基于标记中子方法的爆炸物特征γ能谱分析

刘 轩，景士伟,2，李明非，郑 彦，高亚东，年瑞雪

(1.东北师范大学，吉林 长春 130024；2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

自二十世纪九十年代，恐怖袭击事件时有发生，对人民生命财产安全造成了极大危害。及时有效地检测隐藏在行李中的爆炸物，成为国际社会的迫切要求。爆炸物检测可以通过样品的几何形状，蒸汽排放物和元素组成等参数实现[1]。常见的爆炸物检测方法有X或γ射线扫描技术，核磁四极矩检测方法(NMQ)，化学方法，中子技术等。基于X射线或γ射线的扫描仪只提供被测物形状、位置和密度，由于爆炸物成份与日常用品相近，仅靠密度识别爆炸物局限性很大。核磁四极矩法类似于核磁共振检测(NMR)，虽然能检测危险品，但需要高磁场，大设备，且成本高，实际应用范围小。化学方法只适用于气体爆炸物的检测。中子对多数材料具有高穿透性，中子法可用于无损检测和原位检测。普通材料与爆炸物元素的相对含量区别大，通过测定C、O和N的原子密度或相对含量可测定被检测物是否为爆炸物、毒品或其他有机物[2]。

中子检测技术探测灵敏、准确性好、自动化程度高，越来越受关注。中子检测方法主要有热中子法(TNA)、快中子法(FNA)、脉冲快中子法(PFNA)、脉冲快中子和热中子结合法(PFTNA)、快中子散射法(FNSA)、伴随α粒子法/中子飞行时间法(API/ TOF)等[3-4]。其中，伴随α粒子法/中子飞行时间法抗干扰强，能空间分区检测，可以实现对爆炸物相关元素的测量，与仅测量其中一种元素相比，降低了误报率[5]，提高了检测信噪比。其他中子检测方法受周围环境影响，本底较高。

本研究基于标记中子方法设计包裹内爆炸物检测系统，通过标记中子和飞行时间方法，采用二维多像素α探测器，反映被测物的横向、纵向及深度坐标，提供被测物三维图像。通过测量得到能谱图，获得C、N和O元素含量，得到C/O、C/N含量比，从而有效识别任意形状的爆炸物。本研究对300 g硝铵(NH4NO3)、TNT(C7H5N3O6)模拟物以及生活中常见的有机物干奶粉和洗衣粉进行测量。将干奶粉和洗衣粉置于硝铵和TNT模拟物的周围，获得特征γ射线能谱，得出元素的相对含量，实现对爆炸物的定性判断。通过改变样品距离装置的距离和空间位置，验证装置检测爆炸物的能力。

1 实验原理及测量系统

伴随α粒子成像技术原理示于图1。在中子发生器中，加速的D+离子束轰击钛靶，靶表面与D+离子束方向成45°，D+离子与T核发生氘氚反应产生14 MeV中子和α粒子，在质心坐标系下14 MeV中子和α粒子在时间上相关联。中子与被测物发生反应后，产生瞬发γ射线，通过α-γ符合时间测量获得γ时间谱，由时间窗选出与α粒子相关联中子产生的瞬发γ射线，获得被测物的特征γ谱。降低不相关的γ本底，有利于γ能谱分析，同时也增加了信噪比[5-6]。γ射线被用来表征碳、氮和氧，这是构成爆炸物或毒品的主要元素。通过测量元素如碳、氮和氧含量来区别违禁物品和普通物品。中子与伴随α粒子的检测称为“标记”中子。用一个二维多像素α探测器，反映被测物的横向、纵向及深度坐标，实现被测物的三维定位。

测量系统由中子发生器系统、硅酸钇镥(lutetium yttrium silicate，LYSO)探测器、伴随α粒子探测器、快电子学系统(包括多道分析器)、控制分析系统等组成。两个Φ76 mm×76 mm LYSO探测器分别位于中子发生器两侧，探测器与中子发生器之间用铁板隔开以避免中子对探测器的直接照射。α探测器和LYSO探测器获取的快信号通过常份额甄别器进入时间-幅度转换器，获得α-γ符合的γ时间谱，通过线性门符合，获得被测物的瞬发γ能谱。

中子源需要良好的稳定性和高产额。俄罗斯研制的ING-27型发生器具有伴随α粒子探测功能，中子产额最大8×107n/s。每个α探测器的尺寸为10 mm×10 mm，共9个(图1中检测装置向被测物方向看9个α探测器对应的检测区域标号)。α探测器距离中子管靶6.2 cm，靶距手提箱外表面20 cm，整个系统的时间分辨为1.7 ns，快电子学系统最大通过率约1×108。探测器选用Saint-Gobain公司生产的LYSO晶体探测器，LYSO闪烁晶体高光输出、快发光衰减、有效原子序数多、密度大、不潮解[7]。

CFD——常份额甄别器；SCA/TAC——单道及时间-幅度转换器；MCA——多道分析仪图1 伴随α粒子成像技术原理CFD——Constant traction differential discriminator; SCA/TAC——Single channel analyzer/time-to-amplitude converter; MCA——Multichannel analyzerFig.1 The principle of associated alpha imaging technology

a——TNT置于干奶粉中; b——硝铵样品置于杂物中图2 现场测试设备a——TNT in dry milk powder; b——AMM in sundriesFig.2 Field testing device

