CN1062213A - 检测炸药的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用核技术检测炸药的方法
和装置。该方法利用探测炸药中的主要成分氮和氧
被中子活化后分别发射出能量为0.511和6.13兆电
子伏的伽玛射线，经过数据实时处理后给出行李或包
裹中是否存在炸药的判断结论。用这种方法检测炸
药，发现炸药的可靠性好，误诊几率小，操作安全，而
且装置相对简单，价格适当，可作为机场或其他场所
检查行李、包裹之设备。
Description
本发明属于利用粒子辐射来测量或分析材料的领域，具体涉及一种检测炸药的方法和装置。
恐怖分子为逃避X-射线的检查而达到携带炸药用于破坏的目的，往往使用塑性炸药隐藏在行李包中，从而造成重大的人身和财产损失，危及社会安全。怎样做到既不打开行李而又能迅速可靠地检查出炸药的存在，是一个举世关注的问题。
目前国际上利用核技术检测炸药的方法可归纳为四类。第一种方法是，测量热中子引起炸药中氮元素的辐射俘获反应产生的10.8兆电子伏的伽玛射线;第二种方法是，在制造炸药时加入氘作为标记物，再用伽玛射线照射，探测D（γ，n）H反应中发射的中子来确定炸药的存在;第三种方法是测量高能量伽玛射线引起N14（γ，2n）12N反应中β+湮没辐射产生的0.511兆电子伏的伽玛射线来确定炸药的存在;第四种方法是测量热中子和快中子照射炸药引起的活性。
第一种方法的主要缺点是;由粗略估算，记录到10.8兆电子伏伽玛射线的几率小于10-7，这种效应几率小，其效应本身可能完全被本底掩盖，很难得到所要求的信息;其次，热中子在物质中的穿透力远小于快中子，它很容易被高吸收物质屏蔽掉，其可探测行李包裹的大小受到限制;另外只测量氮的反应，容易与其他含氯物质混淆引起误诊。
第二种方法是不现实的，肇事者完全可以使用不加标记的炸药来进行破坏活动。
第三种方法要用能量高达40兆电子伏的电子回旋加速器，产生能量很高的伽玛射线，用以引起炸药中N14（γ，2n）12N反应。这种反应截面很小;大束流高能量的伽玛射线源造价很高;另外，单一测氮，很难判断是炸药还是其它含氮物质。
第四种方法如美国专利US3997787公开了一种测试炸药的装置和方法，该方法的不足之处是使用热能中子和高能中子两种中子源分别对待测行李进行照射，测量16O（n，p）16N反应中衰变的β-粒子来确定氧的含量，由于反应产额较低，β-粒子的穿透能力较弱，影响氧的含量的精确度;另外，该方法使用测量热中子穿透量来确定氮的含量，这种方法只有感光深浅的差别，极易与其他物质混淆，而且测量氧和氮使用了两种不同的探测装置，既加大了成本，也增加了测量时间。
本发明目的是提供一种既准确无误又安全、快速且造价适当的检测炸药的方法和装置。
检测炸药的方法是根据绝大多数炸药都含有大量的氮和氧的事实，用快中子照射被检测包裹或行李。利用N14（n，2n）13N反应后13N是一种缺中子核，衰变时放出正电子，半衰期9.963分，正电子湮没时发射出两条方向相反的0.511兆电子伏伽玛射线;利用16O（n，p）16N反应后16N是丰中子核，衰变时发射负电子，并级联发射6.13兆电子伏的伽玛射线，半衰期7.13秒。将被测包裹或行李移动到离中子源2～3米远处后，用探测器同时测量从包裹或行李中发出的0.511和6.13兆电子伏的伽玛射线能谱，经过计算机对伽玛能谱进行实时在线数据处理后，根据测量到的氮、氧含量的比例，给出行李中是否存在炸药的判断结论。
检测炸药的装置是使行李、包裹传送带呈U字型，传送带的横折部通过防护墙围成的屏蔽通道，在屏蔽通道内的传送带旁放置中子发生器，在屏蔽通道入口处上方装有中子监视器，在屏蔽通道出口外一定距离处放置闪烁探测器，闪烁探测器放置的位置应于行李、包裹经中子发生器照射后3秒钟经传送带传送到的位置。闪烁探测器与前置放大器，线性放大器等电子学线路相连接，并输入计算机进行数据处理，行李传送带由自动控制系统控制。
本发明的优点是：采用同时测量氮、氧的方法，比单纯测氮更好地把炸药和其他物品区别开，用同一中子源和同一探测器测量两种元素，减少了仪器设备，降低了成本。采用活化测量，可以避开中子照射时瞬发反应的大量本底，减少了测量系统的困难，减少误诊的可能性。对周围环境的本底辐射很小，不开机时没有剂量，有利于工作人员的操作。入射快中子和出射γ射线都具有很强的穿透能力，可以检测更大体积的行李包裹。
