中子弹核爆炸识别与当量测定原理和方法研究

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的混合物，裂变扳机的装料为 。 Pu。一来在弹体内减少了一个造氚过程，从而减小了中子的 损耗；二来使得裂变扳机在临界质量足够小的情况下，仍然能够引爆D、T发生聚变反 应，以利于战术武器的小型化。 在中子弹的弹体内主要存在如下2个核反应阶段：引爆装置的裂变反应和D、T在高温 下的聚变反应。反应式可示为： 。 Pu+n— x+Y+3n+180 MeV (1) D +T一 He+n+17．6 MeV (2) D、T在百万度以上的高温下聚变成氦 ( He)，并产生1个中子，同时释放出17．6MeV 收稿日期：2o0O-Ol-Ol 。十五 装备型号改进应用基础研究项目． ． 14． 防 化 学 报 2O00年 的聚变能。其中20％的聚变能 (3．52 MeV)由氦带走，成为中子弹核爆炸的热、力学效应 的能量，80％的聚变能 (14．O8 MelV)由中子带走，成为中子弹核爆炸瞬发高能中子源。 中子弹核爆炸 (二级内爆)过程可简明地概括为：高能炸药点火爆轰一 ’Pu弹芯内爆 超临界裂变 (与可能的加强裂变)一 X射线引光辐射内爆 一氘氚聚变一高能中子穿透 一 中子弹核爆炸外观现象。 l kt当量的中子弹爆炸其能量分配的 估计值为：瞬发辐射占30％，冲击波占 钧％，热辐射占25％，而剩余辐射仅占 5％。(见表l所示)对较高当量的中子 表l 原子弹和中子弹爆炸的各种效应能量分配比例 弹，瞬发辐射大约增加10％，而冲击波、光辐射和剩余辐射所占能量份额都会稍有下降。 中子弹是利用其核爆炸时放出的中子杀伤人员的。80Gy、30Gy、6．5Gy的剂量对应的 杀伤水平分别为即刻永久失能、即刻暂时失能和中后期死亡。 2 中子弹核爆炸方式的选择[B 】 中子弹战术爆高应根据下述原则来确定：l、保证中子核辐射杀伤范围最大；2、宜避免 放射性沉降沾染；3、冲击波和光辐射的破坏范围宜尽量缩小。 根据上述原则，中子弹的战术爆高H为： H=150 Q1／3(m) (3) 式中，Q为中子弹总当量 (kt)。中子弹的当量较小，一般为l～3 kt，所以统一设定H=200m。 3 中子弹核爆炸效应参数的计算技术【 】 3．1 中子弹核爆炸效应光学、力学参数 为定量描述中子弹爆炸产生的冲击波、光辐射等参量与时间、当量问的关系，可把中子弹 的扳机(裂变部分)和被扳机(聚变部分)对光辐射效应、冲击波效应的贡献分别加以考虑。 中子弹核爆炸冲击波、光辐射参数的表示形式如下： S ，(Q。，t) (4) T=g(Q。，t) (5) 式中， 71分别相应于冲击波和光辐射的各种参数；f()c， )、 (x， )分别为冲击波、光辐 射参数的函数表现形式；Q。(=k。Q+r／k：Q)为中子弹等效总当量，r／是聚变当量修正系 数 (，7=0．244)，k．、k 值代表中子弹的裂变份额和聚变份额。 在理论分析基础上，根据我国地形和气象特点，针对不同海拔高度条件和气候特点，抽 象得到了实际大气参数模型，结合爆炸相似律，进而分别对l kt当量的原子弹和l kt当量、 不同裂变聚变比例 (3：7、4：6、5：5)中子弹的冲击波和光辐射的各种参数进行了计算。 3．2 中子弹核爆炸早期核辐射效应参数 通过广泛调研，建立了能代表我国广大地区土壤、气候特点的土壤介质模型和空气介质 模型，利用蒙特卡罗方法，在计算机上进行了粒子输运模拟计算技术。计算中使用了M B 第2期 张文仲等：中子弹核爆炸识别与当量测定原理和方法研究 ．15． 软件包，开发了其中的光子输运技术和中子一光子联合输运技术，引入相关的降低方差的 各种技巧，分别对1 kt中子弹和1 kt原子弹核爆炸后空间不同距离 (400～8000In)处中子 和光子有关辐射实用量进行了计算，得到了这些量的空间分布、能量分布与时间分布。 