劉 軒，景士偉,2，李明非，鄭 彥，高亞?wèn)|，年瑞雪

(1.東北師范大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130024；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

自二十世紀(jì)九十年代，恐怖襲擊事件時(shí)有發(fā)生，對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了極大危害。及時(shí)有效地檢測(cè)隱藏在行李中的爆炸物，成為國(guó)際社會(huì)的迫切要求。爆炸物檢測(cè)可以通過(guò)樣品的幾何形狀，蒸汽排放物和元素組成等參數(shù)實(shí)現(xiàn)[1]。常見(jiàn)的爆炸物檢測(cè)方法有X或γ射線掃描技術(shù)，核磁四極矩檢測(cè)方法(NMQ)，化學(xué)方法，中子技術(shù)等?；赬射線或γ射線的掃描儀只提供被測(cè)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(shí)別爆炸物局限性很大。核磁四極矩法類似于核磁共振檢測(cè)(NMR)，雖然能檢測(cè)危險(xiǎn)品，但需要高磁場(chǎng)，大設(shè)備，且成本高，實(shí)際應(yīng)用范圍小?；瘜W(xué)方法只適用于氣體爆炸物的檢測(cè)。中子對(duì)多數(shù)材料具有高穿透性，中子法可用于無(wú)損檢測(cè)和原位檢測(cè)。普通材料與爆炸物元素的相對(duì)含量區(qū)別大，通過(guò)測(cè)定C、O和N的原子密度或相對(duì)含量可測(cè)定被檢測(cè)物是否為爆炸物、毒品或其他有機(jī)物[2]。

中子檢測(cè)技術(shù)探測(cè)靈敏、準(zhǔn)確性好、自動(dòng)化程度高，越來(lái)越受關(guān)注。中子檢測(cè)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(jié)合法(PFTNA)、快中子散射法(FNSA)、伴隨α粒子法/中子飛行時(shí)間法(API/ TOF)等[3-4]。其中，伴隨α粒子法/中子飛行時(shí)間法抗干擾強(qiáng)，能空間分區(qū)檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物相關(guān)元素的測(cè)量，與僅測(cè)量其中一種元素相比，降低了誤報(bào)率[5]，提高了檢測(cè)信噪比。其他中子檢測(cè)方法受周圍環(huán)境影響，本底較高。

本研究基于標(biāo)記中子方法設(shè)計(jì)包裹內(nèi)爆炸物檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)標(biāo)記中子和飛行時(shí)間方法，采用二維多像素α探測(cè)器，反映被測(cè)物的橫向、縱向及深度坐標(biāo)，提供被測(cè)物三維圖像。通過(guò)測(cè)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(shí)別任意形狀的爆炸物。本研究對(duì)300 g硝銨(NH4NO3)、TNT(C7H5N3O6)模擬物以及生活中常見(jiàn)的有機(jī)物干奶粉和洗衣粉進(jìn)行測(cè)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(duì)含量，實(shí)現(xiàn)對(duì)爆炸物的定性判斷。通過(guò)改變樣品距離裝置的距離和空間位置，驗(yàn)證裝置檢測(cè)爆炸物的能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)量系統(tǒng)

伴隨α粒子成像技術(shù)原理示于圖1。在中子發(fā)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(fā)生氘氚反應(yīng)產(chǎn)生14 MeV中子和α粒子，在質(zhì)心坐標(biāo)系下14 MeV中子和α粒子在時(shí)間上相關(guān)聯(lián)。中子與被測(cè)物發(fā)生反應(yīng)后，產(chǎn)生瞬發(fā)γ射線，通過(guò)α-γ符合時(shí)間測(cè)量獲得γ時(shí)間譜，由時(shí)間窗選出與α粒子相關(guān)聯(lián)中子產(chǎn)生的瞬發(fā)γ射線，獲得被測(cè)物的特征γ譜。降低不相關(guān)的γ本底，有利于γ能譜分析，同時(shí)也增加了信噪比[5-6]。γ射線被用來(lái)表征碳、氮和氧，這是構(gòu)成爆炸物或毒品的主要元素。通過(guò)測(cè)量元素如碳、氮和氧含量來(lái)區(qū)別違禁物品和普通物品。中子與伴隨α粒子的檢測(cè)稱為“標(biāo)記”中子。用一個(gè)二維多像素α探測(cè)器，反映被測(cè)物的橫向、縱向及深度坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)物的三維定位。

測(cè)量系統(tǒng)由中子發(fā)生器系統(tǒng)、硅酸釔镥(lutetium yttrium silicate，LYSO)探測(cè)器、伴隨α粒子探測(cè)器、快電子學(xué)系統(tǒng)(包括多道分析器)、控制分析系統(tǒng)等組成。兩個(gè)Φ76 mm×76 mm LYSO探測(cè)器分別位于中子發(fā)生器兩側(cè)，探測(cè)器與中子發(fā)生器之間用鐵板隔開(kāi)以避免中子對(duì)探測(cè)器的直接照射。α探測(cè)器和LYSO探測(cè)器獲取的快信號(hào)通過(guò)常份額甄別器進(jìn)入時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器，獲得α-γ符合的γ時(shí)間譜，通過(guò)線性門符合，獲得被測(cè)物的瞬發(fā)γ能譜。