本发明有以下附图：
图1检测炸药装置示意图，
图2几种常见炸药和含氮非炸药物质的氮氧关系图，图上横坐标是每克物质的氮原子数（×1021），纵坐标是每克物质的氧原子数（×1021）。
众所周知，在当前使用的多数种类炸药中，就重量配比而言，都包含有（15～35）%的氮和（20～40）%的氧。基于该事实基础，本方法为，用快中子照射被测包裹或行李，利用N14（n，2n）13N反应后13N是一种缺中子核，衰变时，放出正电子，半衰期9.963分。正电子湮没时发射出两条方向相反的0.511兆电子伏伽玛射线。利用16O（n，p）16N反应后16N是丰中子核，衰变时发射负电子，并级联发射6.13兆电子伏的伽玛射线，半衰期7.13秒。将被检测包裹或行李在受到中子照射以后移动到离中子源2～3米远处后，用探测器同时测量从包裹或行李中发出的0.511和6.13兆电子伏的伽玛射线能谱，经过计算机对伽玛能谱进行实时在线数据处理后根据测量到的氮、氧含量的比例，给出行李或包裹中是否存在炸药的判断结论。在这种情况下，伽玛探测器与中子源之间具有足够的距离，而且工作在中子停止照射以后。这样，由于中子辐照产生的瞬时伽玛本底已经消失，而中子辐照引起的环境活化本底也因有一段距离而大大地减小。本底减小以后，探测到的氮和氧的效应就明显。由氮产生的0.511兆电子伏伽玛和由氧产生的6.13兆电子伏高能伽玛射线，用同一个探测器测量，节省了仪器设备。
本方法的物理基础。从14兆电子伏中子与常见物品中所含元素的核反应特性可知，14N（n，2n）13N反应的截面为8mb，16O（n，p）16N反应的截面为46mb。若以200克TNT炸药为例进行估算，用直径100mm，高100mm的NaI（Tl）闪烁探测器放在距物体中心15cm的地方，行李或包裹从3米远处被照射1分钟后传送到探测器所在位置，传送速度1米/秒。中子发生器源点到炸药处的平均距离20cm，照射1分钟，测量两分钟，伽玛探测器记录0.511兆电子伏伽玛射线全能峰的效率为0.8，记录6.13兆电子伏伽玛射线的全能峰、单逃逸峰和双逃逸峰面积总和的效率为0.4，若中子发射率为109/秒。在忽略中子和伽玛在通过路程上的衰减条件下估算记录两种伽玛射线的几率。则记录到0.511兆电子伏伽玛射线的计数为1248，记录到6.13兆电子伏伽玛射线的计数为2550。若考虑到中子和伽玛射线的衰减因素后，记录到0.511兆电子伏伽玛射线的计数为334，记录到6.13兆电子伏伽玛射线的计数为1298。另外，在上面的估算中所假定的条件是：炸药量200克，一个伽玛探测器，一个中子发生器，中子发射率为109中子/秒。事实上最小炸药量一般要比200克高，中子发射率也会更高，为了使中子场更均匀，可以使用两个以上中子源，还可用多个探测器排列在行李传送带两侧。这样，照射时间和测试时间都可以减少。
本方法检测炸药，是通过中子与氮和氧发生核反应，产生0.511和6.13兆电子伏的伽玛射线来判定，在日常生活用品中含氮和氧的材料很多，除氮和氧以外，还有其他元素在中子作用下发射0.511或6.13兆电子伏的伽玛射线。其甄别方法如下：
（1）铁、铜、银等金属制品，此类元素的（n，2n）反应产生缺中子核素，在β+衰变后，产生0.511兆电子伏伽玛射线。但是，该类元素一般不与氧同时存在，即使是氧化物，因氧的反应截面小，因而测量到0.511兆电子伏伽玛射线的成分也远大于6.13兆电子伏的伽玛射线的成分。因此，根据两种能量的伽玛射线的记数比率，可以比较容易地区分。
（2）人造纤维物质，凡含有尼龙和睛纶的制品都含氮，但尼龙含氧成分少，睛纶则不含氧，而涤纶则含氧而不含氮。对这些人造纤维制品，从所测氮氧的比例上可以甄别。
（3）人造革含有氯元素，氯有（n，2n）反应，也放出0.511兆电子伏的伽玛射线，但它不含氧，没有6.13兆电子伏的伽玛射线。聚四氟乙烯制品含有大量的氟，但不含氮和氧，氟（n，2n）反应产生0.511兆电子伏伽玛射线，氟（n，α）反应则发射6.13兆电子伏伽玛射线，但两种伽玛射线之比约为0.1，比TNT的相应比例0.5要小得多。所以对聚四氟乙烯制品的甄别也不困难。
（4）当碳氢氧同时存在时，由于快中子与氢碰撞，释发出具有一定能量的质子，质子与天然碳中的C13（含量1.11%）发生（p，n）反应，与氧发生（p，α）反应，都形成N13核。这两种反应都属于次级效应，可以忽略。曾用不含氮而含有碳氢氧的涤纶布进行试验，证明由这两种反应发射出的0.511兆电子伏的伽玛射线很小，可以忽略。
