（粒子物理与原子核物理专业论文）爆炸物检测的方法研究.pdf

摘要 将无损检测作为反恐、反毒品走私和其他违反国际、国家运输与海关法律的一个重 要工具正得到越来越广泛的关注。2 0 0 1 年9 1 1 事件充分反映出对海陆空各个关口实施 可靠、准确、快速检测的重要性“。 过去检测非特殊物质应用x 射线或人工抽样检查，人工检查被认为可靠但劳动强度 大，且它面临小流量毒品走私的挑战，难于截获藏于集装箱或行李箱中的极小量的爆炸 物”1 ，因此不能满足国家反恐和反毒品走私的要求。在这种情况下，脉冲快热中子分析 ( p f t n a ) 技术就以其快速、不破坏样品、自动等特点，日益充当其重要分析手段。 爆炸物、毒品以及走私物品，都含有多种化学元素，例如：h 、c 、n 、0 等，但它们 在数量和比率上各不相同，而且也区别于其它的无毒物质| ：= “。中子和y 射线都具有深层 穿透物质的能力，因此，无论是小的手提箱还是大宗货物它都可以对其进行无损检测。 脉冲快热中子分析( p f t n a ) 是一项利用 n ，n y 和 n ，y 反应来确定元素含量的 一项技术。在核反应中，它们都会释放出特征y 射线，就如同该元素的“指纹”一样， 包含着这种元素的特有信息。通过分析特征y 射线能谱便可以确定待测物质的成分和含 量，以判定它是否是爆炸物。 本文介绍利用脉冲快热中子分析技术对爆炸物进行检测的基础研究。 关键词：脉冲快热中子分析非弹性散射中子俘获瞬发y 射线爆炸物 a b s t r a c t n o n i n t r u s i v ei n s p e c t i o ni sg a i n i n ga t t e n t i o na sav i t a lt o o li nc o m b a t i n g t e r r o r i s m d r u g s m u g g l i n ga n do t h e rv i o l a t i o no f i n t e m a t i o n a la n dn a t i o n a lt r a n s p o r t a t i o na n dc u s t o m sl a w s t h e i m p o r t a n c eo f r e l i a b l e ，a c c u r a t ea n dr a p i di n s p e c t i o n a ta l lp o r t so f e n t r y ：s e a , l a n da n da i r h a s b e e n u n d e r s c o r e d b y t h ee v e n t s o f s e p t e m b e r1 12 0 0 1 t h et e c h n i q u e su s e dt o t h o r o u g h l yi n s p e c tv a r i o u ss i z eo b j e c t sw e r ee i t h e rm a t e r i a l n o n - s p e c i f i c ，s u c h 踮x - r a yo rm a n u a l t h el a t t e r ，e v e nw h e nc o n s i d e r e dr e l i a b l e ，i sh i g h l y l a b o ri n t e n s i v ea n dc a n h a r d l yb ee x p a n d e d t om e e tt h ec h a l l e n g eo f a b a t i n g t h ef l o wo f d r u g s o r i n t e r c e p t i n g t h er a r e re v e n t so fe x p l o s i v e si nc o n t a i n e r so r l u g g a g e h e n c e ，p u l s e d f a s t t h e r m a ln e u t r o n a n a l y s i s ，w h i c hc a n b eu s e dt od e t e c te x p l o s i v e s r a p i d l y , n o - i n t r u s i v e l y a u t o m a t i c a l l y , p i a yav e r yi m p o r t a n t r o l ei nd e t e c t i o n e x p l o s i v e s ，n a r c o t i c s ，a n do t h e rc o n t r a b a n dm a t e d a l sc o n t a i n v a r i o u sc h e m i c a le l e m e n t s s u c ha sh ，c ，n ，0 ，e t c i nq u a n t i t i e sa n dr