CN114062408B - 一种行李箱爆炸物检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行李箱爆炸物检测装置及检测方法，利用瞬发伽马射线中子活化分析技术进行行李箱中爆炸物存在性判定，检测装置由中子源项系统、准直系统和探测系统组成，中子源项系统用于激发行李箱中被测物品的特征伽马射线，准直系统用于减少行李箱中普通物品产生的干扰，探测器用于收集物品产生的伽马射线以及能谱测量。本发明通过对装置中激发的伽马射线进行细化分类，通过提高样品有效信号并抑制干扰噪声，基于信扰比优化评价方法对装置中各系统硬件模块进行优化设计，使得装置具备较高的信扰比及较高的测量水平；本发明的检测方法能有效降低周围普通物品对于爆炸物检出的干扰，大幅度降低爆炸物分析错误率，提高爆炸物的检出水平。
Description
技术领域
本发明属于元素检测技术领域，尤其涉及一种行李箱爆炸物检测装置及检测方法。
背景技术
维护公共安全是社会稳定发展的基本保障，有效检测隐式爆炸物是一项具备较高社会价值以及战略价值的研究，尤其是对机场、地铁站等人流量较大的公共区域内行李箱中爆炸物的检测。目前，主要采用基于X射线扫描、离子迁移谱等技术对行李箱中爆炸物的存在性进行检测分析。但利用X射线投射技术对行李箱中的隐式爆炸物进行分析时，只能通过物品的形状和密度对爆炸物的存在性进行分析判断，误报率较高，且当行李箱中样品密度较高时，无法对箱中的深层隐式爆炸物进行探测分析；同样，离子迁移谱技术无法进行深层分析，因此也无法对隐式爆炸物进行很好的检测。
在元素检测分析领域，核分析技术的应用领域日益广泛，瞬发伽马射线中子活化分析(PGNAA)技术作为核分析技术的一种，其原理是利用中子源产生的中子对待测样品进行辐照，样品中的元素受中子辐照并处于激发态，随后在极短时间内退激发并产生相应的特征伽马射线，通过对特征伽马射线的能量及其强度进行分析，获取样品中元素成分及含量，从而判断未知样品的类型。由于具备高穿透性、样品非破坏性、原位测量、在线分析等优势特点，PGNAA技术被广泛应用于国家安全、工业分析、考古、医疗等众多领域。因此，利用PGNAA技术可从根本上解决现有技术检测隐式爆炸物的不足。
发明内容
针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种行李箱爆炸物检测装置及检测方法，旨在解决上述背景技术中现有技术对行李箱中的隐式爆炸物检测时存在强干扰，行李箱的“黑箱”环境中伽马射线复杂性，误报率较高，且无法对箱中的深层隐式爆炸物进行有效探测分析的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种行李箱爆炸物检测装置，包括中子源项系统、准直系统和探测系统三大部分，各部分组成如下：
中子源项系统：包括中子发生器、中子反射层、中子软化层、中子慢化层以及供电控制设备，所述供电控制设备与中子发生器电连接，供电控制设备为中子发生器供电；中子反射层半包裹于中子发生器的后侧，中子发生器的前侧依次设置中子软化层和中子慢化层。
准直系统：包括中子吸收层和伽马射线吸收层；中子吸收层分别设置于中子软化层和中子慢化层的左右两侧，两侧中子吸收层的后侧与中子反射层接触形成半包围结构，两侧中子吸收层的前侧分别设置伽马射线吸收层；两侧伽马射线吸收层的前侧居中设置待测区，且待测区位于中子慢化层的前方，待测区与两侧的伽马射线吸收层前侧接触形成半包围结构。
探测系统：包括伽马射线探测器和探测器屏蔽层；在待测区的不同方位分别设置伽马射线探测器，具体为伽马射线探测器分别设置于待测区的顶部、底部及前侧，伽马射线探测器的四周包裹有探测器屏蔽层；伽马射线探测器与多道分析器和工业控制计算机依次连接。
优选地，所述中子发生器采用D-T中子发生器，产生中子能量为14MeV，中子出射方向为均匀4π方向。所述中子反射层为半环体，由铅材料制作而成。
优选地，由于中子软化层位于中子发生器和中子慢化层之间，因此，中子软化层采用板状结构，由铅材料制作而成，厚度为80mm，宽度为100mm。中子软化层起中子软化作用，将高能中子软化为中能中子。中能中子通过中子慢化层慢化为热中子，中子慢化层也采用板状结构，由聚乙烯材料制作而成，厚度为20mm，宽度为100mm。
