利用MOCA程序模拟PGNAA技术探测地雷的方法

张天宝，何德东，景士伟，王 强

(1.国家核安保技术中心，北京 100010；2.东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024；3.中国原子能科学研究院，北京 102413)

目前，全世界每年仍有1.5～2万人因接触地雷致残或死亡，地雷严重影响人们生命安全，寻找一种有效探雷方法意义重大[1-2]。常规探雷技术包括电磁和雷达等,针对地雷外壳和形状进行探测[3-4]。中子探雷技术可以实现地雷中炸药元素和含量的探测，主要分为中子反散射法、热中子、快中子和脉冲快热中子分析法，具有探测速度快、受干扰小、性能优越等优点[5-6]。基于密封中子管的中子发生器体积小，能谱单色性好，无伽玛本底，可产生脉冲中子，便于存储管理和运输，可作为中子探雷的中子源[7]。瞬发γ中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)能进行多元素检测且具有较大检测范围，其抗干扰性强、灵敏度高、分析速度快、无破坏性，在探测地雷方面有较大优势[8-10]。

蒙特卡罗方法对多维问题有适用性，受问题条件限制影响小，程序结构简单，对于模拟粒子输运等问题有较大的优势[11-13]。目前使用较多的程序是MCNP4C和MCNP5，相对MORSE和GEANT4等程序其携带相关数据库并可以给出降低误差的方法，但其收敛速度慢，运算时间长。与国际通用的蒙特卡罗软件相比，MOCA程序[14]是由法国地质矿业研究局开发的多功能可视化蒙特卡罗中子、光子耦合输运程序，可较准确模拟光子与探测器的响应。

MOCA操作简单，体积小巧，专业性强，尤其在模拟PGNAA方面[15]，其运算时间短，构型简单。

为了研究D-T中子发生器实际探雷过程，利用MOCA模拟PGNAA技术探测地雷。选用东北师范大学NG-9型中子发生器，分析其内部绝缘材料(聚酰亚胺、可伐合金、陶瓷)对产生中子能量的影响，进而确定该能量分布下地雷探测的最佳构型。然后对埋藏在含水量5%的土壤(密度为1.575 g/cm3，主要成分为SiO2)中的反坦克地雷1#(模拟尺寸为10 cm×10 cm×20 cm，质量为3.449 kg，RDX∶TNT=1∶1)、反步兵地雷2#(模拟尺寸为2.5 cm×2.5 cm×6 cm，质量为517.35 g，RDX∶TNT=1∶1)进行探测，最后对氢、碳、氧、氮元素进行分析确定探雷有效深度。

1 中子发生器绝缘材料慢化作用

东北师范大学自主研发的NG-9型中子发生器中子发射头部分由自成靶陶瓷中子管、倍压电路、聚酰亚胺绝缘材料[16-17]等组成，将3He探测器放在发生器下0.1 cm处探究其内绝缘材料对能量分布的影响，结构如图1所示。将发射头完整结构作为本底，模拟依次去掉可伐合金、聚酰亚胺、陶瓷材料，得到不同模型下中子计数与本底差值随能量变化的图像，结果示于图2。无陶瓷、可伐合金与本底差值几乎为零，无聚酰亚胺在0～13 MeV计数低于本底，13～14 MeV计数高于本底，即聚酰亚胺能慢化快中子，使慢、热中子数量增多。计算不同模型下快、热、慢中子所占比例，结果列于表1，完整结构、无聚酰亚胺、无可伐合金、无陶瓷快中子比例分别为84.33%、97.66%、84.86%、86.00%。由此可见，1.7 cm厚聚酰亚胺对中子有较强慢化作用，使快中子比例减少了13%。NG-9型中子发生器靶端产生的14 MeV中子受内部材料影响，能谱分布为2.18%热中子，13.50%慢中子，84.33%快中子。

a—YZ方向；b—XZ方向

表1 中子发生器内部材料慢化作用

图2 不同模型下计数与本底的差值ΔN随能量变化

2 优化反射体及慢化体厚度

PGNAA技术探测地雷，需要探测中子与地雷作用发出的俘获和非弹伽玛射线，C和O元素对非弹反应有较大散射截面，而H、N、Si、Al、Fe、Ca元素热中子俘获截面很大，因此快、热中子数量及比例直接影响伽玛谱强弱和精度。为提高热中子数量、优化所需快、热中子比例，在中子发生器与土壤间加上快中子的慢化体钨进行第一步慢化，再利用土壤自身慢化作用在地雷处得到数量较高的热中子，并在中子发生器上侧加上散射截面较大的反射体碳化钨，提高中子源利用率及增高总中子通量[18-20]。然后改变材料厚度，确定快、热中子比例合适的最佳厚度。

如图3所示，上面是碳化钨反射体，下面是钨慢化体，中间为半径4.3 cm的中子发生器。钨和碳化钨厚度均从4.4 cm开始，分别依次增加0.4 cm，1 cm，用3He探测器探测其不同厚度下热中子、总中子计数随深度的变化，结果示于图4、图5。由图4可以看出，热中子数随钨厚度增加而减少，在4.4 cm(距中子发生器最上端0.1 cm)时数量最多，相对没有慢化体时增加13%，选取4.4 cm钨为慢化体。由图5可见，总中子数随深度增加而降低，与碳化钨厚度关系不大，选取4.4 cm碳化钨为反射体。

