CN109507743B - 一种高精度扫描探雷装置及扫描检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度扫描探雷装置及扫描检测方法，具体是一种利用瞬发伽马射线中子活化分析（PGNAA，Prompt Gamma‑Ray Neutron Activation Analysis）技术进行地雷存在性判定及精确定位的装置，该高精度扫描探雷装置由中子源项系统、探测系统、屏蔽防护系统以及能谱分析系统组成，中子源项系统用于激发地雷样品中的氮元素特征伽马射线，探测器进行伽马射线收集以及能谱测量，探测器屏蔽防护选择含硼聚乙烯材料制成，减少探测器的活化干扰，同时降低探测器中子损伤。本发明以信噪比作为装置设计评价准则，基于新型装置评价优化方法对整体扫描探雷装置进行设计，具备较高的信噪比，提高测量水平；同时，利用新型扫描方法进行探雷，减少测量时间，同时提高了地雷位置探测的精确度。
Description
技术领域
本发明属于元素检测技术领域，具体涉及一种高精度扫描探雷装置及扫描检测方法。
背景技术
战争遗留的掩埋地雷对公众生命安全造成巨大的影响，其探测清理长期以来一直是社会着重关注点之一，如何快速有效的检测出环境中掩埋的危险爆炸物并进行及时清理是一个亟待解决问题。目前，最常用的探雷装置使用的核心设备为金属探测器，利用金属探测技术，通过检测环境中掩埋地雷的金属壳层判定爆炸物的存在性。
目前，在分析检测领域中，PGNAA技术作为一种新型的检测技术，其原理主要利用中子轰击样品元素的靶核，基于俘获及非弹性散射反应激发元素特征伽马射线，通过收集及分析特征伽马射线获取样品中的元素成分信息，从而进行样品类型的判断。PGNAA技术具备多种优点，包括穿透性强、非破坏性、在线原位测量、分析精度高等。基于其众多优点，近年来PGNAA技术被广泛应用于社会安全、工业生产、医药制药等领域。
目前，基于金属检测技术的探雷装置只能基于金属外壳的存在性进行地雷爆炸物的判断，误报率较高，无法对非金属壳层地雷进行检测；且由于其穿透距离的限制，无法对深层掩埋地雷爆炸物进行很好的检测；并且其扫描时间较长，检测较为繁琐。
因此，确有必要对现有装置及检测方法改进，建立一种新型的探雷装置及检测方法，从根本上解决现有技术之不足。
发明内容
本发明目的是针对环境中掩埋地雷的检测设计一种检测装置。该装置基于信噪比优化评价方法进行装置的优化设计，提高装置测量灵敏度。该装置结构简单，操作便捷，具有很好的实用性。
同时，本发明基于该装置设计一种检测方法。该方法基于三枚探测器进行样品能谱的收集，通过利用三枚探测器的氮元素响应变化分析样品的精确位置。该方法操作简单，测量时间短，分析精度较高。
为实现上述目的，本发明提供了一种高精度扫描探雷装置，包括中子源项系统、探测系统、能谱分析系统和屏蔽防护系统，所述的中子源项系统包括中子发生器和中子发生器供电控制设备；所述的探测系统包括伽马射线探测器和探测器支架；所述的能谱分析系统包括多道分析器和工业控制计算机；所述的屏蔽防护系统为中子防护层，其特征在于：所述的中子发生器位于整体装置的中轴处，与所述的中子发生器供电控制设备连接，所述的中子防护层包裹于中子发生器周围，所述的探测器支架位于中子防护层上方，所述的探测器支架有至少两个力臂，所述的伽马射线探测器有至少两个，分别置于所述的探测器支架上，所述的伽马射线探测器与所述的多道分析器和工业控制计算机依次连接。
进一步的，所述的伽马射线探测器有三个，相应的，所述的探测器支架有三个力臂，每个力臂固定一个伽马射线探测器。