优选地，由于中子软化层两侧的中子吸收层起中子吸收作用，用以降低行待测箱体中普通样品的伽马射线激发效率，从而降低干扰信号，因此，中子吸收层用宽度280-300mm，厚度260-300mm，高度200mm-300mm的长方体结构，由含硼聚乙烯材料制作而成，所述含硼聚乙烯材料中碳化硼含量按重量计为5％-10％；两侧的伽马射线吸收层起伽马射线吸收作用，用以降低装置中结构材料产生的伽马射线的干扰，采用宽度280-300mm，厚度50-60mm，高度200mm-300mm的长方体结构，由铅材料制作而成。
优选地，所述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，伽马射线探测器的晶体直径101.6mm，高101.6mm；所述探测器屏蔽层由铅材料制作而成，包裹在伽马射线探测器7四周。
本发明进一步提供了一种利用上述行李箱爆炸物检测装置的检测方法，该方法包括以下步骤：
(1)收集不同类型的多种样品置于测试箱体内，将测试箱体置于待测区处，利用中子发生器出射中子辐照测试箱体，通过不同方位的伽马射线探测器分别收集测试箱体中不同样品的伽马能谱；
(2)计算所述伽马能谱的加权因子；
(3)通过所述加权因子对各样品的伽马能谱进行加权处理，获取加权能谱，将不同伽马射线探测器的加权能谱建立相互独立的多个加权谱库；
(4)待测区处放置含有未知物品的待测箱体，利用不同方位的伽马射线探测器对未知物品进行检测，分别获取伽马能谱，然后根据步骤(2)及步骤(3)对未知物品的伽马能谱进行加权处理，获取未知物品的加权能谱；
(5)根据最小二乘法，利用步骤(3)建立的相互独立的多个加权谱库对步骤(4)获取的未知物品的加权能谱进行计算，分别得到不同伽马射线探测器的分析结果，并将分析结果进行并集分析，得到未知物品中存在的样品类型，从而判断出爆炸物的存在性。
优选地，步骤(2)中，所述加权因子的计算公式如下：
式中，fn,j为第j种样品的伽马能谱中第n道计数的加权因子，Nn,j为第j种样品的原始伽马能谱中第n道计数。
基于该加权因子的计算公式，步骤(3)中，所述伽马能谱进行加权处理时，加权能谱的计算公式为：
Sj＝[fn,j]·[Nn,j]
Sj为加权谱库中第j种样品的加权处理能谱，Nn,j为加权谱库中第j种样品的原始伽马能谱中第n道计数。
由上述加权处理依据的计算公式，提供了步骤(5)中所述未知物品进行加权能谱的计算公式如下：
S未为未知物品处理后的加权能谱，aj为未知物品中第j种样品的含量，Sj为加权谱库中第j种样品的加权能谱，当aj不为0时，即说明在未知物品存在中第j种样品。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明充分考虑了基于PGNAA技术的检测装置中干扰噪声的来源及其对于有效信号的强干扰情况，通过提高样品有效信号并抑制干扰噪声，利用信扰比评价优化方法进行行李箱爆炸物检测装置中各系统硬件模块的几何优化设计，使得装置具备较高的信扰比，从而获得较高的装置测量水平。
(2)本发明充分考虑行李箱“黑箱”环境中物品复杂性的影响及普通物品对于深层隐式爆炸物检出的干扰，通过设计准直系统，降低行李箱中普通物品的伽马射线激发效率，从而降低物品复杂性及普通物品对于爆炸物检出的影响，有效提高隐式爆炸物检出水平。
(3)本发明充分考虑了爆炸物受中子激发产生的伽马射线受行李箱中复杂样品的衰减影响，在结构设计中使用多伽马射线探测器，对不同方向出射的伽马射线进行探测分析，提高了爆炸物的伽马射线探测效率，从而有效提高隐式爆炸物检出水平。
(4)本发明通过加权谱库的方法进行爆炸物检测分析，相较于传统的谱库方法，能有效提高低中子反应截面元素在谱库能谱中的特异性，从而可以有效使用低中子反应截面元素的特征信息进行全谱分析，进而有效提高隐式爆炸物的检出水平，大幅度降低爆炸物分析错误率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的行李箱爆炸物检测装置的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的行李箱爆炸物检测方法的流程图。
图中：1-中子发生器；2-中子反射层；3-中子软化层；4-中子慢化层；5-中子吸收层；6-伽马射线吸收层；7-伽马射线探测器；8-探测器屏蔽层；9-待测箱体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的一种行李箱爆炸物检测装置的结构示意图如图1所示，包括中子源项系统、准直系统和探测系统，三大系统的具体结构说明如下：