4 中子弹核爆炸效应参数计算结果与分析 4．1 中子弹核爆炸力学参数结果分析和冲击波杀伤效应 4．1．1 中子弹核爆炸力学效应参数结果分析 ‘ 1)冲击波超压、超压冲量。利用相关公式通过计算，得出了空间不同距离处的冲击波 超压、超压冲量、冲击波到达时间、正压作用时间和负压持续时间等参量。 a．冲击波超压、超压冲量随空间距离的增加，在近距离范围以内，幅值较快地减小，在 远距离上这种和距离的依赖关系不太明显，减弱幅值较小，在双对数坐标轴上，超压和空间 距离的关系近似成线性下降的趋势。 b．海拔高度的不同对冲击波的超压、超压冲量存在影响，但是影响不太明显。 C．对于不同裂变聚变比例的同当量中子弹爆炸，超压、超压冲量随中子弹的聚变份额的 增加而减小。 因海拔高度的差异和局部气压、气温的影响而带来的误差仅在百分之几之内，故以海拔 200m的地区为代表，所得计算结果可适用于我国广大地区。另外，由于中子弹的裂变聚变 比的不确定性，当设定裂变聚变比为4：6时，由计算所得到的冲击波超压、超压冲量值误差 分别在±10％、±5％以内，所以，当中子弹的裂变聚变比不确定时，可设定其裂变聚变比 为4：6。中子弹爆炸产生的冲击波超压、超压冲量仅是同当量原子弹爆炸产生的冲击波超 压、超压冲量的72．87％、66．84％左右。 2)冲击波到达时间 a．中子弹和原子弹爆炸产生的冲击波在空间传播时遵守相似的规律：开始以超声波的速 度传播，随着传播距离的增加。冲击波超压强度的减弱，传播速度逐渐降低，最后衰减为当 时气象条件下的声波传播速度，且以声波形式向外传播。 b．对于一定的空间距离，冲击波的传播速度随着当量增大而增加，对于当量相同的中子 弹，传播速度还随裂变份额增加而增大。 C．对于小当量的原子弹和不同裂变比的中子弹，冲击波的传播速度在一定程度上也受气 象条件的影响。由于海拔高度的不同，而使气压和温度的变化对冲击波到达时间的影响仅在 1％左右。所以，可以忽略海拔高度对冲击波传播速度的影响。 3)正压作用时间 a．随距爆心距离的增加，正压作用时间变长，当增加到某一距离 (约几km)之后，正 压作用时间成为一个恒定值。 b．随中子弹的裂变份额增大，也即等效总当量增加时，正压作用时间也趋于增大。 C．海拔高度的变化对其影响不大。 4)负压作用时间。冲击波负压作用时间基本上只与核爆炸当量有关： 一。=1．069 Qg' ； 可用测量负压作用时间的办法确定中子弹核等效总当量 Q。： ． 16． 防 化 学 报 200o年 Qo 0．1818 6 T (6) 当中子弹的实际裂变聚变比例在3：7～5：5范围 内时，以4：6作为中子弹裂变聚变比例，对中子弹实 际当量估计的误差范围在一l6％～+l6％之间。 4．1．2 冲击波杀伤效应 根据冲击伤的部位、性质、严重程度和战时卫生 勤务分级救治的需要，可把冲击伤分成4个等级。轻 度冲击伤、中度冲击波、重度冲击伤这3种程度的杀 表2原子弹和中子弹冲击波杀伤范围 杀伤范围／m 杀伤等级 1 la ! 翌 原子弹 3：7 4：6 5：5 注：表中比例为裂变聚变比例． 伤效应的超压值分别介于2 X 10 ～3 X 10 Pa、3 X 10 ～6 X 10 Pa、6 X 10 ～l X 10 Pa之间； 当超压值在l X 10 5Pa以上时，会导致极重度冲击伤。表2中列出了l kt原子弹和lkt中子弹 爆炸各种冲击伤伤情等级对应的杀伤半径计算结果。可见原子弹冲击波杀伤半径均大于中子 弹冲击波杀伤半径。在面积上原子弹冲击波杀伤半径要比中子弹的杀伤半径大50％左右。 4．2 中子弹核爆炸光学参数结果分析和光辐射杀伤效应 4．2．1 中子弹核爆炸光学参数结果分析 利用相关公式通过计算，得出了空间不同距离上的第一极大照度、第二极大照度和光冲 量值。同时也计算了最小照度到达时间、第一极大照度到达时间和第二极大照度到达时间。 1)第二极大照度和光冲量值 a．