張?zhí)鞂?，何德東，景士偉，王 強(qiáng)

(1.國(guó)家核安保技術(shù)中心，北京 100010；2.東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024；3.中國(guó)原子能科學(xué)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(yán)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(guī)探雷技術(shù)包括電磁和雷達(dá)等,針對(duì)地雷外殼和形狀進(jìn)行探測(cè)[3-4]。中子探雷技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)地雷中炸藥元素和含量的探測(cè)，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(cè)速度快、受干擾小、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)[5-6]?；诿芊庵凶庸艿闹凶影l(fā)生器體積小，能譜單色性好，無伽瑪本底，可產(chǎn)生脈沖中子，便于存儲(chǔ)管理和運(yùn)輸，可作為中子探雷的中子源[7]。瞬發(fā)γ中子活化分析(prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)能進(jìn)行多元素檢測(cè)且具有較大檢測(cè)范圍，其抗干擾性強(qiáng)、靈敏度高、分析速度快、無破壞性，在探測(cè)地雷方面有較大優(yōu)勢(shì)[8-10]。

蒙特卡羅方法對(duì)多維問題有適用性，受問題條件限制影響小，程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于模擬粒子輸運(yùn)等問題有較大的優(yōu)勢(shì)[11-13]。目前使用較多的程序是MCNP4C和MCNP5，相對(duì)MORSE和GEANT4等程序其攜帶相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)并可以給出降低誤差的方法，但其收斂速度慢，運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)。與國(guó)際通用的蒙特卡羅軟件相比，MOCA程序[14]是由法國(guó)地質(zhì)礦業(yè)研究局開發(fā)的多功能可視化蒙特卡羅中子、光子耦合輸運(yùn)程序，可較準(zhǔn)確模擬光子與探測(cè)器的響應(yīng)。

MOCA操作簡(jiǎn)單，體積小巧，專業(yè)性強(qiáng)，尤其在模擬PGNAA方面[15]，其運(yùn)算時(shí)間短，構(gòu)型簡(jiǎn)單。

為了研究D-T中子發(fā)生器實(shí)際探雷過程，利用MOCA模擬PGNAA技術(shù)探測(cè)地雷。選用東北師范大學(xué)NG-9型中子發(fā)生器，分析其內(nèi)部絕緣材料(聚酰亞胺、可伐合金、陶瓷)對(duì)產(chǎn)生中子能量的影響，進(jìn)而確定該能量分布下地雷探測(cè)的最佳構(gòu)型。然后對(duì)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(zhì)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(zhì)量為517.35 g，RDX∶TNT=1∶1)進(jìn)行探測(cè)，最后對(duì)氫、碳、氧、氮元素進(jìn)行分析確定探雷有效深度。

1 中子發(fā)生器絕緣材料慢化作用

東北師范大學(xué)自主研發(fā)的NG-9型中子發(fā)生器中子發(fā)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(cè)器放在發(fā)生器下0.1 cm處探究其內(nèi)絕緣材料對(duì)能量分布的影響，結(jié)構(gòu)如圖1所示。將發(fā)射頭完整結(jié)構(gòu)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(jì)數(shù)與本底差值隨能量變化的圖像，結(jié)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(jì)數(shù)低于本底，13～14 MeV計(jì)數(shù)高于本底，即聚酰亞胺能慢化快中子，使慢、熱中子數(shù)量增多。計(jì)算不同模型下快、熱、慢中子所占比例，結(jié)果列于表1，完整結(jié)構(gòu)、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(duì)中子有較強(qiáng)慢化作用，使快中子比例減少了13%。NG-9型中子發(fā)生器靶端產(chǎn)生的14 MeV中子受內(nèi)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(fā)生器內(nèi)部材料慢化作用

圖2 不同模型下計(jì)數(shù)與本底的差值ΔN隨能量變化

2 優(yōu)化反射體及慢化體厚度

PGNAA技術(shù)探測(cè)地雷，需要探測(cè)中子與地雷作用發(fā)出的俘獲和非彈伽瑪射線，C和O元素對(duì)非彈反應(yīng)有較大散射截面，而H、N、Si、Al、Fe、Ca元素?zé)嶂凶臃@截面很大，因此快、熱中子數(shù)量及比例直接影響伽瑪譜強(qiáng)弱和精度。為提高熱中子數(shù)量、優(yōu)化所需快、熱中子比例，在中子發(fā)生器與土壤間加上快中子的慢化體鎢進(jìn)行第一步慢化，再利用土壤自身慢化作用在地雷處得到數(shù)量較高的熱中子，并在中子發(fā)生器上側(cè)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(fā)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(cè)器探測(cè)其不同厚度下熱中子、總中子計(jì)數(shù)隨深度的變化，結(jié)果示于圖4、圖5。由圖4可以看出，熱中子數(shù)隨鎢厚度增加而減少，在4.4 cm(距中子發(fā)生器最上端0.1 cm)時(shí)數(shù)量最多，相對(duì)沒有慢化體時(shí)增加13%，選取4.4 cm鎢為慢化體。由圖5可見，總中子數(shù)隨深度增加而降低，與碳化鎢厚度關(guān)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(jì)數(shù)隨深度變化關(guān)系

