笔者研究了一项中子探测技术用来探测隐藏在行李里的化学毒剂或其他的违禁品^[1-4]。我们的实验和理论模拟均表明一个由中子源、高纯锗探测器及核数据获取系统组成的探测装置可以在很短的时间里探测到隐藏在行李中少量的化学毒剂或其他违禁物品。对所检测的行李中是否有化学毒剂或其他的违禁物品的判断并不是像现在广泛使用的X射线检测设备那样由人工完成, 此项中子探测技术是由计算机对探测器所搜集到的中子照射所诱发的γ射线光谱进行分析而迅速得出检测结论^[5]。

1 中子探测技术要解决的问题

恐怖分子随带武器进入公共场合很容易被现在广泛使用的X射线安检设备所发现, 安检设备的操作人员很容易在显示屏上的成像识别出有一个枪隐藏在行李中。但如果恐怖分子隐藏在行李中的不是枪而是一包(或一瓶)化学毒剂或爆炸物, X射线安检设备的操作人员就根本无法从显示屏上的成像判断出这是这些化学毒剂或爆炸物与一包(或一瓶)普通无害物质的区别, 这是因为这些化学毒剂或爆炸物根本就没有固定的形状, 传统的X射线安检设备是利用成像技术来对所检测的物品的形状进行判断, 并且传统的X射线安检设备根本无法检测出隐藏在其它金属容器中的物品。我们要想检测出这些无特定形状的化学毒剂或爆炸物就必须对所检测物品的化学成分进行检测而不是仅仅通过成像技术对物品的形状进行检测。

中子探测技术是备受全球关注的前沿课题, 它在机场及其他的公共场所具有广泛的应用前景, 可以用来防范恐怖分子的袭击。这一技术不同于传统的X射线探测设备, 这一中子技术所探测的是被检查物的化学成分, 然后由计算机对中子诱发的γ谱信号进行处理自动迅速得出结论。既使是隐藏在密封的金属容器内的化学武器和爆炸物也会被穿透力很强的中子穿透并产生所探测物质的特征γ谱线, 而这些特征γ谱线同样具有非常强的穿透能力, 并能逃逸到金属容器的外面来被探测器收集到, 然后由计算机软件进行分析判断而探测到金属容器内物质的化学成分^{[6, 7]}。

2 技术方法

爆炸物、化学毒剂和普通日常用品包含氢、氧、氮、碳等等各种不同的化学元素, 这些不同的元素在各种不同物品中的百分比含量也各不相同, 这样我们原则上就可以通过物品中含有元素的种类和各种不同元素的比例来区分识别不同的物品。如毒品中碳的含量很高, 但氮的含量却非常低, 而爆炸物中氧和氮的含量非常高。另外, 化学毒剂中包含有关键探测元素如氟、氯、磷、砷、硫等, 而日常生活用品中不包括这些元素或含量非常低, 这就给我们提供另外的一种方式来识别这些化学毒剂。如果我们探测的样本中各种元素的比例与化学毒剂中的元素的比例非常接近并有化学毒剂所含有的关键探测元素, 我们就有充足的理由判定这个被探测的物品中含有化学毒剂, 这样我们就有必要对包含该物品的行李进行进一步的开箱检查。表 1中列举了我们筛选出的一些化学毒剂, 并列出了这些化学毒剂的化学方程式和对应的关键探测元素, 我们选择将这些化学毒剂列入表格的原因是有资料显示恐怖分子是有能力制造这些化学毒剂, 并且有些表中所列出的化学毒剂恐怖分子已使用过。

从表 1中我们可以看出化学毒剂中氟、氯、磷、砷、硫的含量一般都比较高, 而日常用品中基本上不包括这些元素或含量非常低, 在中子探测技术中我们就可以利用化学毒剂的这一特征来识别化学毒剂。在日常所用的一些含氟的牙膏里可能氟的含量会比较高, 我们可以采取其它的判断标准来排除行李中的含氟的牙膏^[5]。如果被检测的行李中发射出来的γ射线谱线中氟、磷的特征谱线表现出非常高的含量, 而我们又不能用其它的判断标准来断定是含氟的牙膏, 我们就有理由认为被检测的行李中含有沙林毒剂(Sarin)。这篇文章的目地就是研究探索一种在中子探测技术中有效可行的方法来识别隐藏在行李中的沙林毒剂。

