核四极矩共振炸药探测技术在探雷中的应用_房旭民

收稿日期:2002-09-02

作者简介:房旭民(1960-),男,山东文登人,副研究员,博士生.E -mail:fangxm@public1.w x.j

核四极矩共振炸药探测技术在探雷中的应用

房旭民1,2,徐 政1,徐玉清2,张国进2

(1.同济大学材料科学与工程学院,上海 200092;2.总装备部工程兵科研一所,江苏无锡 214035)

摘要:介绍了国内外探雷技术发展现状,认为核四极矩共振(N Q R)技术具有很大发展潜力.从国外N QR 技术发

展状况分析入手,论述了N Q R 技术应用于探雷要解决的关键技术,提出了我国N QR 探雷技术发展的方向.

关键词:地雷探测;炸药;核四极矩共振

中图分类号:T J 517 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2003)06-0719-05

Application of Nuclear Quadrupole Resonance

Technique in Mine Detection

FAN G X u -min 1,2,X U Zheng 1,X U Yu -qing 2,Z H AN G Guo -j in 2

(1.College of Materials Scien ce and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,Ch i na;

2.The First E n gineers Scientific Research Institute of the General Armam ents Department,Wuxi 214035,China)

Abstract :This paper presents the research situations of mine detection at home and abroad.We think NQR technique has great development potentialities.It also analyzes the development status of NQR technique abroad,presents the key techniques to be solved in using NQR technique in m ine detection and sugg ests the re -search direction of our NQR mine detection.

Key words :m ine detection;ex plosive;nuclear quadrupole resonance

探测地雷中的炸药比探测其金属构件、塑料外壳更具本质特征.核四极矩共振(nuclear quadrupole res -onace,NQR)技术具有对物质探测识别的唯一性,是一种十分有前途的炸药探测技术,其发展将使地雷探测技术产生一次质的飞跃.因此,核四极矩共振技术在国内外倍受关注.

1 地雷探测技术发展的难题

第二次世界大战以来,地雷已逐步成为战争中颇受青睐的一种杀伤性武器.随着可撒布地雷的出现和各种布雷手段的发展,地雷在现代战争中的战斗效能显著提高,同时也迫使探测、排除地雷的装备更加完善.现代战争十分强调快速机动,快速有效地探测地雷是保证快速机动的重要内容之一.车载探雷系统与机载雷场探测系统的出现大大提高了探测的速度与效率;而传统的单兵探雷方法主要用于对雷场的秘密搜排和战后扫雷中.连年战争使全世界几十个国家尚有1亿枚左右的地雷未被排除,每年造成近万人伤亡.国际社会为扫除战争遗留地雷问题,投入了大量的人力、物力和财力.战后扫雷对探雷器材的性能提出了近乎完美的要求,既不能漏雷又不能虚警太多,而现有的探雷器材尚不能满足要求.因此,世界各国正在大力探索发展新的探雷技术,以解决这一世界性难题.世界各国的地雷探测器虽然种类繁多、技术各不相同,但其探测的基本原理都是根据地雷结构中某一部分材料的特性进行探测的.利用低频电磁感应原理的

第31卷第6期

2003年6月同 济 大 学 学 报JOURNAL OF T ONGJI UN IVERSIT Y Vol.31No.6 Jun.2003

金属地雷探测器是以探测地雷结构中的金属零部件为目的,而地雷结构中无论是其外壳、机械零部件还是电子电路中或多或少都有金属,所以该探雷技术一直占有主导地位,发挥了十分重要的作用.地雷从金属外壳到塑料外壳、从金属含量较大到金属含量越来越小的发展,迫使地雷探测器向高灵敏度发展,目前已发展到可探测1g左右金属含量的零部件.这样虽然较好地解决了灵敏度问题,但同时也带来了虚警增多的问题.高灵敏度金属地雷探测器不仅对土壤中的金属碎片敏感,更主要的是其土壤背景适应性明显降低,使得地雷探测器在使用中虚警增多,不仅降低了探测效率,严重时更是/草木皆兵0.自然,人们把注意力投入到发展微波原理的非金属地雷探测器.地雷的塑料、金属外壳及装药的介电常数与土壤不同,利用微波原理的非金属地雷探测器主要探测这种介电常数差别的存在,可克服截面积较小的金属碎片的虚警问题.然而,该原理不仅对土壤中的石块、树根、空穴等敏感,土壤本身的密度、湿度不均匀也会产生虚警.金属和非金属两类地雷探测器的共性就是都有很难克服的原理性虚警干扰存在,而两类干扰的特性又完全不同,由此而产生了将两类探雷技术按逻辑/与0方式有机地结合于一体的复合探雷器.其只对既有一定金属含量,又有一定截面积的地雷目标报警,降低了单一探测原理引起的虚警,提高了探测性能.但是,两类技术复合在一起不仅提高了成本,且两个系统紧凑地结合在一起实现起来技术上有诸多困难,更主要的是复合的优越性是有条件的,不符合条件时,复合探雷器还不如单一原理的地雷探测器.对地雷而言,炸药显然比金属、塑料等材料更具本质特征,地雷怎么变化也离不开炸药.通过探测炸药来发现地雷,则虚警发生概率将大大降低.因此,人们多年来一直在探索炸药探测技术的发展.从气体分析法、X射线法、热中子活化法到核磁共振法都曾得到人们的关注.但这些技术不是仅限于实验室原理研究阶段,就是不适合野战使用条件.随着20多年从实验室到野外使用过程中许多难题的解决,核四极矩共振技术在20世纪90年代取得了较大的突破,成为一种十分有发展潜力的地雷探测技术.

2核四极矩共振探测原理

核四极矩共振是一种原子核物理现象.不同的原子核或相同的原子核在不同的物质结构形式中会在外加电磁场的作用下产生不同的核四极矩共振频率,这一波谱特性成为判别不同物质的有效手段.

2.1原子核的电四极矩

物质是由分子构成的,分子是由原子组成的,而原子又由原子核和核外电子构成.原子核一般由若干个带正电荷的质子和不带电荷的中子构成,是一个具有一定形状和电荷分布的带电体.在分析原子核与其周围电磁场相互作用时,可把原子核近似看作点电荷,其电量等于原子核的电荷.精确一点可把原子核看成一个点电荷、一个偶极体和一个四极体的组合,其中原子核的点电荷相应于原子核的球体部分,四极体则相应于原子核体积中具有对称轴的旋转椭球体部分.由分析可知,在离一个点电荷e为r处的电势为[1]

U=e/r(1)对于一个电荷密度为Q的带电体,它在体外比核线度大得多的r处所产生的电势为

U=1

r Q Q d v(2)式中:Q Q d v为对体积积分,代表体系的总电荷.

对于一对相隔距离为d的正负电荷,由于它的总电荷为零,在远处不会产生式(2)那样的贡献,但它有电偶极矩ed.对一组点电荷e i组成的体系,电偶极矩在z轴方向的投影为E e i z i,电四极矩为E e i z2i.一般情况下,位于原点的电四极子在其旋转椭球体对称轴z轴上的P0点所产生的电四极矩为

Q=1

e Q3z2-r2Q d v(3)

如果原子核的电荷分布是均匀的,椭球对称轴的一个半轴为c,另外两个半轴为a,则由式(3)可得

Q=2

5

Z c2-a2(4)

式中:Z为原子核的电荷数.

从式(4)看出,当c=a时,Q=0,即球形核的电四极矩为零;当c>a时,Q>0为长椭球形核;当c< 720同济大学学报第31卷