基于PGNAA技术对地雷探测的MOCA模拟及能谱分析

李昌华,朱晨熙,陈向春,曹 倩,龙 渝,景士伟,b

(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)

PGNAA(Prompt gamma neutron activation analysis, PGNAA)技术是一种全物料测量过程，目前已广泛应用于水泥、煤炭等行业的物料分析[1-3]，该技术对较低原子序数的元素有较高的分析灵敏度[4]，从原理上可探测地雷中相关γ能谱，PGNAA技术可以进行地雷探测. MOCA是基于蒙特卡罗思想的一种模拟中子和γ射线传输过程的程序，具有操作简单、结果可靠等特点，更适合应用于PGNAA技术[5]，可用于模拟地雷探测过程. 该软件在国内普及程度不高，使用MOCA程序进行的相关研究有限[6-9]. 探雷装置的设计对探雷精度影响巨大，装置内屏蔽体部分和反射体部分同时影响着中子成分和数量，若采用可关断的NG-9型中子发生器，可无需对所有方向进行屏蔽，对屏蔽体与反射体部分的几何构型和具体参量仅需考虑源到探测器之间屏蔽即可，从而仅需重点考虑提高热中子数和比率问题. 本文对使用MOCA程序构建并优化后的地雷探测构型进行探测可行性和精确度讨论[9]，寻找其内在规律.

1 实验原理及可行性讨论

瞬发γ射线中子活化分析(PGNAA)技术利用中子源产生的中子流轰击靶样品中各元素的原子核从而发生辐射俘获、非弹散射，各元素被激发和退激后放出特征γ射线，利用γ能谱探测器采集γ射线，从而根据特征γ射线的能量和强度确定元素种类和定量分析. 该方法的优点是探测速度快(10-4s)，样品无损，可进行全元素分析. 国外主要利用PGNAA技术进行煤质分析和水泥检测，整个过程比较系统和完善. 近年来国内也开始了该技术的研究与应用[5,10-14].

地雷主要由C，H，O，N构成，与土壤的成分相比，地雷中C和N元素含量明显高，H元素含量略高，O元素含量略低，初步认为C和N峰的测量数据对最终的地雷分析更加可靠. N峰在全谱很难被精确测出，在初步定性分析时使用LYSO探测器，在谱图中找不到可供分析的N峰，将C，H和O作为分析元素，分析时C元素权重大.

地雷尺寸对地雷探测有显著影响. 一方面影响C，H和O分析元素的质量，进而影响特征峰强度；另一方面，地雷的尺寸不是越大越容易被探测，这是由于地雷本身含有的C，H，O和N元素对快中子具有慢化作用，对本底计数率造成影响.

若已知标准样品和待测样品的计数率和标准样品的质量，可通过中子活化分析技术对比得到待测样品的质量[4]，方程式为

其中，m标和m0分别为标准样品质量和待测样品质量，c样t′和c标t′分别为待测样品和标准样品在t′时刻所测元素计数率.

尽管中子活化分析探测地雷在原理上可行，但仍存在问题,如：地雷检测环境中有土壤成分干扰，在能谱分析中的本底处理问题；如何从能谱中得到具体元素的准确计数率. PGNAA技术是全元素检测，通过多元素分析，可提高探测精度.

