曾 軍 儲(chǔ)誠勝 丁 閣 向清沛 郝樊華 羅小兵

1 (中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900)

2 (四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所 成都 610065)

地雷造價(jià)低廉，使用方便，防御效果好，在歷次戰(zhàn)爭和地區(qū)沖突中被廣泛使用。目前，全球尚有6千萬–1億枚戰(zhàn)爭余雷分布在60多個(gè)國家和地區(qū)[1]。國際禁雷組織(ICBL)最新一期的地雷監(jiān)測報(bào)告顯示[2]，每年有數(shù)千人因此受傷甚至死亡，其中不乏婦女和兒童。因此，在全球范圍內(nèi)開展掃雷行動(dòng)是必需而緊急的。現(xiàn)代地雷的包殼材料多種多樣，引爆機(jī)理也各不相同，埋藏條件復(fù)雜多變，所以地雷的探測是一個(gè)世界性的難題。

炸藥是地雷最本質(zhì)的特征，傳統(tǒng)的探雷技術(shù)如基于電磁感應(yīng)的金屬探測技術(shù)，基于探測地雷外形的探地雷達(dá)、紅外成像技術(shù)等，由于不能探測地雷中炸藥的存在，因此存在較多原理性的虛警。新型的探雷技術(shù)大多關(guān)注地雷中的炸藥這一核心部件，如核電四極矩共振、中子背散射、熱中子分析法、脈沖快熱中子分析法等[3]。其中核電四極矩共振對最常見的TNT炸藥探測效果不佳，且受電磁干擾影響較大；中子背散射只能探測H元素，受土壤含水量的變化影響較大；脈沖快熱中子分析法的技術(shù)難度高，受土壤中O元素含量的變化影響較大。熱中子分析(Thermal neutron analysis, TNA)[4]探雷技術(shù)從本質(zhì)上講是一項(xiàng)PGNAA技術(shù)，該技術(shù)以熱中子為“探針”，通過測量土壤表面N、H元素含量的變化來實(shí)現(xiàn)對地雷的探測，具有準(zhǔn)確率高、虛警率低、對土壤適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展受到了西方各發(fā)達(dá)國家的高度重視[5–9]，其中尤以加拿大軍方研制的ILDS升級版多功能探雷車為代表，而本論文的工作是國內(nèi)將 TNA技術(shù)應(yīng)用于地雷探測的首次嘗試。

在炸藥所含的四種(C、H、O、N)主要元素中，C、O元素由于熱中子俘獲截面小，在復(fù)雜背景中很難探測到其特征γ射線[10]，所以TNA探雷一般不將其作為表征地雷存在的特征核素。H元素的熱中子俘獲截面較大(σa=332 mb)，通過(n,γ)反應(yīng)放出的2.223 MeV特征γ射線容易探測，但其受土壤含水量的變化影響較大，一般不直接用于判斷地雷的存在。與H元素相比，N元素在土壤中的含量一般較低(<1%)，遠(yuǎn)小于炸藥中15%–40%的含量[11]，且N元素通過(n,γ)反應(yīng)放出的10.83 MeV特征γ射線能量較高，所受干擾較小，具有很好的特異性，所以通常將其作為判斷地雷存在的核心識別核素。為了從原理上驗(yàn)證基于熱中子分析技術(shù)的N、H元素含量異常，用于判斷地雷存在的可行性，分析其探測能力，掌握其技術(shù)特點(diǎn)，課題組在中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所探雷實(shí)驗(yàn)室的雷池上，建立了一套基于新型 LaBr3(Ce)探測器的熱中子分析探雷實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對72式反坦克地雷、500 g TNT樣品以及多種干擾物進(jìn)行了測試。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本次實(shí)驗(yàn)采用的中子源為252Cf裂變源，其最新標(biāo)定活度為1.17×108/s(2005年3月)，依據(jù)放射性核素衰變公式：

其中，T1/2=2.637 a，推算出在實(shí)驗(yàn)當(dāng)前條件下的活度為1.57×107/s。與采用DT/DD中子發(fā)生器相比，252Cf中子具有能量低、源強(qiáng)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，但需要特別小心的操作和儲(chǔ)存[12]。