2 测量方法

实验时，首先需要测试系统各部分是否处于正常工作状态，系统正常的情况下收集不同样品的测试谱，生成日志文件，分析测试谱。

中子发生器及其供电系统，快电子学系统和伽玛探测器系统放置在手提箱内，并固定在可移动的平板车上，可以移动至可疑物处进行测量，方便快捷。利用上述装置分别对300 g硝铵、三硝基甲苯(C7H5N3O6，TNT)、干奶粉、洗衣粉、300 g硝铵和TNT置于干奶粉和洗衣粉之后的样品进行探测。改变样品距离装置的距离，检测系统的分辨能力。本研究中硝铵和TNT均不是真正的炸药，为密度和化学元素组成相近的模拟物。现场测试图示于图2。爆炸物模拟物的尺寸为6 cm×6 cm×6 cm。

3 结果分析

位于9个α 探测器中间位置的5#α探测器分别与LYSO1和LYSO2探测器符合测量，得到TNT模拟物(C7H5N3O6)分别距离装置0、3、6、9 cm的γ能谱图，结果示于图3。由图3结果可知，TNT样品距离装置不同距离的γ能谱图几乎保持一致，说明在9 cm以内装置的检测能力不变，验证了装置检测爆炸物的能力。同时从图上可以看出C(4.439 MeV)、N(2.313 MeV)和O(6.130 MeV)元素的特征γ峰。

TNT、硝铵、干奶粉和洗衣粉样品距装置0 cm的符合谱结果示于图4。从图4结果中可以看出，干奶粉的C元素特征峰计数明显偏高，洗衣粉能谱低能区的计数较高，虽然各物质间谱形存在差别，但单独从能谱不能确定物质为有机物或爆炸物，还要根据元素含量及元素含量比进行准确判断。

TNT分别置于干奶粉和洗衣粉之后的样品距装置0 cm的符合谱示于图5。从图5结果可以看出，TNT置于洗衣粉后的能谱C峰计数明显降低，在左侧低能区的计数增加，TNT置于干奶粉后的C峰计数增加，O峰计数减少，增加干扰后的爆炸物TNT能谱有明显变化，不能单独从谱形对其进行区分。

图3 TNT样品距装置不同距离的γ谱Fig.3 TNT gamma spectrum at different distance from the device

图4 TNT、硝铵、干奶粉、洗衣粉样品的γ谱Fig.4 Gamma spectra of TNT, ammonium nitrate, dry milk powder

图5 TNT及TNT样品置于干奶粉和洗衣粉之后的γ谱Fig.5 Gamma spectra of TNT and TNT after dry milk powder and washing powder

区分爆炸物和有机物的方法是基于C、N和O的相对比例。选取碳4.439 MeV，氮5.106 MeV和氧6.130 MeV净面积进行数据分析，以确定C、N和O的含量。使用C/O和C/N比区分爆炸物和有机物。以C/O为横坐标，C/N比为纵坐标，绘制二维的散点图。不同物质的含量比示于图6。由图6结果可知，此方法可以区分大多数的爆炸物和有机物。但爆炸物过氧化丙酮位于有机物区域中，因为该物质不含N元素，C/N比为零，对于这种物质利用C/O和C/N比进行区分存在一定的局限性，需要结合其他方法进行区分。

TNT和干奶粉在不同距离处的C/O和C/N比列于表1。从表1结果可以看出，TNT和干奶粉的C/O和C/N比存在较大差异，且分别位于爆炸物和有机物的不同区域，因此通过C/O和C/N比可对TNT和干奶粉进行区分。随着距离的变化每种物质的元素含量比存在变化，但仍可以从含量比区分TNT和干奶粉。

1——TNT；2——麦宁炸药；3——特屈儿；4——六硝基苯；5——七硝基立方烷；6——黑索今；7——硝化甘油；8——过氧化丙酮；9——葡萄糖；10——聚氯乙烯；11——尼龙；12——三聚氰胺；13——乙酰胺；14——乙醇；15——甲醇；16——纸；17——木材；18——脲甲醛图6 爆炸物和普通物品的C/O和C/N含量比1——TNT;2——Melinite;3——Tetryl;4——HNB;5——Heptanitrocubane;6——RDX;7——Nitroglycerine;8——Acetoneperoxide;9——Glucose;10——PVC;11——Nylon;12——Melamine;13——Acetamide;14——Ethanol;15——Methanol;16——Paper;17——Wood;18——Urea formaldehydeFig.6 The ratio of C/O and C/N in the explosives and non-explosive material

距离/cm物品C/OC/NLYSO1LYSO2LYSO1LYSO20TNT1.801.684.023.15干奶粉3.082.7410.595.943TNT1.741.523.693.15干奶粉2.862.438.626.116TNT1.691.483.473.23干奶粉2.732.407.506.429TNT1.661.693.453.46干奶粉2.822.927.476.90

4 结论

基于标记中子方法实现了对隐藏在包裹内的爆炸物检测，检测装置便携，可移动至可疑区域进行检测。符合测量方法测得的γ能谱抑制了本底，提高了信噪比。通过测量300 g TNT和300 g硝酸铵在不同条件下的γ射线能谱，得到了主要元素的特征峰。通过分析能谱计算C/O和C/N，可有效区分爆炸物TNT和有机物干奶粉，且被测物距装置距离增加时，仍可以区分TNT和干奶粉。对于爆炸物的检测，需要进一步优化系统设计，配置不同类型的探测器以提高检测精度。