基于標記中子方法的爆炸物特征γ能譜分析

劉 軒，景士偉,2，李明非，鄭 彥，高亞東，年瑞雪

(1.東北師范大學，吉林 長春 130024；2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

自二十世紀九十年代，恐怖襲擊事件時有發生，對人民生命財產安全造成了極大危害。及時有效地檢測隱藏在行李中的爆炸物，成為國際社會的迫切要求。爆炸物檢測可以通過樣品的幾何形狀，蒸汽排放物和元素組成等參數實現[1]。常見的爆炸物檢測方法有X或γ射線掃描技術，核磁四極矩檢測方法(NMQ)，化學方法，中子技術等。基于X射線或γ射線的掃描儀只提供被測物形狀、位置和密度，由于爆炸物成份與日常用品相近，僅靠密度識別爆炸物局限性很大。核磁四極矩法類似于核磁共振檢測(NMR)，雖然能檢測危險品，但需要高磁場，大設備，且成本高，實際應用范圍小。化學方法只適用于氣體爆炸物的檢測。中子對多數材料具有高穿透性，中子法可用于無損檢測和原位檢測。普通材料與爆炸物元素的相對含量區別大，通過測定C、O和N的原子密度或相對含量可測定被檢測物是否為爆炸物、毒品或其他有機物[2]。

中子檢測技術探測靈敏、準確性好、自動化程度高，越來越受關注。中子檢測方法主要有熱中子法(TNA)、快中子法(FNA)、脈沖快中子法(PFNA)、脈沖快中子和熱中子結合法(PFTNA)、快中子散射法(FNSA)、伴隨α粒子法/中子飛行時間法(API/ TOF)等[3-4]。其中，伴隨α粒子法/中子飛行時間法抗干擾強，能空間分區檢測，可以實現對爆炸物相關元素的測量，與僅測量其中一種元素相比，降低了誤報率[5]，提高了檢測信噪比。其他中子檢測方法受周圍環境影響，本底較高。

本研究基于標記中子方法設計包裹內爆炸物檢測系統，通過標記中子和飛行時間方法，采用二維多像素α探測器，反映被測物的橫向、縱向及深度坐標，提供被測物三維圖像。通過測量得到能譜圖，獲得C、N和O元素含量，得到C/O、C/N含量比，從而有效識別任意形狀的爆炸物。本研究對300 g硝銨(NH4NO3)、TNT(C7H5N3O6)模擬物以及生活中常見的有機物干奶粉和洗衣粉進行測量。將干奶粉和洗衣粉置于硝銨和TNT模擬物的周圍，獲得特征γ射線能譜，得出元素的相對含量，實現對爆炸物的定性判斷。通過改變樣品距離裝置的距離和空間位置，驗證裝置檢測爆炸物的能力。

1 實驗原理及測量系統

伴隨α粒子成像技術原理示于圖1。在中子發生器中，加速的D+離子束轟擊鈦靶，靶表面與D+離子束方向成45°，D+離子與T核發生氘氚反應產生14 MeV中子和α粒子，在質心坐標系下14 MeV中子和α粒子在時間上相關聯。中子與被測物發生反應后，產生瞬發γ射線，通過α-γ符合時間測量獲得γ時間譜，由時間窗選出與α粒子相關聯中子產生的瞬發γ射線，獲得被測物的特征γ譜。降低不相關的γ本底，有利于γ能譜分析，同時也增加了信噪比[5-6]。γ射線被用來表征碳、氮和氧，這是構成爆炸物或毒品的主要元素。通過測量元素如碳、氮和氧含量來區別違禁物品和普通物品。中子與伴隨α粒子的檢測稱為“標記”中子。用一個二維多像素α探測器，反映被測物的橫向、縱向及深度坐標，實現被測物的三維定位。

測量系統由中子發生器系統、硅酸釔镥(lutetium yttrium silicate，LYSO)探測器、伴隨α粒子探測器、快電子學系統(包括多道分析器)、控制分析系統等組成。兩個Φ76 mm×76 mm LYSO探測器分別位于中子發生器兩側，探測器與中子發生器之間用鐵板隔開以避免中子對探測器的直接照射。α探測器和LYSO探測器獲取的快信號通過常份額甄別器進入時間-幅度轉換器，獲得α-γ符合的γ時間譜，通過線性門符合，獲得被測物的瞬發γ能譜。

中子源需要良好的穩定性和高產額。俄羅斯研制的ING-27型發生器具有伴隨α粒子探測功能，中子產額最大8×107n/s。每個α探測器的尺寸為10 mm×10 mm，共9個(圖1中檢測裝置向被測物方向看9個α探測器對應的檢測區域標號)。α探測器距離中子管靶6.2 cm，靶距手提箱外表面20 cm，整個系統的時間分辨為1.7 ns，快電子學系統最大通過率約1×108。探測器選用Saint-Gobain公司生產的LYSO晶體探測器，LYSO閃爍晶體高光輸出、快發光衰減、有效原子序數多、密度大、不潮解[7]。

