利用MOCA程序模擬PGNAA技術探測地雷的方法

張天寶，何德東，景士偉，王 強

(1.國家核安保技術中心，北京 100010；2.東北師范大學 物理學院，吉林 長春 130024；3.中國原子能科學研究院，北京 102413)

目前，全世界每年仍有1.5～2萬人因接觸地雷致殘或死亡，地雷嚴重影響人們生命安全，尋找一種有效探雷方法意義重大[1-2]。常規探雷技術包括電磁和雷達等,針對地雷外殼和形狀進行探測[3-4]。中子探雷技術可以實現地雷中炸藥元素和含量的探測，主要分為中子反散射法、熱中子、快中子和脈沖快熱中子分析法，具有探測速度快、受干擾小、性能優越等優點[5-6]。基于密封中子管的中子發生器體積小，能譜單色性好，無伽瑪本底，可產生脈沖中子，便于存儲管理和運輸，可作為中子探雷的中子源[7]。瞬發γ中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)能進行多元素檢測且具有較大檢測范圍，其抗干擾性強、靈敏度高、分析速度快、無破壞性，在探測地雷方面有較大優勢[8-10]。

蒙特卡羅方法對多維問題有適用性，受問題條件限制影響小，程序結構簡單，對于模擬粒子輸運等問題有較大的優勢[11-13]。目前使用較多的程序是MCNP4C和MCNP5，相對MORSE和GEANT4等程序其攜帶相關數據庫并可以給出降低誤差的方法，但其收斂速度慢，運算時間長。與國際通用的蒙特卡羅軟件相比，MOCA程序[14]是由法國地質礦業研究局開發的多功能可視化蒙特卡羅中子、光子耦合輸運程序，可較準確模擬光子與探測器的響應。

MOCA操作簡單，體積小巧，專業性強，尤其在模擬PGNAA方面[15]，其運算時間短，構型簡單。

為了研究D-T中子發生器實際探雷過程，利用MOCA模擬PGNAA技術探測地雷。選用東北師范大學NG-9型中子發生器，分析其內部絕緣材料(聚酰亞胺、可伐合金、陶瓷)對產生中子能量的影響，進而確定該能量分布下地雷探測的最佳構型。然后對埋藏在含水量5%的土壤(密度為1.575 g/cm3，主要成分為SiO2)中的反坦克地雷1#(模擬尺寸為10 cm×10 cm×20 cm，質量為3.449 kg，RDX∶TNT=1∶1)、反步兵地雷2#(模擬尺寸為2.5 cm×2.5 cm×6 cm，質量為517.35 g，RDX∶TNT=1∶1)進行探測，最后對氫、碳、氧、氮元素進行分析確定探雷有效深度。

1 中子發生器絕緣材料慢化作用

東北師范大學自主研發的NG-9型中子發生器中子發射頭部分由自成靶陶瓷中子管、倍壓電路、聚酰亞胺絕緣材料[16-17]等組成，將3He探測器放在發生器下0.1 cm處探究其內絕緣材料對能量分布的影響，結構如圖1所示。將發射頭完整結構作為本底，模擬依次去掉可伐合金、聚酰亞胺、陶瓷材料，得到不同模型下中子計數與本底差值隨能量變化的圖像，結果示于圖2。無陶瓷、可伐合金與本底差值幾乎為零，無聚酰亞胺在0～13 MeV計數低于本底，13～14 MeV計數高于本底，即聚酰亞胺能慢化快中子，使慢、熱中子數量增多。計算不同模型下快、熱、慢中子所占比例，結果列于表1，完整結構、無聚酰亞胺、無可伐合金、無陶瓷快中子比例分別為84.33%、97.66%、84.86%、86.00%。由此可見，1.7 cm厚聚酰亞胺對中子有較強慢化作用，使快中子比例減少了13%。NG-9型中子發生器靶端產生的14 MeV中子受內部材料影響，能譜分布為2.18%熱中子，13.50%慢中子，84.33%快中子。

a—YZ方向；b—XZ方向

表1 中子發生器內部材料慢化作用

圖2 不同模型下計數與本底的差值ΔN隨能量變化

2 優化反射體及慢化體厚度

PGNAA技術探測地雷，需要探測中子與地雷作用發出的俘獲和非彈伽瑪射線，C和O元素對非彈反應有較大散射截面，而H、N、Si、Al、Fe、Ca元素熱中子俘獲截面很大，因此快、熱中子數量及比例直接影響伽瑪譜強弱和精度。為提高熱中子數量、優化所需快、熱中子比例，在中子發生器與土壤間加上快中子的慢化體鎢進行第一步慢化，再利用土壤自身慢化作用在地雷處得到數量較高的熱中子，并在中子發生器上側加上散射截面較大的反射體碳化鎢，提高中子源利用率及增高總中子通量[18-20]。然后改變材料厚度，確定快、熱中子比例合適的最佳厚度。

如圖3所示，上面是碳化鎢反射體，下面是鎢慢化體，中間為半徑4.3 cm的中子發生器。鎢和碳化鎢厚度均從4.4 cm開始，分別依次增加0.4 cm，1 cm，用3He探測器探測其不同厚度下熱中子、總中子計數隨深度的變化，結果示于圖4、圖5。由圖4可以看出，熱中子數隨鎢厚度增加而減少，在4.4 cm(距中子發生器最上端0.1 cm)時數量最多，相對沒有慢化體時增加13%，選取4.4 cm鎢為慢化體。由圖5可見，總中子數隨深度增加而降低，與碳化鎢厚度關系不大，選取4.4 cm碳化鎢為反射體。

