中子誘發TNT中輕核素反應的混合γ能譜模擬

牟艷紅 付鵬濤 章劍華 楊朝文

(四川大學物理與科學技術學院輻射物理及技術教育部重點實驗室 成都 610064)

很多地雷無金屬成分或含很少金屬成分[1]，其爆炸物由低Z元素H、C、N、O組成。傳統的基于金屬探測的探雷工具受到條件限制，于是基于物質組成元素的中子探測技術廣泛應用于地雷探測中。目前研究較多的中子探測法有中子反散射法(BNM)、熱中子法(TNA)、快中子法(FNA)等。BNM法對周圍環境要求較高，環境含水時測量結果會受影響[2]。TNA法主要測量地雷中H、N元素，FNA法主要測量地雷中C、O元素[3]。中子瞬發γ活化分析法(PGNAA)可同時利用熱中子和快中子，對元素進行在線的定性、定量分析，對地雷進行準確探測[4]。此法利用中子與地雷中主要核素發生輻射俘獲(n,γ)反應或非彈性散射(n,n’γ)反應。對γ射線分析時選擇產額較高的射線，1H、14N核的(n,γ)反應有較高截面，測量1H(n,γ)2D的2.22 MeV γ射線或14N(n,γ)15N的10.83 MeV γ射線，可分析H、N 元素；12C、16O 核(n,n’γ)反應截面較大，12C(n,n’γ)12C和16O(n,n’γ)16O反應產生的γ射線能量分別為4.44和6.13 MeV，可用于分析C、O元素。

在爆炸物和地雷檢測中，影響測量結果的因素有中子源、探測器、目標物組成、幾何布局等。本文通過Monte Carlo模擬研究[5,6]，尋找一種具有簡單的中子源裝置和屏蔽系統的探測系統，同時能對目標元素進行有效識別。希望對復雜環境中中子誘發目標核素產生不同混合γ能譜進行模擬研究，尋求H、C、N、O各種核素特征峰計數隨爆炸物質量的變化關系，以及不同含水量的土壤環境對爆炸物組成核素特征峰計數的影響。

1 Monte Carlo模擬

探測系統用Am-Be中子源(高出地面5 cm)與NaI(Tl)、BGO兩種探測器。NaI(Tl)晶體尺寸為Φ7.6 cm×7.6 cm 和Φ10.6cm×10.6 cm，BGO閃爍體尺寸為Φ7.6 cm×10 cm。探測器晶體中心離中子源體中心水平距離為20 cm，且與豎直向上方向的夾角為50°，模擬裝置如圖1。爆炸物為高5 cm的圓柱體TNT(C7H5N3O6)，密度1.65 g/cm3，埋在地下5 cm深處。土壤無水分，成分為(wt%)：Si(29.620)、O(46.954)、Al (7.078)、Ca (3.730)、Fe (6.404)、Na (0.838)、K (2.150)、Mg(3.216)，密度為1.47 g/cm3。用MCNP5程序進行模擬，抽樣數為2×109，以使模擬結果的計算誤差控制在10%以內。

圖1 MCNP模擬裝置圖Fig.1 Schematics of the experimental facility in MCNP calculation.

2 模擬結果與分析

2.1 干土壤中不同質量TNT對結果的影響

圖2是干土壤中有無TNT時的混合γ射線模擬能譜，可清晰看到28Si(n, n’γ)28Si(Eγ=1.78 MeV)、1H(n,γ)2D(Eγ=2.22 MeV)、12C(n, n’γ)12C(Eγ=4.44 MeV)、16O(n, n’γ)16O(Eγ=6.13 MeV)和14N(n,γ)15N (Eγ=10.83 MeV) γ射線全能峰和部分逃逸峰。在9–11.5 MeV能區，有TNT時的NaI(Tl)和BGO探測器計數高于無TNT時，這是14N(n,γ)15N反應產生能量為10.83 MeV γ射線的貢獻。圖2(b)中，由于BGO晶體中的Bi核素有利于高能γ射線能量的沉積，且BGO探測器的本征效率高于NaI(Tl)，記錄的10.83 MeV γ射線全能峰較明顯。比較兩探測器記錄的能譜，可知Φ10.6 cm×10.6 cm的NaI(Tl)探測器的能譜計數較高，因其口徑較大，對γ射線發射體所張的立體角較大。

