沈 星，朱鵬飛，馬 瑞，侯晶晶，楊柏棟，景士偉,

(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)

墻體內(nèi)隱藏爆炸物的檢測(cè)難度較大，因?yàn)楦呙芏然炷翂w的存在，使得墻體內(nèi)爆炸物的信息不易被檢測(cè). 利用中子瞬發(fā)伽瑪技術(shù)檢測(cè)爆炸物的過(guò)程中會(huì)受到一定的環(huán)境本底及康普頓散射背景影響[1]，通過(guò)處理數(shù)據(jù)，提高特定環(huán)境下檢測(cè)爆炸物的準(zhǔn)確性尤為重要. 本文采用全能(TPA)峰面積法、科沃爾(Covell)峰面積法和沃森(Wasson)峰面積法對(duì)C/O進(jìn)行分析處理[2]，可有效減少本底對(duì)C/O這一判據(jù)的干擾.

1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1 本底來(lái)源分析

由于γ射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用主要包括光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)效應(yīng)，所輸出能譜較為復(fù)雜，在能譜中形成全能峰、康普頓坪、單逃逸峰和雙逃逸峰等. 在實(shí)際的γ譜中，由于散射光子及反散射峰、湮沒(méi)輻射峰、特征X射線(xiàn)、軔致輻射、累計(jì)效應(yīng)、和峰效應(yīng)、邊緣效應(yīng)等因素的影響，使得測(cè)量能譜變得更為復(fù)雜.γ能譜的本底譜主要來(lái)源包括康普頓效應(yīng)引起的連續(xù)譜分布；γ射線(xiàn)在探測(cè)器靈敏體積內(nèi)的小角度散射；天然本底峰，包括宇宙射線(xiàn)及天然核素放射性核素產(chǎn)生的全能峰等.

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的爆炸物位于高密度的墻體內(nèi)，墻體會(huì)改變?nèi)肷涞奖ㄎ锷系闹凶幽芰亢蛷?qiáng)度，也會(huì)衰減爆炸物樣品元素產(chǎn)生的特征γ射線(xiàn)強(qiáng)度. 同時(shí)墻體內(nèi)水泥中的O和Si元素含量很大，其與中子作用產(chǎn)生的特征γ射線(xiàn)也會(huì)部分疊加到γ探測(cè)器中，直接影響到對(duì)爆炸物內(nèi)O元素的分析，增加了爆炸物檢測(cè)的難度.

1.2 標(biāo)記中子成像原理

標(biāo)記中子技術(shù)中，配備有多像素α探測(cè)器的中子發(fā)生器是核心設(shè)備. 在中子發(fā)生器內(nèi)， 加速的D離子與靶中的T核發(fā)生T(d，n)α反應(yīng)，產(chǎn)生各向同性的14MeV中子. 在質(zhì)心坐標(biāo)系下，T(d，n)α的核反應(yīng)產(chǎn)生的α與n在180°方向?yàn)橐灰粚?duì)應(yīng)，在時(shí)間上相關(guān)聯(lián). 位置靈敏的α探測(cè)器可以探測(cè)出α粒子的運(yùn)動(dòng)方向和時(shí)間信息，進(jìn)而給出中子的方向和時(shí)間信息. 探測(cè)器所張的立體角對(duì)應(yīng)伴隨中子出射的錐形區(qū)域，當(dāng)中子與元素反應(yīng)發(fā)生在這個(gè)錐形區(qū)域內(nèi)時(shí)，生成的γ射線(xiàn)可以通過(guò)符合電路被探測(cè)到.

在T(d，n)α核反應(yīng)中，α粒子與中子在方向上關(guān)聯(lián). 與α相關(guān)聯(lián)的中子與物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生瞬發(fā)γ，而其他中子產(chǎn)生的γ射線(xiàn)在時(shí)間與該部分α粒子不關(guān)聯(lián)，形成本底. 通過(guò)γ與α信號(hào)的符合測(cè)量，獲得γ射線(xiàn)的飛行時(shí)間譜，通過(guò)時(shí)間窗可以選出與α粒子相關(guān)聯(lián)的中子產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線(xiàn)，獲得樣品的特征γ譜線(xiàn)，可以很大程度降低本底γ，便于對(duì)γ譜的分析[3-11].