中子源项系统：包括中子发生器1、中子反射层2、中子软化层3、中子慢化层4以及供电控制设备，供电控制设备与中子发生器1电连接，为中子发生器1供电；中子发生器1位于整体装置的中轴处，采用D-T中子发生器，产生中子能量为14MeV，中子出射方向为均匀4π方向。中子发生器1的后侧由中子反射层2半包裹，中子反射层2为厚度160mm的半环体，材料为铅，中子反射层2通过中子散射作用，提高样品处有效中子通量。中子发生器1的前侧依次设置板状结构的中子软化层3和中子慢化层4，中子软化层3材料为铅，厚度为80mm，宽度为100mm，起中子软化作用，通过中子散射作用降低中子能量，使得14MeV的初始高能中子软化为中能中子；中子慢化层4材料聚乙烯，厚度为20mm，宽度为100mm，通过聚乙烯中的氢(H)元素和碳(C)元素与中子的散射作用，进一步将中能中子慢化为热中子，提高样品处热中子通量。
准直系统：包括中子吸收层5和伽马射线吸收层6，均呈长方体结构；中子吸收层5分别设置于中子软化层3和中子慢化层4的左右两侧，两侧中子吸收层5的后侧与中子反射层2接触形成半包围结构，中子吸收层5起中子吸收作用，材料为含硼聚乙烯，该材料中碳化硼含量按重量计为5％-10％，长方体结构为：宽度280-300mm，厚度260-300mm，高度200mm-300mm，通过含硼聚乙烯中的氢(H)元素和硼(B)元素与中子发生俘获反应，减少行李箱中普通物品的中子诱发伽马射线激发效率，从而降低干扰信号。两侧中子吸收层5的前侧分别设置伽马射线吸收层6，两侧伽马射线吸收层6的前侧居中设置待测区，且待测区位于中子慢化层4的前方，待测区与两侧的伽马射线吸收层6前侧接触形成半包围结构。伽马射线吸收层6材料为铅，起伽马射线吸收作用，通过高原子序数的重金属对伽马射线的吸收起衰减作用，减少中子吸收层等结构材料中产生的伽马射线对于爆炸物有效信号的干扰影响，长方体结构的伽马射线吸收层6为宽度280-300mm，厚度50-60mm，高度200mm-300mm。
探测系统：包括伽马射线探测器7和探测器屏蔽层8；在待测区的不同方位分别设置伽马射线探测器7，具体为伽马射线探测器7分别设置于待测区的顶部和底部各一个，待测区的前侧竖直设置两个，采用锗酸铋探测器、碘化钠探测器或溴化镧探测器，晶体直径101.6mm，高101.6mm，用于伽马射线探测，伽马射线探测器7与多道分析器和工业控制计算机依次连接；伽马射线探测器7的四周包裹有探测器屏蔽层8，探测器屏蔽层8材料为铅，用于进一步降低环境对于爆炸物有效信号的干扰。
上述行李箱爆炸物检测装置进行检测的流程参照图2，步骤如下：
步骤1：收集不同类型的多种样品置于测试箱体内，将测试箱体置于待测区处，开启中子发生器1，利用中子发生器1出射中子辐照测试箱体，通过不同方位的伽马射线探测器7分别收集测试箱体中不同样品的伽马能谱(在后续步骤中用作原始伽马能谱)。
通过调整中子发生器1参数，获取合适的中子产额，并设置足够长的探测时间，使得样品能谱满足分析要求。分别获取不同样品的能谱用于加权谱库的建立，样品包括三硝基甲苯、蔗糖、塑料、食盐、二氧化硅、水、尼龙、蛋白质、三聚氰胺或尿素中的几种或全部。
步骤2：计算每个伽马射线探测器7获取的不同样品伽马能谱的加权因子。
由于在样品中包含碳(C)、氢(H)、氮(N)、氧(O)等多种元素，每种元素的中子反应截面均不相同，其特征峰能量及强度在能谱中也大小不一，因此导致中子反应截面较小的元素在能谱中的特异性较低，在全谱分析中容易被忽略，最终影响爆炸物的检出水平及正确率，因此需要对能谱进行加权处理，提高低中子反应截面元素的特异性及全元素有效核信息的利用率。加权处理中的加权因子计算公式为：
式中，fn,j为第j种样品的伽马能谱中第n道计数的加权因子，Nn,j为第j种样品的原始伽马能谱中第n道计数。
步骤3：通过加权因子对各样品的伽马能谱进行加权处理，获取加权能谱，将不同伽马射线探测器7的加权能谱建立相互独立的多个加权谱库；加权谱库的数量与伽马射线探测器7的数量一致。
在行李箱爆炸物检测装置中，设置了共四个伽马射线探测器7进行联合测量，因此对于每个伽马射线探测器7，均可获取相应的样品能谱进行加权处理并形成独立的加权谱库。加权能谱计算公式：