為了提高中子源的利用率，增大地雷位置處的慢熱中子通量，同時(shí)使操作人員的輻射安全劑量在可控制范圍內(nèi)，課題組針對252Cf源的固有屬性，采用模擬計(jì)算的方法設(shè)計(jì)了一套 TNA探雷專用中子慢化裝置(如圖1所示)，主要包含慢化層、反射層、本底γ屏蔽層、側(cè)向中子吸收層四個(gè)部分。慢化層是一層厚約5 cm的高密度聚乙烯，用于慢化向下出射的快中子；反射層是由厚約20 cm的石墨制成，通過中子與石墨的多次散射，使朝上方出射的中子能盡可能被反射回來；本底γ屏蔽層是厚為3 cm的鉛制空心套筒，用于屏蔽252Cf的本底γ射線；側(cè)向中子吸收層由厚為 5 cm的含硼聚乙烯制成(含5%BC4)，用于吸收側(cè)向出射的非有效中子，降低探測器中的本底信號。在慢化裝置的旁邊是γ射線探測器，探測器的外圍是一層“鎘+鉛”的組合屏蔽套筒，用以吸收周圍環(huán)境產(chǎn)生的感生γ本底和經(jīng)土壤進(jìn)入探測器的散射中子。

圖1 熱中子分析探雷實(shí)驗(yàn)布局1. 中子吸收層，2. 中子源加載通道，3. 反射層，4. 鉛，5. 中子源，6. 慢化層，7. 探測器，8. 屏蔽套筒，9. 土壤Fig.1 The layout of the TNA landmine detection experiment.1. Neutron absorb layer, 2. The tube for loading neutron source, 3. Reflector layer, 4. Pb layer, 5. Neutron source, 6. Moderator layer, 7. Detector, 8. Shield sleeve, 9. Soil

TNA探雷測量的γ射線場較強(qiáng)，且伴有強(qiáng)的中子輻射，為此宜采用較為皮實(shí)、快時(shí)間響應(yīng)的閃爍體探測器。加拿大[5]和意大利[6]研發(fā)的TNA探雷系統(tǒng)采用的NaI(Tl)探測器，雖然皮實(shí)性較好，但由于其晶體發(fā)光衰減時(shí)間較長(~230 ns)，在強(qiáng)中子源強(qiáng)下能譜脈沖堆積嚴(yán)重，信噪比不高。為了解決該問題，實(shí)驗(yàn)選用了發(fā)光衰減時(shí)間更短(~35 ns)的新型LaBr3(Ce)探測器[13]，其光子轉(zhuǎn)化效率約為62000 Photon / MeV，能量分辨率為2.87%(@661.62 keV)，尺寸大小為Φ50 mm′75 mm，輸出幅度為0.01–2.0 V，在–10oC–50oC間的輸出溫度系數(shù)變化小于 0.1%。雖然目前探測器的晶體幾何尺寸還比較小，對10.83 MeV的高能射線探測效率較低，但與傳統(tǒng)的NaI(Tl)探測器相比，新型LaBr3(Ce)探測器不僅能有效減少脈沖堆積帶來的本底計(jì)數(shù)[14]，而且具有更高的發(fā)光效率與有效原子序數(shù)和密度，因而具有更高的能量分辨率和探測效率。考慮到可為后續(xù)研究采用大體積LaBr3(Ce)探測器打下基礎(chǔ)，此次試驗(yàn)棄用了大體積的 NaI(Tl)探測器而采用小體積的LaBr3(Ce)探測器。此外，為了降低電子學(xué)系統(tǒng)的死時(shí)間，實(shí)驗(yàn)選用了具有高速高通過率的ORTEC-921E多道，主放大器為ORTEC-570，探測器系統(tǒng)構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 探測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of detector system.

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品及土壤背景

實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了5類樣品，如表1所示。1、2號樣品為地雷探測中常用的實(shí)驗(yàn)?zāi)M地雷，其中填充的“炸藥”由草酸、三聚氰胺和石墨粉按照TNT(C7H5N3O6)元素比例配置而成，含N量分別為92.5 g和578.1 g，用于驗(yàn)證TNA方法對地雷中N元素含量異常的可識別性，對于含N量更高的反坦克雷[5]，如M15、TMA3、TMA5A等探測效果會(huì)更好。3–5號樣品為傳統(tǒng)探雷技術(shù)易產(chǎn)生虛警的干擾物，如電磁感應(yīng)技術(shù)易產(chǎn)生虛警的彈片，探地雷達(dá)和紅外成像技術(shù)易產(chǎn)生虛警的石塊、空穴，主要用于測試TNA探雷技術(shù)對這些干擾物的判棄能力，分析 TNA探雷技術(shù)與傳統(tǒng)探雷技術(shù)的互補(bǔ)性。地雷探測實(shí)驗(yàn)是在中國工程物理研究院實(shí)驗(yàn)雷池中展開的，雷池按照一定的布局專門設(shè)計(jì)，其規(guī)格為2 m×2.5 m×1 m，包含粘土、紅土、沙土以及磁性土四種土壤背景。粘土和紅土是有機(jī)土壤的代表，曾經(jīng)生長過植被，可能有些N雜質(zhì)殘留；沙土和磁性土是無機(jī)土壤的代表，其中含有大量的SiO2，其天然同位素29Si(豐度為 4.68%)通過(n,γ)反應(yīng)放出的10.6 MeV射線可能會(huì)對N元素的測量帶來干擾。

表1 實(shí)驗(yàn)用地雷及干擾物樣品Table 1 The melamine and interferential material used in experiment.

