快中子伴隨α粒子成像技術在包裹爆炸物檢測中的應用

王 強，王 月，鄭玉來

(中國原子能科學研究院，北京 102413)

當今世界恐怖事件時有發生，恐怖分子將爆炸物隱藏在包裹內再伺機引爆是其進行恐怖活動的常用方式之一。為有效檢測隱藏爆炸物，亟需快速、準確識別爆炸物的檢測方法與設備。爆炸物核檢測技術主要有X射線檢測法、中子檢測方法、電磁測量法、電化學檢測法[1]。其中，X射線檢測法包括X射線透射法、雙能X射線檢測法、X射線散射法、X射線-CT密度檢測等；電磁測量法包括電磁法、核磁共振法(NMR)、核四極矩共振檢測法(NQR)。目前，國際上采用最多的為X射線透視法、X射線-CT密度檢測法、電四極矩探測法等。X射線成像技術能分辨物品的密度，但無法識別物品的元素成分，不能確認包裹中是否存在爆炸物，而中子技術可確定檢測區域的元素含量，被譽為爆炸物檢測領域的“指紋”技術，具有高靈敏度、高準確度的特點。中子檢測爆炸物技術主要有熱中子法(TNA)、快中子法(FNA)、脈沖快熱中子法(PFTNA)、快中子伴隨α粒子成像技術(API)[2]。伴隨α粒子成像技術可以實現檢測區域的三維空間定位檢測，有效降低檢測過程中14 MeV中子與被檢測物品周圍環境中產生的強γ輻射本底，具有較高的空間分辨本領和較強的爆炸物識別能力，在隱藏爆炸物和毒品檢測方面具有廣泛的應用前景[3-5]。本研究設計了包裹爆炸物中子裝置，模擬計算了硅酸釔镥(LYSO)γ射線探測器的探測效率和能量響應，以便為爆炸物的準確鑒別提供參考。

1 方法原理

爆炸物的化學元素組成主要是C、H、O和N，日常用品的化學成分也主要為這4 種元素，但元素含量與前者比差別很大。測定C、O和N 的原子密度或相對含量，就可判別是炸藥、毒品，還是其他有機物[9]。快中子伴隨α粒子成像技術(API)通過探測快中子與爆炸物富含的C、O和N元素的非彈性散射發出的特征γ射線，確定檢測區域C、O和N元素的含量，判別包裹中是否存在爆炸物。同時利用α-γ符合測量技術進行中子方向標記，并細分檢測區域，減小中子與周圍環境產生的強γ干擾信號，提高信噪比。

1.1 快中子非彈性散射

快中子分析方法利用氘氚反應產生的14 MeV快中子與N、C和O元素作用發生非彈性散射，發出能量為5.11、4.43、6.13 MeV的γ射線。三個反應的γ射線能量很高，易于探測，通過測量快中子引起的非彈性散射特征γ射線，就可以確定物品中C、N和O元素的含量。

1.2 伴隨α-γ符合檢測

伴隨α粒子爆炸物檢測技術原理示于圖1。T(d,n)α核反應中，在質心坐標系，α與n在180°方向一一對應，在時間上相關聯。因此，用α位置靈敏探測器測定α粒子的飛行方向確定中子的飛行方向；測定α粒子和中子引起的γ射線隨時間的變化，由中子飛行速度確定中子的飛行距離；由中子的飛行方向和距離確定被測元素的空間分布。伴隨粒子法可以確定C、N、和O元素含量的空間分布圖，實現對可疑爆炸物區域的空間定位檢測。伴隨α粒子檢測方法可標記與爆炸物作用的中子，有效降低檢測過程中14 MeV中子與被檢測物品周圍環境中產生的強γ輻射本底。

圖1 伴隨α粒子爆炸物檢測技術原理[6]Fig.1 Associated particle imaging technique diagram for the explosives detection[6]

2 實驗裝置

包裹爆炸物中子檢測裝置設計示意圖示于圖2。裝置主體為箱式設計，內有伴隨粒子中子發生器、γ探測器、快電子學系統( 包括多道分析器)等。控制分析系統( 筆記本電腦) 通過單根網線與主體連接，實現對爆炸物檢測的遠程控制，保證爆炸檢測人員的輻射安全。兩個Saint-Gobain 公司生產的Φ76 mm×76 mm 硅酸釔镥(LYSO)探測器分別位于中子發生器兩側。LYSO閃爍晶體具有高光輸出、快發光衰減、有效原子序數多、密度大等特性，并且物化性質穩定、不潮解、對γ射線探測效率高。探測器與中子發生器發射單元之間用鎢板隔開，避免中子對探測器直接照射。采用俄羅斯VNIIA工廠研制的ING-27 型發生器作為中子源，該中子源共有9個10 mm×10 mm的α探測器。α探測器距離中子管靶6.2 cm，中子發生器的最大產額約5×107s-1。整個系統的時間分辨率優于2 ns。