CFD——常份額甄別器；SCA/TAC——單道及時間-幅度轉換器；MCA——多道分析儀圖1 伴隨α粒子成像技術原理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——硝銨樣品置于雜物中圖2 現場測試設備a——TNT in dry milk powder; b——AMM in sundriesFig.2 Field testing device

2 測量方法

實驗時，首先需要測試系統各部分是否處于正常工作狀態，系統正常的情況下收集不同樣品的測試譜，生成日志文件，分析測試譜。

中子發生器及其供電系統，快電子學系統和伽瑪探測器系統放置在手提箱內，并固定在可移動的平板車上，可以移動至可疑物處進行測量，方便快捷。利用上述裝置分別對300 g硝銨、三硝基甲苯(C7H5N3O6，TNT)、干奶粉、洗衣粉、300 g硝銨和TNT置于干奶粉和洗衣粉之后的樣品進行探測。改變樣品距離裝置的距離，檢測系統的分辨能力。本研究中硝銨和TNT均不是真正的炸藥，為密度和化學元素組成相近的模擬物。現場測試圖示于圖2。爆炸物模擬物的尺寸為6 cm×6 cm×6 cm。

3 結果分析

位于9個α 探測器中間位置的5#α探測器分別與LYSO1和LYSO2探測器符合測量，得到TNT模擬物(C7H5N3O6)分別距離裝置0、3、6、9 cm的γ能譜圖，結果示于圖3。由圖3結果可知，TNT樣品距離裝置不同距離的γ能譜圖幾乎保持一致，說明在9 cm以內裝置的檢測能力不變，驗證了裝置檢測爆炸物的能力。同時從圖上可以看出C(4.439 MeV)、N(2.313 MeV)和O(6.130 MeV)元素的特征γ峰。

TNT、硝銨、干奶粉和洗衣粉樣品距裝置0 cm的符合譜結果示于圖4。從圖4結果中可以看出，干奶粉的C元素特征峰計數明顯偏高，洗衣粉能譜低能區的計數較高，雖然各物質間譜形存在差別，但單獨從能譜不能確定物質為有機物或爆炸物，還要根據元素含量及元素含量比進行準確判斷。

TNT分別置于干奶粉和洗衣粉之后的樣品距裝置0 cm的符合譜示于圖5。從圖5結果可以看出，TNT置于洗衣粉后的能譜C峰計數明顯降低，在左側低能區的計數增加，TNT置于干奶粉后的C峰計數增加，O峰計數減少，增加干擾后的爆炸物TNT能譜有明顯變化，不能單獨從譜形對其進行區分。

圖3 TNT樣品距裝置不同距離的γ譜Fig.3 TNT gamma spectrum at different distance from the device

圖4 TNT、硝銨、干奶粉、洗衣粉樣品的γ譜Fig.4 Gamma spectra of TNT, ammonium nitrate, dry milk powder

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

區分爆炸物和有機物的方法是基于C、N和O的相對比例。選取碳4.439 MeV，氮5.106 MeV和氧6.130 MeV凈面積進行數據分析，以確定C、N和O的含量。使用C/O和C/N比區分爆炸物和有機物。以C/O為橫坐標，C/N比為縱坐標，繪制二維的散點圖。不同物質的含量比示于圖6。由圖6結果可知，此方法可以區分大多數的爆炸物和有機物。但爆炸物過氧化丙酮位于有機物區域中，因為該物質不含N元素，C/N比為零，對于這種物質利用C/O和C/N比進行區分存在一定的局限性，需要結合其他方法進行區分。

TNT和干奶粉在不同距離處的C/O和C/N比列于表1。從表1結果可以看出，TNT和干奶粉的C/O和C/N比存在較大差異，且分別位于爆炸物和有機物的不同區域，因此通過C/O和C/N比可對TNT和干奶粉進行區分。隨著距離的變化每種物質的元素含量比存在變化，但仍可以從含量比區分TNT和干奶粉。

1——TNT；2——麥寧炸藥；3——特屈兒；4——六硝基苯；5——七硝基立方烷；6——黑索今；7——硝化甘油；8——過氧化丙酮；9——葡萄糖；10——聚氯乙烯；11——尼龍；12——三聚氰胺；13——乙酰胺；14——乙醇；15——甲醇；16——紙；17——木材；18——脲甲醛圖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

距離/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 結論

基于標記中子方法實現了對隱藏在包裹內的爆炸物檢測，檢測裝置便攜，可移動至可疑區域進行檢測。符合測量方法測得的γ能譜抑制了本底，提高了信噪比。通過測量300 g TNT和300 g硝酸銨在不同條件下的γ射線能譜，得到了主要元素的特征峰。通過分析能譜計算C/O和C/N，可有效區分爆炸物TNT和有機物干奶粉，且被測物距裝置距離增加時，仍可以區分TNT和干奶粉。對于爆炸物的檢測，需要進一步優化系統設計，配置不同類型的探測器以提高檢測精度。