包装物对爆炸物中子检测的影响.pdf

2 0 1 0 年1 2 月包装物对爆炸物中子检测的影响丁文等 3 7 包装物对爆炸物中子检测的影响’ 丁文①窦玉玲④张国光吴腾芳⑦沈瑞琪① ①南京理工大学 江苏南京，2 1 0 0 9 4 ②解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 2 9 ③中国原子能科学研究院 北京，1 0 2 4 1 3 [ 摘要]文章概述了目前主要的爆炸物中子检测方法，介绍了用热中子俘获1 射线法 T N A 法 检测爆炸物的 原理，用模拟实验装置对模拟爆炸物进行了检测，得到了被测物的俘获1 射线能谱。实验装置采用d D 中子管产 生2 ．5 M e V 的快中子，再经慢化之后得到热中子，并采用多个N a I 探测器提高检测效率。着重对T N A 法中不同外 包装物材料以及多层复合外包装物材料对探测结果的影响进行了探索研究和结果分析，发现铜外壳对y 射线的屏 蔽较大程度地降低了检出率，而例如聚四氟乙烯等塑料外壳也可能造成类似的影响。 [ 关键词] 中子管热中子俘获Y 射线爆炸物 包装物 [ 分类号] X 9 2 4 ．3 引言 近年来，世界各地的恐怖活动极为频繁，给世界 各国人民的生命财产造成极大的威胁。自从2 0 0 1 年美国“9 1 1 事件”之后，各国加大反恐力度。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，已成为国际上一项紧迫而艰巨的任务。 尽管世界各国的安检机构在机场、车站、码头、 地铁等处，都设置有各类爆炸物检测系统，但是，近 年来恐怖分子所采用的武器和炸药通常难以检测， 因为这类武器可能不含金属部件，或使用具有可塑 性的炸药，甚至是易于伪装的液体炸药，其隐藏方法 与引爆机制也经常十分独特。目前，通常采用的X 射线检测系统，由于仅靠区分物质密度的信息来识 别违禁物，因此，经常无法有效地识别密度与其它物 品类似的爆炸物。从化学成分上讲，炸药基本都是 主要由C 、H 、N 、O4 种元素组成的化合物，虽然日常 用品的化学成分也主要含有这几种元素，但在元素 含量组成上差别很大。因此，若能检测出C 、H 、N 、O 元素的原子密度或相对含量信息，根据元素的分布 规律，就可以判断出被测物质是炸药还是其它危险 品，或者是日常的有机物质引。 中子对爆炸物的检测系统，主要包括中子检测 器和中子照相技术两方面的内容。使用中子检测器 可以识别爆炸物是否存在；而利用中子照相技术，则 能够进一步对爆炸物的内部成分和形状进行检测， 确认爆炸物的具体形貌种类。 基于中子的爆炸物检测技术，具有探测灵敏度 高、准确性好、自动化程度高等特点，因此日益受到 人们的关注【3J 。中子探测隐蔽爆炸物具有穿透性 强、速度快、准确度高等特点，因此，已在地雷探测、 集装箱内违禁物品检测中得到了初步应用与深入研 究。 目前，国际上采用的中子检测爆炸物的方法主 要概括为三类 1 标记中子源。使用标记中子源就可能确定 被测物中的元素分布情况，这样就有可能做到对可 疑元素进行精确测量。系统包括中子管和粒子探测 器，利用飞行时间法可以测量样品中放射出的不同 能量的，射线，缺点是提高了信噪比。 2 多种中子技术同时使用。包括热中子分析 技术 T N A 、快中子分析技术 F N A 、脉冲快中子 技术 P F N A 、脉冲快／热中子技术 P F T N A 以及伴 随a 粒子／中子飞行时间分析技术 A P I T O F 、中子 共振吸收法 N R A 等。 3 几类检测系统组合使用。中子检测系统可 以和x 射线扫描系统结合使用，首先通过X 射线密 度检测确定是否存在可疑部分，中子技术作为二次 检测，针对已标定的可疑部分进行元素含量的测定， 从而确定是否为爆炸物。如果分析精度实在不足以 排除可疑对象，最后可进行人工开箱检查，这样的组 合方法可以有效地提高检出率以及减小漏报率H 】。 表l 中列出了几种常用的中子检测爆炸物的方 收稿日期2 0 1 0 4 7 - 0 8 作者简介丁文 1 9 8 2 一 女，博士在读，讲师，主要从事含能材料及其技术方面的研究。E - I n a i l h 删d i n g 1 6 3 ．g o r e 万方数据 3 8 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 9 卷第6 期 法及基本原理。 本文的工作利用了中子发生器，对热中子俘获 1 射线的方法中不同外包装对探测结果的影响进行 了探索研究。 1 工作原理 用热中子分析法确定被测物中的氮含量与氢含 量，首先通过快中子与含氢材料的多次弹性散射慢 化成为慢中子和热中子，被测物实际上成为慢化体。 而热中子打到N 核和H 核上就会发生热中子俘获 反应而产生y 射线。 n 1 4 N 1 5 N 1 0 ．8 3 M e V ，l 1 H 一2 H 2 ．2 2 3 M e V 在一定强度的热中子照射下，出射y 射线的强 度与物品中所含的N 和H 的量成正比。