对于确定裂变聚变比的中子弹，当爆炸的当量一定时，空间不同距离处的第二极大照 度和光冲量值随到爆心的距离增加而减小，尤其是在500m范围以内的近距离上，这种随距 离增加而减小的趋势非常急剧，在远距离上衰减较慢。 b．随海拔高度的增加而使大气透射率发生变化，这就使空间不同距离处第二极大照度和 光冲量值有所变化，但是影响很小 (小于2％)。可以不考虑海拔高度变化的影响，可以用 海拔高度为200 m的计算结果作为一般分析数据。 c．相同当量的中子弹，光辐射的第二极大照度和光冲量随裂变份额的增大而增加。由于 中子弹的裂变聚变比的不确定性，当设定裂变聚变比为4：6时，由计算所得到的第二极大照 度和光冲量值误差分别在±10％、±15％以内。所以，当中子弹的裂变聚变比不确定时，可 设定其裂变聚变比为4：6。中子弹爆炸产生的第二极大照度和光冲量值仅是同当量原子弹爆 炸产生的第二极大照度和光冲量值71．7％、55．6％左右。 2)极值照度时间。若以裂变聚变比为4：6的中子弹爆炸光辐射极值照度到达时间作为 估算值，这种因裂变聚变比的不确定性导致的误差一般在±7％以内；原子弹爆炸与裂变 份额比为0．6的同当量中子弹爆炸相比，光辐射极值照度到达时间要长30％左右。 4．2．2 光辐射的杀伤效应 根据烧伤面积、深度和被烧伤部位等因 素的综合分析，人员受光辐射烧伤伤情可分 为4个程度量级，若以4．2 X 10 、9．45 X 10 、 1．68 X10 、2．1 X 10 J／m 分别表示轻、中、 重、极重度杀伤的光冲量值，则l kt中子弹 爆炸后其光辐射的大致杀伤范围如表3所示。 表3 中子弹和原子弹光辐射杀伤范围比较 伽瑚瑚m 仰姗 枷瑚拗 跚伽啪枷 伤 伤伤伤击 击击击冲 冲冲冲度 度度度重 轻中重极 第2期 张文仲等：中子弹核爆炸识别与当量测定原理和方法研究 ．17． 4．3 中子弹核爆炸中子的实用辐射量计算结果分析 1)瞬发中子注量 、个人吸收剂量D (1o)的空间分布行为 a．随着空间距离的增加，瞬发中子注量 个人吸收剂量Dp(10)近似按指数规律下降。 b．与原子弹爆炸相比，中子弹爆炸产生的瞬发中子注量要大，且随空间径向距离的增 加，相差的倍数越来越大，由近距离处的4倍左右，逐渐增加到几公里处的几十倍。 C．对于中子弹爆炸的情况，随裂变聚变比例的增加，空间不同距离处的瞬发中子注量将 趋于减小，减小量约在l1％～12％左右。 2)瞬发中子注量 、个人吸收剂量DI,(10)的能谱特性 a．瞬发中子注量 和个人吸收剂量 D (1O)的能谱随距离增加而逐渐变硬，这是由于瞬 发中子在空间输运过程中，低能部分的中子被吸收的原因。 b．由于中子在空间输运过程中慢化和吸收共同作用的结果，中子注量 和个人吸收剂 量 (1O)在不同能区中所占的百分比例随空间距离的增加而上下波动。 C．中子弹爆炸后形成的平衡中子场中，在径向距离为400～4000m的范围内，主要以 低能中子为主。小于1 MeV的中子可占总注量的85％以上；高于1 MeV的中子虽然占总注 量不到15％，然而，它对总剂量的贡献可高达45％。由于中子在介质中被慢化、吸收的原 因，在远距离 (对于原子弹，在6 000m左右；对于中子弹，可远在8 000m以外)处，90％以 上的中子主要分布在4～6 MeV之间，这时，对剂量的贡献几乎全部是中能以上的中子。 3)瞬发中子注量 、个人吸收剂量D (1o)的时域特性 a．瞬发中子作用时间一般从10 S开始，到0．5 S结束。以后随着距离的增加，中子到 达时间将会有所推迟。由于低能中子将会被介质所吸收，所以在整个中子作用的空间，作用 时间最多不会超过0．5 S。 - b．瞬发中子在其平衡场形成的范围内，时间谱也基本相同。然而，随着空间距离的进一 步增加，在5×10 ～1×10-4 S时间范围内的份额将会逐渐增加，最终中子注量 (个人吸收 剂量)在时域上的分布将会全部落到 5×10 ～1×10-4 S范围内。 