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專利名稱：檢測炸藥的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于利用粒子輻射來測量或分析材料的領(lǐng)域，具體涉及一種檢測炸藥的方法和裝置。
恐怖分子為逃避X-射線的檢查而達(dá)到攜帶炸藥用于破壞的目的，往往使用塑性炸藥隱藏在行李包中，從而造成重大的人身和財(cái)產(chǎn)損失，危及社會安全。怎樣做到既不打開行李而又能迅速可靠地檢查出炸藥的存在，是一個(gè)舉世關(guān)注的問題。
目前國際上利用核技術(shù)檢測炸藥的方法可歸納為四類。第一種方法是，測量熱中子引起炸藥中氮元素的輻射俘獲反應(yīng)產(chǎn)生的10.8兆電子伏的伽瑪射線;第二種方法是，在制造炸藥時(shí)加入氘作為標(biāo)記物，再用伽瑪射線照射，探測D(γ，n)H反應(yīng)中發(fā)射的中子來確定炸藥的存在;第三種方法是測量高能量伽瑪射線引起N14(γ，2n)12N反應(yīng)中β+湮沒輻射產(chǎn)生的0.511兆電子伏的伽瑪射線來確定炸藥的存在;第四種方法是測量熱中子和快中子照射炸藥引起的活性。
第一種方法的主要缺點(diǎn)是;由粗略估算，記錄到10.8兆電子伏伽瑪射線的幾率小于10-7，這種效應(yīng)幾率小，其效應(yīng)本身可能完全被本底掩蓋，很難得到所要求的信息;其次，熱中子在物質(zhì)中的穿透力遠(yuǎn)小于快中子，它很容易被高吸收物質(zhì)屏蔽掉，其可探測行李包裹的大小受到限制;另外只測量氮的反應(yīng)，容易與其他含氯物質(zhì)混淆引起誤診。
第二種方法是不現(xiàn)實(shí)的，肇事者完全可以使用不加標(biāo)記的炸藥來進(jìn)行破壞活動(dòng)。
第三種方法要用能量高達(dá)40兆電子伏的電子回旋加速器，產(chǎn)生能量很高的伽瑪射線，用以引起炸藥中N14(γ，2n)12N反應(yīng)。這種反應(yīng)截面很小;大束流高能量的伽瑪射線源造價(jià)很高;另外，單一測氮，很難判斷是炸藥還是其它含氮物質(zhì)。
第四種方法如美國專利US3997787公開了一種測試炸藥的裝置和方法，該方法的不足之處是使用熱能中子和高能中子兩種中子源分別對待測行李進(jìn)行照射，測量16O(n，p)16N反應(yīng)中衰變的β-粒子來確定氧的含量，由于反應(yīng)產(chǎn)額較低，β-粒子的穿透能力較弱，影響氧的含量的精確度;另外，該方法使用測量熱中子穿透量來確定氮的含量，這種方法只有感光深淺的差別，極易與其他物質(zhì)混淆，而且測量氧和氮使用了兩種不同的探測裝置，既加大了成本，也增加了測量時(shí)間。
本發(fā)明目的是提供一種既準(zhǔn)確無誤又安全、快速且造價(jià)適當(dāng)?shù)臋z測炸藥的方法和裝置。
檢測炸藥的方法是根據(jù)絕大多數(shù)炸藥都含有大量的氮和氧的事實(shí)，用快中子照射被檢測包裹或行李。利用N14(n，2n)13N反應(yīng)后13N是一種缺中子核，衰變時(shí)放出正電子，半衰期9.963分，正電子湮沒時(shí)發(fā)射出兩條方向相反的0.511兆電子伏伽瑪射線;利用16O(n，p)16N反應(yīng)后16N是豐中子核，衰變時(shí)發(fā)射負(fù)電子，并級聯(lián)發(fā)射6.13兆電子伏的伽瑪射線，半衰期7.13秒。將被測包裹或行李移動(dòng)到離中子源2～3米遠(yuǎn)處后，用探測器同時(shí)測量從包裹或行李中發(fā)出的0.511和6.13兆電子伏的伽瑪射線能譜，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對伽瑪能譜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)處理后，根據(jù)測量到的氮、氧含量的比例，給出行李中是否存在炸藥的判斷結(jié)論。