圖2 干土壤中無(a)和有(b)TNT混合γ射線模擬能譜Fig.2 Gamma-ray spectra from dry soil without (a) and with (b) TNT.·—·—· NaI(Φ7.6 cm×7.6 cm), —— BGO(Φ7.6 cm×10 cm), ····NaI(Φ10.6 cm×10.6 cm)

較高能量γ射線的單、雙逃逸峰和較低能量γ射線能峰疊加(如H的2.22 MeV單逃逸峰與Si的1.78 MeV全能峰疊加)使γ能譜變得復雜。因此，分析H、C、N、O特征γ射線能峰時，得選擇特征γ射線的全能峰?；诜刺箍说乩字斜ㄎ镔|量范圍[7,8]，模擬了不同質量的 TNT，H、C、N、O特征γ射線全能峰計數隨TNT質量的變化關系見圖3。顯然，TNT質量較少時的計數很少，誤差太大，這可以看成是該測量系統條件下 TNT質量的探測下限。

圖3 γ射線全能峰計數隨TNT質量的變化關系Fig.3 Counts of the full energy peak of γ-rays as a function of the TNT mass.■ NaI(Φ7.6 cm×7.6 cm), ● BGO(Φ7.6 cm×10 cm), ▲NaI(Φ10.6 cm×10.6 cm)

記錄各元素特征 γ射線，BGO探測器好于NaI(Tl)探測器。由圖 3(a)，1H(n,γ)2D反應的 2.22 MeV γ射線全能峰計數隨TNT質量增加，因為H含量增加，增強了對中子的慢化能力，熱中子數量增多，1H(n,γ)2D反應的幾率增加。由圖3(b)，12C(n, n’γ)12C反應的 4.44 MeV γ射線全能峰計數也隨TNT質量增加。雖然H含量的增加使中子慢化，導致快中子數量減少，12C(n, n’γ)12C反應的幾率減少，但是C含量的增加，12C(n, n’γ)12C反應的幾率增加，引起的計數多于減少的快中子引起的計數，故總體上是增加的趨勢。由圖3(c)，土壤中含有大量O，TNT中的 O對計數的貢獻相對較小，所以16O(n, n’γ)16O反應的6.13 MeV γ射線全能峰計數隨TNT質量的增加變化很小。圖3(d)中，隨著TNT質量的增加，N含量增加，14N(n,γ)15N 反應的幾率增加，且H含量增加，對中子的慢化能力增強，熱中子數量增多，同樣也增加了反應幾率，所以14N(n,γ)15N反應產生10.83 MeV γ射線全能峰計數增加。

實際應用中，不能根據某一核素的特征γ射線對地雷進行判斷，因為土壤中可能殘留其他物質(如樹根、塑料等)，混合γ能譜中H、C、N、O核素的特征γ射線計數可能并非源于地雷中的爆炸物。所以在地雷檢測中，用各元素特征γ射線計數比值進行識別可減少誤報。本文主要選擇N、C和H、O核素特征γ射線全能峰計數之比N/C和H/O。

爆炸物中的N、O質量分數普遍高于非爆炸物，C、H質量分數普遍低于非爆炸物[9]，即爆炸物中的N/C高于非爆炸物，而H/O低于非爆炸物；土壤中很少含有N、C元素，所以N/C能較好反映地雷中N、C元素間的關系；O元素特征γ射線全能峰計數主要來源于土壤，變化很小，C/O、N/O不能準確反映地雷中 O、C、N元素含量的關系，但是當土壤環境中含水時，H/O能在一定程度上反映水與土壤環境之間的關系。

將BGO探測器記錄到的各核素特征γ射線全能峰計數相比，得到H/O和N/C隨TNT質量的變化關系見圖4。

圖4 H/O(a)和N/C(b)隨TNT質量的變化關系Fig.4 H/O(a) and N/C(b) as a function of the TNT mass.