C．空间中子注量累积速度因空间距离的不同而不同。累积速率随距离的增加趋于增大。 瞬发中子在时域上表现的这些行为规律是非常显然的。当距离比较小时，大部分低能中 子尚无被介质慢化到被吸收时的能量，于是空间中子将随其能量高低的不同而先后到达该距 离上，反映在注量 (或个人吸收剂量)的累积速度上即是有一个累积的时间过程。对于较远 的空间距离上，由于中子在介质中经历了相当的散射 (弹性或非弹性)过程，中子能量降低 非常多，且有很大一部分中子将被吸收，能够传播到远距离的只有高能部分，且由于中子的 能量越高，在介质中传播得越快，于是注量 (或个人吸收剂量)的累积速度也就越快。在整 个时间谱上表现为所有中子向较短时间段 (5×10 ～1×10I4s)集中。另外，由于原子弹爆 炸产生的瞬发中子能量低于中子弹爆炸产生的瞬发中子能量，所以，与中子弹相比，原子弹 爆炸产生的瞬发中子在空间介质中的时域行为方式虽然一致，但是传播的距离要小得多。 中子弹爆炸瞬发中子注量 、个人吸收剂量D。(1o)与能量、时间的联合分布情况见附 录A所示。(因篇幅所限，附录此略。读者若有需要，请与作者或本刊编辑部联系) 4．4 中子弹核爆炸 辐射的实用辐射量计算结果分析 1) 辐射注量 、个人吸收剂量D (1o)的空间分布行为 ． 18． 防 化 学 报 2O0O年 a．N俘获．)，辐射在总剂量 (或注量)中占绝对优势，在空间上随着距爆心投影点的距离 增加，裂变产物．)，辐射衰减很快，在较远距离的地方，总．)，辐射剂量D (10)(或注量)中只 有N俘获．)，辐射的贡献。 b．1 kt中子弹爆炸比同当量的原子弹爆炸所产生的总．)，辐射剂量要大得多，且随聚变份 额的增加而增加，一般地说，在近距离处多10倍左右，而在远距离处要多几十倍以上。 c．随着距爆心投影点的距离的增加，．)，辐射的注量 和个人吸收剂量 D。(1o)近似按指 数规律减小。 2)．)，辐射注量 、个人吸收剂量D。(10)的能谱特性 a．在平衡场中，以低能．)，辐射为主，小于1 MeV的．)，光子在总注量中可以占60％～70％ 以上；然而，低能7辐射对个人吸收剂量D (1O)的贡献并不大，实际上高于1 MeV的 辐 射才是个人吸收剂量D。(10)真正贡献者，它们对D。(10)的贡献可以高达70％～80％。 b．高能部分 辐射的注量 、个人吸收剂量 DD(10)随距离的增加而增加，也即 辐射 能谱随距离的增加而变硬。 3)．)，辐射注量 、个人吸收剂量D。(10)时域特征 a．N俘获．)，辐射注量与剂量的贡献一般从爆后10 S开始，到0．1 S时的贡献可以达到 90％左右，全部贡献持续时间最多不超过1 S。 b．由于径向距离增大，N俘获’，辐射早期在较晚一些时间内 (5×10-3～1 s)的贡献 所占比例明显增加。 原子弹爆炸出壳瞬发中子的能量较低，其在空间传播的时间稍长一些，所以，N俘获．)， 辐射注量累积速度较慢。例如，对于400m和l 200m的两个距离的．)，辐射注量，在爆后1 ms 时，原子弹的累积注量分别是总注量的10％和30％左右，而中子弹爆后的此时累积注量分 别可达总注量的70％和78％左右，中子弹的瞬发辐射贡献由此可见一斑。这正体现了中子 弹的瞬发辐射的杀伤作用特点 裂变碎片’，辐射的作用时间约在8 S左右，在 1 S以前的贡献仅占其总贡献的30％。无 论从效应角度还是从探测角度来说，除非对于原子弹爆炸一定距离以内的地方，需要考虑裂 变产物．)，辐射的贡献之外，一般情况下，可以忽略裂变碎片．)，辐射对总体．)，辐射的贡献。 中子弹爆炸早期．)，辐射注量 、个人吸收剂量 D。(10)与能量、时间的联合分布情况见 附录B所示。(因篇幅所限，附录此略。读者若有需要，请与作者或本刊编辑部联系) 5 神经网络系统在核爆炸弹型识别领域中的应用 早期．)