用于快速甄別的可攜式放射性檢測(cè)裝置

方 忻，李新軍，甘 霖，郜 強(qiáng)

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413)

自“9.11”之后，隨著國(guó)際反恐形勢(shì)的日趨嚴(yán)峻，特種核材料(SNM)(如含233U、235U、239Pu的材料和制品)[1]以及其他放射性材料可能被恐怖分子利用。根據(jù)國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)非法交易數(shù)據(jù)庫(kù)(ITDB)記錄的數(shù)據(jù)[2]顯示，從1993年1月到2006年12月，全世界被證實(shí)的非法交易犯罪行為總共有275起。在這275起事件中，55%的事件涉及核材料，45%的事件涉及放射源。該數(shù)據(jù)庫(kù)還報(bào)道了332起事件涉及被盜或丟失核材料或其他放射性物質(zhì)，以及398起涉及其他非法活動(dòng)，例如放射性物質(zhì)被非法處置或“孤兒源”[3]被發(fā)現(xiàn)。

基于保證國(guó)家公眾設(shè)施和人民群眾的安全，防止恐怖分子或其他破壞分子利用核材料或其他放射性物質(zhì)在公共場(chǎng)所制造放射性恐怖事件的目的，各國(guó)加強(qiáng)了對(duì)進(jìn)入其海關(guān)的人員、行李和物資等的放射性檢測(cè)工作，以防止核材料和其他放射性物質(zhì)非法流入。另外，目前由于科研、醫(yī)療和工業(yè)探傷等方面使用放射源的數(shù)量日益增多，國(guó)內(nèi)有關(guān)方面對(duì)核材料和放射性物質(zhì)的檢測(cè)和快速甄別問(wèn)題也非常重視。

本文研制了一種用于探測(cè)核材料和放射性物質(zhì)的可攜式放射性快速檢測(cè)裝置，并研究了相應(yīng)的甄別技術(shù)。

1 裝置構(gòu)成

本裝置是一種核材料或其他放射性物質(zhì)的快速甄別裝置，設(shè)計(jì)用于機(jī)場(chǎng)、海關(guān)和火車站等地，對(duì)出入的人員進(jìn)行快速甄別。該裝置由可攜式放射性測(cè)量裝置和快速甄別軟件組成。

快速甄別裝置(見(jiàn)圖1)大體為圓柱形，其上裝有探測(cè)器、電源指示燈、無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸天線和1個(gè)串口接口，其內(nèi)部裝有電源單元、電子學(xué)單元和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元，配合無(wú)線數(shù)據(jù)接收器和計(jì)算機(jī)管理軟件使用。考慮到小型化和無(wú)線傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，采用了外置天線以降低裝置外殼對(duì)于無(wú)線傳輸信號(hào)的屏蔽。在電路設(shè)計(jì)上將電路板分開(kāi)分塊制作，然后組合放置于探頭的周圍，這樣有效減小了電路安放體積。可攜式放射性檢測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 可攜式放射性檢測(cè)裝置

圖2 可攜式放射性檢測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

綜合考慮了探測(cè)器質(zhì)量、探測(cè)效率以及性價(jià)比，采用了晶體相對(duì)于蒽單晶的發(fā)光率為230%，閃爍衰變時(shí)間為230 ns，發(fā)射光譜的主峰位在415 nm左右[4]，晶體尺寸為φ50 mm×50 mm的NaI(Tl)閃爍體組合探頭。

采用主、備2種電源工作模式。主電源為外接市電電源，備用電源為6節(jié)3.6 V/2 000 mAh的鋰電池，主電優(yōu)先，主、備2種電源可以自動(dòng)切換，在失去主電時(shí)，該裝置仍然可以正常地連續(xù)獨(dú)立工作8 h。備電源具有過(guò)充和過(guò)放保護(hù)功能，避免了過(guò)充、過(guò)放電對(duì)電池的損害，有效延長(zhǎng)了電池的使用壽命。

電子學(xué)部分主要由單片機(jī)及外圍輸入、輸出控制電路組成，具備四路單道脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和高壓變換等功能。在電路的設(shè)計(jì)上，根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)。為了能夠降低功耗，延長(zhǎng)電池供電的使用時(shí)間，實(shí)現(xiàn)小型化便攜可移動(dòng)，元器件均采用低功耗的貼片型元器件。