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

為了定量檢驗(yàn) TNA方法用于探雷的可行性及判斷地雷的存在性，定義識別地雷目標(biāo)物的最小探測時(shí)間(Td)，即地雷樣品譜中的N(H)元素特征射線感興趣區(qū)域計(jì)數(shù) N1(t)大于土壤背景對應(yīng)區(qū)域計(jì)數(shù)N2(t)超過3σ所需要的最小探測時(shí)間：

該判據(jù)的數(shù)學(xué)意義在于N1存在于以N2為期望的三倍方差的置信區(qū)間外，即有99.7%的正確概率判定N1和 N2有顯著差距。物理意義在于，從中子與物質(zhì)相互作用的統(tǒng)計(jì)規(guī)律看，N1與 N2是由于樣品存在某種元素的可靠概率為 99.7%。假設(shè)地雷樣品和對應(yīng)土壤背景活化譜測量時(shí)間均為 T，那么在任意t時(shí)刻樣品譜與對應(yīng)本底譜相應(yīng)特征峰面積N1(t)、N2(t)及其不確定度σ1(t)、σ2(t)存在如下關(guān)系：

于是，根據(jù)N(H)特征射線計(jì)數(shù)判斷地雷存在性的最小可探測時(shí)間Td可表示為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 寬能量范圍刻度

為了準(zhǔn)確定位N元素感興趣區(qū)域，精確的能量刻度是非常必要的。常見的標(biāo)準(zhǔn)源(22Na、60Co、133Ba、137Cs、152Eu、228Th)特征γ射線能量均小于3 MeV，若用來對高能段進(jìn)行刻度，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。為了解決該問題，TNA探雷采用測量長時(shí)間的NH4Cl活化譜，通過對35Cl的高能特征射線的識別，結(jié)合 Fe的多個(gè)特征峰，完成對探測器的能量刻度。與國外同類研究[5]中采用的H(2.22 MeV)+Ni (8.99 MeV)的刻度方法相比，Cl元素由于具有多條高能特征射線，且熱中子俘獲截面較大，其刻度結(jié)果亦更為精確。圖3是一次刻度的能譜圖，根據(jù)刻度結(jié)果，其能量與道址的對應(yīng)關(guān)系可表示為：

與實(shí)驗(yàn)所測的真實(shí)值相比，刻度結(jié)果的誤差在0.6%以內(nèi)。由此可見，實(shí)驗(yàn)所選用的國產(chǎn)溴化鑭探測器在高能區(qū)能保持十分良好的線性，這有益于準(zhǔn)確定位N元素特征能區(qū)(包含10.83 MeV全能峰、單逃峰以及雙逃峰)。

2.2 典型的地雷特征能譜分析

由于源強(qiáng)較弱、目標(biāo)物含N量較低、N元素?zé)嶂凶臃@截面不大、探測器靈敏體積較小等因素的影響，導(dǎo)致N特征射線計(jì)數(shù)率偏低，實(shí)驗(yàn)獲取的典型地雷特征能譜中未能觀測到明顯的10.83 MeV特征能峰。圖4為磁性土壤中反坦克地雷長時(shí)間活化譜(黑線)與土壤背景活化譜(灰線)按6–8 MeV歸一后的比較結(jié)果。從圖中對比可以看出，有雷時(shí)N元素感興趣區(qū)域(ROI)計(jì)數(shù)明顯高于土壤背景對應(yīng)計(jì)數(shù)。與文獻(xiàn)[6,9]中采用 NaI(Tl)探測器測量結(jié)果相比，實(shí)驗(yàn)獲取N-ROI基本處于能譜末端位置，在其后無脈沖堆積帶來的異常計(jì)數(shù)，這說明新型LaBr3(Ce)快閃爍體探測器，以其較短的發(fā)光衰減時(shí)間(~35 ns)，可有效降低高計(jì)數(shù)率下脈沖堆積的概率。