a t i o st h a td i f f e r e n t i a t et h e mf r o me a c ho t h e ra n d f r o mo t h e ri n n o c u o u ss u b s t a n c e s n e u t r o n sa n dy - r a y sh a v et h ea b i l i t yt op e n e t r a t et h r o u g h v a r i o u sm a t e r i a l st ol a r g ed e p t h s t h e ya r ea b l et o i n t e r r o g a t e ，i nan o n - i n t r u s i v em a n l 2 e r ， v o l u m e s r a n g i n gf r o m s u i t c a s e st os e a - l a n dc o n t a i n e r s p u l s e df a s t t h e r m a ln e u t r o n a n a l y s i s ( p f t n a ) i san e u t r o n - b a s e dt e c h n i q u ew h i c hu t i l i z e st h e ( n ，n ，丫) a n d ( 1 1 ，t ) r e a c t i o n st o i d e n f i 母a n dq u a n t i f y a l a r g e n u m b e ro fe l e m e n t s t h ee l e m e n t se m i t c h a r a c t e r i s t i cr - r a y sw h i c ha r et h e “f i n g e r p r i n t s o fe a c hi s o t o p e w ec a l ld e t e r m i n ei ft h e y a r ee x p l o s i v e sa c c o r d i n gt ot h e i rc o m p o n e n t sa n dc o n c e n t r a t i o nf r o mt h ed a t ao f a n a l y z i n g r - r a y se n e r g y 。s p e c t r u m i nt h i s a r t i c l e ，t h e f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho f d e t e c t i n ge x p l o s i v e su s i n g p u l s e d f a s t t h e r m a ln e u t r o n a n a l y s i s i si n t r o d u c e dt ou s k e y w o r d s ：p u l s e df a s t f i h e r m a ln e u t r o n a n a l y s i s ；i n e l a s t i cs c a t t e r i n g ；n e u t r o nc a p t t t r e ； p r o m p tg a m m ar a y ；e x p l o s i v e s i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东北师范大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：! 丑垂拯日期：皇! ! 墨垒至塑2 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名、蛩叁冰指导教师签名：盈! l 圭圭丝! 日 期：2 鳇茎j 型星翦曰日期：每五乏 ：鲤 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 引言 近几十年来，各种恐怖事件不断发生，自从美国9 1 1 事件发生后，各国政府为制止 类似事件在本国发生，都更加重视安全保卫和各种危险品的检查、检测工作。由于爆炸 物的品种及其繁多，隐藏手段又多种多样，给检测工作带来了诸多困难，及时有效地将 经过伪装的隐藏在行李中的爆炸物检测出来，己成为国际上一项紧迫而艰巨的任务埘。 脉冲快热中子分析( p f t n a ) 技术问世，为工业、农业、国防、军工、海关等行业 中进行多方面的物料分析提供了可能，利用此项技术也可对毒品、爆炸物、水泥、煤炭、 陶瓷、玻璃、钢铁、土壤等进行快速、准确测量。在监测旅客行李是否藏有爆炸物中也 开始起到越来越重要的作用，如能在短时间内研制出适合于现场检测的成套设备，其社 会和经济效益极其巨大。 以中子管为核心的中子发生器自问世以来，就以其低成本、可移动、可关断、维护 操作方便等特点，受到重视。