利用核反 应1 4 N ／7 , ，y 1 5 N 得到的N 的1 0 ．8 3 M e V 俘获y 射 线，以及核反应1 H ，l ，y 2 H 得到的H 的2 ．2 2 3 M e V 俘获7 射线，分别为N 和H 元素的特征7 射线，可 以此确定被测物中N 的含量和H 的含量，再通过计 算机识别技术对所得信息进行处理和判断，就可确 定被测物是否为爆炸物。N 核的热中子俘获过程见 图l 。 的N 俘获y 射线反应，这种反应的截面虽小，仅7 5 n a b 1 m b 1 0 埘c m 2 ，但产生的y 射线能量却很高， 测量并不困难 用N a I 探测器很容易测到 。这种 探测的结果能够给出被测物中的N 元素N 含量的 多少，因为炸药中的含N 量通常高于日常物品，所 以就可推断出被测物是否为爆炸物。 根据这一原理，利用d D 中子管产生2 ．5M e V 的快中子，经过慢化之后得到热中子，通过测量俘获 y 射线谱来检测爆炸物。为了提高探测效率，同时 使用多个N a I 探测器。图2 为采用的模拟实验装置 示意图。 图2 “ I N A 法检测爆炸物的实验装置不意图 采用上述模拟实验装置，测得模拟爆炸物的热 中子俘获y 能谱，如图3 所示，测量时间为6 0 0s ，中 子管的中子强度为4 1 0 7 s ～，中子能量为2 ．5 图1N 核的热中子俘获过程 M e V 。 2 模拟实验装置 图3 中位置较高谱线是模拟爆炸物的测量谱， 由于在实际应用中对中子进行慢化的材料一般 位置较低的为没有样品时的本底测量谱，1 0 ．8 3 M e V 都是含H 材料，因此对H 的俘获y 射线造成了很强的y 射线道值约在8 0 0 道左右，可以清楚地看到N 的本底，在实际应用过程中，一般采用的是测量N峰位置。由于N 峰位置计数较少，因此图中纵坐标 的1 0 ．8 3 M e V 的俘获y 射线。通过测量热中子引起 采用对数坐标。实际测量时，测量时间在2 0s 以 万方数据 2 0 1 0 年1 2 月包装物对爆炸物中子检测的影响丁文等 3 9 图3 模拟爆炸物的俘获，能谱 内，利用计算机识别技术，确定是否为爆炸物。 3 结果与讨论 考虑到爆炸物可能隐藏在不同的包装物中达到 隐蔽效果，而包装物对中子检测的结果是否会造成 影响还未见报道，因此，对不同包装材料进行了进一 步的研究。表2 为试验采用的不同外包装物材料的 描述。 表2 各种较常见的外包装材料 利用上述包装材料作为爆炸物的隐蔽物，本工 作分别采用1 0 0g 和5 0g 的6 种爆炸物及爆炸物模 拟物在不同的外包装内进行了检测。表3 为1 0 0g 爆炸物或模拟物装在不同外包装内的检出率，数据 为多次测量的平均值。 表3 1 0 0g 爆炸物模拟物检测试验 各种包装材料下的检出率 黼籽式翟龛警铁铝纸铜乙烯龙烯”” ” ” 可以看出，不同种类的爆炸物和模拟物在不同 的隐蔽物中依然可以被检测到。 表4 为5 0g 爆炸物和模拟物在不同的外包装 隐蔽下的检测结果，数据为各次测量的平均值。 表45 0g 爆炸物模拟物检测试验 各种包装材料下的检测几率 黼肝式嚣龛警铁铝纸铜乙烯龙烯”“ ”” 由于各种爆炸物和模拟物的含N 量不同，随着 检测样品绝对含量的减少，被检测到的几率也随之 降低。但是大部分样品还是能够被检测出来的。并 且可以看出，由于铜对1 射线有很强的屏蔽作用， 所以铜外壳中的样品的检出率要比其它包装物中的 低很多。 总体来说，包装物对检测结果的影响比较复杂， 如果存在复合多层包装物的情况，则检测结果可能 会与单层外壳时不同。为了进一步研究其规律，对 一些复合材料的包装进行了探索，采用l O O g 硝酸铵 作为被测物，对各种复合外包装隐蔽物进行了检测， 结果如表5 所示。 表5 复合外包装的测量试验 外包装材料组合检出率 聚四氟乙烯 尼龙 聚四氟乙烯 铝壳 聚乙烯 尼龙 聚乙烯 铝壳 纸壳 尼龙 纸壳 铝壳 铁壳 尼龙 铁壳 铝壳 铜壳 尼龙 铜壳 铝壳 由复合外壳试验的结果可以看出，铜对7 射线 的屏蔽作用直接影响了包装在铜外壳内的被测样品 的检出率。另外，由于部分塑料材料的影响，使得样 品的检出率也有所下降，其中，聚四氟乙烯塑料的影 O O 5 3 O 国1 0 O 国1 l 卫■ 0 0 0 O 万方数据 ．4 0 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 9 卷第6 期 响稍大于聚乙烯塑料的影响。 4 结论 本文概述了目前中子检测爆炸物的主要方法， 介绍了利用热中子俘获y 射线法进行爆炸物检测的 基本原理，利用模拟实验装置对含氮模拟爆炸物进 行了测量，得到了被测物的俘获7 射线能谱，可以看 到8 0 0 道左右有清晰的N 峰。实验装置采用d D 中子管产生2 ．5M e V 的快中子再经慢化之后得到 热中子，并采用多个N a I 探测器提高检测效率。本 文的工作重点对不同外包装隐蔽物材料对爆炸物检 测的影响进行了实验研究，采用了7 种较常见的外 包装材料对6 种爆炸物组分及模拟爆炸物进行了实 验和分析，并初步讨论了多层复合外包装物的影响 情况，为更准确地进行爆炸物中子检测提供了一定 的依据。 