在熱中子誘發(fā)能譜中，大于10 MeV的高能段干擾射線來源較少，值得一提的是硅的同位素29Si通過(n,γ)反應(yīng)放出的10.607 MeV特征γ射線，幸好其天然豐度僅為4.68%。因此，為了減小統(tǒng)計(jì)誤差，提高探測效能，對N元素的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)可采用“能段綜合解析法”，綜合選取9.6–11.1 MeV(包含全能峰、單逃、雙逃峰)作為 N元素特征射線感興趣區(qū)域。對于地雷活化譜中H元素2.22 MeV特征γ射線而言，由于計(jì)數(shù)率較強(qiáng)，能峰可識別性較好，故可采用傳統(tǒng)的峰面積扣除本底平臺的方法獲得特征計(jì)數(shù)。在地雷的活化譜中，除了用作探雷判據(jù)的N(H)元素10.83 MeV(2.22 MeV)特征γ射線外，Si元素的3.54 MeV特征γ射線，F(xiàn)e元素的7.64 MeV、9.30 MeV特征γ射線的峰型都較為明顯，從中可解析出相應(yīng)元素的含量變化。

圖3 實(shí)驗(yàn)測量NH4Cl長時(shí)間活化譜Fig.3 The long-time neutron activation spectrum of NH4Cl.

圖4 磁性土壤中的反坦克地雷與背景活化譜Fig.4 The spectrum of antitank mine and background in magnetic soil.

2.3 地雷及干擾物測試結(jié)果

按圖1描述的實(shí)驗(yàn)布局，分別測試了500 g塑料雷(埋深0 cm、3 cm)、72式反坦克地雷(埋深0 cm、3 cm)、空穴、石塊、彈片的長時(shí)間(1000 s)活化譜，以及對應(yīng)的土壤背景活化譜，依據(jù)公式(4)計(jì)算出相應(yīng)的最小可探測時(shí)間Td，結(jié)果見表2。表2中“—”表示樣品計(jì)數(shù)小于本底計(jì)數(shù)，“too long”表示探測時(shí)間大于104s。從表中可以看出，對于500 g塑料雷和72式反坦克地雷，由于H元素的熱中子俘獲截面遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于N元素，加之2.22 MeV γ射線探測效率較高，使H元素的最小可探測時(shí)間明顯小于N元素，其長短大約在數(shù)秒至數(shù)十秒之間，而N元素的最小可探測時(shí)間在數(shù)百秒至一千多秒量級。但是，從對干擾物判棄效果來講，若僅依據(jù)“H元素含量異?！弊鳛閳?bào)警判據(jù)會(huì)出現(xiàn)較多虛警(如紅土中的石塊，磁性土中的彈片)。而依靠“N元素含量異?！迸袛?，在一定探測時(shí)間限值的條件下(如2000 s)，干擾物的虛警率可以得到很好的控制。造成H元素虛警率較高的原因主要有兩個(gè)方面，一是由于土壤中的水分含量較多且分布不均勻，二是由于慢化裝置中的高密度聚乙烯含有大量的H元素，前一種不利影響在 TNA探雷的野外應(yīng)用中會(huì)顯現(xiàn)出更加明顯的干擾效果。

表2 典型地雷和干擾物的最小可探測時(shí)間TdTable 2 The least detection time of the melamine and interferential material used in experiment(s).

對比四種土壤背景下的地雷探測結(jié)果可以看出，無機(jī)土壤(沙土、磁性土)的N元素異常識別時(shí)間整體短于有機(jī)土壤(粘土、紅土)，這與有機(jī)土壤中的N雜質(zhì)含量較多且均質(zhì)性不好有關(guān)。另外，從磁性土壤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，盡管Fe擁有一條較高能量的特征射線(9.30 MeV)，TNA探雷也可通過限制 N-ROI很好地適應(yīng)土壤背景中含有的大量鐵雜質(zhì)，這可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)金屬探雷方法的不足。對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果中的0 cm和3 cm兩種不同埋深，0 cm的H、N探測時(shí)間明顯短于3 cm，這一方面是由于隨著埋深的增加，慢熱中子的注量逐漸減小，另一方面是由于土壤對特征γ射線存在較為明顯的吸收效應(yīng)。土壤背景對 TNA探測效能的影響是一個(gè)復(fù)雜的過程，它受到地雷埋深、土壤成分、含水量、均質(zhì)性、探測器所張立體角、實(shí)驗(yàn)布局等因素的影響，還需要進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)語