近年来中子管的中子产额和寿命进一步提高，稳定性也相 对完善，可以满足对毒品、爆炸物检测分析的要求。 为此，我们建成了爆炸物检测系统，包括1 4 m e v 脉冲中子发生器，b g 0 ( 中5 0 ) 探 测器，4 0 9 6 道m c a 和相应的电路，并对防护体进行了设计。利用脉冲中子分析技术做了 爆炸物检测的基础研究，实验结果比较令人满意，但愿此项研究能够为我国在此方向的 发展作出一定的贡献。 第一章爆炸物检测研究现状 第一节传统x 射线检测法与y 射线检测法 目前在火车站、码头、部分机场使用的安全检测设备，大多采用x 射线方法，这是 一种比较简单的探测办法。x 射线透射检测法的原理1 2 1 ，主要是根据射线强度在穿过物 质时被吸收，强度被衰减，衰减强度与射线在每种物质中的衰减系数及被探测物质的 密度，厚度有关。其公式为：i = i 。e x p ( ，印) ( 1 ) 其中i o 和1 分别为射线入射时流强和经过被检测物质衰减后的流强，为射线在被检测 物质中的线性衰减系数，f 是被检测物体的厚度，p 是被检测物体的密度。 图l _ 1 一lx 射线透射法原理图 衰减后的流强，即与被检测物体的线性衰减系数“有关，也与被检测物体的厚度f 和密度p 有关。对于等厚度的不同种类物体，输出的流强与被检测物体的密度相关。 这种方法是将射线经准直器准直后，穿过被检测物体，在探测器上产生电信号。经 过电子学线路由计算机读出，再通过在线软件实时处理，得到被检测物体的( 密度和厚 度乘积) 投影图像。依据此投影图像来检测其中是否有枪支、弹药等危险品。 但这种透射检测方法只能作为海关进出口物品和机场、车站、码头等包裹的基本检 测。它不能确定某一个物体内部的物质成分。如发现可疑物品，要确定其内部的物质成 分还必须采用其它方法。y 射线检测法在原理上与x 射线检测法相似，也是利用密度的 变化来检测违禁物品是否存在的。由此可以看出，x 射线检测法、y 射线检测法不能从 本质上对爆炸物等违禁物品进行检测。 第二节中子法的发展历史 由于爆炸物和其他违禁物品中的h ，c ，n ，o 等多种元素在含量和比率上与无害物质 2 中的相应元素有着显著差别，所以只要测出这几种元素的比例就可判断出爆炸物是否存 在。而中子感生瞬发r 谱分析技术则可以进行元素分析所以中子法检测爆炸物是一种理 想的方法。 利用中予方法进行元素分析是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的。根据调查，美国马里 兰大学d i c kd u d d e y 教授最早研究并使用中子俘获瞬发y 谱分析技术的。他作了许多基 础技术研究工作和应用研究工作，曾发表过许多元素的热中子瞬发y 射线能量和分析灵 敏度数据，以及在煤炭、水泥和热电站方面的应用研究论文。在他的工作基础上美国8 a i c 已于1 9 8 1 年研制了核煤分析器，并在热电厂应用至今。人们都把这种方法命名为p g n a a ( p r o m p tg a m m an e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s ) 。这是通过元素分析来完成的， 比利用y 射线吸收法优越很多u 1 在7 0 年代初到8 0 年代末主要是利用热中子俘获瞬发y 射线，即 n ，y 反应进行 煤的含硫量和灰分分析，人们发现pg naa 法对煤中的主要元素如c 和0 的测量是困 难的，因此到9 0 年代人们企图利用非弹反应 n ，n y 产生的瞬发y 一射线解决c 和 0 ，以及其它难于用p g n a a 法测定的问题。美国t s a h ig o z a n i 于1 9 8 7 年较先提出利用 1 4 m e v 快中子与物质的非弹反应 n ，n y 产生的y 射线进行元素分析，即所谓的p l n a a ( p r o m p ti n e l a s t i cn e u t r o na c t i v a t i o na n a l y s i s ) 法，但后来美国的a r t h u rn t h o r p e 曾利用中子发生器产生的快中子分析了煤，发现用1 4 m e v 快中子只对c 和0 分析有利，而其它元素的峰计数却不明显，所以对于其它元素，还是得依靠热中子俘获 y 射线来分析，即 n ，y 反应。 1 9 9 9 年w e s t e r nk e n t u c k yu n i v e r s i t y 的m i c h a e ld b e l b o t 和g e o r g ev o u r v o p o u l o s 等人研制出基于脉冲调制的中予煤质元素分析器样机，并到现场进行了实验，取得了较 满意的结果，该样机采用了b g o 探测器和d t 型脉冲调制式中子发生器。后来他们利 用这项技术发展了p e l a n 系统并开展了检测爆炸物的实验研究“3 ，通过c o 和c n 比来 判断有无爆炸物的存在。在此基础上，他们又开发研制了n e l i s 系统，进行毒品等违禁 物品检测，仍使用b g o 探测器和d _ t 型脉冲调制式中子发生器。