圖5 不同厚度碳化鎢總中子計(jì)數(shù)隨深度變化關(guān)系

3 優(yōu)化屏蔽體厚度

為防止中子發(fā)生器產(chǎn)生的高能中子對(duì)伽瑪探測(cè)器造成損傷，選用鎢為第一層屏蔽體對(duì)快中子進(jìn)行慢化，含硼聚乙烯為第二層屏蔽體對(duì)慢化后中子進(jìn)行吸收和再次慢化。慢化后的熱中子會(huì)與硼、氫元素發(fā)生俘獲反應(yīng)產(chǎn)生伽瑪射線，需屏蔽這部分伽瑪射線，防止干擾地雷探測(cè)。鉛對(duì)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(shè)計(jì)示意圖示于圖6。依次改變鎢、含硼聚乙烯厚度，在其左側(cè)用3He探測(cè)器測(cè)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(cè)用伽瑪探測(cè)器測(cè)量伽瑪射線的數(shù)量，確定鉛合適厚度。中子計(jì)數(shù)隨鎢厚度變化關(guān)系示于圖7，三種類型的中子數(shù)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(shí)總數(shù)已減少近90%，慢化作用明顯，將鎢厚度定為8 cm。中子計(jì)數(shù)隨含硼聚乙烯厚度變化關(guān)系示于圖8，由圖8知，熱中子吸收作用在厚度低于11 cm時(shí)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(jì)數(shù)隨鉛厚度變化關(guān)系示于圖9。由圖9可見，在鉛厚度小于4 cm之前，伽瑪計(jì)數(shù)急劇減少，4 cm時(shí)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(shù)列于表2。

圖6 屏蔽體設(shè)計(jì)示意圖(沿XZ方向)

表2 最終裝置模型參數(shù)

圖7 中子計(jì)數(shù)隨鎢厚度變化關(guān)系

圖8 中子計(jì)數(shù)隨含硼聚乙烯厚度變化關(guān)系

圖9 伽瑪計(jì)數(shù)隨鉛厚度變化關(guān)系

圖10 最終裝置示意圖

4 探測(cè)地雷模擬與討論

選取大小為Φ7.6 cm×7.6 cm的LYSO探測(cè)器在距地面0.7 cm處分別對(duì)1#(3.449 kg)、2#(517.35 g)地雷進(jìn)行探測(cè)，測(cè)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(shí)計(jì)數(shù)作為本底，分析不同深度下各特征元素計(jì)數(shù)與本底差異，定性給出探測(cè)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(nèi)，2.22 MeV氫元素特征峰計(jì)數(shù)高于本底，即探測(cè)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(jì)數(shù)基本上低于本底，這是因?yàn)榈乩字醒鹾窟h(yuǎn)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(shí)，10.8 MeV氮、4.44 MeV碳元素特征峰計(jì)數(shù)高于本底，探測(cè)有效深度分別為20 cm、6 cm。對(duì)氮、碳元素進(jìn)行分析，確定在5%含水量土壤中對(duì)1#、2#地雷探測(cè)有效深度分別為20 cm、6 cm。反坦克地雷質(zhì)量一般為3 kg，埋藏深度20 cm，反步兵地雷質(zhì)量一般為500 g，埋藏深度5 cm[11-23]。因此，本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ湍壳皟H對(duì)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(jì)數(shù)隨深度的變化

圖12 氧元素6.13 MeV特征峰計(jì)數(shù)隨深度的變化

圖13 碳元素4.44 MeV特征峰計(jì)數(shù)隨深度的變化

圖14 氮元素10.8 MeV特征峰計(jì)數(shù)隨深度的變化

目前根據(jù)對(duì)碳、氮元素的分析僅定性給出地雷的有效探測(cè)深度參考值，地雷與其他干擾物的區(qū)分仍需進(jìn)一步模擬研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并且在實(shí)際探雷過程中，地雷的埋藏環(huán)境復(fù)雜多樣，周圍土壤產(chǎn)生的本底會(huì)嚴(yán)重干擾來自爆炸物的有效信號(hào)。因此降低土壤本底干擾成為成功檢測(cè)地雷關(guān)鍵因素，實(shí)現(xiàn)中子源準(zhǔn)直可以降低土壤影響。針對(duì)常規(guī)快、熱中子法難以檢測(cè)的情況，可采用標(biāo)記中子技術(shù)。通過α-γ符合時(shí)間測(cè)量獲得伽馬-時(shí)間譜，由時(shí)間窗挑選出與α粒子關(guān)聯(lián)中子作用產(chǎn)生的伽馬信號(hào)，獲得被測(cè)物特征伽馬能譜，可降低干擾本底，提升信噪比。

6 結(jié)論

東北師范大學(xué)NG-9型中子發(fā)生器內(nèi)部含有較強(qiáng)慢化作用的聚酰亞胺絕緣材料，導(dǎo)致最終發(fā)射中為2.18%熱中子，13.50%慢中子，84.33%快中子。在發(fā)生器上下加厚度4.4 cm碳化鎢，鎢用作反射體和慢化體。發(fā)生器與伽瑪探測(cè)器之間加8 cm鎢、9 cm含硼聚乙烯、4 cm鉛為屏蔽體。相對(duì)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(cè)地雷，基于對(duì)氫、碳、氮、氧元素的分析，定性確定在5%含水量土壤中對(duì)3.449 kg地雷、517.35 g地雷(TNT 和RDX)的有效探測(cè)深度分別是20 cm、6 cm，可為實(shí)際測(cè)量提供參考。

在實(shí)際探測(cè)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(huán)境(含水量、類型、均勻度、干擾物)、地雷類型(成分、外殼)，進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)型豐富數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行算法研究建立科學(xué)完整的地雷識(shí)別算法，提高復(fù)雜背景下探雷效率和精度。下一步研究工作重點(diǎn)是固定地雷深度改變探測(cè)器位置，建立關(guān)于地雷定位的算法。