檢測炸藥的裝置是使行李、包裹傳送帶呈U字型，傳送帶的橫折部通過防護(hù)墻圍成的屏蔽通道，在屏蔽通道內(nèi)的傳送帶旁放置中子發(fā)生器，在屏蔽通道入口處上方裝有中子監(jiān)視器，在屏蔽通道出口外一定距離處放置閃爍探測器，閃爍探測器放置的位置應(yīng)于行李、包裹經(jīng)中子發(fā)生器照射后3秒鐘經(jīng)傳送帶傳送到的位置。閃爍探測器與前置放大器，線性放大器等電子學(xué)線路相連接，并輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，行李傳送帶由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是采用同時(shí)測量氮、氧的方法，比單純測氮更好地把炸藥和其他物品區(qū)別開，用同一中子源和同一探測器測量兩種元素，減少了儀器設(shè)備，降低了成本。采用活化測量，可以避開中子照射時(shí)瞬發(fā)反應(yīng)的大量本底，減少了測量系統(tǒng)的困難，減少誤診的可能性。對周圍環(huán)境的本底輻射很小，不開機(jī)時(shí)沒有劑量，有利于工作人員的操作。入射快中子和出射γ射線都具有很強(qiáng)的穿透能力，可以檢測更大體積的行李包裹。
本發(fā)明有以下附圖

圖1檢測炸藥裝置示意圖，圖2幾種常見炸藥和含氮非炸藥物質(zhì)的氮氧關(guān)系圖，圖上橫坐標(biāo)是每克物質(zhì)的氮原子數(shù)(×1021)，縱坐標(biāo)是每克物質(zhì)的氧原子數(shù)(×1021)。
眾所周知，在當(dāng)前使用的多數(shù)種類炸藥中，就重量配比而言，都包含有(15～35)%的氮和(20～40)%的氧。基于該事實(shí)基礎(chǔ)，本方法為，用快中子照射被測包裹或行李，利用N14(n，2n)13N反應(yīng)后13N是一種缺中子核，衰變時(shí)，放出正電子，半衰期9.963分。正電子湮沒時(shí)發(fā)射出兩條方向相反的0.511兆電子伏伽瑪射線。利用16O(n，p)16N反應(yīng)后16N是豐中子核，衰變時(shí)發(fā)射負(fù)電子，并級聯(lián)發(fā)射6.13兆電子伏的伽瑪射線，半衰期7.13秒。將被檢測包裹或行李在受到中子照射以后移動(dòng)到離中子源2～3米遠(yuǎn)處后，用探測器同時(shí)測量從包裹或行李中發(fā)出的0.511和6.13兆電子伏的伽瑪射線能譜，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對伽瑪能譜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)處理后根據(jù)測量到的氮、氧含量的比例，給出行李或包裹中是否存在炸藥的判斷結(jié)論。在這種情況下，伽瑪探測器與中子源之間具有足夠的距離，而且工作在中子停止照射以后。這樣，由于中子輻照產(chǎn)生的瞬時(shí)伽瑪本底已經(jīng)消失，而中子輻照引起的環(huán)境活化本底也因有一段距離而大大地減小。本底減小以后，探測到的氮和氧的效應(yīng)就明顯。由氮產(chǎn)生的0.511兆電子伏伽瑪和由氧產(chǎn)生的6.13兆電子伏高能伽瑪射線，用同一個(gè)探測器測量，節(jié)省了儀器設(shè)備。
本方法的物理基礎(chǔ)。從14兆電子伏中子與常見物品中所含元素的核反應(yīng)特性可知，14N(n，2n)13N反應(yīng)的截面為8mb，16O(n，p)16N反應(yīng)的截面為46mb。若以200克TNT炸藥為例進(jìn)行估算，用直徑100mm，高100mm的NaI(Tl)閃爍探測器放在距物體中心15cm的地方，行李或包裹從3米遠(yuǎn)處被照射1分鐘后傳送到探測器所在位置，傳送速度1米/秒。中子發(fā)生器源點(diǎn)到炸藥處的平均距離20cm，照射1分鐘，測量兩分鐘，伽瑪探測器記錄0.511兆電子伏伽瑪射線全能峰的效率為0.8，記錄6.13兆電子伏伽瑪射線的全能峰、單逃逸峰和雙逃逸峰面積總和的效率為0.4，若中子發(fā)射率為109/秒。在忽略中子和伽瑪在通過路程上的衰減條件下估算記錄兩種伽瑪射線的幾率。則記錄到0.511兆電子伏伽瑪射線的計(jì)數(shù)為1248，記錄到6.13兆電子伏伽瑪射線的計(jì)數(shù)為2550。若考慮到中子和伽瑪射線的衰減因素后，記錄到0.511兆電子伏伽瑪射線的計(jì)數(shù)為334，記錄到6.13兆電子伏伽瑪射線的計(jì)數(shù)為1298。另外，在上面的估算中所假定的條件是炸藥量200克，一個(gè)伽瑪探測器，一個(gè)中子發(fā)生器，中子發(fā)射率為109中子/秒。事實(shí)上最小炸藥量一般要比200克高，中子發(fā)射率也會更高，為了使中子場更均勻，可以使用兩個(gè)以上中子源，還可用多個(gè)探測器排列在行李傳送帶兩側(cè)。這樣，照射時(shí)間和測試時(shí)間都可以減少。