图3 慢化体、反射体沿YZ方向投影图

图4 不同厚度钨热中子计数随深度变化关系

图5 不同厚度碳化钨总中子计数随深度变化关系

3 优化屏蔽体厚度

为防止中子发生器产生的高能中子对伽玛探测器造成损伤，选用钨为第一层屏蔽体对快中子进行慢化，含硼聚乙烯为第二层屏蔽体对慢化后中子进行吸收和再次慢化。慢化后的热中子会与硼、氢元素发生俘获反应产生伽玛射线，需屏蔽这部分伽玛射线，防止干扰地雷探测。铅对不同能量伽玛射线屏蔽效果都很好，选用铅为第三层屏蔽体。

屏蔽体设计示意图示于图6。依次改变钨、含硼聚乙烯厚度，在其左侧用3He探测器测量各类中子比例，确定钨、含硼聚乙烯合适厚度，再改变铅厚度，在其左侧用伽玛探测器测量伽玛射线的数量，确定铅合适厚度。中子计数随钨厚度变化关系示于图7，三种类型的中子数量都随钨厚度增加而减少，且减少速率也随厚度增加而降低，快中子在8 cm时总数已减少近90%，慢化作用明显，将钨厚度定为8 cm。中子计数随含硼聚乙烯厚度变化关系示于图8，由图8知，热中子吸收作用在厚度低于11 cm时很明显，快中子和慢中子慢化效果相较之下略差，考虑厚度成本等因素将其定为9 cm。伽玛计数随铅厚度变化关系示于图9。由图9可见，在铅厚度小于4 cm之前，伽玛计数急剧减少，4 cm时减少为原来的6.64%，确定铅厚度为4 cm。综上所述，选择8 cm钨、9 cm含硼聚乙烯和4 cm铅为三层屏蔽体，由此确定最佳装置模型，模型示意图示于图10，具体参数列于表2。

图6 屏蔽体设计示意图(沿XZ方向)

表2 最终装置模型参数

图7 中子计数随钨厚度变化关系

图8 中子计数随含硼聚乙烯厚度变化关系

图9 伽玛计数随铅厚度变化关系

图10 最终装置示意图

4 探测地雷模拟与讨论

选取大小为Φ7.6 cm×7.6 cm的LYSO探测器在距地面0.7 cm处分别对1#(3.449 kg)、2#(517.35 g)地雷进行探测，测量其在5%含水量土壤中0～25 cm深度下伽玛能谱。以没有地雷时计数作为本底，分析不同深度下各特征元素计数与本底差异，定性给出探测地雷的有效深度。由图11知，1#、2#地雷在0～16 cm、0～12 cm深度内，2.22 MeV氢元素特征峰计数高于本底，即探测有效深度分别为16 cm、12 cm。如图12所示，1#、2#地雷的6.13 MeV氧元素特征峰计数基本上低于本底，这是因为地雷中氧含量远小于土壤中氧含量，因此用氧来判定有无地雷比较困难。由图13，图14可知1#、2#地雷在0～20 cm、0～6 cm时，10.8 MeV氮、4.44 MeV碳元素特征峰计数高于本底，探测有效深度分别为20 cm、6 cm。对氮、碳元素进行分析，确定在5%含水量土壤中对1#、2#地雷探测有效深度分别为20 cm、6 cm。反坦克地雷质量一般为3 kg，埋藏深度20 cm，反步兵地雷质量一般为500 g，埋藏深度5 cm[11-23]。因此，本实验模型目前仅对5%含水量土壤中的反步兵、反坦克地雷有效。

图11 氢元素2.22 MeV特征峰计数随深度的变化

图12 氧元素6.13 MeV特征峰计数随深度的变化

图13 碳元素4.44 MeV特征峰计数随深度的变化

图14 氮元素10.8 MeV特征峰计数随深度的变化

目前根据对碳、氮元素的分析仅定性给出地雷的有效探测深度参考值，地雷与其他干扰物的区分仍需进一步模拟研究与实验验证。并且在实际探雷过程中，地雷的埋藏环境复杂多样，周围土壤产生的本底会严重干扰来自爆炸物的有效信号。因此降低土壤本底干扰成为成功检测地雷关键因素，实现中子源准直可以降低土壤影响。针对常规快、热中子法难以检测的情况，可采用标记中子技术。通过α-γ符合时间测量获得伽马-时间谱，由时间窗挑选出与α粒子关联中子作用产生的伽马信号，获得被测物特征伽马能谱，可降低干扰本底，提升信噪比。

6 结论

东北师范大学NG-9型中子发生器内部含有较强慢化作用的聚酰亚胺绝缘材料，导致最终发射中为2.18%热中子，13.50%慢中子，84.33%快中子。在发生器上下加厚度4.4 cm碳化钨，钨用作反射体和慢化体。发生器与伽玛探测器之间加8 cm钨、9 cm含硼聚乙烯、4 cm铅为屏蔽体。相对单能情况，所需反射体、慢化体、屏蔽体厚度降低。使用该模型探测地雷，基于对氢、碳、氮、氧元素的分析，定性确定在5%含水量土壤中对3.449 kg地雷、517.35 g地雷(TNT 和RDX)的有效探测深度分别是20 cm、6 cm，可为实际测量提供参考。

在实际探测地雷过程中，探雷精度及效率受多种因素影响，今后可改变地雷周围环境(含水量、类型、均匀度、干扰物)、地雷类型(成分、外壳)，进一步优化构型丰富数据库，并进行算法研究建立科学完整的地雷识别算法，提高复杂背景下探雷效率和精度。下一步研究工作重点是固定地雷深度改变探测器位置，建立关于地雷定位的算法。