当一个核素的原子核被激发, 它将发射这种核素所特有的γ射线特征谱线, 我们可以观测这个特征谱线来识别这种核素。每个核素的γ射线特征谱线都不一样, 这与我们人的身份证号码一样, 每个人的身份证号码都不一样, 所以可以根据身份证号码来识别不同的人。在用中子探测技术探测化学毒剂及其他违禁物品时我们希望能以最短的时间、最低的误报率来找到我们所寻找的核素的特征谱线。如果背景γ射线谱线非常稳定或者根本没有背景γ射线谱线, 我们将非常容易地探测到所寻找的元素的特征谱线而不会有误报。然而, 在实际的探测环境中背景γ射线谱线非常复杂、不稳定随时间变化, 并且这些背景γ射线谱线有几种不同的来源:如实验中辅助设备产生的放射性、屏蔽探测器材料所放出的γ射线辐射、组成探测器本身材料所放出的γ射线辐射、探测器周围的空气所释放出来的γ射线辐射及宇宙射线辐射。这些γ射线背景辐射的强度在随着时间变化着, 也就是说在每日不同的时刻所测量到的这些γ射线背景谱线在强度上和成分上会有不同, 这些因素会极大地影响着中子探测技术中的探测时间和探测的误报率。如果γ射线探测器没有屏蔽, 宇宙射线背景辐射是γ射线背景辐射的主要来源, 只要对γ射线探测器进行良好的屏蔽, 宇宙射线背景辐射和周围材料的γ射线的辐射就会降到最低, 这时主要的γ射线背景辐射将来自于围绕探测器的屏蔽材料。

恐怖分子在行李中所随带的化学毒剂及其他违禁物品是处于一个极不稳定的γ射线辐射环境中, 而在机场、车站等这种大型繁忙的公共场合又允许有很长的时间来研究这些变化无常的γ射线辐射环境的细节, 如化学毒剂可能被包裹在行李中的衣物或其他的日常用品中, 中子也会与行李中的衣物或其它的物品发生作用产生背景γ射线辐射, 并且所检测的每一个行李的形状、尺寸、里面所含的物品均不相同, 这样γ射线背景辐射将随着被检测行李的变化而发生变化。

解决以上问题一个可行的解决办法是在γ射线背景辐射随时间变化不大的情况下定义一个平均的γ射线背景辐射。探测器周围固定不变的材料也会与中子产生相互作用并产生大量γ射线背景辐射, 但这些γ射线背景辐射的变化并不大。基于已建立一个可行的平均的γ射线背景辐射, 就可利用这个γ射线背景辐射光谱来识别所探测的核素的特征γ射线辐射光谱^[5]。实际上真正的γ射线背景光谱与使用的平均的γ射线背景辐射是有系统的误差的。对于比较强的γ射线辐射信号, 这个真正的γ射线背景光谱与使用的平均γ射线背景辐射的系统误差是可以忽略的, 对我们的探测结果不会产生严重的影响, 因为背景光谱的不确定性与信号的强度相比较比较弱。对于弱的γ射线辐射信号, γ射线背景辐射中计数涨落可能与γ射线信号辐射中的计数处于同一量级, 这种情况下我们必须增加中子对样本照射的时间来增加γ射线辐射信号的强度来克服这个问题^[8], 这样也就增加了实际的检测时间。

可以使用锎- 252中子源^[9]和中子管^[10]产生10⁸ /s中子对隐藏在行李中用磷粉模拟的沙林毒剂进行照射来研究中子探测技术探测化学毒剂的可行性。中子探测技术的优点是中子不带电, 所以中子有很强的穿透能力, 可以穿透行李中的任何包裹化学毒剂或其他任何违禁物的容器, 包括金属容器, 与容器里的物质发生相互作用产生足够的同样具有非常强穿透能力特征γ谱线, 通过计算软件对探测器收集到的这些特征γ谱线进行分析就可以迅速得出检测结论。这一中子探测技术也可以与传统的X射线安检设备一起使用来增加安检的可靠性。图 1是一个中子技术探测化学毒剂或其它违禁物品的安检装置的示意图。

3 分析研究结果

笔者用14 MeV中子管做中子源对实验中隐藏在行李箱中用磷粉模拟的沙林毒剂进行扫描, 14 MeV中子管产生的中子能穿透10 cm的钢板, 所以从14 MeV中子管发出的中子可以穿透行李箱中的任何物品并与行李箱中的任何物品发生反应并产生感生的γ射线特征谱。高纯锗探测器收集这些γ射线特征谱数据后, 我们将这些数据输入计算机与计算机系统里的存入的γ射线背景辐射数据进行分析比对自动做出判断。

