伴隨粒子中子檢測系統發展及應用

葉龍建 張東東 楊振 陳宇航

1（大連理工大學 大連 116024）

2（中國工程物理研究院 流體物理研究所 綿陽 621900）

3（中山大學 廣州 519082）

4（中國工程物理研究院 研究生院 綿陽 621900）

1 伴隨α粒子中子檢測系統原理及意義

1.1 應用背景及意義

隨著高科技犯罪手段的采用，恐怖分子活動日益增多，他們通過走私非法獲取、販運爆炸物和放射性材料，往往將危險物藏在比較隱蔽或容易被混淆的位置。因此在安檢和海關檢查過程中，最重要的任務就是及時、有效將危險物檢測出來，防止恐怖犯罪行為發生。在當今快節奏的世界貿易活動中，運輸集裝箱是走私、販毒、運輸爆炸物和核物質材料等危險非法物質的潛在手段，因此集裝箱貨物的高效非侵入式檢查（Non-Instrusive Inspection，NII）對貿易和社會安全至關重要［1］。無損分析和成像方法對于貨運集裝箱的檢測和維護國家安全越來越有吸引力，同時對來自世界各地材料、貨物和人員流動等造成的影響也最小。常用的檢測方法有X射線成像技術、化學蒸氣顆粒分析法、電磁測量法和中子檢測法等［2］。

基于X射線或γ射線的檢測系統可以提供被檢測物的形狀及密度信息，但是無法得到被檢測物的化學成分信息［3］；熱中子檢測技術在測量隱藏爆炸物時速度較慢，不能探測C和O元素，可靠性不高［4］；快中子檢測技術是由氘-氚反應產生14 MeV的快中子與C、N、O發生碰撞產生易于檢測的高能γ射線，從而確定待測物中C、N、O的含量，但是在檢測和炸藥具有相同的C、N、O含量的材料時可能存在誤判的情況［5］。近年來，伴隨α粒子中子檢測法作為一種無損檢測手段在國內外獲得了廣泛的應用，它是一種高精度時間、空間標記中子的主動質詢方法，通過探測與中子產生相伴隨的α粒子，結合中子飛行時間技術，由延時符合檢測待測物質誘發的特征γ射線和誘發裂變中子，來鑒別和分析是否存在爆炸物或核材料等，以及其成分含量和位置等信息［6-7］。伴隨α粒子中子檢測技術可以有效排除雜散中子等本地干擾信號或不關聯的信號，具有較高的信噪比；通過測定C、N和O含量以檢測分辨出爆炸物，還可以用于檢測核材料。

1.2 伴隨α粒子中子檢測系統

伴隨α粒子中子檢測系統主要包括：帶α粒子探測器的中子發生器、γ探測器、快電子學系統、數據處理系統［8］等組件，可實現遠程操控，保證了檢測人員的人身安全。中子發生器是一個產生中子射線的裝置，其實質是一種小型的粒子加速器，它把離子源、加速系統、靶、氣壓調節系統緊湊地集成在一根真空的陶瓷管內。中子發生器的工作過程是先對中子管內的燈絲進行加熱，儲存器釋放出的氘氣進入真空腔內然后給離子源施加電壓。氘氣在離子源電壓下，電離形成等離子體，等離子體內帶電粒子在加速電壓的作用下形成離子束，轟擊靶面，與靶內的氚原子發生核反應，從而釋放出中子［9］。

伴隨α粒子中子檢測技術檢測原理如圖1所示。氘氚核反應時，剛好以相反方向發射出一個α粒子和一個14 MeV能量的中子，核反應方程式如式（1）所示。用位置靈敏位置α探測器測定α粒子的飛行方向，由反沖方向確定中子的飛行方向；采用伴隨α粒子快中子飛行時間（Time of Flight，TOF）譜技術，即同時測量α和中子誘發的γ射線，再根據它們之間的時間關系，結合中子的飛行速度，確定了中子的飛行距離（設為z），就可以得到被測對象的空間分布［10］。

圖1 伴隨α粒子檢測方法原理示意圖Fig.1 Principle diagram of the accompanying α-particle detection method