Sj＝[fn,j]·[Nn,j]
Sj为加权谱库中第j种样品的加权处理能谱，Nn,j为加权谱库中第j种样品的原始伽马能谱中第n道计数。
步骤4：待测区处放置含有未知物品的待测箱体9，利用不同方位的伽马射线探测器7对未知物品进行检测，分别获取伽马能谱，然后根据步骤2及步骤3对未知物品的伽马能谱进行加权处理，获取未知物品的加权能谱。
对未知物品进行测量，可通过四个伽马射线探测器7分别获取相应的原始能谱。由于加权谱库中样品能谱均进行了加权处理，因此，同样需要对未知物品的原始能谱进行加权处理方可进行全谱解析。
步骤5：根据最小二乘法，利用步骤3建立的相互独立的多个加权谱库(4个伽马射线探测器7对应4个加权谱库)对步骤4获取的未知物品的加权能谱进行计算，分别得到不同伽马射线探测器7的分析结果，并将分析结果进行并集分析，得到未知物品中存在的样品类型，从而判断出爆炸物的存在性。
利用每个伽马射线探测器7的加权谱库分别对相应的未知物品加权能谱进行解析，通过最小二乘法进行拟合处理。最小二乘法通过最小化误差的平方，寻找加权谱库中数据与未知物品能谱的最佳函数匹配。加权谱库最小二乘法计算未知物品加权能谱的公式如下：
S未为未知物品处理后的加权能谱，aj为未知物品中第j种样品的含量，Sj为加权谱库中第j种样品的加权能谱，当aj不为0时，即说明在未知物品存在中第j种样品。
通过解析，每个伽马射线探测器7的加权谱库均可获取一个独立的解析结果，将多个解析结果(每个伽马射线探测器7对应一个解析结果)进行联合并集分析，当其中一个或者多个解析结果中显示爆炸物的存在性，即判定行李箱中存在爆炸物。
实验例：
根据图1所示的行李箱爆炸物检测装置示意图进行实验平台的搭建，实验使用的伽马射线探测器为锗酸铋探测器，四个伽马射线探测器分别编号为1号、2号、3号、4号。在行李箱中分别设置三硝基甲苯、蔗糖、塑料、食盐、二氧化硅、水、尼龙、蛋白质、三聚氰胺、尿素10种样品进行能谱的获取，并通过加权处理，形成相应的加权谱库。
在待测箱体9中设置三硝基甲苯和塑料的混合样品进行加权谱库解析，解析结果如表1所示。当样品对应的含量不为零时，说明该样品的存在性。可以看出，在四个伽马射线探测器分析结果中，其中两个分析结果中，三硝基甲苯的含量不为零，且四个分析结果中，塑料含量均不为零，通过四个伽马射线探测器并集分析，证明了待测箱体9中存在爆炸物，且存在塑料，与实际情况相符，从而说明本发明的行李箱爆炸物检测装置以及加权谱库解析方法对于待测箱体9中隐式爆炸物检出的有效性。
表1混合样品分析结果
| 1号探测器 | 2号探测器 | 3号探测器 | 4号探测器 | |
| 三硝基甲苯 | 71％(存在) | 0.0％(-) | 48％(存在) | 0.0％(-) |
| 糖 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
| 塑料 | 29％(存在) | 100％(存在) | 52％(存在) | 100％(存在) |
| 食盐 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
| 二氧化硅 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
| 尼龙 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
| 蛋白质 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
| 三聚氰胺 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
| 尿素 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
| 水 | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) | 0.0％(-) |
本发明基于PGNAA技术，首先，通过新型的信扰比优化评价方法对行李箱爆炸物检测装置进行优化设计，提高装置的测量水平；其次，通过准直设计及多探测器并集分析结构，有效降低行李箱“黑箱”环境中样品复杂性及普通物品对于深层隐式爆炸物检出的干扰影响；最后，通过加权谱库解析方法，有效提高低截面元素在谱库解析中的特异性，从而提高样品核素有效核信息的利用率，最终对爆炸物检出水平提供较高的增益效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种行李箱爆炸物检测装置，其特征在于，包括：