，辐射周围吸收剂量D’(10)作为一种特征量，在核爆炸的弹型识别中起着决定性 的作用 (事实也正是由于此，只靠早期．)，辐射周围吸收剂量D‘(10)一种特征量，就可以对 核爆炸的弹型予以识别)，而其他几种特征量的作用相当，依次选择1个或2个 (最多选择2 个)，作为辅助识别特征量，这样会提高学习速度，加速收敛进程。 通过对．)，辐射周围吸收剂量 D (10)等核爆炸效应量进行特征变换，把变换后的输入特 征量输入到基于BP算法的多层神经网络系统中，网络将自动进行学习直到最终达到全局收 敛为止；之后，把待识别的样本被输入到经过训练后的网络之中，网络将依据记忆 (学习过 第2期 张文仲等：中子弹核爆炸识别与当量测定原理和方法研究 ．19 程中所固定下来的权值和阈 值)，对输人样本进行判别， 之后依照网络的输出值O (，1) 给出判别结果：或者是中子弹 (网络输出值O (，1)>0．5)，或 者是原子弹(网络输出值O ) 表4 不同模式特征输入量下弹型识别结果 注：R、E、P、1分别相应于 辐射周围吸收剂量D lo)、第二极大照度、 超压和超压冲量特征输入量。 <0．5)。不同特征量组合情况下的识别 结果见表4。可见识别结果相当理想。 6 中子弹核爆炸识别及其当 量测定的原理与方法 基于本课题在弹型识别技术研究中 所采用的神经网络方法，在未来研制的 新型核爆监测系统 (其工作原理与程序 框图如图1所示)中，对中子弹核爆炸 的识别，在原理和技术方法上，可通过 如下步骤予以完成。 1)测量光辐射最小照度到达时间 t ，用以对核爆炸的当量q进行估算。 由于最小照度到达时间t mi 与核爆炸 的当量q之间密切相关，它们两者之间 的关系式表示为： t ：3．46 qO．研 (ms) (7) I⋯ ⋯ I‘ I l压力波接收I l NEMP／~I I光脉冲接收l I 辐射接收 圃 l采集光脉冲波形 采叁目 力波L 是 I翱． 且 愤坦 l否 ～I采集 爆炸 脉冲波形 r l⋯ ⋯ ⋯ 是 -I 辐射信号 是 、l 测冲击波到达时问 测光辐射最小照度 测空问y辐射周围 定距离，(测负压 到达时间定当量。 吸收剂量D’(1o)， 持续时间定当量) 且判断爆炸方式 确定核爆炸弹型 若是中子弹。对当量进行 修正，否则。不修正当量 利用笔记本电脑对核 爆炸效应进行估算 f核监测结果 图l 新型核爆监测系统工作原理与程序框图 所以由测量到的光辐射最小照度到达时间t 可以估算核爆炸的当量q，公式形式为： q：0．0584￡E： (kt) (8) 由 (8)式计算得到的核爆炸当量q的误差为±20％。 2)利用冲击波到达时间 确定爆心到探测点的距离R。在非大气中的任意当量口 的核爆炸，其冲击波到达探测点的时间 与爆心到探测点距离R之间的关系如下： R=0．4537(丁／ ) 0—0．0123(了7To)(P／P0) ， q ／30 o(=ln)(当O／qm／<5 s／kt ／3时) (9) R：0．34(T／To) ， +0．245(Po／P) ， q ， 0 (1(=ln)(当O／qm／>5 s／kt ／3时) (1O) 式中， P分别为非标准大气的温度 (K)和压强 (kg／cm )；q为核爆炸的当量 (kt)； 为冲击波到达时间 (s)；ro、P。分别相应于标准大气中的气温和压强。 3)[D‘(10)】 和[D‘(10)】。值的获取。在探测点处 (到爆心的距离为R)， 辐射周围吸收 剂量[D‘(10)】 用公式可以表示为： [D’(10)】 ：exp[In 10(c1Y +c2y +c3Y +c4y+c5+e)】 (11) 式中， e=log 10q，y=log10 且拟合系数：CI=一6．599 3，C2=80．228 4，c3=一368．594 8， C =752．3109，C5=一559．3027；公式中当量q单位是kt，距离r(r=l 000R)单位是砜 ． 20． 防 化 学 报 2000ff 设测量到的．)