由此可以看出，到9 0 年代末，利用中子感生瞬发_ r 射线进行元素分析已进入 1 3 ，y 反应与 n ，n y 反应 的联合应用阶段”。 第三节当前国外发展状况 现在国外在安检中应用中子方法的主要有t n a 技术( t h e r m a ln e u t r o na n a l y s i s ) 和p f t n a 技术( p u l s e df a s t - t h e r m a ln e u t r o na n a l y s i s ) 。 美国的a n c o 他公司已经研制出了基于t n a 技术的s p e d s 系统【7 】( s m a l lp a r c e l e x p l o s i v ed e t e c t i o ns y s t e m ) 乖i v e d s ( v e h i c u l a re x p l o s i v ed e t e c t i o ns y s t e m ) 系统。 图卜3 1s p e d s 系统图1 3 - 2v e d s 系统 s p e d s 系统是一个用于检测手提行李的扫描设备，此设备可以发现仅0 1 千克的微 量爆炸物，所用中子源为锎2 5 2 源，产生的快中子经慢化后打到物质上，由于热中子能 量低，所以会与物质中的h 、s 、c l 、f e 、n 等元素的原子核形成复合核，此时的复合核 处于激发态不稳定会退回到基态，从而释放出特征y 射线，探测器检测到这些射线后， 即会自动测试，结果由计算机分类，并与贮存的数据信息进行比较，同时发出报警信号， 计算机屏幕上还会显示出被检行李物品为何要进行安全检查的原因。这样，就可充分保 证机场和飞机的安全。 v e d s 系统为车辆爆炸物检测系统，此系统装于车中，可沿街道行驶，对停车站的 小汽车和卡车进行检测并自动探测出隐藏的爆炸物和毒品。此系统可迅速到达潜在的 “热点”地区进行安全检测。操作台位于驾驶室内，只需一个人就可完成司机和操作员 的所有任务。由于能迅速探测出隐藏于卡车和轿车中的爆炸物品，从而可有效防范恐怖 主义的汽车炸弹袭击。系统特别适用于易受攻击的重要设施的入口处，比如国家重要会 议的举办地和群众集会场所 a n c o r e 公司还研制出了基于p f t n a 技术的a c i 系统( a n c o r ec a r g oi n s p e c t o r ) 其可 以自动、高效地检测出爆炸物、麻醉剂、酒精饮料和其他一些有害物质。此系统可用于 海关、机场、车站等地方进行安全检测。 图卜3 3a c i 系统 4 此外美国的w e s t e r n k e n t u c k y 的应用物理研究所还研制出了用于检测未爆炸的危险 品( 比如地雷，邮件炸弹) 的p e l a n 系统，其使用的是1 4 m e vd - t 型脉冲调制式中予 发生器和7 6 m m 的b g 0 反符合探头，此探头可消除符合事件的脉冲，而且还设计了一套自 动增益系统可保证探头始终处于恒温下，从而避免了温度变化对b g 0 探头探测效率的影 响。 图卜3 4p e l a n 系统图1 3 57 6 m m 的b g o 反符合探头 但是不同的测量环境中，由于其他物质产生的y 射线的干扰对测量结果影响很大，比如 在水中和陆地上的测量结果就会有很大的偏差，下表为其一组测量结果，测量最大误差 达2 0 ，最小为2 ，而且目前他们只能测定几种特定的爆炸物。 m a t e r i a l 印e c t 蝴 c 4 踟 r d x c 囝 o 7 l 1 2 0 ，5 3 n囝c凇 ln氇7 4 0 0 3 0 5 l ，1 1 0 0 7 1 0 0 5 6 0 0 2 图1 - 3 6 实验数据实测 m 槽殂h i d 秽o 1 0 覆l o 。5 0 2 1 2 0 ，l 在此基础上他们还设计t n e l i s 系统”1 ，配合x 光机使用，用于检测隐藏于商品中的 违禁药物，此系统正处于研究之中，采用多1 3 g 0 探头，1 4 m e vd - t 脉冲中予发生器，且探 头、发生器位置可调。并对隐藏予可乐瓶、水泥和轮胎中的违禁物品进行了检测。 图l - 3 - 7n e l i s ( n e u t r o ne l e m e n t a li n s p e c t i o ns y s t e m ) 系统 6 第二章中子法检测爆炸物的理论基础 第一节中子的产生 1 9 3 2 年英国物理学家查德威克发现了中子。科学家们利用中子来研究各种反应。 1 9 3 6 年匈牙利化学家赫维西( h e v e s y ) 及合作者用2 0 0 3 0 0 m g 的，r a - b e 中子源，成功地 测定了y 2 0 。中含量约为0 1 的d y ，实现了首次活化分析。 中子被发现以后，科学家们便开始对其进行了坚持不懈的探索，经过成千上万次科 学实验，认识到作为原子核一部分的中子与带正电的质子不同，它不带电荷，当中子通 过物质时，可与原予核非常靠近，在以短程核力与核发生相互作用之前，都不会受到障 碍，所以中子的穿透力很强。