本方法檢測炸藥，是通過中子與氮和氧發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生0.511和6.13兆電子伏的伽瑪射線來判定，在日常生活用品中含氮和氧的材料很多，除氮和氧以外，還有其他元素在中子作用下發(fā)射0.511或6.13兆電子伏的伽瑪射線。其甄別方法如下(1)鐵、銅、銀等金屬制品，此類元素的(n，2n)反應(yīng)產(chǎn)生缺中子核素，在β+衰變后，產(chǎn)生0.511兆電子伏伽瑪射線。但是，該類元素一般不與氧同時(shí)存在，即使是氧化物，因氧的反應(yīng)截面小，因而測量到0.511兆電子伏伽瑪射線的成分也遠(yuǎn)大于6.13兆電子伏的伽瑪射線的成分。因此，根據(jù)兩種能量的伽瑪射線的記數(shù)比率，可以比較容易地區(qū)分。
(2)人造纖維物質(zhì)，凡含有尼龍和睛綸的制品都含氮，但尼龍含氧成分少，睛綸則不含氧，而滌綸則含氧而不含氮。對這些人造纖維制品，從所測氮氧的比例上可以甄別。
(3)人造革含有氯元素，氯有(n，2n)反應(yīng)，也放出0.511兆電子伏的伽瑪射線，但它不含氧，沒有6.13兆電子伏的伽瑪射線。聚四氟乙烯制品含有大量的氟，但不含氮和氧，氟(n，2n)反應(yīng)產(chǎn)生0.511兆電子伏伽瑪射線，氟(n，α)反應(yīng)則發(fā)射6.13兆電子伏伽瑪射線，但兩種伽瑪射線之比約為0.1，比TNT的相應(yīng)比例0.5要小得多。所以對聚四氟乙烯制品的甄別也不困難。
(4)當(dāng)碳?xì)溲跬瑫r(shí)存在時(shí)，由于快中子與氫碰撞，釋發(fā)出具有一定能量的質(zhì)子，質(zhì)子與天然碳中的C13(含量1.11%)發(fā)生(p，n)反應(yīng)，與氧發(fā)生(p，α)反應(yīng)，都形成N13核。這兩種反應(yīng)都屬于次級效應(yīng)，可以忽略。曾用不含氮而含有碳?xì)溲醯臏炀]布進(jìn)行試驗(yàn)，證明由這兩種反應(yīng)發(fā)射出的0.511兆電子伏的伽瑪射線很小，可以忽略。
根據(jù)上述提出的利用N14(n，2n)和16O(n，p)反應(yīng)同時(shí)測量炸藥中氮氧的含量而檢測炸藥的方法，可以設(shè)計(jì)出不同形式的裝置。附圖1給出了一種使用上述方法檢測炸藥的裝置實(shí)施例。使行李傳送帶1呈U字型運(yùn)行，傳送帶1的橫折部通過防護(hù)墻5圍成的屏蔽通道，在防護(hù)墻5圍成的屏蔽通道內(nèi)的傳送帶1旁設(shè)置中子發(fā)生器2，在屏蔽通道入口4處上面裝有中子監(jiān)視器7，用來監(jiān)視照射中子的通量。防護(hù)墻5由1米厚的水泥和含氫材料組成。中子發(fā)生器2是利用(D、T)反應(yīng)構(gòu)成的密封中子管或高壓倍加器，所產(chǎn)生14兆電子伏中子的強(qiáng)度大于109中子/秒。在屏蔽通道出口4外一定距離處放置閃爍探測器6，閃爍探測器6放置的位置應(yīng)于行李、包裹3經(jīng)中子發(fā)生器2照射后3秒鐘經(jīng)傳送帶1傳送到的位置。閃爍探測器6可以用NaI(Tl)或BGO閃爍探測器，探測器的能量分辨對銫-137的0.662兆電子伏伽瑪射線分辨率好于10%，探測6.13兆電子伏伽瑪射線的效率大于20%。傳送帶1的傳送速度約為1米/秒，起始和停止時(shí)間不超過1秒。
測試和控制室設(shè)在屏蔽體外的合適位置，室內(nèi)安裝中子發(fā)生器2和傳送帶1的控制臺，中子監(jiān)視器7和閃爍探測器6的配件及電子分析儀器，包括高壓電源，脈沖放大器，多道分析器和進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
