中子探测技术在安全检查中分析与探讨-颜志国

中子探测技术在安全检查中分析与探讨
公安部第三研究所颜志国成诚
摘要：本文简要介绍了爆炸物检测领域的技术手段，并针对目前常规技术手段的缺点和不足，重点介绍了中子无损探测技术在爆炸物检测中的应用情况，从技术原理到系统构成对中子探测设备进行了剖析，指出其相对于其他技术手段的独特优势。

同时，本文也对爆炸物检测领域的技术发展趋势进行了探讨和展望。

1、常见爆炸物探测技术简介
在当前恐怖活动日趋严重的形势下，对公共安全领域爆炸物（常规炸药、液体炸药、塑料炸药）的现场快速检测是一项非常重要的工作。

目前，应用于爆炸物现场检测的技术手段主要有：金属探测仪、X射线成像（透射成像、背散射成像、CT）技术、双能X射线成像技术、化学蒸汽\颗粒分析法等[1]。

就金属探测仪而言，是较早采用的一种查缉爆炸物的技术手段，主要采用交变电磁场来探测爆炸物中的金属部件及雷管等发火装置上的金属元器件和电池等从而实现对爆炸物的探测。

由于爆炸物制作工艺和技术水平的提升，现在爆炸物中的金属部件越来越少，液体炸药和塑料炸药的出现，使得单一的金属探测手段已经无法满足日益隐蔽化和多样化的爆炸物探测实战需要。

X射线成像技术可以实现对常见行李箱中不同物品的密度分辨，对箱包夹层毒品藏匿具有显著排查效果，但无法识别物品的元素种类；另外，很多爆炸物密度与常见生活用品接近，因而，只从密度上探测爆炸物会经常发生漏检和虚警现象。

双能X射线虽然可以识别等效原子序数，但不能识别物质种类。

化学蒸汽\颗粒分析法是一种痕量检测技术，通过对可疑物体或人员表面进行擦拭取样后对试样汽化后进行分析，也有可以直接对环境气体进行取样分析的。

离子迁移谱技术和基于气敏传感器的电子鼻技术是在现场快速检测场景下被广泛使用的痕量物质检测技术。

它们的优点在于检测灵敏度高，对微粒的检测精度可以达到纳克级别，对气体的检测精度达到ppm甚至ppb级别，检测时间短，一般在十秒左右，因而这两种技术适用于现场检测。

上海世博会采用了52台公安部第三研究所研制生产的爆炸物离子迁移谱探测器，有利保障了世博的安全召开。

这种技术对爆炸物制作人员或者爆炸物包裹表面留下的微量痕迹具有精确探测效果，但对于密封严实或蒸汽压不高的物质，探测效果不显著。

以上几种技术手段是目前常用的爆炸物查缉方法，但或多或少存在
一些不足，为了适应对恐怖活动的精准打击，中子技术、激光拉曼光谱、核四级矩共振、毫米波及太赫兹等一批新技术在不同场合得到一定程度的应用，其中，中子技术的应用前景较为广阔，目前，在海关、港口、公路物流等领域正在逐步推广应用。

2、爆炸物中子查缉技术原理
犯罪分子通常都是将炸药藏匿于行李内的普通物品中，而这些普通物品大多是有机物品。

因此，行李检测中的首要任务是将行李中的普通有机物品与炸药区分开。

炸药、毒品和有机物品通常都由C、N、O组成，但他们的含量却存在明显区别：炸药含O量高，含N量亦高，而普通有机物品不具有N、O含量均高的特点（参见图1）。

在图1右图中，炸药处于图中的右方（图中虚线内），O、N含量高，而普通有机物品绝大多数处于图1右图的其他区域。

这种比例关系为区分爆炸物和普通有机物品提供了可能。

图1 炸药和有机物中C、N、O的含量情况对比
中子感生瞬发γ谱测量是一种能够对较大体积的物品进行实时元素组成鉴别的技术，较适宜检测藏匿在手提行李、航空托盘和集装箱中的爆炸物。

现在已经开展了多项关于中子技术在爆炸物检测中的研究，如热中子分析（TNA）、快中子分析（FNA）、脉冲快热中子分析（PFTNA）、伴随粒子成像（API）等。

其中PFTNA法能同时测量快中子和热中子产生的γ能谱，实现全元素测量[2]。

PFTNA主要采用脉冲宽度为μs量级、脉冲间隔约为100μs的氘氚脉冲
中子发生器产生的脉冲快中子照射待测量物质，在快中子脉冲宽度内测量快中子引起的C和O的非弹性散射产生的γ射线来确定物品中的C和O的含量。

在两脉冲间隔内就通过测量热中子引起的N和H俘获γ射线来确定物品的N和H含量，由物品中C、N、O、H四种元素的含量比就可以识别是否爆炸物及其类别。

这种方法优点在于信噪比较高。

快中子分析方法以氘氚反应产生的快中子为探针，其能量达到
14MeV。

这种快中子与C、N、O等元素原子核相互作用时，会产生非弹性散射。

产生的γ射线主要有：
n+14N→14N+n’+γ+5.11MeV （1）
n+12C→12C+n’+γ+4.43MeV （2）
n+16O→16O+n’+γ+6.13MeV （3）
这些γ射线能量高，产生截面较大[3]，易于测量，且强度与被测物品中相应的C、N、O的含量成正比。