因此，科学家们可以利用这一特点来检测物质成分。 中子管实质上是一种处于密封状态小型加速器式中子源，脉冲中子发生器由中子管 和它的三路供电电路组成，即离子源电路，储存器电路，靶极负高压电路。中子管主要 由储存器、离子系统、加速系统和靶四部分组成。1 。 离子源电路为离子源提供电离电压，储存器电路给储存器提供加热电流，靶极负高 压电路为加速系统提供正离子加速电压。同步脉冲电路的作用是提供频率和占空比一定 的脉冲电压，脉冲调制电路会按同步脉冲电路产生的同步信号产生2 k v 的脉冲电压，该 电压加到中子管离子源阳极和离子源地之间，使离子源腔内的氘气体电离。脉冲中子发 生器的结构框图m ，如图2 - 1 所示。 脉冲中子发生器的基本工作原理。1 ：先给离子源加上将近2 k v 、频率为3 3 k h z 的离 子源阳极脉冲电压，然后给储存器加热，储存器就会向离子腔内释放氘气体。氘气体在 离子源阳极脉冲电压的作用下电离形成等离子体。当靶极电压上升到较高电压时，就有 一定的氘离子飞向靶极，形成离子束流，轰击靶极，与靶极上的氚原予核发生氘氚反应， 生成一个氦核并产生1 4 m e v 的脉冲中子。其反应方程式见式2 1 ： ；日+ 汪叫：h e + i n ( 2 1 ) 图2 - 1 - 1 脉冲中子发生器的工作原理框图 第二节利用到的两个主要中子核反应 中予不带电荷，因此，它和电子的静电作用完全可以忽略。虽然中子和电子可以产 生磁相互作用，但是这种作用非常小不能引起原子的电离和激发。因此，中子与电子的 作用对中予的能量损失或中予慢化的影响，比起中子和原子核的作用来说，完全可以忽 略不计“。 中予与原子核可以发生弹性散射 n ，n 、非弹性散射 n ，n 7 y 和辐射俘获反应 n y 等。我们在对爆炸物检测的基础研究中，主要应用到非弹性散射和辐射俘获两种反 应，下面主要介绍这两种反应机理： d t 中子发生器产生能量为1 4m e v 快中子首先与元素c 、0 等发生非弹性散射反应 n ，n v ( 见图2 2 1 ) ，反应时，1 4m e v 快中子把动能的一部分传给靶核，同时使 靶核处于激发态，由于激发态不稳定，会放出y 射线而回到基态，这一过程出射中子能 量低于入射中子能量。非弹性散射是一种有阙反应，其阈能e 。为： e “= ( 1 + 1 a ) e( 2 2 1 ) 其中，a 是靶核的质量数，e 是靶核第一激发态的能量。只有当中子的能量超过闽 能时，非弹性散射才可能发生。在测量爆炸物中的c 、0 两种元素时就采用这种反应。 其反应方程式为： ：n + 1 6 2 l = 1 6 2 c + ”。+ y e 。= 4 4 3 m e v ： + 1 ：o = 1 ；o + 玎+ y e ，= 6 1 3 m e v 8 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 图2 - 2 1 非弹反应示意图 辐射俘获 n ，y 反应( 见图2 - 2 2 ) ，发生非弹性散射反应的中子由于能量降低， 转变为热中子，在与h ，s ，c l ，f e ，n 等元素反应时，会被原子核俘获而形成复合核， 此复合核处于激发态，在退激过程中释放具有特征能量的y 射线。我们在检测爆炸物中， 除了c 、0 两种元素外，其它元素都是采用热中子俘获反应来检测的，如( h ，n 等) ，反 应方程式为： ：玎+ ? 日= ；+ ， e ，= 2 2 3 m e v 图2 - 2 - 2 俘获反应示意图 第三节中子法检测爆炸物原理 脉冲中子发生器产生1 4 m e v 的快中子，当用它轰击爆炸物中元素的原子核时，1 4 m e v 快中子在射入爆炸物中最初0 0 1 - - 0 1us 时问里主要和爆炸物发生非弹性散射反应 n ，r l y ，同时产生非弹性散射y 射线。一个中子只要经过一、二次非弹性散射 n ，n y 反应后，它就失去了大部分的能量，所以就不能再发生 n ，n y 反应了。在以 后的1 1 0l ls 时间里，中子因与爆炸物中元素的原子核发生弹性碰撞而减速，直到转 换为热中子为止。热中子通过辐射俘获 n ，y 反应被爆炸物吸收，同时放出俘获y 射 9 线。当热中子被吸收完后，在爆炸物中就只有自然y 射线和活化的y 射线存在“。 厦椒 ( n - n ) ( n ，l y l ) x 射线p r o m p t 搛测7 t 豢 co m m p r o m p t h sc i f e n 图2 - 3 1 反应时序图 o a i s i 从时间关系上，我们看出：我们很难直接测出c 、0 纯的非弹性散射y 谱( 简称非 弹谱) ，能谱中必然包含一些其它元素的热中子俘获y 谱( 简称俘获谱) 以及活化谱， 所以我们采用脉冲中子发生器的工作模式( 见下一段) 和门控电路实现对全谱( 非弹谱 和俘获谱以及活化谱) 和俘获谱的分道测量。 下面介绍脉冲中子发生器的工作模式。：时间脉冲的周期为3 0 0 i t8 ，在前1 0 0 i ts 产生中子，后2 0 0u8 停止中子。在产生中子期间，同时存在着非弹性散射和辐射俘获 两种反应，相应的能谱为全谱，而在停中子期间产生的能谱为俘获谱。