用NaI譜儀識(shí)別γ放射源

袁永剛 魏熙曄 雷家榮 張少華

(中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所 綿陽 621900)

隨著我國核科學(xué)技術(shù)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，放射源廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、科學(xué)研究和日常生活等領(lǐng)域。因放射源管理使用不當(dāng)而一旦失控，會(huì)給社會(huì)安全帶來潛在危險(xiǎn)[1–3]。據(jù)近幾年的不完全統(tǒng)計(jì)，全國平均每年發(fā)生放射源丟失、被盜事故 15起，這充分說明對放射源的實(shí)時(shí)監(jiān)控不夠完善。為防止放射源丟失、被盜事故，減少放射源公眾事件和環(huán)境事件的發(fā)生，有必要研究安全監(jiān)管技術(shù)。本文針對科研用放射源的安全監(jiān)管，采用放射源識(shí)別技術(shù)，結(jié)合本單位放射源管理程序，在放射源入庫、借還等過程實(shí)現(xiàn)放射源的同一性識(shí)別，確保放射源的安全。同時(shí)，也可為放射源快速查找等技術(shù)提供支持。

γ放射源識(shí)別一般分析其出射的γ射線來實(shí)現(xiàn)識(shí)別的，常用的識(shí)別方法包括劑量分析方法[1]和能譜識(shí)別方法[4–7]。劑量分析方法只能對其總劑量進(jìn)行測量，無法進(jìn)行核素分析，有較強(qiáng)的局限性，適用于運(yùn)輸?shù)忍厥膺^程的放射源監(jiān)控。能譜識(shí)別方法常用于核材料的軍控核查[6,7]，由于材料γ射線能譜較為復(fù)雜，一般采用高能量分辨率高純鍺探測器，其研究的方向主要是能峰的區(qū)分算法和核素強(qiáng)度分析。本文利用NaI譜儀作為γ射線測量設(shè)備，建立了譜形比較算法，結(jié)合放射源半衰期修正，實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)間放射源的識(shí)別。

1 實(shí)驗(yàn)原理

放射源的同一性識(shí)別[7](指紋識(shí)別)是通過譜儀測量放射源γ能譜的信息來識(shí)別。放射源γ能譜包括全能峰、康普頓坪、單(雙)逃逸峰等，常用的同位素γ源能量適中，能譜由全能峰和康普頓坪構(gòu)成?？杀容^全能峰的凈計(jì)數(shù)進(jìn)行源的同一性識(shí)別，識(shí)別程序流程圖見圖1。

圖1 放射源識(shí)別流程圖Fig.1 The flow chart for recognition of γ-ray sources.

采用能峰相似度函數(shù)描述匹配能峰的相似程度，能峰相似度函數(shù)Fi定義為：

式中，Chf= e–λ(t–t0)為半衰期修正因子，l為該放射源的衰變常數(shù)，t為識(shí)別時(shí)能譜的測量時(shí)間，t0為原始能譜的測量時(shí)間；n0i為原始能譜中第i個(gè)峰的凈計(jì)數(shù)率，nt,i為識(shí)別時(shí)測量能譜中第i個(gè)峰的凈計(jì)數(shù)率。

若放射源有多條γ射線，其全能峰與γ射線的數(shù)目相對應(yīng)。單峰的相似度無法滿足整個(gè)能譜的識(shí)別要求，為此，采用能譜相似度因子P描述整個(gè)能譜的相似度，從而實(shí)現(xiàn)源的同一性確認(rèn)。放射源發(fā)出的各條γ射線的分支比不同，探測器對各γ射線的探測效率不同，表現(xiàn)為能譜中的強(qiáng)峰和弱峰；遵循強(qiáng)峰貢獻(xiàn)大于弱峰的原則，特引入峰權(quán)重因子Mi實(shí)現(xiàn)其貢獻(xiàn)平均。能譜相似度因子P為：

式中，Ni為原始能譜中第i個(gè)峰的凈計(jì)數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)測量采用PGT公司的譜儀系統(tǒng)，包括Φ7.6 cm× 7.6 cm的NaI(Tl)探頭和光電倍增管，MCA2000多道分析器(內(nèi)置高壓輸出、前放大器和主放大器)，該系統(tǒng)提供多道控制、采集API函數(shù)[8]，實(shí)現(xiàn)多道采集分析軟件的二次開發(fā)。

2.1 探測器的能量刻度

MCA2000帶有能量刻度功能，刻度方法包括手動(dòng)兩點(diǎn)能量刻度、自動(dòng)能量刻度和手動(dòng)多點(diǎn)能量刻度，本實(shí)驗(yàn)采用手動(dòng)多點(diǎn)能量刻度方法。該軟件采用最小二乘法的多項(xiàng)式擬合方法實(shí)現(xiàn)能量(E)與道址的對應(yīng)，計(jì)算公式如下：