為了使照射行李包裹的區(qū)域有一個(gè)較為均勻的中子場，可以使用兩個(gè)中子發(fā)生器2，對稱地配置在行李傳送帶1兩旁。閃爍探測器6也可以使用多個(gè)，組成多探測器陣列，便于檢測出炸藥所在的位置，有利于甄別各種物品混雜引起的誤診。
權(quán)利要求
1.一種檢測炸藥的方法，根據(jù)絕大多數(shù)炸藥都含有大量的氮和氧的事實(shí)，利用測量核反應(yīng)產(chǎn)物的方法確定待測物體中氮、氧的含量，從而判斷是否有炸藥，本發(fā)明的特征是用快中子照射被檢測包裹或行李，利用N14(n，2n)N13反應(yīng)后13N衰變時(shí)放出正電子，半衰期是9.963分，正電子湮沒時(shí)發(fā)射出兩條方向相反的0.511兆電子伏伽瑪射線和利用16O(n，p)16N反應(yīng)后16N衰變時(shí)發(fā)射負(fù)電子，并級聯(lián)發(fā)射6.13兆電子伏的伽瑪射線，半衰期是7.13秒的事實(shí)，將被中子照射過待測的包裹或行李移動(dòng)到離中子源2～3米遠(yuǎn)，用探測器同時(shí)測量從包裹或行李中發(fā)出的0.511和6.13兆電子伏伽瑪射線能譜，經(jīng)過計(jì)算機(jī)對伽瑪能譜進(jìn)行實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)處理后根據(jù)測量到的氮、氧含量的比例，給出行李或包裹中是否存在炸藥的判斷結(jié)論。
2.如權(quán)利要求1所述的檢測炸藥的方法，其特征是快中子的能量是14兆電子伏，強(qiáng)度大于109中子/秒。
3.如權(quán)利要求1所述的檢測炸藥的方法，其特征是探測器的能量分辨率對于銫～137的0.662兆電子伏伽瑪射線分辨率好于10%，探測0.511兆電子伏伽瑪射線效率好于80%。
4.一種用于如權(quán)利要求1所述的檢測炸藥的方法的裝置，包括中子發(fā)生器2，行李傳送帶1，數(shù)據(jù)獲取和處理系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)，本發(fā)明的特征是傳送帶1呈U字形，傳送帶1的橫折部通過防護(hù)墻5圍成屏蔽通道，在防護(hù)墻5圍成的屏蔽通道內(nèi)的傳送帶1旁邊放置中子發(fā)生器2，在屏蔽通道入口4的上方裝有中子監(jiān)視器7，在屏蔽通道出口4外一定距離處放置閃爍探測器6，閃爍探測器6放置的位置應(yīng)于行李、包裹經(jīng)中子發(fā)生器2照射后3秒鐘經(jīng)傳送帶1傳送到的位置。
5.如權(quán)利要求4所述的檢測炸藥的裝置，其特征是中子發(fā)生器2是利用(D、T)反應(yīng)構(gòu)成的密封中子管或者高壓倍加器，所產(chǎn)生的中子強(qiáng)度大于109中子/秒。
6.如權(quán)利要求4所述的檢測炸藥的裝置，其特征是閃爍探測器6可以用NaI(Tl)或BGO閃爍探測器，探測器的能量分辨對于銫-137的0.662兆電子伏伽瑪射線分辨率好于10%，探測6.13兆電子伏伽瑪射線的效率大于20%。
7.如權(quán)利要求4所述的檢測炸藥的裝置，其特征是傳送帶1的傳送速度約為1米/秒，起始和停止時(shí)間不超過1秒。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用核技術(shù)檢測炸藥的方法和裝置。該方法利用探測炸藥中的主要成分氮和氧被中子活化后分別發(fā)射出能量為0.511和6.13兆電子伏的伽瑪射線，經(jīng)過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理后給出行李或包裹中是否存在炸藥的判斷結(jié)論。用這種方法檢測炸藥，發(fā)現(xiàn)炸藥的可靠性好，誤診幾率小，操作安全，而且裝置相對簡單，價(jià)格適當(dāng)，可作為機(jī)場或其他場所檢查行李、包裹之設(shè)備。
文檔編號G01N23/09GK1062213SQ9010950
公開日1992年6月24日 申請日期1990年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1990年11月30日
發(fā)明者葉宗垣, 李寧兵, 丁聲耀, 包宗喻, 楊小蕓, 容超凡 申請人:中國原子能科學(xué)研究院