CN110333547B - 一种用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置。该装置包括位置灵敏探测器、低能中子吸收层、反射体、屏蔽体、不锈钢结构、源强监测探测器、中子发生器密封组件和柔性高压电缆。位置灵敏探测器位于装置的底端，低能中子吸收层紧贴在位置灵敏探测器的上表面和侧表面；中子发生器密封组件位于装置的中心，通过柔性高压电缆予以供电；反射体和屏蔽体依次包裹在中子发生器密封组件之外，并且承托在不锈钢结构之内；源强监测探测器从顶上嵌入到反射体的内部。该装置兼具计数和成像两种探测模式，计数模式可快速预警，成像模式则可进一步实现对地雷形状、尺寸大小、埋设分布和炸药含量等信息的准确识别，从而在很大程度上降低探雷的虚警率。
Description
技术领域
本发明属于核辐射探测及辐射成像技术领域，尤其是中子探测及中子成像技术领域，具体涉及一种用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置。
背景技术
地雷种类繁多，埋设背景复杂，使得探雷工作变得相当困难。对于地雷目标的有效探测和准确识别，历来都是国际社会公认的世界性难题。目前，国际上发展较为成熟的探雷技术主要有：金属探雷、声波探雷、雷达探雷和红外探雷等。这些技术通过探测地雷外壳中的金属成分，或者利用地雷与周围土壤的声波、电磁波和发热量等特性差异，在一定程度上实现了对某些地雷的快速探测。但是，以上技术均无法针对“地雷含有炸药”这一本质特征进行探测，故而存在原理性虚警，并且对新型塑性地雷的漏探概率较高。
近年来，中子背散射探测技术已经成为现代探雷技术中的一种新的炸药检测手段。该技术采用快中子作为“探针”，利用中子与目标物中的轻核（尤其是氢核）发生弹性散射作用，通过对弹性散射慢（热）中子的测量和分析来得出被探测目标的氢含量信息，依据塑性地雷中塑料外壳和炸药都具有富氢特征并据此实现对地雷目标的准确识别。该技术弥补了传统探雷技术无法探测塑性地雷的缺陷，可用于含水量较低的沙漠或干燥土壤中塑性地雷的探测。
当前，亟需利用中子背散射探测技术发展一种用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特点是：所述的成像装置包括位置灵敏探测器、低能中子吸收层、反射体、屏蔽体、不锈钢结构、源强监测探测器、中子发生器密封组件和柔性高压电缆；所述的位置灵敏探测器为矩形平板结构，位于整个装置的底端，供电模块Ⅰ为位置灵敏探测器提供高压，位置灵敏探测器测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅰ分析后转变为数字信号，远距离传送至PC终端；所述的低能中子吸收层位于位置灵敏探测器和中子发生器密封组件之间，并且紧贴在位置灵敏探测器的上表面和侧表面；所述的中子发生器密封组件为圆柱形结构，位于整个装置的中心，通过柔性高压电缆与中子发生器高压模块和中子发生器离子源模块相连，中子发生器高压模块和中子发生器离子源模块通过中子发生器控制机箱与PC终端远距离连接；所述的反射体为倒扣的杯状结构，包裹在中子发生器密封组件的顶部和侧面，且在中子发生器靶点之上；所述的屏蔽体分为上、下两部分，屏蔽体的上部为倒扣的杯状结构、包裹在反射体的顶部和侧面，屏蔽体的下部为逐渐扩大的方形结构、附着在不锈钢结构的下部的内表面；所述的源强监测探测器为圆柱形结构，从顶上嵌入到反射体的内部，并且位于中子发生器密封组件之外，供电模块Ⅱ为源强监测探测器提供高压，源强监测探测器测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅱ分析后转变为数字信号，远距离传送至PC终端；所述的不锈钢结构包裹在整个装置吊装结构的外层，分为上、下两部分，不锈钢结构的上部为倒扣的瓶状结构，从下至上依次承托中子发生器密封组件、反射体和屏蔽体的上部，不锈钢结构的下部为逐渐扩大的方形结构，方形结构的底部从下至上依次承托位置灵敏探测器和低能中子吸收层。
所述的中子发生器密封组件采用D-D中子管作为驱动源，发射的中子平均能量为2.5 MeV。