而中子與待檢測物質的C、N和O元素作用發生非彈性散射，核反應方程式如式（2～4）所示，分別發出能量為4.43 MeV、5.11 MeV、6.13 MeV的γ射線，通過測量快中子引起的非彈性散射特征γ射線，就可以確定物品中C、N和O元素的含量，據此判斷待測物是否屬于爆炸物［11］。伴隨α粒子法可以確定C、N和O元素含量的空間分布圖，實現對可疑爆炸物區域的空間定位檢測。

空間分辨率是伴隨α粒子中子檢測技術的重要指標性能，分辨率的高低決定了該技術的應用價值和應用范圍。伴隨粒子成像的空間分辨率與α探測器的分辨率、α探測器與氚靶間的距離、快中子飛行時間譜的半高寬（Full Width at Half Maxima，FWHM）和束斑直徑等因素有關。x、y方向的分辨率由束斑直徑決定，直徑越小分辨率越高，但是會帶來氚靶使用壽命明顯降低的技術難題。z方向的位置分辨率則是由快中子飛行時間譜的半高寬決定，目前該寬度可達到納秒量級。α探測器的立體角決定了被標記中子的立體角和作用區域，相對于傳統的中子檢測方法具有自準直功能和3D成像功能，并且檢測效率也進一步提高。

被α粒子標記的中子與危險物作用產生瞬發γ射線，與未被標記的中子產生的γ不關聯，形成本底。通過α-γ符合的飛行時間譜，選出與α粒子相關聯的中子產生的γ射線，減小中子與周圍環境產生的強γ干擾信號，降低強γ輻射本底，提高信噪比，便于對γ譜進行分析［12］。

2 關鍵部件的發展與應用

2.1 伴隨α粒子中子發生器

基于高精度時間、空間標記伴隨α粒子中子檢測技術的應用涉及一個最重要的問題就是中子的產生，這就必然需要一個產生中子的裝置，即中子發生器，伴隨α粒子中子管結構如圖2所示。為滿足該技術實際應用的需要和推廣，中子發生器須具有輕便、體積小、中子產額穩定且較高、壽命長、操作方便、便于運輸、安全等特點，據此國內外研制出了不同類型的中子發生器。

圖2 帶α粒子探測器的中子發生器原理結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the principle and structure of a neutron generator with an α-particle detector

俄羅斯全俄自動化所（All-Russia Research Institute of Automatics，VNIIA）研制的ING-27是一種氣體密封中子管［13］，如圖3（a）所示。D-T中子產額（2～7）×107n·s-1，工作壽命最大1000 h，是一套相對成熟的產品，被歐盟框架下的EU FP7 UNCOSS項目、俄羅斯KRI（Khlopin Radium Institute）、東北師范大學、中國工程物理研究院、中國原子能研究所（China Institute of Atomic Energy，CIAE）等廣泛應用于伴隨粒子標記中子檢測系統。

圖3 (a) 俄羅斯VNIIA的ING-27照片，(b) 美國Thermo Electron Corporation的API-120輪廓Fig.3 (a) Photo of ING-27 of VNIIA from Russia and (b) outline of API-120 from Thermo Electron Corporation USA

美國MF Physics研制的A-920型中子發生器［14］采用了交叉電磁場的Penning離子源，引出電壓160 kV時可引出流強達到1 mA，產生最大中子產額109n·s-1，束斑聚焦至1 mm。美國的Purdue University采用該類型中子發生器開展了核材料的探測方法研究。

美國Thermo Electron Corporation是較早開展伴隨粒子成像中子發生器研發的單位。其開發的型號API-120是一種輕型便攜中子發生器［15］，如圖3（b）所示。采用密封型中子管、Penning放電離子源、SF6氣體絕緣、自成靶設計，其功率消耗小于50 W，使用壽命可達1200 h，中子產額達到了（1～20）×107n·s-1，被美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）應用于核材料鑒別系統（Nuclear Materials Identification System，NMIS）中。