我们选择用沙林毒剂作为我们实验中样本是因为国外的新闻机构曾经报道过恐怖分子有能力自己生产制造沙林毒剂并且恐怖分子多次将沙林毒剂用来在公共场合制造恐怖事端。沙林毒剂中所含有的氟和磷这两种元素在人们日常用品中的含量非常低, 在含氟的牙膏里会有比较高的氟的含量, 但实际安检中我们可以通过探测含氟牙膏中含有的几种其他的元素将含氟的牙膏排除。

实验中我们将模拟沙林毒剂的磷粉与旅行中经常随带的物品一起放入行李箱。当我们用高纯锗探测器收集完γ射线辐射信号计数和γ射线背景辐射计数, 并将γ射线背景辐射计数从γ射线辐射信号计数减去后就可以非常清晰地看出磷的γ射线辐射信号。图 2所示的是将γ射线背景辐射计数从γ射线辐射信号计数中减去前后的磷- 31的2 233. 6 keV的γ射线谱线的情况。当我们将磷粉从行李箱中取出, 并重新进行以上实验就根本看不到磷- 31的2 233. 6 keV的谱线。

每一个核素的γ射线特征谱线可能不止一个, 这样我们就可以在针对某一核素进行γ射线特征谱线分析时就可以使用多谱线的分析方法以加快我们探测化学毒剂氟或其他违禁物品的速度^[5]。图 3是我们用磷粉模拟放在行李箱中的0. 5和1. 0 L的沙林毒剂, 对探测器所收集到磷的两条γ射线特征谱线分别进行单谱线和双谱线分析时所得到的结论。从图 3中我们可以看出, 在误报率1%即置信度水平为2. 5的情况下^[5], 如果使用单谱线分析方法要探测出隐藏在行李箱中0. 5和1. 0 L的沙林毒剂分别需要大约50和20 s左右的中子探测的时间, 而如果使用双谱线分析的方法进行探测, 探测出隐藏在行李箱中0. 5和1. 0 L的沙林毒剂分别需要大约10和5 s左右的中子探测的时间。在实际的探测情况下恐怖分子在行李中所随带的化学毒剂的可能比0. 5 L还要少, 所以实际中所需要的探测时间还要长。但我们的这个研究结果表明用中子探测技术探测恐怖分子在行李中所随带的化学毒剂是可行的, 该技术有应用于车站、机场等大型繁忙的公共场合的可能性。当然, 这个中子探测技术离实际的应用尚有很多技术细节需要克服, 如需要将所有需要探测的核素的γ射线特征谱线的数据输入计算机程序, 这是一个非常重要且比较繁琐工作, 这个工作的完善性将直接影响实际应用中的误报率的问题, 这方面极易出现差错; 实际中所需要探测的各核素的γ射线特征谱线的峰可能相互重叠有明显的交叉, 需要解决两个或几个重叠比较严重的γ射线特征谱线的分离解谱问题, 对每个相互重叠的γ射线特征谱线分离解谱的解决程度是关系到错报和漏报的关键问题, 是决定该中子探测技术是否成熟并能否应用于实际的重要标志。每一项新的技术在最开始的时候总会存在这样那样的缺点, 但只要人们共同努力这项技术终将走向成熟。

4 总结

笔者探索了用中子诱发γ射线谱线探测隐藏在行李中的化学毒剂方法。这项中子探测技术中包括定义一个平均的背景光谱、将背景光谱从所探测的信号谱中减去、然后用计算机程序对所得到的谱线进行分析并由计算机自动得出结论, 该计算机软件能对所探测核素的单谱线和双谱线进行分析。

研究结论表明, 所定义的平均背景光谱是适合用于中子探测技术中所探测到核素的γ谱线进行元素分析。从研究结果中可以得出使用这一中子探测技术可以在大约10 s左右或更短的时间里对所探测的行李做出判断。随着此项研究的不断深入, 探测时间可能会更短, 这一中子探测技术在车站、机场等公共场合有可能有潜在的应用价值。

下一步的研究可以使用MCNP对这个中子辐照探测化学毒剂、爆炸物的过程进行模拟。MCNP程序是美国几个国家实验室经五十多年的努力联合开发的一个大型中子输运模拟程序, 该程序被世界各国的科学家广泛应用于与中子、电子和γ光子输运相关的各个领域, 它能模拟不同种类的中子源、与中子相互作用物质的化学成分、相互作用物质复杂的几何形状、感生的γ辐射, 能计算辐照过程辐射剂量、系统的keff等等^[11]。