實(shí)驗(yàn)搭建了一套基于新型 LaBr3(Ce)快閃爍體探測器和252Cf同位素中子源的 TNA探雷實(shí)驗(yàn)平臺。研究了NH4Cl熱中子活化譜用于寬能量范圍刻度，特別是對高能段準(zhǔn)確刻度的可行性。在實(shí)驗(yàn)室雷池中的四種土壤(粘土、紅土、沙土及磁性土)背景下，對500 g塑料雷、72式反坦克地雷以及多種干擾物進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明，TNA方法可準(zhǔn)確有效地識別出有雷時(shí)地表N(H)元素含量的異常。按照目前的實(shí)驗(yàn)條件，對裝藥量約為3 kg的72式反坦克地雷中的H元素異常識別時(shí)間約為數(shù)十秒，N元素異常識別時(shí)間約為數(shù)百秒。顯然，這種探測能力離實(shí)際應(yīng)用還有一定距離，但后期可通過改善屏蔽、提高中子源強(qiáng)、增加探測器數(shù)目等方法進(jìn)一步縮短探測時(shí)間。相信作為一種全新的地雷探測手段，TNA探雷以其獨(dú)有的技術(shù)特征，在未來排雷中發(fā)揮不可限量的作用。

1 莫霜. 關(guān)于地雷、探雷以及中子探雷[J]. 現(xiàn)代物理知識, 2004, 16(4): 39–41

MO Shuang. Introduction of landmine demine and neutron demine[J]. Modern Physics, 2004, 16(4): 39–41

2 International Campaign to Ban Landmines (ICBL). Landmine Monitor 2010[R]. 2010, 31

3 王新華, 安力, 鄭普, 等. 爆炸物檢測中的模擬計(jì)算[J].核技術(shù), 2010, 33(1): 39–43

WANG Xinhua, AN Li, ZHENG Pu, et al. The simulative calculation of explosive detection[J]. Nuclear Techniques, 2010, 33(1): 39–43

4 Coleman W A, Ginaven R O, Reynolds G M. Nuclear methods of mine detection[R]. Science Applications Incorporation, 1974

5 Clifford E T H, McFee J E, Ing H, et al. A militarily fielded thermal neutron activation sensor for landmine detection[J]. Nuclear Instrument and Method A, 2007, 579: 418–425

6 Cinausero M, Lunardon M, Nebbia G. Development of a thermal neutron sensor for Humanitarian Demining[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2004, 61: 59–66

7 Teruhisa T. Recent R&D in IEC neutron source at Kyoto University[C]. Proceeding of 8th US-Japan workshop on Inertial Electrostatic Confinement Fusion, Kansai University, Osaka, Japan, 2006

8 Hashem M H, Alireza V N, Hamed P. Improving the moderator geometry of an anti-personnel landmine detection system[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2008, 66: 606–611

9 Lee W C, Mahood D B, Ryge P, et al. Thermal neutron analysis (TNA) explosive detection based on electronic neutron generators[J]. Nuclear Instrument and Method B, 1995, 79: 739–742

10 向永春, 熊宗華, 胡廣春, 等. 主動(dòng)法探測炸藥的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 核技術(shù), 2005, 28(11): 872–876

XIANG Yongchun, XIONG Zonghua, HU Guangchun, et al. Detecting dynamite by active method[J]. Nuclear Techniques, 2005, 28(11): 872–876

11 丁錫祥, 李宇兵, 翟光年, 等. 隱藏爆炸物的快中子活化檢測[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 1994, 28(5): 434–438

DING Xixiang, LI Yubing, ZHAI Guangnian, et al. Fast neutron activation analysis of hidden explosive[J]. Science and Technology of Atomic Energy, 1994, 28(5): 434–438

12 Hsiao H H. Effects of neutron source selection on land-mine detection efficiency[J]. Nuclear Instrument and Method A, 1999, 422: 914–917

13 向清沛, 郝樊華, 雷家榮, 等. 溴化鑭(鈰)閃爍體探測器性能研究[J]. 核科學(xué)技術(shù)與應(yīng)用, 2012, 5(2): 131–136

XIANG Qingpei, HAO Fanhua, LEI Jiarong, et al. Research on performance of lanthanum bromide(Ce) scintillator[J]. Journal of Applied Nuclear Science and Technology, 2012, 5(2): 131–136

14 McFee J E, Faust A A, Andrews H R, et al. Preliminary results of a comparative study of fast scintillators for a thermal neutron activation landmine detector[C]. Proceedings of IEEE Nuclear Science Symposium, IEEE Rome, Italy, 2004