美國加州大學伯克利分校勞倫斯伯克利實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）研制了多種類型用于伴隨粒子成像研究的中子發生器?；赗F（Radio Frequency）離子源的緊湊型伴隨粒子成像中子發生器［16-17］，如圖4所示。其功率100 W，采用靶負高壓引出正離子的工作模式，束斑直徑可達到1 mm?；贓CR（Electron Cyclotron Resonance）離子源的密封管式伴隨粒子中子發生器［18］，主要用于特殊核材料探測，D-D中子產額可達到106n·s-1，引出氘離子束流強度可達100 μA。

圖4 美國Sandia國家實驗室的RF源伴隨粒子中子發生器結構及裝置Fig.4 RF-source-associated particle neutron generator structure diagram and device photo at Sandia National Laboratory, USA

美國Sandia實驗室2016年報道，研制出一臺基于負離子RF源的帶伴隨α粒子的中子發生器［19］，是一臺動真空緊湊型的中子發生器。其亮點是負電荷氘離子，通過磁場偏轉電子，束流中單原子氘離子比例100%，靶面束斑尺寸?。ㄖ睆? mm），高運行可靠性，可以脈沖和連續波運行，目前D-D中子產額達106n·s-1。

法國SODERN公司的中子發生器Genie 16［20］，采用Penning離子源，中子產額可達2×108n·s-1，源高壓靶接地設計，避免靶與α粒子探測器間電場分布引起擊穿，被波蘭應用于爆炸物的檢測。

中國工程物理研究院肖坤祥等［21-22］研發過一套伴隨α粒子型中子發生器，如圖5所示。采用冷陰極Penning源引出正離子，靶上束斑直徑小于5 mm，束流在25 μA；輸入靶壓80～82 kV時，中子產額達到5.5×107n·s-1，該中子發生器正常工作時間小于100 h；后續研制出一款高中子產額的中子發生器，當輸入靶壓155 kV時，產額超過1.1×1010n·s-1。

圖5 中國工程物理研究院肖坤祥團隊研發的中子發生器Fig.5 Neutron generator developed by the Xiao Kunxiang team of China Academy of Engineering Physics

東北師范大學自主研制了型號為NG-9中子發生器，最大產量可達4×108n·s-1，離子源電壓在2～7 kV，加速極電壓在100～120 kV，總重量為14.4 kg，建設成本約10萬美元，該發生器可用于探測地雷，目前正處于模擬試驗中［23］。

2.2 伴隨α探測器

在評價α粒子探測器性能時主要考量以下幾個參數：能量分辨率，即對于某一能量值，探測器能分辨兩個相鄰能量值之間的最小差值；空間分辨率，即探測器能識別相鄰待測物的最小距離；時間分辨率，即重復測量相鄰兩次探測的最小時間差。而中子管中用的α粒子探測器一般為無機晶體材料，這種材料的探測器具有時間分辨率小、靈敏度高等優點，但存在能量分辨率差的缺點，不過適用于氘-氚反應產生的單能α粒子測量。α粒子探測器在伴隨粒子成像技術中十分的重要，它的性能指標決定了空間分辨率的大小，α粒子探測器具有很好的位置靈敏度才能確定反向中子的坐標位置，這樣才能更準確探測到爆炸物的位置。位置靈敏α探測器一般由響應屏、正方形截面的光纖束、光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）組成，根據不同的響應屏材料研制出不同的α探測器。

評價無機閃爍體性能的主要指標為光產額、發光衰減時間、光子吸收厚度等。光產額越高，探測器的能量和空間分辨率越高；發光衰減時間越短，時間分辨率越好，一般要求發光衰減時間小于100 ns；光子吸收厚度越短，探測效率也就越高。

