英国物理学家莫塞莱通过实验发现了元素的特征X射线能量随着原子序数增加而增加的经验定律^[14],即:

E=k₁(Z-σ)²(1)

式中:E为特征X射线的能量; Z为原子序数; k₁为与X射线线系相关的常数; σ为屏蔽因子。对于Kα谱线,σ≈1,对于Lα谱线,σ≈7.4。

将式(1)转换为里伯德公式^[15]形式,可以得到:

E=RhC(Z-σ)²(1/(n²₁)-1/(n²₂))(2)

式中:n₁、n₂分别为电子跃迁前后所处壳层的主量子数; R为里伯德常数,R_∞=1.097373157×10⁷m^-1; h为普朗克常数,6.62607015×10^-34J·s; C为光速,2.99792458×10¹⁰cm/s。

基于上述原理,选择日常生活中极少见,且特征X射线易于激发、能量较大的元素作为爆炸物示踪元素。选取包含示踪元素且化学性质稳定的标识物,即示踪剂,不仅保质期长,而且可以与爆炸物长期相容共存,保证了示踪效果的长期有效性。

设计的试验装置结构如图1所示,主要由初级X射线发射系统、特征X射线探测系统、控制分析系统和测试仓等几个部分组成。初级X射线发射系统由X光管、高压电源和冷却系统组成。只要电源关闭,X光管就会停止发射X射线,因此相比于放射源而言,使用起来更加安全可控。通过设置X光管的管压和管流,可灵活调节初级X射线的强度,以便确定最佳激发条件。优选适当材质和厚度的滤光片,并进行光路设计与优化,对示踪元素特征X射线进行选择性激发,提高示踪元素特征X射线的激发效率和探测灵敏度。探测器选用先进的高灵敏硅漂移半导体探测器(SDD)。控制分析系统对探测到的示踪元素特征X射线谱(以K系线为主),通过数学变换和建模等方法,进行解谱分析,同时解析和消除干扰谱线。

图1 试验原理和装置示意图
Fig.1 Diagram of the test principle and device

试验时,将均匀混合示踪剂的炸药样品置于测试仓内的载物台上探测器的正上方位置,介质材料位于探测器与炸药样品之间。介质材料的厚度要均匀,水平方向的尺寸要大于样品,以保证炸药内示踪元素的特征X射线传输至探测器的部分全部穿过介质材料。分析软件按照一定的算法分析计算后,清除干扰信号,在背底中识别出示踪元素特征X射线谱系,当探测到的示踪元素Kα射线谱强度与背底之间达到一定的区分度时,软件给出报警信息。

粒状铵油炸药,北京京煤化工有限公司。硝酸铵(NH₄NO₃)和柴油(C₁₆H₃₂)的质量分数分别为94.5%和5.5%。

称取6份粒状铵油炸药,每份100g,依次均匀混合质量分数分别为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%、0.10%的示踪剂。由于C和H元素对X射线的吸收很弱,因此所有炸药样品均用塑料(PE)袋包裹或塑料盒盛放。介质选用空气、布料、纸张、木板、泡沫、塑料和铜、铁、铝等几种常见材料。

首先,给试验装置通电,预热30～60min; 然后,将介质材料平辅在测试仓底部探测器的正上方,再将炸药样品放置在介质材料上表面正对探测器的位置,如图2所示。样品放置好之后,关闭测试仓的仓门,开启X光管和探测系统,X光管电压缓慢升至75～80kV、电流升至5～6mA,持续检测10s之后,试验装置自动给出结果。

图2 铁板介质材料实验布置
Fig.2 Experimental arrangement of the medium materials of iron plate

测试结果有“报警”、“提示”和“漏报”3种情况,其中“报警”为探测器捕捉到示踪元素的特征X射线,且强度超过设定值,系统给出警示信号,即发现了爆炸物; “提示”为探测到的示踪元素特征X射线强度接近于设定值,系统无法准确判定,而给出需要重新检测的提示信息,即发现疑似爆炸物; “漏报”为试验装置未探测到示踪元素特征X射线或者捕捉到的示踪元素特征X射线强度低于设定值,而未给出警示或提示信息的情况,即未发现爆炸物。

每个炸药样品在相同条件下重复测试10次,根据报警次数统计报警率; 同一炸药样品在其他条件不变的情况下,变换介质材料种类和探测距离进行测试,非金属材料的探测距离由各材料的厚度决定,金属材料的探测距离为其厚度与其上表面与炸药样品下表面在空气中的距离之和。

试验分3个部分:第一部分测试了具有不同示踪剂质量分数的50g粒状铵油炸药,几种介质材料不同探测距离的安检报警情况; 第二部分测试了示踪剂质量分数0.05%的100g至10g炸药样品,几种介质材料不同探测距离的安检报警情况; 第三部分测试了示踪剂质量分数0.05%的炸药试样,在本试验装置最佳条件下能够准确检测的最少药量。