所述的中子发生器密封组件采用UF6气体绝缘介质进行封装。
所述的位置灵敏探测器为一维位置灵敏阵列式中子探测器。
所述的低能中子吸收层的材料为镉，镉片厚度为2 mm ~3 mm。
所述的反射体的材料为石墨，顶部厚度为8 cm ~10 cm，侧面厚度为5 cm ~8 cm。
所述的屏蔽体的材料为铝基碳化硼，厚度为3 cm ~5 cm。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的中子发生器密封组件采用的D-D中子管作为驱动源；与同位素中子源相比，这类中子源具有单色性好、出射束流可调节可关闭的优点，并且D-D中子管不采用任何放射性核材料，具有更高的辐射安全性。通过源强监测探测器对D-D中子管的束流状态进行实时监测、显示和记录，以便利用成像算法实现对中子源强度的归一化修正。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的中子发生器采用分体式结构，即中子发生器高压模块、中子发生器离子源模块和中子发生器密封组件相互分离。中子发生器高压模块和中子发生器离子源模块外置，通过柔性高压电缆与中子发生器密封组件远距离连接，大大减小了整个装置吊装结构的尺寸和重量。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的中子发生器密封组件采用UF6气体绝缘介质进行封装，能够避免绝缘介质对出射中子谱的软化，以便获得能谱较为干净的快中子源，同时也解决了中子管散热的问题。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的位置灵敏探测器采用一维位置灵敏阵列式中子探测器，该探测器可通过电荷分配原理获得中子事件的轴向位置、以及通过阵列位置获取中子事件的径向位置。相较于传统的计数型探测器（如3He正比计数管），该类型探测器兼具计数探测和成像探测两种模式。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的低能中子吸收层的材料为镉，主要用于吸收源自中子发生器密封组件和反射体的低能中子，从而降低位置灵敏探测器的测量本底。综合考虑吸收效果和空间紧凑性，镉片厚度设计为2 mm ~3 mm。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的反射体的材料为石墨，石墨对中子的散射截面较大，能够起到较好的中子反射作用，并且石墨不含氢元素，从而避免了装置自身的氢元素对地雷目标中氢元素的识别干扰。鉴于D-D中子管发射中子的立体角概率分布呈现出明显的两端优势，再者综合考虑整个装置尺寸和重量的费效比，反射体的顶部厚度设计为8 cm ~10 cm、侧面厚度设计为5 cm ~8 cm。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的屏蔽体的材料为铝基碳化硼，铝基碳化硼对中子的吸收截面较大，能够起到较好的中子屏蔽作用，从而提高整个装置的辐射安全性，确保人员操作安全。并且铝基碳化硼不含氢元素，同样避免了装置自身的氢元素对地雷目标中氢元素的识别干扰。综合考虑屏蔽效果和费效比，屏蔽体的厚度设计为3 cm ~5 cm。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，采用D-D中子管作为驱动源，出射束流可调节可关闭、具有很好的辐射安全性；同时采用一维位置灵敏阵列式中子探测器，准确记录每个中子事件的时间和位置，通过多种技术途径和结构设计，有效降低塑性地雷的测量本底；该装置兼具计数探测和成像探测两种模式，计数探测模式能够实现对地雷目标的快速预警，成像探测模式有望进一步实现对地雷形状、尺寸大小、埋设分布和炸药含量等信息的准确识别，从而在很大程度上降低地雷探测的虚警率。
附图说明
图1为本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置的结构示意图；
图2为本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置中的位置灵敏探测器的俯视图；