表1對比了典型的α粒子探測器閃爍體材料的各項指標參數，并列舉了實際應用于伴隨粒子檢測系統中的工作性能［7，24-25］。

表1 典型的α粒子探測器材料對比Table 1 Comparison of typical alpha particle detector materials

清華大學徐四大團隊的伴隨系統采用ZnS：Ag屏［26］，如圖6所示，位置分辨率可達到Δx=Δy=3 mm，時間分辨率Δt為1.5～1.7 ns，能耐400 ℃高溫。美國ANL（Argonne National Laboratory）進行API實驗時同樣采用了ZnS：Ag屏。美國Purdue University針對核材料的檢測系統采用的自行設計的ZnO：Ga α粒子探測器，該α探測器的探測效率為88%，亞納秒時間分辨率（Δt＜0.7 ns），美國Thermo Electron Corporation的API-120中子發生器采用的就是這種探測器［14，27-28］。美國ORNL的密封管式伴隨粒子中子發生器、法國SODERN的Genie 16D中子發生器、歐盟框架下的EURITRACK、C-BORD項目等均采用YAP：Ce無機閃爍體α粒子探測器［29］，YAP：Ce晶體具有較高光輸出和衰減時間閃爍特征，應用也較為廣泛。

圖6 清華大學ZnS(Ag) α探測器結構示意圖Fig.6 Structural diagram of the ZnS(Ag) α detector at Tsinghua University

2.3 γ探測器

探測系統的能量分辨率的大小由γ探測器來決定，性能良好的γ探測器應該具有以下優點：足夠好的能量分辨率可以很好地分離出C、N、O的峰；較大的峰總比，以便于從γ光譜中提取出有用信號；對于不同能量的光子具有較高的本征效率，以減少采集的時間；納秒級別的時間分辨率等。常被用于做γ探測器材料的有氟化鋇（BaF2）、鍺酸鉍（BGO）、參雜鈦的碘化鈉無機閃爍體（NaI：TI）；溴化鑭（LaBr3）和硅酸釔镥閃爍晶體（LYSO）是新型γ探測器，可進一步提高系統時間分辨率而被應用。典型的γ射線探測器如表2所示［30-32］。

表2 典型的γ射線探測器材料對比Table 2 Comparison of typical γ-ray detector materials

俄羅斯VNIIA的ING-27中子發生器采用了BGO晶體γ探測器，BGO晶體的主要優點是峰總比高和本征效率高；然而，BGO晶體的尺寸有限，能量分辨率較差，且價格相對昂貴。清華大學的爆炸物檢測系統采用BaF2晶體γ探測器，BaF2晶體具有快速閃爍組分（0.6 ns）和全能量峰值效率高的特點，但光輸出較低導致能量分辨率較差，且由于晶體和石英窗的價格導致其比較昂貴［33］。

NaI晶體γ探測器相對BaF2和BGO的來說，其全能峰效率和峰總比都較低，但是使用較大體積的NaI可以增加有效全能量峰值和峰值與總比；并且NaI晶體價格是BaF2和BGO的1/5～1/10，因而被歐盟框架下的EURITRACK、C-BORD項目［34］、ING-27型中子發生器等廣泛采用。LaBr3晶體γ探測器［35］由于其高時間分辨率逐漸被應用于C-BORD項目、ING-27型中子發生器、波蘭SWAN危險材料檢測系統中；LYSO晶體γ探測器被用于東北師范大學研制的爆炸物檢測系統中［36］，如圖7所示。

圖7 (a) LaBr3(Ce)和NaI(Tl)閃爍探測器[37]，(b) 東北師范大學用的LYSO晶體γ探測器[38]Fig.7 (a) LaBr3(Ce) and NaI(Tl) scintillation detectors[37], and(b) LYSO crystal γ detector used by Northeast Normal University[38]

3 標記中子探測技術應用情況

國內外均有成功研制出一套完整的基于伴隨α標記技術的爆炸物檢測系統，并開展了一系列試驗測試工作，但是目前還未大規模裝配應用。

從歐盟框架下的EURITRACK項目［39-43］到后來的C-BORD項目［34，44-45］，近15年的發展，歐洲在伴隨α粒子檢測技術的應用處于世界先進水平，如圖8所示。在EURITRACK項目基礎下繼續開展的CBORD項目旨在將高級輻射管理、下一代貨物X射線、標記中子檢查、基于光裂變和蒸發檢測等5種檢測技術結合使用至少兩種獨立的技術，以改善檢查結果，并開發出第一個快速可移動標記中子檢測系統［34］（Rapidly Relocatable Tagged Neutron Inspection System，RRTNIS），在荷蘭鹿特丹海港、匈牙利邊境檢查站等進行安裝測試。