1.3 3種峰面積計(jì)算方法

按照扣除本底以及選取邊界道址的不同，可分為全能峰面積(TPA)法、科沃爾(Covell)峰面積法和沃森(Wasson)峰面積法等,其示意如圖1所示[13-16].

1)全能峰面積(TPA)法：分別取兩邊峰谷L和R，將道址L-R間的脈沖計(jì)數(shù)全部相加，本底以線(xiàn)性扣除. 此方法也叫做線(xiàn)性本底法. 由于存在統(tǒng)計(jì)漲落的影響，以左右兩邊界點(diǎn)計(jì)算本底，邊界的誤差較大，故在左、右邊界周?chē)魅點(diǎn)，共2n+1個(gè)點(diǎn)計(jì)算平均值作為本底. 雖然TPA法可以獲得最大的統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，但峰兩側(cè)靠近邊界L值和R道計(jì)數(shù)對(duì)峰面積貢獻(xiàn)不大，卻使誤差顯著增加.

2)Covell法：在峰值兩側(cè)選取對(duì)稱(chēng)的邊界道址，并用直線(xiàn)連接峰曲線(xiàn)上對(duì)應(yīng)的邊界上兩點(diǎn)，把該直線(xiàn)以下的面積作為本底直接扣除. 只采用峰區(qū)中，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較小的道的計(jì)數(shù)來(lái)計(jì)算面積. 這種方法采用的基線(xiàn),相對(duì)來(lái)說(shuō)比較高,因而峰面積的標(biāo)準(zhǔn)偏差比較大.

3)Wasson法：邊界道址選取與Covell法一樣，本底部分為T(mén)PA法與兩邊界道址的重疊部分. 取窄峰區(qū)，用低基線(xiàn).Wasson既吸取了Covell法的優(yōu)點(diǎn),又保留了TPA法基線(xiàn)較低的長(zhǎng)處.

(a) TPA法

(b) Covell法

(c) Wasson法

2 實(shí)驗(yàn)裝置

系統(tǒng)裝置框圖如圖2(a)所示，裝置主體為手提箱式設(shè)計(jì)(93cm×66cm×47cm)，內(nèi)有伴隨粒子中子發(fā)生器系統(tǒng)、硅酸釔镥(LYSO)探測(cè)系統(tǒng)、快電子學(xué)系統(tǒng)(包括多道分析器)等. 俄羅斯自動(dòng)化研究所(VNIIA)研制的ING-27型發(fā)生器作為中子源，中子產(chǎn)額5×107s-1，α探測(cè)采用半導(dǎo)體硅探測(cè)器，數(shù)量為9個(gè)按3×3排列，每個(gè)α探測(cè)器的尺寸為10mm×10mm，從檢測(cè)裝置向被測(cè)物方向看9個(gè)α探測(cè)器對(duì)應(yīng)的檢測(cè)區(qū)域標(biāo)號(hào)視覺(jué)圖如圖2(b)所示. 加上電子學(xué)系統(tǒng)，可給出α粒子的時(shí)間和探測(cè)器序號(hào)，α探測(cè)器對(duì)3MeV的α粒子探測(cè)的本征效率接近100%.

(a)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

(b)α探測(cè)器標(biāo)號(hào)圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及α探測(cè)器標(biāo)號(hào)

手提箱主體固定在可移動(dòng)式小車(chē)上，可移動(dòng)至可疑墻體處進(jìn)行檢測(cè). 控制分析系統(tǒng)安裝在筆記本電腦上，通過(guò)單根網(wǎng)線(xiàn)與主體相連. 2個(gè)φ76mm×76mm的LYSO探測(cè)器分別位于中子發(fā)生器一側(cè)，外有2cm厚鉛準(zhǔn)直器，探測(cè)器與中子發(fā)生器發(fā)射單元之間用15cm厚鎢板隔開(kāi)以避免中子對(duì)探測(cè)器的直接照射.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)用硝銨及TNT模擬物的成分配比見(jiàn)表1和表2. 將按比例混和好的粉末壓制成與實(shí)際爆炸物密度相當(dāng)?shù)姆綁K，每份50g密封完好備用. 利用實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量300g(6塊)硝銨及300gTNT模擬物分別在10cm和15cm墻中的瞬發(fā)γ能譜圖，經(jīng)過(guò)平滑處理如圖3所示，中子產(chǎn)額5×107s-1，測(cè)量時(shí)間300s.