2 实验方案

2.1 模拟地雷探测装置构型

地雷探测装置由中子发生器、γ射线探测器、屏蔽体、反射体和慢化体5部分组成，探雷装置的几何构型和具体参量均会对中子慢化产生影响. 本文参考文献[15-17]，根据自身研究特点对研究内容进行相关修改和完善，为提高热中子数舍弃了同心圆柱的构型，同时增加反射体部分，所构造的探雷装置结构如图1所示. 中子源选用东北师范大学自主研发的NG-9型中子发生器，LYSO为γ射线探测器，慢化体材料选用钨、碳化钨作为反射体，将“钨-含硼聚乙烯-铅”3层圆台结构作为屏蔽体. 由于NG-9型中子管外壳本身具有中子慢化作用，因而在考虑热中子率的前提下进一步考虑热中子数作为判据. 3层屏蔽体的参量通过更改厚度后综合考虑热中子数量和热中子与其他中子的比例，实验数据如图2所示，构造的装置将打向地面方向的中子数最大化，尽可能减小中子源对探测器的直接影响. 最终确定装置具体参量如表1所示. 该装置在MOCA程序上的构型如图3所示. 该装置相比于国内外其他项目组所研究的地雷探测装置，最大的优点在于利用NG-9型中子发生器本身具有可关断这一特点，添加屏蔽装置后可最大化减小对人的伤害，且将屏蔽与反射两部分装置分开，避免了由构型过厚导致的中子源到待测地雷间距增大使得探测效果变差的问题.

(a)钨

(b)含硼聚乙烯

(c)铅图2 屏蔽体厚度确定实验图

表1 地雷探测装置参量

(a)

(b)

(c)图3 MOCA程序构造地雷探测装置示意图

2.2 地雷深度探测实验设计

选用RDX(黑索金)和TNT质量各占50%的3.46 kg反坦克地雷(立方体，密度为1.73 g/cm3；体积为10 cm×10 cm×20 cm)作为研究对象，项目组在之前实验中得到地雷位置在γ探测器正下方探测效果好于地雷位置在中子源正下方情况. 中子源发出中子经土壤(含5%水分，立方体，密度为1.575 g/cm3；体积为120 cm×120 cm×120 cm)到达地雷时会被土壤慢化，产生大量慢热中子. 地雷中所含4种元素的俘获截面随着中子能量的减小而增加(如图4所示[18])，土壤慢化作用使得到达地雷位置处的低能中子数量增加，使相应特征峰更为明显；另一方面，中子与地雷中元素反应后生成特征γ射线也会与土壤发生作用进而减少进入探测器的γ射线数量，因而地雷与γ射线探测器的位置应尽量接近，据此文中所有涉及“地雷在探测装置正下方”中意为在γ探测器正下方. 实验过程如下：使用MOCA软件构图，将地雷位置确定在γ探测器正下方，地雷上表面距离地面上表面的间距以每隔1 cm的改变量从0 cm开始到15 cm共测量16组数据，再加上去除地雷时仅测量土壤本底计数共17组数据，实验装置相关参量如表1和表2所示.

图4 C,H,O和N 4种元素的俘获反应截面

表2 土壤和地雷所含元素及质量百分比

2.3 地雷定域内具体位置探测实验设计

实际情况中，在一片可能埋藏区中地雷具体位置和深度未知，因此定域内探测地雷具体位置是符合实际情况的模拟测试. 在原有的构型上设计了一种测量方式，图5为地雷探测路径，给定地雷可能存在区域为120 cm×120 cm土壤，将探测装置按图5所示路径对定域进行扫描，纵向每隔5 cm测量1次，2条纵向测量线间距为5 cm，共169组谱图，将其中的H峰、C单逃逸峰、C全能峰和O峰面积与对应三维坐标建立关系，根据获得的γ能谱数据，经分析来确定地雷具体位置.

图5 地雷探测路径示意图

3 实验数据及分析

3.1 地雷有效探测深度

利用MOCA程序模拟过程并输出的谱图如图6所示，将图6中C,H和O的全能峰以及C的单逃逸峰共4个在谱图中较为明显的峰进行积分后得到4组数据. 对于本底的去除方法为直接减去本底计数，作图后如图7所示. 上述峰在去本底后峰面积将分为高于零的计数和低于零的计数2类，根据不同深度下去本底后峰面积是否大于零作为有效探测深度的判据.

图6 不同深度下γ射线能谱图

(a)氢峰计数(减去本底)

(b)碳单逃逸峰计数(减去本底)

(c)碳全能峰计数(减去本底)

(d)氧峰计数(减去本底)图7 不同元素特征γ射线去本底后峰面积与地雷深度对应关系

图4中3种元素的特征峰对应的反应如下：

其中，H元素的俘获反应截面由图4可得，C元素和O元素的快中子非弹反应截面为200～400 mb和474 mb. 为提高特征峰面积，应尽可能增加到达地雷处的14 MeV快中子和低能热中子数量.