根据上述提出的利用N14（n，2n）和16O（n，p）反应同时测量炸药中氮氧的含量而检测炸药的方法，可以设计出不同形式的装置。附图1给出了一种使用上述方法检测炸药的装置实施例。使行李传送带1呈U字型运行，传送带1的横折部通过防护墙5围成的屏蔽通道，在防护墙5围成的屏蔽通道内的传送带1旁设置中子发生器2，在屏蔽通道入口4处上面装有中子监视器7，用来监视照射中子的通量。防护墙5由1米厚的水泥和含氢材料组成。中子发生器2是利用（D、T）反应构成的密封中子管或高压倍加器，所产生14兆电子伏中子的强度大于109中子/秒。在屏蔽通道出口4外一定距离处放置闪烁探测器6，闪烁探测器6放置的位置应于行李、包裹3经中子发生器2照射后3秒钟经传送带1传送到的位置。闪烁探测器6可以用NaI（Tl）或BGO闪烁探测器，探测器的能量分辨对铯-137的0.662兆电子伏伽玛射线分辨率好于10%，探测6.13兆电子伏伽玛射线的效率大于20%。传送带1的传送速度约为1米/秒，起始和停止时间不超过1秒。
测试和控制室设在屏蔽体外的合适位置，室内安装中子发生器2和传送带1的控制台，中子监视器7和闪烁探测器6的配件及电子分析仪器，包括高压电源，脉冲放大器，多道分析器和进行控制及数据处理的计算机系统。
为了使照射行李包裹的区域有一个较为均匀的中子场，可以使用两个中子发生器2，对称地配置在行李传送带1两旁。闪烁探测器6也可以使用多个，组成多探测器阵列，便于检测出炸药所在的位置，有利于甄别各种物品混杂引起的误诊。
Claims (7)
1、一种检测炸药的方法，根据绝大多数炸药都含有大量的氮和氧的事实，利用测量核反应产物的方法确定待测物体中氮、氧的含量，从而判断是否有炸药，本发明的特征是用快中子照射被检测包裹或行李，利用N14(n，2n)N13反应后13N衰变时放出正电子，半衰期是9.963分，正电子湮没时发射出两条方向相反的0.511兆电子伏伽玛射线和利用16O(n，p)16N反应后16N衰变时发射负电子，并级联发射6.13兆电子伏的伽玛射线，半衰期是7.13秒的事实，将被中子照射过待测的包裹或行李移动到离中子源2～3米远，用探测器同时测量从包裹或行李中发出的0.511和6.13兆电子伏伽玛射线能谱，经过计算机对伽玛能谱进行实时在线数据处理后根据测量到的氮、氧含量的比例，给出行李或包裹中是否存在炸药的判断结论。
2、如权利要求1所述的检测炸药的方法，其特征是快中子的能量是14兆电子伏，强度大于109中子/秒。
3、如权利要求1所述的检测炸药的方法，其特征是探测器的能量分辨率对于铯～137的0.662兆电子伏伽玛射线分辨率好于10%，探测0.511兆电子伏伽玛射线效率好于80%。
4、一种用于如权利要求1所述的检测炸药的方法的装置，包括中子发生器2，行李传送带1，数据获取和处理系统以及自动控制系统，本发明的特征是传送带1呈U字形，传送带1的横折部通过防护墙5围成屏蔽通道，在防护墙5围成的屏蔽通道内的传送带1旁边放置中子发生器2，在屏蔽通道入口4的上方装有中子监视器7，在屏蔽通道出口4外一定距离处放置闪烁探测器6，闪烁探测器6放置的位置应于行李、包裹经中子发生器2照射后3秒钟经传送带1传送到的位置。
5、如权利要求4所述的检测炸药的装置，其特征是中子发生器2是利用（D、T）反应构成的密封中子管或者高压倍加器，所产生的中子强度大于109中子/秒。
6、如权利要求4所述的检测炸药的装置，其特征是闪烁探测器6可以用NaI（Tl）或BGO闪烁探测器，探测器的能量分辨对于铯-137的0.662兆电子伏伽玛射线分辨率好于10%，探测6.13兆电子伏伽玛射线的效率大于20%。
7、如权利要求4所述的检测炸药的装置，其特征是传送带1的传送速度约为1米/秒，起始和停止时间不超过1秒。
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1990
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|---|---|
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