圖2 包裹爆炸物中子檢測裝置示意圖Fig.2 Diagram for explosive neutron detection device

3 蒙特卡羅模擬計算

3.1 LYSO探測器響應

為研究LYSO探測器對爆炸物中C、N、O元素與快中子非彈散射發出的特征γ射線的性能，進行蒙特卡羅(Monte Carlo, MC)模擬計算。LYSO晶體為φ63 mm×50 mm，γ射線沿晶體中心軸垂直入射至晶體端面，模擬計算爆炸物中C、N、O元素產生的4.44 MeV、5.11 MeV、6.13 MeV的特征γ射線在LYSO探測器內的能量沉積特性，其中C、N元素γ射線能量沉積譜示于圖3，LYSO探測器的全能峰效率和單逃逸峰效率以及比值列于表1。

a——4.44 MeV；b——5.11 MeV圖3 γ射線能量沉積譜a——4.44 MeV；b——5.11 MeVFig.3 The γ-ray energy deposition spectra

表1 C、N、O 元素特征γ射線能量沉積特性Table 1 The γ-ray energy deposition of elements C, N, and O in different detectors

從表1數據可以看出，LYSO探測器的本征效率略低于鍺酸鉍(BGO)探測器，但明顯高于碘化鈉(NaI)探測器。 BGO、LYSO和NaI探測器在Cs-137的661 keV γ射線下的能量分辨率分別為15.4%、7%和7%(廠家測試數據)，具有較高能量分辨率的探測器可提高檢測精度、縮短檢測時間。綜上所述，LYSO探測器具有較好的能譜特性，可作為爆炸物檢測的γ射線探測器。

3.2 模擬計算與實驗對比

將模擬計算的石墨樣品特征γ射線在探測器內的脈沖幅度譜與實驗測量數據按特征峰最高計數相等進行比較，計算和測量的脈沖幅度譜比較結果示于圖4。由圖4結果可以看出，實驗和模擬計算結果的全能峰和單逃峰的峰形符合較好，驗證了模擬計算的正確性。

圖4 γ探測器上的脈沖幅度譜的模擬計算和實驗數據比較Fig.4 The detector response spectrumfor MC calculation and experiment

4 樣品測量

4.1 石墨樣品

中子發生器的中子產額設定為4×107s-1。對石墨樣品采用直接測量和伴隨α方法測量，測量30 min，得到γ探測器的能譜示于圖5。由圖5結果可知，直接測量得到的能譜很難識別C元素4.44 MeV的特征γ射線峰，而伴隨α方法測量得到的能譜易于識別C元素的特征γ射線峰。此外，直接測量譜的最高計數在10萬左右，遠高于伴隨α方法測量譜的的最高計數300。利用快中子檢測爆炸物時，快中子將與被檢測物品周圍環境中產生較強的γ輻射本底，需使用伴隨α方法抑制本底，提高信噪比。

4.2 多種樣品的γ譜

a——直接測量；b——伴隨α方法測量圖5 石墨樣品的探測器能譜a——Direct measurement method;b——Associated alpha particle measurement methodFig.5 The detector response spectrum for graphite sample

圖6 多種樣品的γ譜Fig.6 The detector response spectrum for different sample

通過測量石墨、鋁、三聚氰胺、SiO2、Na2CO3、H2O的能譜(圖6)，經過C、N、O元素能譜密度歸一，得到C、N、O元素的相對純凈譜(圖7)，為鑒別爆炸物的基礎。檢測未知材料得到的γ能譜，可通過元素信號的線性組合判斷相對計數份額。

4.3 爆炸物模擬物及干擾物γ譜

日常用品如洗衣粉、奶粉等，其化學成分與爆炸物成分相近，與爆炸物共同放置時，其特征譜形的區分度降低。TNT爆炸模擬物與干奶粉的實驗數據譜示于圖8，硝銨樣品譜及解譜示于圖9。由圖8、圖9結果可知，干奶粉的譜線與爆炸物的譜線非常相似，需要仔細分析其譜數據的差異性，進行準確判別。

圖7 C、N、O三種元素純凈譜 Fig.7 The detector response pure spectrum for C, N and O elements

圖8 TNT與干奶粉譜形的比較Fig.8 The comparison of detector response spectrum for TNT and milk sample

圖9 硝銨樣品譜及解譜Fig.9 Detector response spectrum and strip spectrum for NH4NO3 sample

5 小結

基于快中子的伴隨α粒子方法設計的包裹爆炸物檢測裝置，可對中子的發射方向進行標記，并通過中子飛行時間符合測量技術實現檢測區域的空間定位，可在一定程度上抑制探測器的干擾信號，提高信噪比。將LYSO閃爍體探測器用于中子與爆炸物作用產生的特征γ射線探測效果較好。通過對石墨、水、三聚氰胺等多種樣品的實驗測量，獲得了C、N、O元素的相對純凈譜。同時對與洗衣粉、奶粉等干擾物一起放置的TNT、硝銨樣品進行了測試，得到在不同條件下的高信噪比譜數據，為爆炸物的準確鑒別提供了參考。

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