基于标记中子方法检测墙体爆炸物扣除本底方法

沈 星，朱鹏飞，马 瑞，侯晶晶，杨柏栋，景士伟,

(东北师范大学 a.物理学院；b.物理学国家级实验教学示范中心(东北师范大学)，吉林 长春 130024)

墙体内隐藏爆炸物的检测难度较大，因为高密度混凝土墙体的存在，使得墙体内爆炸物的信息不易被检测. 利用中子瞬发伽玛技术检测爆炸物的过程中会受到一定的环境本底及康普顿散射背景影响[1]，通过处理数据，提高特定环境下检测爆炸物的准确性尤为重要. 本文采用全能(TPA)峰面积法、科沃尔(Covell)峰面积法和沃森(Wasson)峰面积法对C/O进行分析处理[2]，可有效减少本底对C/O这一判据的干扰.

1 实验原理

1.1 本底来源分析

由于γ射线与物质的相互作用主要包括光电效应、康普顿散射和电子对效应，所输出能谱较为复杂，在能谱中形成全能峰、康普顿坪、单逃逸峰和双逃逸峰等. 在实际的γ谱中，由于散射光子及反散射峰、湮没辐射峰、特征X射线、轫致辐射、累计效应、和峰效应、边缘效应等因素的影响，使得测量能谱变得更为复杂.γ能谱的本底谱主要来源包括康普顿效应引起的连续谱分布；γ射线在探测器灵敏体积内的小角度散射；天然本底峰，包括宇宙射线及天然核素放射性核素产生的全能峰等.

实验测量的爆炸物位于高密度的墙体内，墙体会改变入射到爆炸物上的中子能量和强度，也会衰减爆炸物样品元素产生的特征γ射线强度. 同时墙体内水泥中的O和Si元素含量很大，其与中子作用产生的特征γ射线也会部分叠加到γ探测器中，直接影响到对爆炸物内O元素的分析，增加了爆炸物检测的难度.

1.2 标记中子成像原理

标记中子技术中，配备有多像素α探测器的中子发生器是核心设备. 在中子发生器内， 加速的D离子与靶中的T核发生T(d，n)α反应，产生各向同性的14MeV中子. 在质心坐标系下，T(d，n)α的核反应产生的α与n在180°方向为一一对应，在时间上相关联. 位置灵敏的α探测器可以探测出α粒子的运动方向和时间信息，进而给出中子的方向和时间信息. 探测器所张的立体角对应伴随中子出射的锥形区域，当中子与元素反应发生在这个锥形区域内时，生成的γ射线可以通过符合电路被探测到.

在T(d，n)α核反应中，α粒子与中子在方向上关联. 与α相关联的中子与物质发生反应产生瞬发γ，而其他中子产生的γ射线在时间与该部分α粒子不关联，形成本底. 通过γ与α信号的符合测量，获得γ射线的飞行时间谱，通过时间窗可以选出与α粒子相关联的中子产生的瞬发γ射线，获得样品的特征γ谱线，可以很大程度降低本底γ，便于对γ谱的分析[3-11].

1.3 3种峰面积计算方法

按照扣除本底以及选取边界道址的不同，可分为全能峰面积(TPA)法、科沃尔(Covell)峰面积法和沃森(Wasson)峰面积法等,其示意如图1所示[13-16].

1)全能峰面积(TPA)法：分别取两边峰谷L和R，将道址L-R间的脉冲计数全部相加，本底以线性扣除. 此方法也叫做线性本底法. 由于存在统计涨落的影响，以左右两边界点计算本底，边界的误差较大，故在左、右边界周围各取n点，共2n+1个点计算平均值作为本底. 虽然TPA法可以获得最大的统计计数，但峰两侧靠近边界L值和R道计数对峰面积贡献不大，却使误差显著增加.

2)Covell法：在峰值两侧选取对称的边界道址，并用直线连接峰曲线上对应的边界上两点，把该直线以下的面积作为本底直接扣除. 只采用峰区中，相对标准差较小的道的计数来计算面积. 这种方法采用的基线,相对来说比较高,因而峰面积的标准偏差比较大.

3)Wasson法：边界道址选取与Covell法一样，本底部分为TPA法与两边界道址的重叠部分. 取窄峰区，用低基线.Wasson既吸取了Covell法的优点,又保留了TPA法基线较低的长处.

