伴隨粒子中子檢測系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用

葉龍建 張東東 楊振 陳宇航

1（大連理工大學(xué) 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(xué) 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(tǒng)原理及意義

1.1 應(yīng)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(guān)檢查過程中，最重要的任務(wù)就是及時、有效將危險物檢測出來，防止恐怖犯罪行為發(fā)生。在當(dāng)今快節(jié)奏的世界貿(mào)易活動中，運輸集裝箱是走私、販毒、運輸爆炸物和核物質(zhì)材料等危險非法物質(zhì)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(mào)易和社會安全至關(guān)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(hù)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(shù)、化學(xué)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(tǒng)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(xué)成分信息［3］；熱中子檢測技術(shù)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(shù)是由氘-氚反應(yīng)產(chǎn)生14 MeV的快中子與C、N、O發(fā)生碰撞產(chǎn)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(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用，它是一種高精度時間、空間標(biāo)記中子的主動質(zhì)詢方法，通過探測與中子產(chǎn)生相伴隨的α粒子，結(jié)合中子飛行時間技術(shù)，由延時符合檢測待測物質(zhì)誘發(fā)的特征γ射線和誘發(fā)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(shù)可以有效排除雜散中子等本地干擾信號或不關(guān)聯(lián)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(tǒng)

伴隨α粒子中子檢測系統(tǒng)主要包括：帶α粒子探測器的中子發(fā)生器、γ探測器、快電子學(xué)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)［8］等組件，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，保證了檢測人員的人身安全。中子發(fā)生器是一個產(chǎn)生中子射線的裝置，其實質(zhì)是一種小型的粒子加速器，它把離子源、加速系統(tǒng)、靶、氣壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)緊湊地集成在一根真空的陶瓷管內(nèi)。中子發(fā)生器的工作過程是先對中子管內(nèi)的燈絲進(jìn)行加熱，儲存器釋放出的氘氣進(jìn)入真空腔內(nèi)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(nèi)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(nèi)的氚原子發(fā)生核反應(yīng)，從而釋放出中子［9］。

伴隨α粒子中子檢測技術(shù)檢測原理如圖1所示。氘氚核反應(yīng)時，剛好以相反方向發(fā)射出一個α粒子和一個14 MeV能量的中子，核反應(yīng)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(shù)，即同時測量α和中子誘發(fā)的γ射線，再根據(jù)它們之間的時間關(guān)系，結(jié)合中子的飛行速度，確定了中子的飛行距離（設(shè)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(zhì)的C、N和O元素作用發(fā)生非彈性散射，核反應(yīng)方程式如式（2～4）所示，分別發(fā)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(jù)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(xiàn)對可疑爆炸物區(qū)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(shù)的重要指標(biāo)性能，分辨率的高低決定了該技術(shù)的應(yīng)用價值和應(yīng)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，F(xiàn)WHM）和束斑直徑等因素有關(guān)。x、y方向的分辨率由束斑直徑?jīng)Q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(shù)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(dá)到納秒量級。α探測器的立體角決定了被標(biāo)記中子的立體角和作用區(qū)域，相對于傳統(tǒng)的中子檢測方法具有自準(zhǔn)直功能和3D成像功能，并且檢測效率也進(jìn)一步提高。

被α粒子標(biāo)記的中子與危險物作用產(chǎn)生瞬發(fā)γ射線，與未被標(biāo)記的中子產(chǎn)生的γ不關(guān)聯(lián)，形成本底。通過α-γ符合的飛行時間譜，選出與α粒子相關(guān)聯(lián)的中子產(chǎn)生的γ射線，減小中子與周圍環(huán)境產(chǎn)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(jìn)行分析［12］。

2 關(guān)鍵部件的發(fā)展與應(yīng)用

2.1 伴隨α粒子中子發(fā)生器

基于高精度時間、空間標(biāo)記伴隨α粒子中子檢測技術(shù)的應(yīng)用涉及一個最重要的問題就是中子的產(chǎn)生，這就必然需要一個產(chǎn)生中子的裝置，即中子發(fā)生器，伴隨α粒子中子管結(jié)構(gòu)如圖2所示。為滿足該技術(shù)實際應(yīng)用的需要和推廣，中子發(fā)生器須具有輕便、體積小、中子產(chǎn)額穩(wěn)定且較高、壽命長、操作方便、便于運輸、安全等特點，據(jù)此國內(nèi)外研制出了不同類型的中子發(fā)生器。

