脉冲快热中子分析探雷有效信号获取及解析

摘要

据国际反地雷组织ICBL统计，全球每年都会新增数千名残余地雷导致的受害者。为了缓解这一状况，各国开展了多种探雷技术的研究，其中可进行无损元素分析的核技术探雷手段显示出了多方面的优势。脉冲快热中子分析(PFTNA)探雷技术是一种新兴的核技术探雷手段，该技术可对目标物元素含量或含量比进行定量分析。近年来，以美国为首的发达国家在这一领域开展了很多相关研究。美国西部肯塔基大学开发的脉冲中子元素分析仪(PELAN)已经成功开展了雷场试验。国内关于PFTNA的研究起步较晚，本论文是国内首次尝试将该技术应用于地雷探测。
　　首先，采用蒙卡程序模拟了源中子从产生到与目标物核素发生核反应的全过程。通过模拟获取慢化、衰减等过程的时间尺度，从理论上验证了PFTNA分时测量原理。然后，基于“热谱最优化”的时序优化原则，首次提出了PFTNA时序参数量化优化的理论模型。通过该模型可获取不同应用场景下的PFTNA最优时序参数，本文还从理论上详细论证了该模型的可行性及对环境、探测布局的适应性。
　　基于国产ZDF-1型脉冲d-T中子发生器，设计并搭建了PFTNA探雷实验平台。设计了中子源反射慢化体、屏蔽体等关键结构单元，并对系统探测布局进行了优化。成功实现了稳定的PFTNA分时测量系统。基于上述系统，在不同土壤背景下，开展了探雷实验研究，成功获取了具有高信噪比的典型目标物的快中子诱发谱与热中子诱发谱。能谱分析结果表明，该系统适用于不同土壤背景下的地雷探测，可准确区分地雷样品与常见干扰物。实验结果验证了PFTNA应用于地雷探测的可行性，但在探测速度方面，现有的探雷系统尚不能满足地雷探测的实际需求。
　　在能谱分析方面，本文对比了传统的最小二乘拟合(LS)与新型的主成分分析(PCA)两种解谱算法。对比结果表明PCA算法更适合用于PFTNA地雷探测的能谱解析，并对PCA算法进行了理论上的探索。采用geant4程序搭建了简化的探测模型，通过对9种已知样品特征能谱的学习，系统具备了区分炸药与普通有机物的能力，这一过程从理论上证明了PCA解谱算法的可行性。
　　本文最后从硬件与软件两个方面分析了现有PFTNA探雷实验系统存在的不足，为下一步系统改良制定了工作计划，并对该PFTNA系统应用于未来人道主义探雷事业做出了展望。

目录

声明

摘要

第一章 引言

1．1 论文背景

1．2 脉冲快热中子分析探雷原理

1．3 脉冲快热中子分析技术的发展现状

第二章 PFTNA探雷系统的理论设计

2．1 源中子输运过程模拟

2．2 PFTNA时序参数优化的理论模型

2．2．1 时序优化理论建模

2．2．2 时序优化模型实例化论证

2．2．3 理论模型实例化评估

2．3 PFTNA探雷实验系统的设计

2．3．1 中子源及探测器

2．3．2 反射慢化体设计

2．3．3 屏蔽体设计

第三章 PFTNA探雷实验研究

3．1 PFTNA探雷实验系统

3．2 PFTNA探雷实验研究

3．2．1 土壤背景探测实验

3．2．2 土壤背景探测实验

3．2．3 系统探测速度评估

3．3 反射慢化体验证实验

3．4 PFTNA时序参数优化实验

第四章 新型PFTNA时序能谱解析算法探索

4．1 引言

4．2 传统的基于响应函数的最小二乘法

4．3 主成分分析(PCA)解谱算法原理

4．3．1 PCA算法的数学思想

4．3．2 PCA算法的物理内涵

4．3．3 PCA算法的计算过程及数学证明

4．4 PCA算法应用PFTNA能谱解析的理论探索

4．5 PCA算法探索小结

第五章 总结

致谢

学术论文发表情况

学术活动参加情况

研究生期间获奖情况

参考文献