图中，1.位置灵敏探测器 2.低能中子吸收层 3.反射体 4.屏蔽体 5.不锈钢结构6.源强监测探测器 7.供电模块Ⅱ 8.中子发生器靶点 9.中子发生器密封组件 10.柔性高压电缆 11.中子发生器高压模块 12.中子发生器离子源模块 13.供电模块Ⅰ 14.信号获取与处理模块Ⅰ 15.中子发生器控制机箱 16.信号获取与处理模块Ⅱ 17.PC终端 18. 塑性地雷 19.土壤。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
本发明的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，包括位置灵敏探测器1、低能中子吸收层2、反射体3、屏蔽体4、不锈钢结构5、源强监测探测器6、中子发生器密封组件9和柔性高压电缆10；所述的位置灵敏探测器1为矩形平板结构，位于整个装置的底端，供电模块Ⅰ13为位置灵敏探测器1提供高压，位置灵敏探测器1测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅰ14分析后转变为数字信号，远距离传送至PC终端17；所述的低能中子吸收层2位于位置灵敏探测器1和中子发生器密封组件9之间，并且紧贴在位置灵敏探测器1的上表面和侧表面；所述的中子发生器密封组件9为圆柱形结构，位于整个装置的中心，通过柔性高压电缆10与中子发生器高压模块11和中子发生器离子源模块12相连，中子发生器高压模块11和中子发生器离子源模块12通过中子发生器控制机箱15与PC终端17远距离连接；所述的反射体3为倒扣的杯状结构，包裹在中子发生器密封组件9的顶部和侧面，且在中子发生器靶点8之上；所述的屏蔽体4分为上、下两部分，屏蔽体的上部为倒扣的杯状结构、包裹在反射体3的顶部和侧面，屏蔽体的下部为逐渐扩大的方形结构、附着在不锈钢结构5的下部的内表面；所述的源强监测探测器6为圆柱形结构，从顶上嵌入到反射体3的内部，并且位于中子发生器密封组件9之外，供电模块Ⅱ7为源强监测探测器6提供高压，源强监测探测器6测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅱ16分析后转变为数字信号，远距离传送至PC终端17；所述的不锈钢结构5包裹在整个装置吊装结构的外层，分为上、下两部分，不锈钢结构5的上部为倒扣的瓶状结构，从下至上依次承托中子发生器密封组件9、反射体3和屏蔽体4的上部，不锈钢结构5的下部为逐渐扩大的方形结构，方形结构的底部从下至上依次承托位置灵敏探测器1和低能中子吸收层2。
所述的中子发生器密封组件9采用D-D中子管作为驱动源，发射的中子平均能量为2.5 MeV。
所述的中子发生器密封组件9采用UF6气体绝缘介质进行封装。
所述的位置灵敏探测器1为一维位置灵敏阵列式中子探测器。
所述的低能中子吸收层2的材料为镉，镉片厚度为2 mm ~3 mm。
所述的反射体3的材料为石墨，顶部厚度为8 cm ~10 cm，侧面厚度为5 cm ~8 cm。
所述的屏蔽体4的材料为铝基碳化硼，厚度为3 cm ~5 cm。
实施例1
如图1所示，本实施例的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，包括位置灵敏探测器1、低能中子吸收层2、反射体3、屏蔽体4、不锈钢结构5、源强监测探测器6、供电模块Ⅱ7、中子发生器靶点8、中子发生器密封组件9、柔性高压电缆10、中子发生器高压模块11、中子发生器离子源模块12、供电模块Ⅰ13、信号获取与处理模块Ⅰ14、中子发生器控制机箱15、信号获取与处理模块Ⅱ16、PC终端17。