圖2 帶α粒子探測器的中子發(fā)生器原理結(jié)構(gòu)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(chǎn)額（2～7）×107n·s-1，工作壽命最大1000 h，是一套相對成熟的產(chǎn)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(xué)、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(yīng)用于伴隨粒子標(biāo)記中子檢測系統(tǒng)。

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(fā)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(dá)到1 mA，產(chǎn)生最大中子產(chǎn)額109n·s-1，束斑聚焦至1 mm。美國的Purdue University采用該類型中子發(fā)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(fā)生器研發(fā)的單位。其開發(fā)的型號API-120是一種輕型便攜中子發(fā)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(shè)計，其功率消耗小于50 W，使用壽命可達(dá)1200 h，中子產(chǎn)額達(dá)到了（1～20）×107n·s-1，被美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）應(yīng)用于核材料鑒別系統(tǒng)（Nuclear Materials Identification System，NMIS）中。

美國加州大學(xué)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(fā)生器?；赗F（Radio Frequency）離子源的緊湊型伴隨粒子成像中子發(fā)生器［16-17］，如圖4所示。其功率100 W，采用靶負(fù)高壓引出正離子的工作模式，束斑直徑可達(dá)到1 mm?；贓CR（Electron Cyclotron Resonance）離子源的密封管式伴隨粒子中子發(fā)生器［18］，主要用于特殊核材料探測，D-D中子產(chǎn)額可達(dá)到106n·s-1，引出氘離子束流強度可達(dá)100 μA。

圖4 美國Sandia國家實驗室的RF源伴隨粒子中子發(fā)生器結(jié)構(gòu)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(fù)離子RF源的帶伴隨α粒子的中子發(fā)生器［19］，是一臺動真空緊湊型的中子發(fā)生器。其亮點是負(fù)電荷氘離子，通過磁場偏轉(zhuǎn)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(xù)波運行，目前D-D中子產(chǎn)額達(dá)106n·s-1。

法國SODERN公司的中子發(fā)生器Genie 16［20］，采用Penning離子源，中子產(chǎn)額可達(dá)2×108n·s-1，源高壓靶接地設(shè)計，避免靶與α粒子探測器間電場分布引起擊穿，被波蘭應(yīng)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(fā)過一套伴隨α粒子型中子發(fā)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(chǎn)額達(dá)到5.5×107n·s-1，該中子發(fā)生器正常工作時間小于100 h；后續(xù)研制出一款高中子產(chǎn)額的中子發(fā)生器，當(dāng)輸入靶壓155 kV時，產(chǎn)額超過1.1×1010n·s-1。

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

東北師范大學(xué)自主研制了型號為NG-9中子發(fā)生器，最大產(chǎn)量可達(dá)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(shè)成本約10萬美元，該發(fā)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(shù)：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(fù)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(yōu)點，但存在能量分辨率差的缺點，不過適用于氘-氚反應(yīng)產(chǎn)生的單能α粒子測量。α粒子探測器在伴隨粒子成像技術(shù)中十分的重要，它的性能指標(biāo)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(biāo)位置，這樣才能更準(zhǔn)確探測到爆炸物的位置。位置靈敏α探測器一般由響應(yīng)屏、正方形截面的光纖束、光電倍增管（Photomultiplier Tube，PMT）組成，根據(jù)不同的響應(yīng)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(biāo)為光產(chǎn)額、發(fā)光衰減時間、光子吸收厚度等。光產(chǎn)額越高，探測器的能量和空間分辨率越高；發(fā)光衰減時間越短，時間分辨率越好，一般要求發(fā)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(biāo)參數(shù)，并列舉了實際應(yīng)用于伴隨粒子檢測系統(tǒng)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(xué)徐四大團(tuán)隊的伴隨系統(tǒng)采用ZnS：Ag屏［26］，如圖6所示，位置分辨率可達(dá)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(jìn)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(tǒng)采用的自行設(shè)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(fā)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(fā)生器、法國SODERN的Genie 16D中子發(fā)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(yīng)用也較為廣泛。