采用152Eu放射源實(shí)現(xiàn)譜儀的能量刻度，能量分別為121.8、344.3、778.9、864.9、1112.1、1408.0 keV (圖2)。

2.2 探測器識(shí)別程序

利用VB6.0程序開發(fā)軟件[9]和MCA2000提供的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)了能譜數(shù)據(jù)的在線采集。程序由原始譜數(shù)據(jù)讀取、硬件初始化、在線譜數(shù)據(jù)采集比較三大模塊構(gòu)成。原始譜數(shù)據(jù)讀取利用VB開發(fā)軟件的二進(jìn)制文件讀取函數(shù)實(shí)現(xiàn)原能譜數(shù)據(jù)的讀取，實(shí)現(xiàn)測量日期、測量時(shí)間、每道計(jì)數(shù)、感興區(qū)道址、能量刻度因子等的讀取，并計(jì)算出感興區(qū)的能量上下域和凈峰面積計(jì)算等參數(shù)。硬件參數(shù)初始化包括硬件連接、內(nèi)存讀取、參數(shù)初始化和新的能量刻度參數(shù)等，這段代碼實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)與多道的通訊和感興區(qū)道址上下域參數(shù)的計(jì)算。在線譜數(shù)據(jù)采集比較模塊利用VB的Timer控件，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存多道數(shù)據(jù)的連續(xù)讀取，讀取時(shí)間間隔為1 s；同時(shí)，在該時(shí)間間隔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了能譜相似度因子P的計(jì)算和顯示。

圖2 能量刻度曲線Fig.2 The curve of energy calibration.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用137Cs和60Co-g混合放射源對放射源識(shí)別方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。先獲取該放射源的初始能譜數(shù)據(jù)，測量時(shí)137Cs和60Co-g源的初始活度分別為23.1和7.31 kBq，放射源為薄膜源，放射源距探測器5 cm；全能峰為其特征能量峰，能量分別為661.7、1173、1332.5 keV。在放射源識(shí)別實(shí)驗(yàn)中保持放射源到探測器的距離相同，每隔3個(gè)月進(jìn)行一次識(shí)別實(shí)驗(yàn)，共獲取了2年的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(表1)。

表1 放射源識(shí)別實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 1 The recognition data (in s-1 ) for γ radiation source experiment.

由于放射性核衰變及射線與物質(zhì)相互作用過程具有隨機(jī)性，其計(jì)數(shù)服從高斯分布；能譜相似度因子P與峰面積相關(guān)，在單峰面積為2000個(gè)計(jì)數(shù)和置信度為 95.5%條件下，概率區(qū)間為 2σ=4.4%(2/20001/2)，考慮到其它不確定因素，其峰面積的不確定度為5%，因此，選取能譜相似度因子P>95%時(shí)認(rèn)定為同一放射源。在軟件中提供了感興區(qū)選擇分析功能，主要包括單峰識(shí)別分析、多峰識(shí)別分析和全能譜總計(jì)數(shù)分析，多峰識(shí)別分析界面見圖3。實(shí)驗(yàn)放射源為密封222Ra放射源，其能峰主要是衰變產(chǎn)物220Rn以及子體產(chǎn)生的g射線。

圖3 多峰分析源識(shí)別結(jié)果Fig.3 The result of multi-peak recognition method.

4 結(jié)語

本文采用的能峰識(shí)別算法與文獻(xiàn)[7]的方法相近，不同之處在于文獻(xiàn)[7]采用的是高純鍺γ譜儀系統(tǒng)，其重點(diǎn)在于能峰強(qiáng)度分析；而本文重點(diǎn)在于識(shí)別方法隨時(shí)間推移的有效性。通過對不同放置時(shí)間的同位素放射源進(jìn)行了識(shí)別研究，采用VB程序開發(fā)軟件編寫了放射源同一性識(shí)別程序，采用API函數(shù)實(shí)現(xiàn)了多道數(shù)據(jù)的在線采集，采用全峰計(jì)數(shù)和多峰計(jì)數(shù)分析方法進(jìn)行了源能譜和實(shí)測能譜可視化比較，研究結(jié)果表明所建立的放射源識(shí)別算法和放射源半衰期修正方法能較好的實(shí)現(xiàn)放射源的識(shí)別，其譜相似度因子P與能峰的計(jì)數(shù)率相關(guān)，與實(shí)驗(yàn)時(shí)間無明顯關(guān)系。

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