圖8 EURITRACK項目的TNIS檢測系統[35]Fig.8 TNIS testing system for the EURITRACK Project[35]

歐盟框架下的EU FP7 UNCOSS項目［46-49］開發的一種基于伴隨α粒子中子探測技術，該檢測系統開發了相匹配的數據采集、電子和數據分析軟件，主要用于對水下的爆炸物進行檢測和識別，并且可以根據C、N和O比例建立出的二維似然圖評估爆炸物材料的威脅程度。

歐盟框架下的波蘭國家核研究中心研究了一種用于爆炸物檢測的便攜式裝置的SWAN危險材料檢測系統［50-51］，如圖9（a）所示。在該系統的試驗過程中，可在2～3 min內從中性材料中辨別出爆炸物。

圖9 波蘭SWAN危險物檢測系統(a)和美國FNMIS探測系統(b)示意圖Fig.9 Diagrams of SWAN Hazard detection system in Poland (a) and FNMIS detection system in America (b)

韓國在伴隨粒子中子成像技術的研究取得了一定的成績，2022年，韓國原子能研究所研發出一種用于檢測航空貨物中是否包含爆炸物的復合型檢測裝置。融合了6 MV X射線檢測技術和14.1 MeV中子探測技術，可以識別金屬、非金屬礦物和有機物等16種材料［52］。

美國橡樹嶺國家實驗室自2000年以來，開發了基于D-T聚變反應的伴隨α粒子中子探測的核材料鑒別系統（Nuclear Materials Identification System，NMIS）［53-57］，研制出低分辨率的NMIS或者FNMIS（Fieldable Nuclear Materials Identification System）系統［29］，如圖9（b）所示，以及高分辨率的先進便攜式的中子成像系統（Advanced Portable Neutron Imaging System，APNIS）。低分辨率的NMIS在2004年已經應用于核材料探測，FNMIS于2015年完成交付使用，此外還開展了超級便攜的探測系統的概念設計，該系統可直接由人體背帶。

2021年9月，美國Sandia實驗室計劃為美國的國土安全建設新一代的港口檢測技術，主要針對入境車輛和集裝箱進行掃描，以發現包括輻射在內的潛在威脅［58］。俄羅斯KRI與APSTEC（Applied Physics Science and Technology Center）聯合研制的用于行李包中爆炸物、臟彈、特殊核材料檢測的便攜式爆炸物檢測裝置（Portable Sensor for Expensive Detection Based on Nanosecond Neutron Analysis，SENNA）［59-60］。該裝置針對行李箱中富氮爆炸物檢測，經試驗，在有干擾物品存在情況下，其典型的檢測時間為4 min。

清華大學徐四大教授課題組在20世紀90年代搭建了一套檢測爆炸物的伴隨α粒子中子發生器系統，用于機場檢測炸藥和毒品等，據試驗驗證，檢測炸藥時的靈敏度為300 g，每小時可檢測600件行李［61-62］。

東北師范大學與中國原子能科學研究院合作，采用俄羅斯ING-27型中子發生器，研制了一套爆炸物檢測系統，如圖10所示。利用該系統測試了包裹和腔體內爆炸物［63-65］，在多種材料干擾的情況下可在3～5 min內檢測出300 g的爆炸物。該裝置還被用于對墻體內爆炸物的檢測，在不同墻體厚度干擾下進行試驗，檢測時間最長為10 min，正確檢出率可達80%以上［66-67］。

圖10 東北師范大學與中國原子能研究所共同研制的爆炸物檢測系統[57]Fig.10 Explosive detection system jointly developed by the Northeast Normal University and China Institute of Atomic Energy[57]

中國工程物理研究院王新華等［68］研制了基于伴隨α粒子的中子飛行時間技術的隱藏爆炸物安檢儀，中子發生器為俄羅斯的ING-27型，被用于安檢通道內爆炸物、毒品和毒劑等違禁品的檢測。何鐵等［69-70］建立了一套基于伴隨α粒子技術的快中子化學戰劑無損檢測系統，對沙林、VX、芥子氣和亞當氏劑4種具有典型特征的化學戰劑進行測量試驗，該系統可以對化學站劑快速、實時無損檢測。