(a) TPA法

(b) Covell法

(c) Wasson法

2 实验装置

系统装置框图如图2(a)所示，装置主体为手提箱式设计(93cm×66cm×47cm)，内有伴随粒子中子发生器系统、硅酸钇镥(LYSO)探测系统、快电子学系统(包括多道分析器)等. 俄罗斯自动化研究所(VNIIA)研制的ING-27型发生器作为中子源，中子产额5×107s-1，α探测采用半导体硅探测器，数量为9个按3×3排列，每个α探测器的尺寸为10mm×10mm，从检测装置向被测物方向看9个α探测器对应的检测区域标号视觉图如图2(b)所示. 加上电子学系统，可给出α粒子的时间和探测器序号，α探测器对3MeV的α粒子探测的本征效率接近100%.

(a)实验系统

(b)α探测器标号图2 实验系统及α探测器标号

手提箱主体固定在可移动式小车上，可移动至可疑墙体处进行检测. 控制分析系统安装在笔记本电脑上，通过单根网线与主体相连. 2个φ76mm×76mm的LYSO探测器分别位于中子发生器一侧，外有2cm厚铅准直器，探测器与中子发生器发射单元之间用15cm厚钨板隔开以避免中子对探测器的直接照射.

3 实验数据及实验结果

实验用硝铵及TNT模拟物的成分配比见表1和表2. 将按比例混和好的粉末压制成与实际爆炸物密度相当的方块，每份50g密封完好备用. 利用实验装置测量300g(6块)硝铵及300gTNT模拟物分别在10cm和15cm墙中的瞬发γ能谱图，经过平滑处理如图3所示，中子产额5×107s-1，测量时间300s.

表1 100 g模拟TNT炸药的组成

表2 100 g模拟硝铵炸药的组成

根据所测得能谱计算出3种元素C，N和O的特征峰计数，实验中确定每个γ探测器与α探测器的2,3,5和6号探头符合测量后的能谱为最后判定数据. 由于O峰对N峰影响较大，只选择2种元素C和O的特征峰计数进行计算，求出C/O值，作为判断10 cm墙和15 cm墙内是否存在硝铵和TNT爆炸模拟物的依据. 之后采用3种扣除本底方法对2种元素C和O特征峰计数进行处理，得到去除本底后的C/O值，判定在同种特定环境下，是否能更准确地断出是否有硝铵和TNT爆炸模拟物存在. 本文中以2个γ探测器与之符合的α探测器中的2,3,5和6号8个探头中至少有6个探头能够与非爆炸物有明显区别，作为有效判定依据.

未扣除本底法与全能峰面积(TPA)法中C元素含量的峰面积计算道址取值为575～632道，O元素峰面积道址取值为777～847道. Covell法与Wasson法中C元素道址取值为587～617道，O元素道址取值为790～820道.

(a)10 cm

(b)15 cm图3 硝铵、TNT模拟物分别在10 cm和15 cm墙体中的γ能谱图

采用上述4种方法计算硝铵与TNT分别在10 cm和15 cm墙中2,3,5和6号探头对应的C和O峰面积，得到的C/O如图4～7所示. (图中将2个γ探测器对应的2，3，5和6号8个α探头依次排序为1～8号探头. )

计算在不同环境下C和O两峰对应的峰面积，得出相应的C/O值，以此为判据来判断是否有爆炸模拟物的存在. 通过3种不同去除本底的方法计算出C和O两峰对应的峰面积，得到C/O值与未去除本底时的C/O相比，在特定环境下，C/O这一依据适用范围有了很大改善，而这一依据具体结果如表3所示，用“√”表示判断依据可用.

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

(a)10 cm

(b)15 cm

表3 不同方法扣除本底前后判断爆炸模拟物比较

4 结 论

高密度强体的强干扰作用，使得墙体内爆炸模拟物中的N元素特征峰很难被探测到，同时，因N的5.1 MeV特征峰被O元素的6.13 MeV特征峰的双逃逸峰干扰，采用N作为判定标准误差很大. 选用C/O作为判据，判断特定环境下是否存在爆炸物，并对这一判据进行处理分析. 采用3种不同扣除本底方法计算C/O值，与未扣除本底时C/O值进行对比，提高了C/O判据适用性，说明该方法具有较强实用性. 未来将测试判断爆炸物存在的其他方法，如小波分析、SNIP等进行扣除本底处理，减少本底带来的干扰，提高判据的准确性.

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