进一步的，所述的中子发生器为D-T中子发生器，产生能量为14MeV的中子，中子出射方向为4π方向，所述的中子发生器供电控制设备可控制所述的中子发生器的中子产额。
进一步的，所述的中子防护层呈环状，为含硼聚乙烯材料制作，碳化硼含量为5%-10%以重量计，厚度为160mm-200mm，高度为110mm-130mm，位于中子发生器靶点上方10mm处。
进一步的，所述的探测器支架为铝合金材料制作，三个力臂之间夹角均为120°，环绕所述的中子发生器排布，轴心角呈120°，置于所述的探测器支架上的伽马射线探测器亦均匀排布于所述的中子发生器四周。
进一步的，所述的伽马射线探测器为锗酸铋探测器、碘化钠探测器或溴化镧探测器，晶体直径101.6mm，高101.6mm。
本发明还提供了上述高精度扫描探雷装置的扫描检测方法，包括以下几个步骤：
步骤一：在测量环境中，确定一条直线扫描路径，在该路径上设置多个扫描点；
步骤二：将所述的高精度扫描探雷装置依次摆放于设置的扫描点，开启所述的中子发生器，利用出射中子照射地雷样品，并通过所述的伽马射线探测器收集地雷样品伽马能谱；
步骤三：利用步骤二中获得的地雷样品伽马能谱，分析地雷样品中氮元素特征峰面积值，根据所述的每一枚伽马射线探测器的信息记录分析结果，分别绘制三条地雷样品中氮元素特征峰面积值随扫描点变化的曲线；
步骤四：利用步骤三中绘制的曲线，选取两个曲线交点并确定其所在扫描点，在每个扫描点以特征峰面积值响应相同的两个探测器轴心为端点做直线，同时绘制该直线的中垂线，最终共获取两条中垂线；
步骤五：基于步骤四中获得的两条中垂线，确定并计算其交点坐标，该坐标即为地雷样品的精确位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：(1)本发明充分考虑PGNAA系统中信号与噪声来源，通过提高信号并控制噪声，利用信噪比评价优化方法设计探雷装置，装置结构简单，易于运输及操作，同时在简单装置条件下对于非金属壳层地雷的测量获得好的测量效果；(2)本发明在结构设计中使用多探测器轴对称结构，并基于该结构装置，通过利用多探测器响应变化，建立新型扫描检测方法，相较于传统的扫描方法，测量点少，测量时间短，方法简单，并且可获得更加精确的非金属壳层地雷位置信息，提高检出率及检测精度。
附图说明
图1是高精度扫描探雷装置的俯视结构示意图；
图2是高精度扫描探雷装置的侧视结构示意图；
图3是高精度扫描探雷装置扫描检测方法的步骤流程框图；
图4是扫描模拟线路图；
图5是三枚锗酸铋探测器的扫描曲线图；
附图中，标记为：中子发生器1、伽马射线探测器2、探测器支架3、中子防护层4。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明中的技术方案，以下通过具体实施例对本发明作进一步说明。
参见图1和图2，搭建高精度扫描探雷装置，中子发生器1为D-T中子发生器，位于装置的中轴位置，可发射能量为14MeV的中子，中子出射方向为4π方向。中子发生器供电控制设备与中子发生器1相连，所述的中子发生器供电控制设备包括中子发生器供电控制机箱、电源及控制系统，为中子发生器1提供工作电源，同时控制中子发生器中子产额。中子防护层4材料为含硼聚乙烯，碳化硼含量为5%以重量计，厚度为160mm，高度为110mm，位于中子发生器1与伽马射线探测器2之间；通过含硼聚乙烯中的氢（H）元素和硼（B）元素对进入探测器路径上的中子进行慢化吸收，从而减少探测器损伤，同时减少探测器活化噪声对于信号检测的干扰。