圖6 清華大學(xué)ZnS(Ag) α探測器結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(yīng)該具有以下優(yōu)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(jìn)一步提高系統(tǒng)時間分辨率而被應(yīng)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(fā)生器采用了BGO晶體γ探測器，BGO晶體的主要優(yōu)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(xué)的爆炸物檢測系統(tǒng)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(dǎo)致能量分辨率較差，且由于晶體和石英窗的價格導(dǎo)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(fā)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(yīng)用于C-BORD項目、ING-27型中子發(fā)生器、波蘭SWAN危險材料檢測系統(tǒng)中；LYSO晶體γ探測器被用于東北師范大學(xué)研制的爆炸物檢測系統(tǒng)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(xué)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(biāo)記中子探測技術(shù)應(yīng)用情況

國內(nèi)外均有成功研制出一套完整的基于伴隨α標(biāo)記技術(shù)的爆炸物檢測系統(tǒng)，并開展了一系列試驗測試工作，但是目前還未大規(guī)模裝配應(yīng)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(fā)展，歐洲在伴隨α粒子檢測技術(shù)的應(yīng)用處于世界先進(jìn)水平，如圖8所示。在EURITRACK項目基礎(chǔ)下繼續(xù)開展的CBORD項目旨在將高級輻射管理、下一代貨物X射線、標(biāo)記中子檢查、基于光裂變和蒸發(fā)檢測等5種檢測技術(shù)結(jié)合使用至少兩種獨立的技術(shù)，以改善檢查結(jié)果，并開發(fā)出第一個快速可移動標(biāo)記中子檢測系統(tǒng)［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(jìn)行安裝測試。

圖8 EURITRACK項目的TNIS檢測系統(tǒng)[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(fā)的一種基于伴隨α粒子中子探測技術(shù)，該檢測系統(tǒng)開發(fā)了相匹配的數(shù)據(jù)采集、電子和數(shù)據(jù)分析軟件，主要用于對水下的爆炸物進(jìn)行檢測和識別，并且可以根據(jù)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(tǒng)［50-51］，如圖9（a）所示。在該系統(tǒng)的試驗過程中，可在2～3 min內(nèi)從中性材料中辨別出爆炸物。

圖9 波蘭SWAN危險物檢測系統(tǒng)(a)和美國FNMIS探測系統(tǒng)(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(shù)的研究取得了一定的成績，2022年，韓國原子能研究所研發(fā)出一種用于檢測航空貨物中是否包含爆炸物的復(fù)合型檢測裝置。融合了6 MV X射線檢測技術(shù)和14.1 MeV中子探測技術(shù)，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(fā)了基于D-T聚變反應(yīng)的伴隨α粒子中子探測的核材料鑒別系統(tǒng)（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(tǒng)［29］，如圖9（b）所示，以及高分辨率的先進(jìn)便攜式的中子成像系統(tǒng)（Advanced Portable Neutron Imaging System，APNIS）。低分辨率的NMIS在2004年已經(jīng)應(yīng)用于核材料探測，F(xiàn)NMIS于2015年完成交付使用，此外還開展了超級便攜的探測系統(tǒng)的概念設(shè)計，該系統(tǒng)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(shè)新一代的港口檢測技術(shù)，主要針對入境車輛和集裝箱進(jìn)行掃描，以發(fā)現(xiàn)包括輻射在內(nèi)的潛在威脅［58］。俄羅斯KRI與APSTEC（Applied Physics Science and Technology Center）聯(lián)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(jīng)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(xué)徐四大教授課題組在20世紀(jì)90年代搭建了一套檢測爆炸物的伴隨α粒子中子發(fā)生器系統(tǒng)，用于機場檢測炸藥和毒品等，據(jù)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(xué)與中國原子能科學(xué)研究院合作，采用俄羅斯ING-27型中子發(fā)生器，研制了一套爆炸物檢測系統(tǒng)，如圖10所示。利用該系統(tǒng)測試了包裹和腔體內(nèi)爆炸物［63-65］，在多種材料干擾的情況下可在3～5 min內(nèi)檢測出300 g的爆炸物。該裝置還被用于對墻體內(nèi)爆炸物的檢測，在不同墻體厚度干擾下進(jìn)行試驗，檢測時間最長為10 min，正確檢出率可達(dá)80%以上［66-67］。

