解谱流程及神经网络应用于解谱的初步研究

四川大学本科毕业论文中子诱发目标核素γ能谱及其分析1中子诱发目标核素γ能谱及其分析专业：核工程与核技术学生：方肖指导老师：杨朝文老师摘要：隐藏在普通物质中的爆炸物可能对人类的生命财产安全带来极大的威胁，因此找到一种准确的高效的检测爆炸物的方法是十分必要的。通过中子对物质进行轰击我们可以得到中子与组成物质的元素反应所放出的γ射线的能谱图。对于不同的物质所获得的γ能谱是不一样的，通过解析这些γ能谱我们便可以分辨是否有爆炸物存在。为了提高这种检测爆炸物技术的效率和准确性，尝试将BP人工神经网络技术初步运用于解谱的环节。BP神经网络是一种基于误差反传调整权值的网络，利用对样本的训练将理论输出与实际输出之间的差距作为误差信号反传回去从而调整权值，通过对权值的调整来模拟输入与输出之间的复杂的非线性函数关系。将9组中子诱发暴露于空气中的不同质量TNT的γ能谱的原始数据进行谱平滑，寻峰，函数拟合，得出了9个能谱中的C,N,O的特征能峰之比，将N/C,O/C,N/O作为输入，9组TNT的质量作为输出，进行BP神经网络的训练。训练完成后输入测试值，并将实际输出值与理论输出值进行比较。关键词：爆炸物，γ射线，BP神经网络，解谱TheAnalysisofNeutron-inducedGammaRaySpectrumofExplosiveMajor:ParticlePhysicsandNuclearPhysicsstudent:fangxiaoSupervisor:Prof.YangChaowenAbstract:Explosiveshidinginordinarymattercouldbegreatthreattoourlifeandproperty.Itisurgenttofindawaytodetectexplosiveaccuratelyandefficiently.Byneutronbombardmentofsubstanceswecangettheenergyspectraofgammaraysreleasedbytheresponsebetweenneutronsandcompositionelementsofthematerial.Spectraofgammaobtainedfromthedifferentsubstancesisnotthesame,Byanalyzingtheseγspectrumwecanknowthepresenceofexplosives.Inordertoimprovetheefficiencyandaccuracyofthisexplosivedetectiontechnology,wetrytoapplyBPartificialneuralnetworktechnologyintotheinterpretationofthespectrum.BPneuralnetworkisbasedonerrorbackpropagationandweightadjusting.Usingsamplestrainingtoanti-passanerrorsignal-thegapbetweenthetheoretical四川大学本科毕业论文中子诱发目标核素γ能谱及其分析2outputandactualoutput,wecanadjusttheweights.Furthermore,wecansimulatethecomplexnonlinearrelationshipbetweeninputandoutput.Induceandexpose9-groupofTNTwithdifferentqualitytotheair.Afterspectralsmoothing,peaksearching,functionfitting,weobtainedtheC,N,Oratiooftheenergypeakfromninespectrum.usingtheN/C,O/CandN/Oastheinputs,ninegroupsofTNT'qualityasoutputs,wecantraintheBPneuralnetwork.Afterthetraining,enterinthetestvalue,comparetheactualoutputvalueandthetheoreticaloutputvalues.Keywords:explosives,gammaray,BPneuralnetwork,spectruminterpretation四川大学本科毕业论文中子诱发目标核素γ能谱及其分析3目录第一章绪论…………………………………………………………………………41.1研究背景与研究意义……………………………………………………………41.2国内外研究现状…………………………………………………………………81.3本文的主要研究工作……………………………………………………………9第二章人工神经网络方法…………………………………………………………102.1人工神经网络概述……………………………………………………………102.2人工神经网络的基本特点……………………………………………………102.3人工神经网络的基本功能……………………………………………………11第三章γ能谱的解析………………………………………………………………143.1解谱概述………………………………………………………………………143.2解谱工作流程…………………………………………………………………143.3解谱结果………………………………………………………………………16第四章主要结论……………………………………………………………………174.1主要结论………………………………………………………………………174.2存在的问题……………………………………………………………………17参考文献……………………………………………………………………………17致谢…………………………………………………………………………………19四川大学本科毕业论文中子诱发目标核素γ能谱及其分析4第一章：绪论1.1研究背景与研究意义由于历史战争和人为的许多原因，我们生活的环境中存在着很多的爆炸物，这些爆炸物极大的威胁到了人类的生命财产安全。