表1 100 g模擬TNT炸藥的組成

表2 100 g模擬硝銨炸藥的組成

根據(jù)所測(cè)得能譜計(jì)算出3種元素C，N和O的特征峰計(jì)數(shù)，實(shí)驗(yàn)中確定每個(gè)γ探測(cè)器與α探測(cè)器的2,3,5和6號(hào)探頭符合測(cè)量后的能譜為最后判定數(shù)據(jù). 由于O峰對(duì)N峰影響較大，只選擇2種元素C和O的特征峰計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，求出C/O值，作為判斷10 cm墻和15 cm墻內(nèi)是否存在硝銨和TNT爆炸模擬物的依據(jù). 之后采用3種扣除本底方法對(duì)2種元素C和O特征峰計(jì)數(shù)進(jìn)行處理，得到去除本底后的C/O值，判定在同種特定環(huán)境下，是否能更準(zhǔn)確地?cái)喑鍪欠裼邢蹁@和TNT爆炸模擬物存在. 本文中以2個(gè)γ探測(cè)器與之符合的α探測(cè)器中的2,3,5和6號(hào)8個(gè)探頭中至少有6個(gè)探頭能夠與非爆炸物有明顯區(qū)別，作為有效判定依據(jù).

未扣除本底法與全能峰面積(TPA)法中C元素含量的峰面積計(jì)算道址取值為575～632道，O元素峰面積道址取值為777～847道. Covell法與Wasson法中C元素道址取值為587～617道，O元素道址取值為790～820道.

(a)10 cm

(b)15 cm圖3 硝銨、TNT模擬物分別在10 cm和15 cm墻體中的γ能譜圖

采用上述4種方法計(jì)算硝銨與TNT分別在10 cm和15 cm墻中2,3,5和6號(hào)探頭對(duì)應(yīng)的C和O峰面積，得到的C/O如圖4～7所示. (圖中將2個(gè)γ探測(cè)器對(duì)應(yīng)的2，3，5和6號(hào)8個(gè)α探頭依次排序?yàn)?～8號(hào)探頭. )

計(jì)算在不同環(huán)境下C和O兩峰對(duì)應(yīng)的峰面積，得出相應(yīng)的C/O值，以此為判據(jù)來(lái)判斷是否有爆炸模擬物的存在. 通過(guò)3種不同去除本底的方法計(jì)算出C和O兩峰對(duì)應(yīng)的峰面積，得到C/O值與未去除本底時(shí)的C/O相比，在特定環(huán)境下，C/O這一依據(jù)適用范圍有了很大改善，而這一依據(jù)具體結(jié)果如表3所示，用“√”表示判斷依據(jù)可用.

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

表3 不同方法扣除本底前后判斷爆炸模擬物比較

4 結(jié) 論

高密度強(qiáng)體的強(qiáng)干擾作用，使得墻體內(nèi)爆炸模擬物中的N元素特征峰很難被探測(cè)到，同時(shí)，因N的5.1 MeV特征峰被O元素的6.13 MeV特征峰的雙逃逸峰干擾，采用N作為判定標(biāo)準(zhǔn)誤差很大. 選用C/O作為判據(jù)，判斷特定環(huán)境下是否存在爆炸物，并對(duì)這一判據(jù)進(jìn)行處理分析. 采用3種不同扣除本底方法計(jì)算C/O值，與未扣除本底時(shí)C/O值進(jìn)行對(duì)比，提高了C/O判據(jù)適用性，說(shuō)明該方法具有較強(qiáng)實(shí)用性. 未來(lái)將測(cè)試判斷爆炸物存在的其他方法，如小波分析、SNIP等進(jìn)行扣除本底處理，減少本底帶來(lái)的干擾，提高判據(jù)的準(zhǔn)確性.

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