我们设计的门控 电路把微机多道卡的4 0 9 6 道分成两部分，其中前2 0 4 8 道在每个周期的后8 0us 开通， 收集俘获谱；后2 0 4 8 道在每个周期的前8 0us 开通，收集全谱，见图2 3 1 。 a b c a 味冲中子彤酿时闸 b 垒谌测壁时闷 c 辐射悍袭雀涮壁时闸 图2 - 3 2 脉冲中子工作模式与y 能谱测量时间示意图 1 0 端州 船曼 跏 爆炸物、毒品以及走私物品，都含有多种化学元素，例如：h 、c 、n 、0 等，但它们 在含量和比率上各不相同( 见图2 3 2 ) ，而且也区别于其它的无毒物质( 例如：在毒品 中，碳氧比例c o 至少是无毒物质的2 倍多) ，这就为鉴定和区分它们提供了可能“。 在中子核反应中，无论俘获反应 i 1 ，y 还是非弹反应 r l ，n y ，都会释放出 特征y 射线，这些特征y 射线包含了每种元素的特有信息。脉冲快热中子分析( p f t n a ) 技术对爆炸物的检测就是利用非弹反应和俘获反应来确定待测样品的元素成分和含量， 从而区分爆炸物与非爆炸物的。脉冲d - t 中子发生器产生的1 4 m e v 中子与c 、0 产生非 弹反应，特征y 射线峰能量分别为4 4 3 m e v 和6 1 3 m e v 。快中子热化为慢中子后，其它 元素例如h 、n 可以通过俘获反应来测量，这也是利用脉冲快热中子分析技术对爆炸物 进行检测的优势所在”2 2 1 。 从图2 3 3 可以看出各类不同物质中所含元素c 、h 、0 、n 的原子个数之间的关 系，显然，爆炸物具有相对比例较高的n 和0 ，相对低比例的c 和h ，而毒品富含c 和h ， 但n 和0 相对来说含量较少o “1 。 图2 3 3 各类物质所含元素含量对照 从前面的论述可知，中子与物质发生核反应时，无论对于中予俘获反应还是非弹性 散射反应，都伴有y 射线的产生。不同元素放出的y 射线能量是不同的。我们把中子与 不同元素发生反应放出的y 射线称为这种元素的特征y 射线。这些特征y 射线就好比这 1 l 个物体中元素的“指纹”一样。通过计算这些y 射线的数量，我们就可以推断这个物体 中这种元素的含量0 1 。 根据y 射线特征蜂的位置和峰的面积可以进行定性和定量分析。在定量分析中，元 素的质量含量( g ) 与所测得的元素特征峰的净面积( n ) 有以下的关系 n = g n l 哦卿爿 ( 2 3 ) 其中，n 。为洛喜米特( l o s c h m i d t ) 常数，o 为热中子俘获截面，中n 为中子通量 密度，n 为元素的同位素丰度，e 为探测器的效率，j 为y 量子产额，a 为原子量。 p f t n a 是利用了低分辨率，高探测效率的探测器，例如：b g o ，利用p f t n a 对物质 的鉴定是通过确定原子比率例如碳氧比率来完成的，碳氧比率是通过提取碳氧y 射线的 比率来进行的。 1 2 第三章实验装置设计 第一节中子源与探头的选取 在中子源方面，我们使用d t 型脉冲中子发生器。相对于目前国际上所用的其他中 子源具有不可比拟的优点：l 反应堆中子源中子产额高、分析精度高且可分析元素多， 但其运行成本高、不便移动限制了它在这方面的应用。2 同位素中予源体积小、中子产 额稳定( 可用半衰期进行修正) ，但其平均能量低，对非弹反应测量不利，不能够直接 分析物质中的c 、0 、h 元素，必须通过其他元素的关联进行分析，因而误差较大。 3 利用d - t 型脉冲中子发生器可利用快热中子对非弹和俘获反应进行联合测量，即所谓脉 冲快热中予活化分析p f t n a ( p u l s ef a s tt h e r m a ln e u t r o na c t i v a t i o n ) 技术。配合我 们所自行研制的线性门电路，可以把中子与物质相互作用产生的非弹反应和俘获反应在 时间上区分开，从而得到纯净的非弹反应和俘获反应产生的y 射线对物质进行元素分 析。 在探头方面，我们选用的是b g o 晶体，即锗酸铋，分予式是b i 。c e 。0 ，。，属立方晶系， 具有良好的光学性能，是一种性能良好的多功能闪烁晶体“，相对于其它探测器有很多 优点：b g o 与n a i ( t i ) 闪烁体的元素构成不同，因此它们的探测效率、分辨率谱线的 峰康比等也都不相同，b g o 与n a i ( t i ) 闪烁探测效率之比为1 ：0 3 2 ，光电效应与电子 对截面之和与康普顿散射线截面相比，b g o 也比n a l ( t i ) 好得多，高纯锗( h p g e ) 探 测器比n a i ( t i ) 探测器和b g o 闪烁探测器具有更锐敏的分辨率，本低干扰最小。但高 纯锗探测器必须在低于一1 5 0 。c 的低温下才能正常工作，所以它必须得配备低温制冷设 备，而且它受中子照射易受到损伤，不利于研制开发便携式的小型装置。考虑到诸多方 面，b g o 探测器还是优于其它的探测器的。 