判断墙体10 cm深处的硝铵，无法判断墙体10 cm深处的TNT.

图5 利用宽能窗N/O判断墙体10 cm深处爆炸模拟物

利用窄能窗N/O的值判断墙体10 cm深处的爆炸模拟物如图6所示，由图6可以看出硝铵和TNT模拟物与10 cm墙的N/O值中，各自都只有1组数据存在显著差异，即认为各自有1个有效数组，因此无法通过窄能窗的N/O的值判断墙体10 cm深处的硝铵与TNT. 在算法中认为有2组或者2组以上的数据存在明显性差异便可以判断相应环境中的爆炸物，否则认为该方法无法判断出此种情况是否存在爆炸物.

图6 利用窄能窗N/O判断墙体10 cm深处爆炸模拟物

用同样的方法得出在空气中、墙体10 cm和15 cm深处用C/O,N/O,C/(C+N+O),N/(C+N+O),O/(C+N+O)分辨爆炸物的有效组数，见表1. 可以看出用不同指标判断不同环境下不同爆炸物的有效数据不尽相同. 用窄能窗处理时，最多只有1组数据存在明显差异，因此用窄能窗无法有效判断爆炸物，用宽能窗处理时，N/O，C/(C+N+O)， N/(C+N+O)，O/(C+N+O)计数比可有效判断环境中的爆炸物.

表1 爆炸模拟物分辨有效组数

5 结 论

建立了利用标记中子方法检测墙体内爆炸物的实验测量系统,并且开展了相应的测量研究，获得了D-T中子作用下空气中、墙体10 cm和15 cm深处以及硝铵和TNT模拟物分别在这些环境中的瞬发γ谱. 通过宽能窗和窄能窗取峰面积法分别处理了各种条件下γ谱中的C,N,O峰面积，进而利用爆炸物在环境中的C/O,N/O,C/(C+N+O),N/(C+N+O),O/(C+N+O)的数值之间的差异判断相应环境中是否存在爆炸物. 在宽能窗中可以判断出空气中、墙体10 cm深处的硝铵模拟物，以及墙体15 cm深处TNT模拟物的存在，但不同环境下判断不同的爆炸物依据的方式不尽相同，在宽能窗的情况下无法通过这些方式判断出墙体10 cm深处的TNT模拟物和墙体15 cm深处的硝铵模拟物，在窄能窗的情况下无法通过这些方式有效地判断出环境中存在的爆炸物.

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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

[责任编辑：任德香]

2017-06-19

侯晶晶(1994-)，女，山西代县人，东北师范大学物理学院2014级本科生.

指导教师：景士伟(1975-)，男，辽宁葫芦岛人，东北师范大学物理学院副教授，博士，主要研究方向为中子发生器研制及射线应用.