所述的位置灵敏探测器1位于整个装置的最底端, 位置灵敏探测器1的俯视图参见图2，位置灵敏探测器1采用的是一维位置灵敏阵列式中子探测器，如美国正比计数公司生产的PTI-204型位置灵敏（涂鹏）稻草管探测器，该探测器可通过电荷分配原理获得中子事件的轴向位置、以及通过阵列位置获取中子事件的径向位置，供电模块Ⅰ13为位置灵敏探测器1提供高压，从地雷反射回来的中子在某个阵列的探测器中产生测量脉冲，位置灵敏探测器1测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅰ14分析后转变为数字信号，通过USB线或网线远距离传送至PC终端17；所述的低能中子吸收层2位于位置灵敏探测器1和中子发生器密封组件9之间，并且紧贴在位置灵敏探测器1的上表面和侧表面，低能中子吸收层2的功能是吸收源自中子发生器密封组件9和反射体3的低能中子，起到降低测量本底的作用；所述的中子发生器密封组件9位于整个装置的中心，如东北师范大学自研的NT50型高产额陶瓷密封中子管，通过柔性高压电缆10与中子发生器高压模块11和中子发生器离子源模块12相连，中子发生器高压模块11和中子发生器离子源模块12再通过中子发生器控制机箱15经由USB线或网线和PC终端17远距离连接；所述的反射体3包裹在中子发生器密封组件9的顶部和侧面，且在中子发生器靶点8之上；所述的屏蔽体4分为上、下两部分，屏蔽体4的上部包裹在反射体3的顶部和侧面，屏蔽体4的下部附着在不锈钢结构5的下部的内表面；所述的源强监测探测器6，如3He正比计数管，从顶上嵌入到反射体3的内部，并且位于中子发生器密封组件9之外，供电模块Ⅱ7为源强监测探测器6提供高压，源强监测探测器6测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅱ16分析后转变为数字信号，通过USB线或网线远距离传送至PC终端17；所述的PC终端17安装有测量控制软件，实现对整个测量过程的控制与数据处理；所述的不锈钢结构5包裹在整个装置吊装结构的外层，分为上、下两部分，不锈钢结构5的上部对中子发生器密封组件9、反射体3和屏蔽体4的上部起到封装固定和支撑作用，不锈钢结构5的下部对位置灵敏探测器1、低能中子吸收层2和屏蔽体4的下部起到封装固定和支撑作用。
整个装置的测量过程是：通过PC终端17的中子发生器控制软件，远程操控中子发生器控制机箱15，令中子发生器控制机箱15打开并调节中子发生器离子源模块12和中子发生器高压模块11，经由柔性高压电缆10为中子发生器密封组件9提供离子源和加速高压，从而在中子发生器靶点8产生中子出射束流。向下出射的源中子穿透低能中子吸收层2和位置灵敏探测器1之后，进入土壤19和塑性地雷18，与氢元素发生弹性散射，部分中子将被反射上来，进入位置灵敏探测器1产生测量脉冲；向上出射的源中子在中子发生器密封组件9和反射体3中发生弹性散射，部分中子将被反射下来，能量较低的中子会被低能中子吸收层2所吸收，能量较高的中子会和向下出射的源中子一样，继续向下穿透、散射和反射，并进入位置灵敏探测器1产生测量脉冲。供电模块Ⅰ13给位置灵敏探测器1提供高压，位置灵敏探测器1产生的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅰ14分析后转变为数字信号，通过USB线或网线远距离传送至PC终端17。通过PC终端17中的测量软件记录下每个中子事件的时间和位置信息，最终通过成像算法将中子分布信息反演为直观的塑性地雷埋设分布图像。此外，在反射体3的顶部嵌入了一个源强监测探测器6，用于实时监测、显示和记录中子发生器的束流状态，供电模块Ⅱ7为源强监测探测器6提供高压；向上出射的源中子经中子发生器密封组件9和反射体3发生弹性散射后，部分慢化中子进入源强监测探测器6产生测量脉冲，脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅱ16分析后转变为数字信号，通过USB线或网线远距离传送至PC终端17；通过PC终端17的监测软件记录下测量过程的计数波动情况，并在成像算法中加入中子源强归一化修正。
本实施例的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置具有以下优点：
一方面，采用无任何放射性核材料的D-D中子管作为驱动源，具有单色性好、出射束流可调节可关闭、辐射安全性高的优点。