参考文献 [ 1 ] 仇九子．用中子检查隐藏爆炸物的物理学原理[ J ] ．现 代物理知识，1 9 9 8 ，1 0 1 1 7 - 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c i p l eo ft h et h e r m a ln e u t r o nc a p t u r ey m ym e t h o d T N A ．T h ec a p t u r ey - r a ys p e c t r u mo fm e a s u r e do b j e c t sW a so b t a i n e d u ． s i n g 锄e x p e r i m e n t a ld e v i c et od e t e c ts i m u l a t e de x p l o s i v e s ．T h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eu s e dt h e r m a ln e u t r o np r o d u c e db ym o d - e r a t i o no f2 ．5 M e Vf a s tn e u t r o ny i e l d e db yd - Dn e u t r o nt u b e ，a n dan u m b e ro fN a Id e t e c t o r sw e r eu s e dt oi m p r o v ed e t e c t i o n e f f i c i e n c y ．T h i sa r t i c l ef o c u s e do nt h ei m p a c to fd i f f e r e n to v e r p a c km a t e r i a l sa n dm u l t i l a y e rc o m p o s i t eo v e r p e c ko nd e t e c t i o nr e s d t so fT N Am e t h o d ．I ti ss h o w nt h a tc o p p e rs h e l lw i l ll o w e rt h ed e t e c t i o nm t e sb ys h i e l d i n gag r e a td e g r e eo ft h ey - r a y 。a n dp l a s t i cs h e l l ss u c ha sp e l y t e t r a f l u o r o e t h y l e n e P E T F m a ya l s oc a l l s et h es i m i l a re f f e c t ． [ K E YW O R D S ] n e u t r o ng e n e r a t o r ，t h e r m a ln e u t r o n ，c a p t u r ey r a y ，e x p l o s i v e ，c o n t a i n e r s 上接第3 6 页 [ 6 ] 郭红军，石健，汪长栓，等．粉末药型罩的试验研究 [ J ] ．测井技术，2 0 0 5 ，2 9 S O 7 1 ．7 3 ． [ 7 ] 赵选民，徐伟．数理统计[ M ] ．西安西北工业大学出 版社，2 0 0 2 ． A p p f i c a t i o no fO r t h o g o n a lD e s i g ni nM a n u f a c t u r i n gT e c h n o l o g i c a l P a r a m e t e r sS t u d yo fP o w d e rL i n e r L A IK a l l g l l u a ，D UM i n g z h a n g ，L E IX i n h u a ，W A N GQ ／n g b i n S i c h u a nP e t r o l e u mP e r f o r a t i n gM a t e r i a l sC o ．，l a d ． S i c h u a nL o n g c h a n g ，6 4 2 1 7 7 [ A B S T R A C T ] O t t h o g o n a ld e s i g nW a sa p p l i e dt os m d y i n gt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so fp o w d e rl i n e ri nt h i sp a - 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