探测器支架3材料为铝合金，共3个力臂，位于中子防护体上方，用于悬挂伽马射线探测器2，使探测器在中子发生器1四周排布，探测器支架3的3个力臂之间夹角均为120°，伽马射线探测器2为锗酸铋（BGO）探测器，晶体直径101.6mm，高101.6mm，共3枚，置于探测器支架3上，用于收集及记录样品的伽马射线能谱，多道分析器与伽马射线探测器2相连，用于伽马射线能谱数据的传输，工业控制计算机与多道分析器相连，用于伽马射线能谱的接收与处理。
参见图3，高精度扫描探雷装置扫描检测方法的步骤流程，
步骤一：在测量环境中，确定一条直线扫描路径，在该路径上设置多个扫描点。具体的，为获得较为精确的扫描结果，同时为防止扫描点过于密集导致的测量时间过长以及数据统计性产生的交点偏移，需要在扫描路径上设置合适数量的扫描点。
步骤二：将装置依次摆放于设置的扫描点，开启中子发生器1，利用出射中子照射地雷样品，并通过伽马射线探测器2收集样品伽马能谱。具体的，利用中子发生器1产生的中子轰击样品中的元素，根据俘获反应以及非弹性散射反应，样品释放能量不同的特征伽马射线，通过伽马射线探测器2收集探测，获得样品伽马能谱。
步骤三：利用步骤二中获得的能谱，分析氮元素特征峰面积值，根据每一枚伽马射线探测器2的信息记录分析结果，分别绘制3条氮元素特征峰面积值随扫描点变化曲线。具体的，元素均具有一定大小的反应截面以及特征能量，根据氮元素特征伽马射线能量在能谱中划分感兴区域，并通过计算获得氮元素特征峰面积值。通过对装置中的3枚探测器测量的响应能谱进行处理，可获得3条氮元素特征峰面积值变化曲线。
步骤四：利用步骤三中绘制的曲线，选取2个曲线交点并确定其所在扫描点，在每个扫描点以特征峰面积值响应相同的2个探测器轴心为端点做直线，同时绘制该直线的中垂线，最终共获取2条中垂线。具体的，扫描过程中，必然存在某些扫描点，使其中2个伽马射线探测器2的氮元素特征峰面积响应值相同，在步骤三获得的曲线图中表现为曲线存在交点。一般而言，3条曲线可存在4个及以上的交点，在这些交点中选择其中2个交点进行分析，确定2个对应的扫描点。在每个扫描点处，以氮元素特征峰面积值响应相同的2个伽马射线探测器2中心为端点，获取直线，利用中心端点坐标确定直线方程，并通过直线方程确定中垂线方程，最终获得2个中垂线方程。
步骤五：基于步骤四中获得的2条中垂线，确定并计算其交点坐标，该坐标即为地雷样品的精确位置。
以三聚氰胺药品作为地雷仿真样品，按照设定扫描路径，参见图4，将装置放置在扫描点，开启工业控制计算机，分别连接多道分析器及锗酸铋（BGO）探测器，通过USB连接线连接多道分析器与工业控制计算机，开启伽马能谱分析软件，并通过调节相关参数使探测器处于工作状态。利用航空七芯插线连接D-T中子发生器1与中子发生器供电控制设备，利用R485串口线连接中子发生器供电控制设备与工业控制计算机，开启中子发生器供电控制设备，在工业控制计算机中开启中子发生器控制软件，通过调整相关参数使D-T中子发生器处于工作状态。
出射中子与地雷仿真样品发生反应，产生的伽马射线被锗酸铋（BGO）探测器收集，并通过多道分析器传输至工业控制计算机，在设计测量时间内在伽马能谱分析软件中形成能谱。
根据各扫描点获取的能谱，参见图3所示的扫描检测方法步骤，获取氮元素特征峰面积值响应变化曲线，参见图5，图5为三枚锗酸铋（BGO）探测器的氮元素特征峰面积值响应随扫描点变化曲线，得到三条扫描曲线的交点：
| 探测器 | D1-D2 | D1-D3 | D2-D3 |
| 交点位置 | 65cm | 10cm | 33cm |