总体来看，对于H峰、C单逃逸峰、C全能峰和O峰而言，地雷埋藏越深，H峰、C单逃逸峰和C全能峰的峰面积总体呈下降趋势，而O峰的峰面积总体呈上升趋势，且C单逃逸峰和C全能峰分别在深度14 cm和深度8 cm后峰面积小于本底面积. 由于C单逃逸峰是由探测器内部反应产生，与C全能峰并无本质区别，将二者求和后综合判断深度9 cm定为本装置有效地雷探测深度. O峰峰面积始终小于本底面积，因为地雷所含O元素质量分数小于土壤中O，与2种元素H和C变化规律不同. 3种元素峰面积随深度非单调性变化的产生原因是多方面的：PGNAA技术是全谱分析，有一些截面较小的反应也会被记录在总谱中，但其截面较小，特征峰不明显，与康普顿坪等部分一同被当做本底而去除，又由于有无地雷时元素分布的差异性，会出现2次测量时本底不完全相同从而在相减后出现偏差；地雷埋藏深度不同影响着中子分布，不同分布会对最终统计结果造成影响；元素特征峰面积随地雷深度变化呈单调性是中子产额趋于无限的理想情况，实际模拟时受模拟次数影响，不能达到无限次模拟，较大影响着最终谱图[19]；由于γ射线会与物质发生相互作用时形成康普顿坪，影响特征峰峰面积以及本底计数，又因为康普顿效应的产生概率与核外电子运动有关，因而与电子云分布有关.

尽管有着多种因素限制着去本底后峰面积的单调性变化，但为了地雷位置探测的需要，仍需要建立起地雷深度与峰面积的相关规律.

3.2 地雷具体位置探测

本底确定是数据处理时面临的重要问题，由于中子源和土壤相对位置的改变，导致中子分布产生巨大变化，进而导致本底不同. 尽管土壤和地雷在几何模型上具有比较好的对称性，但由于地雷探测装置的不对称性，从几何对称性分布角度去分析不同坐标本底同样会带来误差. 把区域内所有测量点的γ能谱取平均，将该平均值作为本底. 这样定义的优点在于充分利用测量数据，且地雷在土壤中所占比重越小算出的本底越可靠，本模型中地雷体积仅占土壤的1/864，因而是一种比较有效的本底确定方式. 缺点在于会减去部分被正确测量的峰面积，因此此方法只能作为定性判断. 使用这种本底定义方法初步判断地雷坐标，进而用程序模拟1组该坐标无地雷时的γ计数作为真正的本底用于定量计算.

地雷坐标探测结果如图8所示，图中为C的全能峰和单逃逸峰积分后求和的数据. 图中白框部分为地雷的实际位置，可以看到C的高计数位置(35，45)、(35，50)与地雷的实际质心位置(40，50)存在一定偏差，坐标误差为5.59 cm，且在坐标为(25，35)和(55，35)两点有误报现象存在.

图8 地雷坐标探测数据图

4 结束语

验证了运用MOCA程序对地雷探测这一过程进行模拟的可行性，后续研究方向将分为以下几个方面：改进探雷路径，尝试更改探测器、含雷土壤和中子源三者的相对位置，试图消除坐标偏差；进一步分析已有数据，例如在地雷深度判断时将C的全能峰和单逃逸峰、双逃逸峰等放在一起考虑，这样处理后装置有效深度判断距离应大于9 cm；考虑不同种类的反坦克地雷和不同土壤类型下的探测能谱，提高该装置实用性；利用MOCA程序进一步补充实验数据，利用支持向量机或神经网络对大量实验数据进行分析，寻求其内在规律并总结成公式或建立一套健全的数据库，期望得到一种可自我进化的地雷判断方法.