第二节实验装置系统设计 整个系统是由脉冲中子发生器、中子发生器控制台、4 0 9 6 道脉冲幅度分析器( m c a ) 、 门电路、主放大器、b g o 探头、样品装置几大部分组成，其装置的结构框图如下： 图3 - 2 一l 实验装置几何位置图 图3 - 2 2 立体图 其中，样品装在一个大小为2 5 0 m i n x2 5 0 r a m x1 5 0 r m 的铁箱中，样品首先在外面装箱， 然后经过滑道送入探测位置进行测量。主放大器、b g o 探头、样品箱、脉冲中子发生器 放置于地下5 米处，其它部件置于地上，进行操作控制。此实验装置主要部分是脉冲中 1 4 子发生器和大小为8 0 0 x4 0 0 4 0 0 m m 的长方体型设备，周围是3 0 r a m 厚的铅屏蔽体， 用于屏蔽由于中子与样品以外的其它物质相互作用产生的y 射线引起的本底计数。中 子发生器置于一侧，中子管的靶周围是3 0 r m n 厚长2 0 0 r r c n 的铅筒以增加对样品方向中子 的反射，对面和装置上方设计的是放探头的位置，来比较探头位置对测量结果的影响。 不锈钢圆筒的设计是用于固定探头，同时便于调整探头与靶的距离，从而研究探头与样 品间距对测量结果的影响。中子管前方的4 0 r a m 厚的铅板一方面是为了屏蔽由于靶前方 含c 、h 物质被中予照射而产生的y 射线所引起的干扰计数，另一方面是为了提高热中 子产额。装置周围中子与y 射线总计数经低于国家标准。 实验时，将中子发生器的靶置于铅筒中心，慢化体前面放置待测样品，b g o 探头放 在样品前方正对中子发生器，探头与样品要足够近。在测量中，可根据样品的体积大小 调节探头与中子发生器之间的距离，以使能谱达到最佳。其中样品通过外侧的滑门滑入。 样品装入样品室后，开启中子发生器进行辐照，同时开启多道y 谱仪，在谱仪中存储 多种元素的特征y 射线谱。通过计算机寻峰，解谱等处理得出c 、h 、0 、n 的含量与它 们之间的比例关系( h o 为主要测量对象) ，然后对照，分析，即可确定是否是爆炸物。 测定后关闭中子发生器，此时便无中子辐射。 第四章探测条件的选定和能谱数据的比较 第一节待测元素的特征y 射线能谱采集 我们利用了门电路控制微机多道进行分道测量技术实现了对爆炸物模拟物的检测 分析。采用的y 射线测谱仪器为吉林省科仑辐射技术开发有限公司研制生产的4 0 9 6 道 能谱分析器，该分析器安装在计算机内，由m c a 测谱软件实现操作控制进行数据采集和 处理。该探测系统包括脉冲中子发生器、b g o 探头、前置放大器及主放大器、门电路 控制微机多道测量电路。整个探测系统的结构框图如图4 - 1 1 所示： 图4 - 1 1 它的主要功能有：1 定时数据采集；2 谱压缩及放大；3 可控制光标移动指示 道址和道计数；4 谱平滑以及自动寻峰；5 能量刻度及存盘、读盘；6 建立感兴趣 区，求感兴趣区峰总面积及净面积：7 打印数据谱；8 不同数据谱比较；9 剥谱。 按照脉冲中子工作模式进行爆炸物模拟物( 硝铵和尿素) 的y 射线谱的测量，所测 得其中的一个硝铵的全谱如图4 1 2 后2 0 4 8 道所示，俘获谱如图4 1 2 前2 0 4 8 道所示 ( 测量时间均为9 0 0 秒，图中只标注了待测元素的峰) ，全谱包括非弹性散射y 射线谱 和热中子俘获y 射线谱，但从图中可以看出，只有c 和o 的特征峰比较明显，其实这 些特征峰中还包括一些其它元素的特征峰，只是由于它们的y 射线计数较少，被c 和o 的非弹性散射峰所掩盖。而热中子y 射线谱元素的特征峰就明显多，由于b g o 探测器 的分辨率有限，我们只能判断出爆炸物模拟物中含量较高的元素的y 射线特征峰，其它 含量较低的元素的y 射线特征峰被淹没在这些峰中而无法判断。 1 6 1 0 0 02 0 0 03 0 0 04 0 0 0 g a m m a - r a ye n e r g yc h a n n e l 第二节毅琚的处理过程 谱数据的处理流程如图4 - 2 - 1 所示。本文所使用的编程语言是v i s u a lc + + 6 0 “+ ”1 ， 在程序编写过程中参照了脉冲中子煤质快速分析仪的数据处理程序，并根据具体情况做 了适当调整。本节以氧元素的处理为例进行说明。 回一e ! h 三至h 互卫 i 臣三 _ 奁 图4 2 一l 谱数据处理流程图 一数据的平滑 为了减小统计涨落的影响，同时又要保留能谱形状的最重要特征，我们对实验数据 ( 每道计数) 进行了平滑。如果平滑的道数太少，则不足以达到应有的平滑效果，如果 平滑的道数太多，很容易把特征峰拉平。综合考虑，我们选择了五道，所用的公式“ 为： 0 0 o 0 0 0 0 0 o 0 0 0 o o o o 0 0 o 0 o o 0 0 0 6 4 2 0 8 6 4 2 1 1 1 1 3 c j o o h理-pee幅o y c 2 嘉( - 3 y j _ 2 + 1 2 y f _ l + 1 7 y 一+ 1 2 y j + 1 3 y i + 2 ) ( 9 ) 取4 0 9 6 道的计数记作c h a n n e l 4 0 9 6 ，平滑后的计数记为c h 4 0 9 6 ，用下面的程序 对数据进行平滑。 f o r ( i n ti _ 3 ；i 4 0 9 3 ；i + + ) c h i 。