圖3 慢化體、反射體沿YZ方向投影圖

圖4 不同厚度鎢熱中子計數隨深度變化關系

圖5 不同厚度碳化鎢總中子計數隨深度變化關系

3 優化屏蔽體厚度

為防止中子發生器產生的高能中子對伽瑪探測器造成損傷，選用鎢為第一層屏蔽體對快中子進行慢化，含硼聚乙烯為第二層屏蔽體對慢化后中子進行吸收和再次慢化。慢化后的熱中子會與硼、氫元素發生俘獲反應產生伽瑪射線，需屏蔽這部分伽瑪射線，防止干擾地雷探測。鉛對不同能量伽瑪射線屏蔽效果都很好，選用鉛為第三層屏蔽體。

屏蔽體設計示意圖示于圖6。依次改變鎢、含硼聚乙烯厚度，在其左側用3He探測器測量各類中子比例，確定鎢、含硼聚乙烯合適厚度，再改變鉛厚度，在其左側用伽瑪探測器測量伽瑪射線的數量，確定鉛合適厚度。中子計數隨鎢厚度變化關系示于圖7，三種類型的中子數量都隨鎢厚度增加而減少，且減少速率也隨厚度增加而降低，快中子在8 cm時總數已減少近90%，慢化作用明顯，將鎢厚度定為8 cm。中子計數隨含硼聚乙烯厚度變化關系示于圖8，由圖8知，熱中子吸收作用在厚度低于11 cm時很明顯，快中子和慢中子慢化效果相較之下略差，考慮厚度成本等因素將其定為9 cm。伽瑪計數隨鉛厚度變化關系示于圖9。由圖9可見，在鉛厚度小于4 cm之前，伽瑪計數急劇減少，4 cm時減少為原來的6.64%，確定鉛厚度為4 cm。綜上所述，選擇8 cm鎢、9 cm含硼聚乙烯和4 cm鉛為三層屏蔽體，由此確定最佳裝置模型，模型示意圖示于圖10，具體參數列于表2。

圖6 屏蔽體設計示意圖(沿XZ方向)

表2 最終裝置模型參數

圖7 中子計數隨鎢厚度變化關系

圖8 中子計數隨含硼聚乙烯厚度變化關系

圖9 伽瑪計數隨鉛厚度變化關系

圖10 最終裝置示意圖

4 探測地雷模擬與討論

選取大小為Φ7.6 cm×7.6 cm的LYSO探測器在距地面0.7 cm處分別對1#(3.449 kg)、2#(517.35 g)地雷進行探測，測量其在5%含水量土壤中0～25 cm深度下伽瑪能譜。以沒有地雷時計數作為本底，分析不同深度下各特征元素計數與本底差異，定性給出探測地雷的有效深度。由圖11知，1#、2#地雷在0～16 cm、0～12 cm深度內，2.22 MeV氫元素特征峰計數高于本底，即探測有效深度分別為16 cm、12 cm。如圖12所示，1#、2#地雷的6.13 MeV氧元素特征峰計數基本上低于本底，這是因為地雷中氧含量遠小于土壤中氧含量，因此用氧來判定有無地雷比較困難。由圖13，圖14可知1#、2#地雷在0～20 cm、0～6 cm時，10.8 MeV氮、4.44 MeV碳元素特征峰計數高于本底，探測有效深度分別為20 cm、6 cm。對氮、碳元素進行分析，確定在5%含水量土壤中對1#、2#地雷探測有效深度分別為20 cm、6 cm。反坦克地雷質量一般為3 kg，埋藏深度20 cm，反步兵地雷質量一般為500 g，埋藏深度5 cm[11-23]。因此，本實驗模型目前僅對5%含水量土壤中的反步兵、反坦克地雷有效。

圖11 氫元素2.22 MeV特征峰計數隨深度的變化

圖12 氧元素6.13 MeV特征峰計數隨深度的變化

圖13 碳元素4.44 MeV特征峰計數隨深度的變化

圖14 氮元素10.8 MeV特征峰計數隨深度的變化

目前根據對碳、氮元素的分析僅定性給出地雷的有效探測深度參考值，地雷與其他干擾物的區分仍需進一步模擬研究與實驗驗證。并且在實際探雷過程中，地雷的埋藏環境復雜多樣，周圍土壤產生的本底會嚴重干擾來自爆炸物的有效信號。因此降低土壤本底干擾成為成功檢測地雷關鍵因素，實現中子源準直可以降低土壤影響。針對常規快、熱中子法難以檢測的情況，可采用標記中子技術。通過α-γ符合時間測量獲得伽馬-時間譜，由時間窗挑選出與α粒子關聯中子作用產生的伽馬信號，獲得被測物特征伽馬能譜，可降低干擾本底，提升信噪比。

6 結論

東北師范大學NG-9型中子發生器內部含有較強慢化作用的聚酰亞胺絕緣材料，導致最終發射中為2.18%熱中子，13.50%慢中子，84.33%快中子。在發生器上下加厚度4.4 cm碳化鎢，鎢用作反射體和慢化體。發生器與伽瑪探測器之間加8 cm鎢、9 cm含硼聚乙烯、4 cm鉛為屏蔽體。相對單能情況，所需反射體、慢化體、屏蔽體厚度降低。使用該模型探測地雷，基于對氫、碳、氮、氧元素的分析，定性確定在5%含水量土壤中對3.449 kg地雷、517.35 g地雷(TNT 和RDX)的有效探測深度分別是20 cm、6 cm，可為實際測量提供參考。

在實際探測地雷過程中，探雷精度及效率受多種因素影響，今后可改變地雷周圍環境(含水量、類型、均勻度、干擾物)、地雷類型(成分、外殼)，進一步優化構型豐富數據庫，并進行算法研究建立科學完整的地雷識別算法，提高復雜背景下探雷效率和精度。下一步研究工作重點是固定地雷深度改變探測器位置，建立關于地雷定位的算法。