通过测量这些γ射线的能谱，并确定其强度，可以得到炸药和有机物品中C、N、O的含量，进而将炸药从普通有机物品中区分开，实现爆炸物探测的目的。

在快中子分析技术中，伴随粒子成像技术（API）具有独特的优势，它通过采用位置灵敏的α探测器测量氘氚反应时伴随中子产生的α粒子的位置，结合氘氚反应时的中子n和α粒子（两者运动方向相反，接近180o,参见图2）的时间关系，即可确定中子飞行距离（图2中Z方向），从而可以得到爆炸物的空间分布情况。

API的空间分辨率很大程度上依赖于小直径靶的中子管[4]。

API法可以给出CNO三种元素含量的空间分布图和粗略轮廓，从而有效识别任意形状的爆炸物。

这种方法具有较高的空间分辨率和较强的识别能力，但对中子发生器和测量系统的技术要求较高[5]。

图2 伴随粒子成像示意图
3、爆炸物中子查缉设备系统构成介绍
目前，针对大型车辆及集装箱的爆炸物中子探测设备在欧盟一些国家已经得到采用（见图3）。

图3 用于大型物流车辆爆炸物查缉的中子设备
从系统组成上来说，爆炸物中子查缉设备主要包括以下部分：中子源、γ射线探测仪、多道微机分析系统等（见图4），对于API中子成像法，系统还需要配备高位置精度的α粒子探测器。

图4 爆炸物中子查缉设备系统构成
为了测准隐藏在行李中炸药所含C、N、O，而不受周围物品中C、N、O产生γ射线干扰，检测系统必须是位置灵敏的，即必须把行李分成许多小区分布进行测量。

实际应用中，需要在较短时间内完成爆炸物的检测，这就要求中子源强足够大。

目前，对炸药的检测精度在500g左右，检测时间10分钟左右。

为了实现对行李的大通量在线检测，这个时间必须缩短。

需要中子源具有1010/s以上的产额。

目前，我国已经开展了中子产额1011/s的中子管的研究，美国正在对1014/s的中子管进行实验开发[6]。

另外，在安检中，对中子发生器的使用寿命也有较高的要求，目前国内使用的中子发生器的寿命大都在2000小时左右，在中子产额和使用寿命方面都不能满足爆炸物在线检测的需求。

4、爆炸物检测技术的发展趋势
随着犯罪分子高科技犯罪手段的采用，针对行李藏爆和人体藏爆的检测越来越成为一项具有极大挑战性的任务。

在行李藏爆方面，中子查缉技术以其具有直接针对炸药本身的元素组成比例分析技术和非接触式探测成为很有前景的应用技术。

针对人体炸弹和液体炸弹等新情况，目
前，基于核四级矩共振（NQR）[7]、毫米波、太赫兹技术[8]和激光拉曼技术[9]等也在不同场合开展了应用研究。

不同于X射线查缉技术，太赫兹在远红外区，光子能量比X射线小约百万倍，没有离子化辐射问题，具有较高的成像空间分辨率（~ 300μm）。

因而，毫米波及太赫兹技术以其安全性被民众普遍接受，目前美国和欧洲正在开展相关技术的进一步研究，我国在十二五科技规划中也开展了毫米波相关技术研究。

从今后的发展趋势来看，远距离非接触式、低辐射或无辐射的安检技术将成为主流。

针对不同的应用场景和物品空间堆放的复杂化，综合多种探测机制的多设备综合应用将成为爆炸物检测的趋势。

参考文献：
1. Turecek, J., Detection of Improvised Explosive
Devices on Persons and in Baggage. NDT for Safety, 2007: p. 285-290.
2. 景士伟, 杨璐, and 李文杰, 利用中子技术检测爆炸
物的实验研究. 东北师大学报(自然科学版), 2008. 40(2): p.
47-50.
3. 贾文宝, 可移动式中子监测隐形爆炸物系统的初步探
索与研究. 原子核物理评论, 2005. 22(1): p. 76-78.
4. 金大志 and 程亮, 中子检测爆炸物的原理实验研究.
原子核物理评论, 2009. 26(1): p. 41-43.
5. 徐四大 and 朱维彬, 检测爆炸物和毒品的伴随粒子成
像方法. 原子能科学技术, 1998. 32(6): p. 482-486.
6. 乔亚华, 中子管的研究进展及应用. 核电子学与探测
技术, 2008. 28(6): p. 1134-1138.
7. 房旭民, 徐政, and 徐玉清, 核四极矩共振炸药探测
技术在探雷中的应用. 同济大学学报, 2003. 31(6): p. 719-723.
8. 李海涛, 王新柯, and 牧凯军, 连续太赫兹波在安全
检查中的实验研究. 激光与红外, 2007. 37(9): p. 876-878.
9. 梁鲁宁, 徐丽娜, and 周恒智, 拉曼光谱法鉴别常见
毒品. 刑事技术, 2003(1): p. 17-19.。