中子源项系统，所述中子源项系统包括中子发生器、中子反射层、中子软化层、中子慢化层以及供电控制设备，所述供电控制设备与中子发生器电连接，中子反射层半包裹于中子发生器的后侧，中子发生器的前侧依次设置中子软化层和中子慢化层；
准直系统，所述准直系统包括中子吸收层和伽马射线吸收层，中子吸收层分别设置于所述中子软化层和中子慢化层的左右两侧，两侧中子吸收层的后侧与中子反射层接触形成半包围结构，两侧中子吸收层的前侧分别设置伽马射线吸收层；两侧伽马射线吸收层的前侧居中设置待测区，且待测区位于中子慢化层的前方，待测区与两侧的伽马射线吸收层前侧接触形成半包围结构；
探测系统，所述探测系统包括伽马射线探测器和探测器屏蔽层，所述待测区的不同方位分别设置伽马射线探测器，伽马射线探测器的四周包裹有探测器屏蔽层；伽马射线探测器与多道分析器和工业控制计算机依次连接。
2.如权利要求1所述的行李箱爆炸物检测装置，其特征在于，所述中子发生器采用D-T中子发生器，产生中子能量为14MeV，中子出射方向为均匀4π方向；所述中子反射层为半环体，由铅材料制作而成。
3.如权利要求2所述的行李箱爆炸物检测装置，其特征在于，所述中子软化层和中子慢化层均采用板状结构，中子软化层由铅材料制作而成，中子慢化层由聚乙烯材料制作而成。
4.如权利要求3所述的行李箱爆炸物检测装置，其特征在于，所述中子软化层与中子慢化层的厚度比为4:1。
5.如权利要求2所述的行李箱爆炸物检测装置，其特征在于，所述中子吸收层由含硼聚乙烯材料制作而成，所述含硼聚乙烯材料中碳化硼含量按重量计为5％-10％，所述伽马射线吸收层由铅材料制作而成。
6.如权利要求2所述的行李箱爆炸物检测装置，其特征在于，所述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，伽马射线探测器分别设置于待测区的顶部、底部及前侧；所述探测器屏蔽层由铅材料制作而成。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的行李箱爆炸物检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)收集不同类型的多种样品置于测试箱体内，将测试箱体置于待测区处，利用中子发生器出射中子辐照测试箱体，通过不同方位的伽马射线探测器分别收集测试箱体中不同样品的伽马能谱；
(2)计算所述伽马能谱的加权因子；
(3)通过所述加权因子对各样品的伽马能谱进行加权处理，获取加权能谱，将不同伽马射线探测器的加权能谱建立相互独立的多个加权谱库；
(4)待测区处放置含有未知物品的待测箱体，利用不同方位的伽马射线探测器对未知物品进行检测，分别获取伽马能谱，然后根据步骤(2)及步骤(3)对未知物品的伽马能谱进行加权处理，获取未知物品的加权能谱；
(5)根据最小二乘法，利用步骤(3)建立的相互独立的多个加权谱库对步骤(4)获取的未知物品的加权能谱进行计算，分别得到不同伽马射线探测器的分析结果，并将分析结果进行并集分析，得到未知物品中存在的样品类型，从而判断出爆炸物的存在性。
8.如权利要求7所述的行李箱爆炸物检测装置的检测方法，其特征在于，步骤(2)中，所述加权因子的计算公式如下：
式中，fn,j为第j种样品的伽马能谱中第n道计数的加权因子，Nn,j为第j种样品的原始伽马能谱中第n道计数。
9.如权利要求8所述的行李箱爆炸物检测装置的检测方法，其特征在于，步骤(3)中，所述伽马能谱进行加权处理时，加权能谱的计算公式为：
Sj＝[fn,j]·[Nn,j]
Sj为加权谱库中第j种样品的加权处理能谱，Nn,j为加权谱库中第j种样品的原始伽马能谱中第n道计数。
10.如权利要求9所述的行李箱爆炸物检测装置的检测方法，其特征在于，步骤(5)中，所述未知物品进行加权能谱的计算公式如下：
S未为未知物品处理后的加权能谱，aj为未知物品中第j种样品的含量，Sj为加权谱库中第j种样品的加权处理能谱，当aj不为0时，即说明在未知物品中存在第j种样品。
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