由圖4(a)，H/O隨TNT質量增加。由于O特征γ射線全能峰計數主要來源于土壤，所以 H/O隨TNT質量的變化關系一定程度上反映了 H特征 γ射線全能峰計數隨TNT質量的變化關系。由圖4(b)，N/C隨 TNT質量增加后變化很小。主要是由于當TNT質量較小時，N的特征γ射線全能峰計數增加的速度比C快，使N/C隨TNT質量增加，但是當TNT質量超過一定量時，N、C特征γ射線全能峰計數改變的速度一致，所以N/C變化較小。

2.2 土壤濕度對結果的影響

將13 kg TNT，土壤含水量分別為5%、10%、15%、20%，按圖1裝置進行模擬，分析形成的混合γ能譜，得到不同探測器記錄的各核素特征全能峰計數隨土壤中含水量的變化關系(圖 5)。由圖5(a)，H含量隨土壤中含水量增加，1H(n,γ)2D反應的幾率增加，并且H含量的增加，對中子的慢化能力增強，熱中子數量增多，增加了反應幾率，所以2.22 MeV γ射線全能峰計數增加較大。圖5(b)中，12C(n, n’γ)12C反應產生4.44 MeV γ射線全能峰計數隨土壤中含水量的增加而減小，因為水對中子的慢化能力強，使快中子數目減少，12C(n, n’γ)12C反應的幾率減少。而土壤中大量的O使16O(n, n’γ)16O的6.13 MeV γ射線全能峰計數隨土壤含水量變化很小(圖3c)。圖5(d)中，隨土壤含水量的增加，熱中子數增加，使14N(n, γ)15N反應的幾率增加，導致 10.83 MeV γ射線全能峰計數增加。

將BGO探測器記錄到的各核素特征γ射線全能峰計數相比，得到H/O和N/C隨土壤中含水量的變化關系如圖6所示。

模擬發現，土壤中含水量對TNT檢測的影響很大。由圖6，隨著土壤中含水量增加，H/O和N/C相對干土壤中不同質量TNT所得比值更大。由于含水土壤中存在大量H、O，使TNT中H、O對計數的貢獻相對較小，H/O主要反映土壤中H、O間的關系，如果用來表示TNT含量，將會產生較多誤報。比較圖6(b)和圖4(b)，發現土壤中含水量較高時N/C相對干土壤下TNT所得N/C大。相對于H/O，N/C能更有效反映在含水土壤環境下TNT的含量，能較好實現對TNT的識別。

圖5 γ射線全能峰計數隨土壤中含水量的變化關系Fig.5 Counts of the full energy peak of Gamma ray as a function of the soil moisture.■ NaI(Φ7.6 cm×7.6 cm), ● BGO(Φ7.6 cm×10 cm), ▲NaI(Φ10.6 cm×10.6 cm)

圖6 H/O(a)和N/C(b)隨土壤中含水量的變化關系Fig.6 H/O(a) and N/C(b) as a function of soil moisture.

3 結語

通過對土壤中不同質量的 TNT和不同土壤濕度環境下的TNT進行模擬，發現在混合γ能譜測量中，BGO探測器對敏感核素特征γ射線的測量好于NaI(Tl)探測器。隨著干土壤中TNT質量的增加，混合γ能譜中H、C、N特征γ全能峰計數均增加，O特征γ全能峰計數變化較小。H/O和N/C在一定范圍內變化，H/O相對于N/C變化范圍更大，因此可根據H/O和N/C間的特殊關系確定干土壤中不同質量的TNT。通過對不同土壤濕度環境下的TNT模擬，發現土壤中的含水量對TNT的檢測影響很大。隨著土壤中含水量的增加，各核素特征γ全能峰計數變化為：H、N增加，C減小，O變化較小。H/O和N/C均隨土壤中含水量增加，H/O和N/C變化范圍相對于干土壤中不同質量TNT的變化范圍更大。當土壤環境中含水時，用H/O表示TNT含量，將可能產生較多誤報。而N/C能更有效反映出在含水土壤環境下TNT含量，所以在含水土壤環境下，用N/C能更有效對TNT進行識別。

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