( - 3 + c h a n n e l i - 2 + 1 2 + c h a n n e l i 一1 + 1 7 + c h a n n e l i 】 + 1 2 + c h a n n e l i + 1 一3 + c h a r m e l i + 2 ) 3 5 ： ) 二峰位的确定 调整主放高压和放大倍数，使氧的特征峰峰位在3 1 3 5 道左右，用下面的程序去寻 找特征峰的峰位。 f o r ( i = 3 10 5 ；i 317 5 ；i + + ) f o r ( j 2 i - 4 0 = i + 4 0 + + ) s u m 9 i 】+ = c h d 】；，s u m 9 i 】是( i 一4 ) 与( i + 4 ) 间的9 道计数和 ) s u m o = o ；s u m o 临时变量，用于寻找氧峰的峰位 f o r ( i - 3 1 0 5 ；i = 3 1 7 5 j + + ) i f ( s u m o s u m 9 i ) s u m o = s u m 9 i ； m a x c h a n n e l o = i ：m a x c h a r m e l o 是氧的峰位 此寻峰程序采用的数据是多道( 9 道) 的计数和，而不是单道的计数，原因是：由于 统计涨落的影响，峰位附近的某道计数完全有可能突然增大，使其计数超过峰位处的计 数。如果用单道计数去寻找峰位，寻找到的峰位将是此道，而非真正的峰位，如果用多 道计数和去寻找峰位，则受此涨落的影响较小，仍然可以找到真正的峰位。通过反复试 验，我们最终选用了9 道的计数和来寻找峰位。 三特征峰边界的确定 利用所设计的装置测出的谱形如图4 一卜2 所示，其中前2 0 4 8 道是俘获谱，后 2 0 4 8 道是全谱。我们所选模拟物与真实爆炸物所含的主要元素种类相同，均含有 c 、h 、o 、n 等元素，由于元素种类较少，我们可以采用计数相加法来求峰面积。 计数相加法需知道特征峰左右的峰谷，为此我们编写了以下程序寻找氧峰的峰谷： s u m o = 1 0 0 0 0 0 ； f o r ( i = 3 0 5 0 ；i s u m 9 i ) s u m o = s u m 9 i ； m i n c h a n n e l o = i ；m i n c h a n n e l o 是氧的峰位 上面程序为左边界的选取，对于右边界，可以对称选取，比如特征峰位为 3 1 3 5 ，若通过上面程序求的左边峰谷位置为3 0 8 5 ，那么右峰位则选在3 1 8 5 位置上。 四峰面积的计算 根据上面的分析与计算，我们编写了下面这个程序，用来计算特征峰的峰面积。 f o r ( i = m i n c h a r m e l o ：i = m a x c h a r m e l o 2 - m i n c h a n n e l o ：i + + ) ( a r e a o + = c h i a r e a o 是氧的峰面积 ) a r e a o = n ；a r e a c 是氧的相对峰面积，n 是中子通量 被测物品中所含元素含量不同，因而所对应的峰面积是不同的，利用上面所编 写的程序，可求出被测物品中的c 、h 、o 的峰面积，通过比较他们之间的比值就可 将不同被测物区分开。 第三节探测条件的选取 一、主放高压的选取 主放中的高压直流0 一1 0 0 0 v 是供给探头中光电倍增管的，光电倍增管光谱响应，稳 定性好，若正确选择了工作点，使光电倍增管工作在坪区( 即灵敏度受高压变化影响最 小的区域) ，则不但有利于提高增益的稳定度而且常常能获得较佳的信号噪声比。高压 h v 的1 改变会造成输出脉冲幅度1 0 以上的变化，因此要求高压电源的长期稳定性和 温度稳定性都非常好，般应比所要求的增益的稳定度高一个数量级，直流高压输出应 该不受电源电压和负载电流变化的影响，交流纹波应该小于0 1 v 。 但我们使用的高压电源使用“直流逆变直流”方法，倍压整流输出，频率较低， 纹波较大达到o 2 v 以上，性能欠佳。所以我们应选择合适的高压不仅能使谱型稳定，还 能使所需要的特征蜂能全部显现在屏幕上，经过实践我们在坪区选取高压为7 5 5 v 。 二、计数的选取 计数对测量结果的影响较大，计数过高，会使死时间增加，使系统不稳，造成峰位 的漂移和湮没。计数低，死时间虽然变小，但单位时间内产生的y 射线计数较少，峰位 1 9 不明显，必须增加测量时间，但这样会使不必要的干扰增加，从而造成测量结果偏差较 大，所以选择合适的计数对测量结果是至关重要的。 由于计数为2 0 0 0n s 时，峰位不明显，而高于6 0 0 0n s 计数时，死时间超过了1 0 ， 所以我们只对3 0 0 0n s 一6 0 0 0n s 的计数进行了测量，每组重复测量3 次。因为重复测量 时，谱重叠，很难区分，为了便于比较，下面只给出了每组的第一个数据谱图，如下所示： g a m m a m ye n e r g yc h a n n e l 图4 - 3 1 尿素全谱 g a m m a - r a ye n e r g yc h a n n e