50g粒状铵油炸药100%报警(10次测试全报警,以下同)的最大探测距离试验结果,如表1和表2所示。其中,表1试验样品的示踪剂质量分数由0.10%依次降为0.05%、0.04%、0.03%、0.02%、0.01%,介质材料分别为空气、布料、纸张、泡沫、木板,表2为铝、铁、铜作为介质材料的试验结果。

表1 50g铵油炸药100%报警的最大探测距离
Table 1 Maximum detection distance for 100% alarm of 50g ANFO

由表1可以看出,在相同的示踪剂质量分数前提下,不同介质材料的最大探测距离明显不同,其中空气中的探测距离最大,纸张的探测距离最小,从大到小的顺序依次为:空气>泡沫>衣物>木板>纸张。分析其原因,是由于最大探测距离与介质的密度密切相关,密度越小对示踪元素特征X射线的吸收越少,在介质中传播的距离就越大,几种介质材料中空气的密度最小,因此在空气中的探测距离最大。

表2 50g铵油炸药100%报警的探测距离与金属厚度
Table 2 Detection distances and metal thickness for 100% alarm of 50g ammonium oil explosives

表2数据表明,探测距离与金属材料的种类和厚度有关。以示踪剂质量分数0.05%为例,示踪元素的特征X射线穿透0.4mm的铜,距离40mm能准确探测到,而穿透0.6mm的铁,准确探测到的最大距离仅为1mm,厚度分别为3mm和6mm的铝板,准确探测到的最大距离分别为40mm和10mm。这些数据表明,示踪元素的特征X射线比较容易穿透铝质材料,而穿透铁质材料相对较难,铜质材料介于铝和铁之间。3种金属材料中,铝的密度最小,因此能够穿透的厚度最大。生活中常见的易拉罐和茶叶盒,材质一般为铝或铁,壁厚0.22～0.30mm。由此可见,如果将示踪爆炸物放置在易拉罐等金属材料包装内,只要示踪剂质量分数和爆炸物的质量达到一定值,就可以在包装外探测到。

将上述各试验中100%报警的最大探测距离列于表3。最大探测距离反映出用相应的介质材料作包装材料时的最大可测厚度,即在该厚度包装内示踪爆炸物在最佳条件下能够被准确探测到。如表3中的布料,在示踪剂质量分数0.05%、样品质量50g的前提下,用其做包装材料,只要厚度小于80mm,其内的炸药就可探测到,而木板最大厚度为70mm,泡沫为90mm,纸张为40mm,铝为6mm。

表3 不同介质材料中100%报警的最大探测距离
Table 3 Maximum detection distance for 100% alarm in different media materials

选取表3中50g炸药与空气、布料、纸张、铝板4种介质材料对应的数据绘制曲线,如图3所示。

图3 50g粒状铵油炸药示踪剂质量分数与最大探测距离的关系
Fig.3 Relationship between the maximum detectable distance and the content of security tracer in 50g explosive

由图3可以看出,对于相同质量的炸药样品,在相同介质中最大探测距离与示踪剂的含量呈线性增长关系,不同介质材料的差异体现在直线的斜率上。例如:空气、布料和纸张的斜率分别为1550.8、1000和620,斜率反应出介质材料对示踪元素特征X射线的吸收能力,空气的吸收能力最小,因此其斜率最大。

分别测试了示踪剂质量分数0.05%的100、40、30、20、10 g粒状铵油炸药100%报警的最大探测距离。几种非金属材料和金属材料的试验结果,分别见表4和表5。

表4 示踪剂质量分数0.05%试样100%报警的最大探测距离
Table 4 Maximum distance for 100% alarm of explosive sample with 0.05% tracer addition

表5 不同药量100%报警的探测距离及对应的金属厚度
Table 5 Detection distance for 100% alarm and the corresponding metal thickness

表4数据表明,最大探测距离与炸药质量和介质材料都有关,对于同一种介质材料而言,探测距离会随着药量的减少而减小。根据表4中空气和布料两种介质材料的试样质量与最大探测距离数据绘制曲线,如图4所示。

表5数据显示,探测距离与金属种类和厚度有关。例如,100g炸药对应的0.4mm铜与6mm铝的最大探测距离同为40mm,这说明铝的穿透性优于铜,而铝的厚度增加到9mm时,最大探测距离降为10mm。

图4 炸药质量与最大探测距离的关系
Fig.4 Relationship between explosive mass and the maximum detectable distance

由图4可知,在两种介质材料中,炸药质量与最大探测距离呈线性增长关系,说明药量越大越容易被安检发现。

测试了示踪剂质量分数0.05%的炸药试样在最佳条件下能够被100%探测到的最少药量,试验结果见表6。所谓最佳条件是指将样品直接放置在探测器正前方,此时,探测距离为0,样品与探测器之间仅为其塑料包装材料而无其他介质。

表6 探测距离为0时最少药量试验结果
Table 6 Test results of minimum dosage at detection distance of 0

表6中数据表明,大于4g的粒状铵油炸药能够被100%探测到,3g粒状铵油炸药被探测到的概率为80%。对于块体爆炸物探测技术而言,该结果在准确性和精度上均取得显著进步。如果进一步优化技术条件、参数和算法,其探测灵敏度和精度还有较大提升空间。