另一方面，采用一维位置灵敏阵列式中子探测器，可准确记录每个中子事件的时间和位置信息，通过本底扣除和中子源强归一化修正等技术途径，再结合低能中子吸收层和反射体的结构设计，能够有效提升源中子的利用率，并且有效降低塑性地雷的测量本底。此外，该装置兼具计数探测和成像探测两种模式，计数探测模式能够实现对地雷目标的快速预警，成像探测模式有望进一步实现对地雷形状、尺寸大小、埋设分布和炸药含量等信息的准确识别，从而在很大程度上降低地雷探测的虚警率。
Claims (7)
1.一种用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特征在于：所述的成像装置包括位置灵敏探测器（1）、低能中子吸收层（2）、反射体（3）、屏蔽体（4）、不锈钢结构（5）、源强监测探测器（6）、中子发生器密封组件（9）和柔性高压电缆（10）；所述的位置灵敏探测器（1）为矩形平板结构，位于整个装置的底端，供电模块Ⅰ（13）为位置灵敏探测器（1）提供高压，位置灵敏探测器（1）测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅰ（14）分析后转变为数字信号，远距离传送至PC终端（17）；所述的低能中子吸收层（2）位于位置灵敏探测器（1）和中子发生器密封组件（9）之间，并且紧贴在位置灵敏探测器（1）的上表面和侧表面；所述的中子发生器密封组件（9）为圆柱形结构，位于整个装置的中心，通过柔性高压电缆（10）与中子发生器高压模块（11）和中子发生器离子源模块（12）相连，中子发生器高压模块（11）和中子发生器离子源模块（12）通过中子发生器控制机箱（15）与PC终端（17）远距离连接；所述的反射体（3）为倒扣的杯状结构，包裹在中子发生器密封组件（9）的顶部和侧面，且在中子发生器靶点（8）之上；所述的屏蔽体（4）分为上、下两部分，屏蔽体的上部为倒扣的杯状结构、包裹在反射体（3）的顶部和侧面，屏蔽体的下部为逐渐扩大的方形结构、附着在不锈钢结构（5）的下部的内表面；所述的源强监测探测器（6）为圆柱形结构，从顶上嵌入到反射体（3）的内部，并且位于中子发生器密封组件（9）之外，供电模块Ⅱ（7）为源强监测探测器（6）提供高压，源强监测探测器（6）测得的脉冲信号经信号获取与处理模块Ⅱ（16）分析后转变为数字信号，远距离传送至PC终端（17）；所述的不锈钢结构（5）包裹在整个装置吊装结构的外层，分为上、下两部分，不锈钢结构（5）的上部为倒扣的瓶状结构，从下至上依次承托中子发生器密封组件（9）、反射体（3）和屏蔽体（4）的上部，不锈钢结构（5）的下部为逐渐扩大的方形结构，方形结构的底部从下至上依次承托位置灵敏探测器（1）和低能中子吸收层（2）。
2.根据权利要求1所述的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特征在于：所述的中子发生器密封组件（9）采用D-D中子管作为驱动源，发射的中子平均能量为2.5 MeV。
3.根据权利要求1所述的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特征在于：所述的中子发生器密封组件（9）采用UF6气体绝缘介质进行封装。
4.根据权利要求1所述的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特征在于：所述的位置灵敏探测器（1）为一维位置灵敏阵列式中子探测器。
5.根据权利要求1所述的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特征在于：所述的低能中子吸收层（2）的材料为镉，镉片厚度为2 mm ~3 mm。
6.根据权利要求1所述的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特征在于：所述的反射体（3）的材料为石墨，顶部厚度为8 cm ~10 cm，侧面厚度为5 cm ~8 cm。
7.根据权利要求1所述的用于塑性地雷探测的中子背散射成像装置，其特征在于：所述的屏蔽体（4）的材料为铝基碳化硼，厚度为3 cm ~5 cm。
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