，辐射周围吸收剂量实测值为【D’(10)1D。 4)神经网络系统模式识别输入特征量a的获取。用于神经网络系统的输入特征量a可 以表示为： d=【D (10)】D／[D’(10)】 (12) 5)弹型识别过程。将输入特征量a值作为神经网络模式识别系统的输入特征量，输入 到经过大量学习样本训练过的神经网络系统中，使多层神经网络弹型模式识别系统自动完成 弹型识别的任务。 6)确定核爆炸的弹型及进行相应弹型的当量修正 a．当判定核爆炸的弹型是原子弹时，核爆炸的总当量Q即是由 (8)式计算得到的q - 值，这时：Q=q。 b．当判定核爆炸的弹型是中子弹时，这时的q值仅相当于中子弹核爆炸的等效总当量 Q。，即有：Qo=q。 由于我们设定了中子弹的裂变聚变比例是4：6，所以在得到等效总当量Q。，并经过当量 修正之后，中子弹的实际总当量是： Q=1．83Qo (13) 在中子弹的裂变聚变比例介于3：7～5：5范围内的情况下，这种对中子弹当量的估算带 来的最大附加误差为16．06％，亦即不会超过l7％。 参 考 文 献 (因篇幅所限，此略) (本文编辑：高朝廷) Research on the Operating Scheme and Method about Recognition and Yield Determination of Neutron Bomb Explosion Zhang Wenzhong Mao Yongze Feng Diqing (The 7th Teaching and Research Section，Institute of Chemical Defealce，B画ing 102205) (·Research Institute of Chemical Defea-lce，Beijing 102205) Abstract The system research hadbeen given to the explosive effect phenomenology of neutron bomb on nuclear explosive effects from different aspects in thiseffect paper,the overall results had been achieved．In the meanwhile，this article described and proposed the best characteristic quantity based on the analysis to each effect for the nuclear explosion of neutron bomb ．Th e computer simulation research for recognizing explosion of neutron bomb was done 。 by using multi——player neural network system and the ideal reco~ ratio was achieved．The principles and operating scheme about monitoring system of nuclear explosion was proposed． This work has made the monitoring system have the ability of reco~ g explosion of neutron bomb and determining nuclear explosive yield． Key s neutron bomb ，the effects of nuclear explosion，neural network，bomb recognition，operating principle ，