表3總結了不同檢測系統的試驗測試結果。

表3 不同檢測系統的試驗結果情況Table 3 Test results of different detection systems

4 技術展望

基于高精度時間、空間標記D-T中子質詢的材料性質檢測技術，國內外均進行了深入的研究，關于離子源的設計和各種探測器的研究都在不斷進行優化，建立起完整的中子質詢和檢測系統被應用于海關、港口的集裝箱、機場行李箱等地方進行試驗。目前，伴隨α粒子中子檢測系統還普遍存在檢測功能單一、集成效果較差導致整個系統體積較大、探測器探測效率較低導致探測時間較長、主要部件中子發生器存在使用壽命低和中子產額少、對操作者的專業知識要求較高及工作的安全性受到質疑等問題，針對以上問題提出以下技術展望：

1）多種檢測方法搭配組合。根據實際的應用需求，將來的爆炸物檢測不僅局限于一種檢測裝置，歐盟框架下的C-BORD項目結合多種檢測方法，可先大面積地檢測，然后再針對可疑區域進行專項檢測，可針對不同的材料選擇不同的檢測方法，旨在提高檢測的效率和準確性，是將來海關、港口、安檢口對核材料、爆炸物、化學戰劑、毒品等材料一體化檢測的需求趨勢。

2）檢測系統模塊化發展，實現快速拆解和組裝。對于伴隨α粒子中子成像檢測系統應逐漸趨向于快速可移動標記中子檢測系統（Rapidly Relocatable Tagged Neutron Inspection System，RRTNIS），針對不同的應用環境，可以快速的對檢測系統進行拆解和重新組裝，發展便攜式的檢測裝置更是一種趨勢所在，以便于從軍事、國防用途向商業、勘探、醫療等用途的轉換。尤其是便攜式現場應用，安全防護屏障最小化和遠程無線操作將成為一種可能。中子發生器必須重量輕、小尺寸、能單人攜帶，不需要笨重的電纜或電子控制模塊，保障成像系統的高空間分辨率。此外，系統應盡量減少其移動和運輸方面的監管復雜性，并且可用于日常連續作業，減少維修/維護工作和更換器件的復雜性。

3）優化Penning離子源結構，提高D+粒子含量。伴隨α粒子中子成像檢測系統的關鍵裝置是中子發生器的研制，中子發生器的研制關系到整個檢測系統的性能。目前針對伴隨α粒子成像系統中子發生器主要采用的Penning離子源，該離子源具有結構簡單、體積小巧、功率小等優點，但是存在單原子D+離子比例低，從而導致中子產額較低的缺點。分析時間過長是系統應用中的一個主要問題，中子產率是優先考慮的，離子源的研究仍然是突破伴隨α粒子成像系統中子發生器的關鍵所在。

4）深入研究探測器材料，發現性價比更優的材料。對于探測器的研究也是伴隨α粒子中子成像系統研究的重點，α粒子探測器多采用YAP閃爍體，γ探測器在對比下多采用NaI（TI）晶體和LaBr3（Ce）晶體，NaI（TI）晶體性價比高，采用LaBr3（Ce）晶體則是彌補了NaI（TI）晶體類型γ探測器的缺點。探索新型材料制作探測器，期許一種既便宜又高效的探測器材料出現。同時，探測器的位置對能量分辨率和時間分辨率都存在影響，探測器的安裝位置值得進一步研究。

5）簡化操作系統。在研究中子發生器在伴隨α粒子中子成像系統中使用的有效性時，還應考慮系統集成時的便利性、操作的簡單性、容錯性、安全性、可靠性、服務需求和維護的可及性。中子發生器必須更容易集成到伴隨α粒子成像系統中，最好采用模塊化的方式，允許部件的更換和現代化。命令窗口可獨立出來，以允許在選擇操作系統時的靈活性和直接使用，實現對中子發生器工作原理知之甚少的技術人員自主或半自主模式使用。

作者貢獻聲明葉龍建負責論文構思、起草文章；張東東負責論文寫作與修改；楊振負責文章內容指導；陳宇航負責對文章的知識性內容做批判性審閱。