尤其是由于战争原因遗留在野外的地雷等爆炸物，由于战后没能被及时的清理掉而给平民带来了极大的危险，引发了很多无辜平民不幸受伤的惨剧。[1]。根据美国等发达国家的危险爆炸物统计数据库的资料以及联合国的地雷统计数据库的资料[2]，在第二次世界大战后，全世界的六十多个涉战国中所残留的地雷数量约有6—11亿之多。表1-1给出了排名前十二位的含雷国家的情况。国家美国国防部报告（万）联合国地雷数据库（万）阿富汗500~7001000安哥拉600~15001500波斯尼亚60~100300柬埔寨400~60060克罗地亚40~600300厄立特里亚50~100100伊拉克10001000莫桑比克100300纳米比亚55尼加拉瓜8.510.8索马里100100苏丹100100总数2963.5~4353.55315.8表1-1：世界各国含雷数量统计地雷的种类是多种多样的据估计应该多达三四百种，但总的来讲无外乎分为目的在于杀伤人的地雷和目的在于杀伤坦克的地雷。用于杀伤人的地雷的英文缩写为APM，用于破坏坦克车辆的地雷的英文缩写是ATM。表1-2给出了以杀伤人为目的的地雷和以破坏车辆与坦克的地雷的属性比较[2,3]。四川大学本科毕业论文中子诱发目标核素γ能谱及其分析5类型ATMAPM攻击目标机械装置人重量6-11kg0.1-4kg直径15-30cm2-12.5cm高度5-9cm5-10cm掩埋深度（MIN）地表地表掩埋深度（MAX）15cm5cm主要爆炸物TNT，CompB，RDXTNT，CompB，Tetryl爆炸压力120kg0.5kg表1-2：反人类地雷与反坦克地雷的基本属性这两种地雷究其本质都是通过爆炸来进行杀伤的，但是它们之间还是存在着一些不一样的地方，虽然这些分别是很微小的。一般来说，用于杀伤坦克车辆的地雷所需蕴含的爆炸物要特别多，因此这种地雷的体积要比普通的反人类地雷大得多。一旦爆炸，其威力足以摧毁一定范围内相当数量的车辆，坦克以及敌方的有生力量。通常情况下，反坦克地雷一般运用在公路，桥梁等坦克车辆能够行进的平坦开阔的地方。图1-1给出了常见的反人类地雷的图片，图1-2给出了常见的反坦克地雷的图片。（a）PRB-M35（b）PMN（c）VALMARA-69图1-1：APM地雷四川大学本科毕业论文中子诱发目标核素γ能谱及其分析6（a）TM-62M（b）TMA-2图1-2：ATM地雷由于这些爆炸物对人类的生命财产安全有着很大的威胁，并且在军事上我们也同样需要确定这些爆炸物的存在，因此如何探测爆炸物自然就成了一个迫切需要研究的领域。其实对爆炸物的探测的研究早在第一，二次世界大战的时候就开始研究了。传统的探测方法例如生物探测法即是通过训练军用猎犬或探戳地面等方式对爆炸物进行探查。但这样的探测方法效率是极其低下的，而且准确性非常之低危险性非常之大，显然这样的技术是不可能满足我们探测爆炸物的需求的。因此在探测方法的发展中基于物理的探测方法越来越受到重视，并取得了相当好的效果。典型的物理探测法有中子探测法，红外成像法，雷达成像法，金属探测器法等等。运用金属探测器法可以很好的探测到拥有金属封装的爆炸物，但是对于那些未用金属进行封装的爆炸物其效果就很不明显了，并且环境中也是存在金属的，因此探测器很容易被环境中的金属误导从而降低它的探测准确率[4]；红外成像法[5]和雷达成像法[6]受环境的影响十分强烈，其判断爆炸物的准确性很差，也不能满足现代高效率，高准确率，高安全率的探测标准。为了满足现代探测爆炸物的标准，基于对物质组成元素的分析探测方法被提出了，并成为该领域的热点而被广泛研究。中子探测法就在这一背景下应运而生。利用中子探测爆炸物的原理是利用中子与组成爆炸物的核素发生反应产生特征γ射线，通过对特征γ射线的能谱进行分析从而获取相关信息从而确定是否存在爆炸物。中子与核素发生的反应主要有中子散射（Neutronscattering）、中子诱发γ射线（Neutroninducedγ-ray）和中子共振俘获（neutronresonancecapture）等。利用中子与爆炸物相互作用从而探测爆炸物的方法有很多，下面简要介绍一些典型的探测方法。中子反散射法（NBS：NeutronBackscattering）：这种方法的理论依据是元素氢对于中子散射具有很大的截面，从而我们可以通过这种散射来获取相关信息从而确定爆炸物。但是这种方法受环境的影响非常之高，尤其是环境中含氢量很高的时候容易产生误报。例如环境中含水量很高或存在塑料等氢含量比较高的材料时[7,8]。利用中子诱发目标核素γ射线来探测爆炸物的技术主要有热中子法（TNA:Thermal四川大学本科毕业论文中子诱发目标核素γ能谱及其分析7NeutronAnalysis）、快中子法（FNA:FastNeutronAnalysis）和中子瞬发γ活化分析(PGNAA:PromptGamma-rayNeutronActivationanalysis)等。热中子法主要是通过利用热中子辐射俘获反应来对爆炸物中的氮元素和氢元素进行测量[9],（GozaniT,RygeP,SheaP,etal.ExplosiveDetectionSystemBasedonThermalNeutronActivation[J].AerospaceandElectronicSystemsMagazine,1989,12:17-20）快中子法的原理是根据快中子的非弹性散射反应来确定爆炸物中碳元素和氧元素的含量[10]。以上两种方法可以对爆炸物中的部分元素含量进行确定，然而如果有其他物质与爆炸物具有相同的元素含量或元素比值时又容易出现误报降低探测的准确率。所以，现阶