根据所得到的交点可以确定地雷的位置在（48，-13.5）；（48，-15.4）；（50.5，-13.855）所围成的空间之内，与地雷的实际位置（50，-14）很接近，误差在1/2扫描步长（2.5cm之内）。
本发明具体实施时，伽马射线探测器2可以从探测器晶体生产厂商处购买，如Saint Gobain公司生产的探测器。D-T中子发生器以及配套的中子发生器供电控制设备也可直接从公司购买。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.高精度扫描探雷装置的扫描检测方法，其中，高精度扫描探雷装置包括中子源项系统、探测系统、能谱分析系统和屏蔽防护系统，所述的中子源项系统包括中子发生器(1)和中子发生器供电控制设备；所述的探测系统包括伽马射线探测器(2)和探测器支架(3)；所述的能谱分析系统包括多道分析器和工业控制计算机；所述的屏蔽防护系统为中子防护层(4)，其特征在于：所述的中子发生器(1)位于整体装置的中轴处，与所述的中子发生器供电控制设备连接，所述的中子防护层(4)包裹于中子发生器(1)周围，所述的探测器支架(3)位于中子防护层(4)上方，所述的探测器支架(3)有三个力臂，所述的伽马射线探测器(2)有三个，分别置于所述的探测器支架(3)上，所述的伽马射线探测器(2)与所述的多道分析器和工业控制计算机依次连接；高精度扫描探雷装置的扫描检测方法，包括以下几个步骤：
步骤一：在测量环境中，确定一条直线扫描路径，在该路径上设置多个扫描点；
步骤二：将所述的高精度扫描探雷装置依次摆放于设置的扫描点，开启所述的中子发生器(1)，利用出射中子照射地雷样品，并通过所述的伽马射线探测器(2)收集地雷样品伽马能谱；
步骤三：利用步骤二中获得的地雷样品伽马能谱，分析地雷样品中氮元素特征峰面积值，根据所述的每一枚伽马射线探测器(2)的信息记录分析结果，分别绘制三条地雷样品中氮元素特征峰面积值随扫描点变化的曲线；
步骤四：利用步骤三中绘制的曲线，选取两个曲线交点并确定其所在扫描点，在每个扫描点以特征峰面积值响应相同的两个探测器轴心为端点做直线，同时绘制该直线的中垂线，最终共获取两条中垂线；
步骤五：基于步骤四中获得的两条中垂线，确定并计算其交点坐标，该坐标即为地雷样品的精确位置。
2.如权利要求1所述的高精度扫描探雷装置的扫描检测方法，其特征在于：所述的中子发生器(1)为D-T中子发生器，产生能量为14MeV的中子，中子出射方向为4π方向，所述的中子发生器供电控制设备可控制所述的中子发生器(1)的中子产额。
3.如权利要求1所述的高精度扫描探雷装置的扫描检测方法，其特征在于：所述的中子防护层(4)呈环状，为含硼聚乙烯材料制作，碳化硼含量为5%-10%以重量计，厚度为160mm-200mm，高度为110mm-130mm，位于中子发生器(1)靶点上方10mm处。
4.如权利要求1所述的高精度扫描探雷装置的扫描检测方法，其特征在于：所述的探测器支架(3)为铝合金材料制作，三个力臂之间夹角均为120°，环绕所述的中子发生器(1)排布，轴心角呈120°，置于所述的探测器支架(3)上的伽马射线探测器(2)亦均匀排布于所述的中子发生器(1)四周。
5.如权利要求1所述的高精度扫描探雷装置的扫描检测方法，其特征在于：所述的伽马射线探测器(2)为锗酸铋探测器、碘化钠探测器或溴化镧探测器，晶体直径101.6mm，高101.6mm。
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