中子源需要良好的穩(wěn)定性和高產(chǎn)額。俄羅斯研制的ING-27型發(fā)生器具有伴隨α粒子探測(cè)功能，中子產(chǎn)額最大8×107n/s。每個(gè)α探測(cè)器的尺寸為10 mm×10 mm，共9個(gè)(圖1中檢測(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))。α探測(cè)器距離中子管靶6.2 cm，靶距手提箱外表面20 cm，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間分辨為1.7 ns，快電子學(xué)系統(tǒng)最大通過(guò)率約1×108。探測(cè)器選用Saint-Gobain公司生產(chǎn)的LYSO晶體探測(cè)器，LYSO閃爍晶體高光輸出、快發(fā)光衰減、有效原子序數(shù)多、密度大、不潮解[7]。

CFD——常份額甄別器；SCA/TAC——單道及時(shí)間-幅度轉(zhuǎn)換器；MCA——多道分析儀圖1 伴隨α粒子成像技術(shù)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(xiàn)場(chǎng)測(cè)試設(shè)備a——TNT in dry milk powder; b——AMM in sundriesFig.2 Field testing device

2 測(cè)量方法

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先需要測(cè)試系統(tǒng)各部分是否處于正常工作狀態(tài)，系統(tǒng)正常的情況下收集不同樣品的測(cè)試譜，生成日志文件，分析測(cè)試譜。

中子發(fā)生器及其供電系統(tǒng)，快電子學(xué)系統(tǒng)和伽瑪探測(cè)器系統(tǒng)放置在手提箱內(nèi)，并固定在可移動(dòng)的平板車上，可以移動(dòng)至可疑物處進(jìn)行測(cè)量，方便快捷。利用上述裝置分別對(duì)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(jìn)行探測(cè)。改變樣品距離裝置的距離，檢測(cè)系統(tǒng)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(xué)元素組成相近的模擬物?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖示于圖2。爆炸物模擬物的尺寸為6 cm×6 cm×6 cm。

3 結(jié)果分析

位于9個(gè)α 探測(cè)器中間位置的5#α探測(cè)器分別與LYSO1和LYSO2探測(cè)器符合測(cè)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(jié)果示于圖3。由圖3結(jié)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(shuō)明在9 cm以內(nèi)裝置的檢測(cè)能力不變，驗(yàn)證了裝置檢測(cè)爆炸物的能力。同時(shí)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(jié)果示于圖4。從圖4結(jié)果中可以看出，干奶粉的C元素特征峰計(jì)數(shù)明顯偏高，洗衣粉能譜低能區(qū)的計(jì)數(shù)較高，雖然各物質(zhì)間譜形存在差別，但單獨(dú)從能譜不能確定物質(zhì)為有機(jī)物或爆炸物，還要根據(jù)元素含量及元素含量比進(jìn)行準(zhǔn)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(jié)果可以看出，TNT置于洗衣粉后的能譜C峰計(jì)數(shù)明顯降低，在左側(cè)低能區(qū)的計(jì)數(shù)增加，TNT置于干奶粉后的C峰計(jì)數(shù)增加，O峰計(jì)數(shù)減少，增加干擾后的爆炸物TNT能譜有明顯變化，不能單獨(dú)從譜形對(duì)其進(jìn)行區(qū)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(qū)分爆炸物和有機(jī)物的方法是基于C、N和O的相對(duì)比例。選取碳4.439 MeV，氮5.106 MeV和氧6.130 MeV凈面積進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以確定C、N和O的含量。使用C/O和C/N比區(qū)分爆炸物和有機(jī)物。以C/O為橫坐標(biāo)，C/N比為縱坐標(biāo)，繪制二維的散點(diǎn)圖。不同物質(zhì)的含量比示于圖6。由圖6結(jié)果可知，此方法可以區(qū)分大多數(shù)的爆炸物和有機(jī)物。但爆炸物過(guò)氧化丙酮位于有機(jī)物區(qū)域中，因?yàn)樵撐镔|(zhì)不含N元素，C/N比為零，對(duì)于這種物質(zhì)利用C/O和C/N比進(jìn)行區(qū)分存在一定的局限性，需要結(jié)合其他方法進(jìn)行區(qū)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(jié)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(jī)物的不同區(qū)域，因此通過(guò)C/O和C/N比可對(duì)TNT和干奶粉進(jìn)行區(qū)分。隨著距離的變化每種物質(zhì)的元素含量比存在變化，但仍可以從含量比區(qū)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(guò)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(jié)論

基于標(biāo)記中子方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱藏在包裹內(nèi)的爆炸物檢測(cè)，檢測(cè)裝置便攜，可移動(dòng)至可疑區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)。符合測(cè)量方法測(cè)得的γ能譜抑制了本底，提高了信噪比。通過(guò)測(cè)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(guò)分析能譜計(jì)算C/O和C/N，可有效區(qū)分爆炸物TNT和有機(jī)物干奶粉，且被測(cè)物距裝置距離增加時(shí)，仍可以區(qū)分TNT和干奶粉。對(duì)于爆炸物的檢測(cè)，需要進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，配置不同類型的探測(cè)器以提高檢測(cè)精度。