圖10 東北師范大學(xué)與中國原子能研究所共同研制的爆炸物檢測系統(tǒng)[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(shù)的隱藏爆炸物安檢儀，中子發(fā)生器為俄羅斯的ING-27型，被用于安檢通道內(nèi)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(shù)的快中子化學(xué)戰(zhàn)劑無損檢測系統(tǒng)，對沙林、VX、芥子氣和亞當(dāng)氏劑4種具有典型特征的化學(xué)戰(zhàn)劑進(jìn)行測量試驗，該系統(tǒng)可以對化學(xué)站劑快速、實時無損檢測。

表3總結(jié)了不同檢測系統(tǒng)的試驗測試結(jié)果。

表3 不同檢測系統(tǒng)的試驗結(jié)果情況Table 3 Test results of different detection systems

4 技術(shù)展望

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

1）多種檢測方法搭配組合。根據(jù)實際的應(yīng)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(jié)合多種檢測方法，可先大面積地檢測，然后再針對可疑區(qū)域進(jìn)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(zhǔn)確性，是將來海關(guān)、港口、安檢口對核材料、爆炸物、化學(xué)戰(zhàn)劑、毒品等材料一體化檢測的需求趨勢。

2）檢測系統(tǒng)模塊化發(fā)展，實現(xiàn)快速拆解和組裝。對于伴隨α粒子中子成像檢測系統(tǒng)應(yīng)逐漸趨向于快速可移動標(biāo)記中子檢測系統(tǒng)（Rapidly Relocatable Tagged Neutron Inspection System，RRTNIS），針對不同的應(yīng)用環(huán)境，可以快速的對檢測系統(tǒng)進(jìn)行拆解和重新組裝，發(fā)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(yè)、勘探、醫(yī)療等用途的轉(zhuǎn)換。尤其是便攜式現(xiàn)場應(yīng)用，安全防護(hù)屏障最小化和遠(yuǎn)程無線操作將成為一種可能。中子發(fā)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(tǒng)的高空間分辨率。此外，系統(tǒng)應(yīng)盡量減少其移動和運輸方面的監(jiān)管復(fù)雜性，并且可用于日常連續(xù)作業(yè)，減少維修/維護(hù)工作和更換器件的復(fù)雜性。

3）優(yōu)化Penning離子源結(jié)構(gòu)，提高D+粒子含量。伴隨α粒子中子成像檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置是中子發(fā)生器的研制，中子發(fā)生器的研制關(guān)系到整個檢測系統(tǒng)的性能。目前針對伴隨α粒子成像系統(tǒng)中子發(fā)生器主要采用的Penning離子源，該離子源具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、功率小等優(yōu)點，但是存在單原子D+離子比例低，從而導(dǎo)致中子產(chǎn)額較低的缺點。分析時間過長是系統(tǒng)應(yīng)用中的一個主要問題，中子產(chǎn)率是優(yōu)先考慮的，離子源的研究仍然是突破伴隨α粒子成像系統(tǒng)中子發(fā)生器的關(guān)鍵所在。

4）深入研究探測器材料，發(fā)現(xiàn)性價比更優(yōu)的材料。對于探測器的研究也是伴隨α粒子中子成像系統(tǒng)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(xiàn)。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(jìn)一步研究。

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

作者貢獻(xiàn)聲明葉龍建負(fù)責(zé)論文構(gòu)思、起草文章；張東東負(fù)責(zé)論文寫作與修改；楊振負(fù)責(zé)文章內(nèi)容指導(dǎo)；陳宇航負(fù)責(zé)對文章的知識性內(nèi)容做批判性審閱。