NaI(Tl)閃爍體探測(cè)器將輸出的電脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后再送到四路單道分析器進(jìn)行脈沖幅度甄別，將所選能量范圍以外的信號(hào)甄別掉，只留下感興趣的能量范圍。四路單道分析器輸出的脈沖信號(hào)被整形為TTL脈沖信號(hào)，被單片機(jī)系統(tǒng)所記錄。當(dāng)某一路計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的報(bào)警閾值時(shí)，數(shù)據(jù)將傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，由上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)警處理，同時(shí)蜂鳴器鳴叫，完成報(bào)警提示。檢測(cè)裝置的工作參數(shù)可通過(guò)RS-232串口進(jìn)行設(shè)置。

單片機(jī)選擇Atmel公司生產(chǎn)的ATmage128芯片。該芯片有2個(gè)獨(dú)立的可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，大多數(shù)指令可以在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成[5]，能有效地減少外圍擴(kuò)展電路，盡可能使硬件電路尺寸小型化，為高速采集探測(cè)數(shù)據(jù)以及運(yùn)算提供了很好的條件。四路單道的計(jì)數(shù)分別由ATMega128內(nèi)部2個(gè)16位計(jì)數(shù)器C/T1、C/T2和外部2個(gè)32位計(jì)數(shù)器Ls7166完成。設(shè)計(jì)要求四路單道同時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)四路單道的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并做出判斷，整個(gè)周期為0.2 s，所以每0.2 s從4個(gè)計(jì)數(shù)器中采集讀取1次數(shù)據(jù)。

所測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后傳輸至遠(yuǎn)程上位機(jī)計(jì)算機(jī)，以供實(shí)時(shí)在線反映探測(cè)器狀況(正常、報(bào)警和低壓故障)。與遠(yuǎn)程上位機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信需要編寫傳輸通信協(xié)議，以及串口通信軟件。數(shù)據(jù)傳輸有2種方式可供選擇：當(dāng)檢測(cè)裝置固定布防時(shí)，采用有線傳輸信號(hào)的方式與主機(jī)計(jì)算機(jī)連接；當(dāng)檢測(cè)裝置移動(dòng)布防時(shí)，就可以使用無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的方式。無(wú)線傳輸單元采用的是wap200c型無(wú)線射頻傳輸芯片。芯片采用433 MHz頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以保障在無(wú)障礙200 m范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸有較高質(zhì)量。

2 甄別過(guò)程及甄別方法

為了判別檢測(cè)裝置所探測(cè)到的放射源的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)快速甄別放射源所屬類別，研究發(fā)展了此類檢測(cè)裝置對(duì)于核材料和放射性物質(zhì)的快速甄別技術(shù)，采用分多路單道的設(shè)計(jì)來(lái)區(qū)分所探放射性物質(zhì)發(fā)出γ射線能量的高低，以實(shí)現(xiàn)快速甄別功能。

裝置的測(cè)量與甄別流程圖如圖3所示。裝置在進(jìn)行放射性物質(zhì)快速甄別時(shí)，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報(bào)警閾值參數(shù)值以及本底值計(jì)算報(bào)警閾值。當(dāng)探測(cè)器測(cè)到的計(jì)數(shù)超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，裝置將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖3 可攜式放射性檢測(cè)裝置檢測(cè)流程圖

由于存在與使用環(huán)境相關(guān)且隨時(shí)間而變化的γ本底，因此從本底漲落中正確判斷源自于核材料或放射性物質(zhì)的信號(hào)是快速甄別方法的關(guān)鍵所在。采用移動(dòng)平均檢測(cè)法[6]，可以根據(jù)使用環(huán)境的不同自動(dòng)調(diào)整報(bào)警閾值，在提高靈敏度的同時(shí)降低了誤報(bào)警概率。

選擇適當(dāng)置信系數(shù)ε，視γ射線計(jì)數(shù)率N次采樣周期的移動(dòng)平均值Bi為本底，設(shè)置隨時(shí)間變化的報(bào)警閾值Ti，當(dāng)γ射線計(jì)數(shù)率M次采樣周期的移動(dòng)平均值Gi超過(guò)報(bào)警閾值Ti時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警。

作為本底的采樣周期數(shù)N(例如取值為80)通常要遠(yuǎn)大于作為檢測(cè)的采樣周期數(shù)M(例如取值為4)。根據(jù)甄別要求和甄別環(huán)境，通常選擇ε為4～10。探測(cè)靈敏度和誤報(bào)警率隨ε值增大而降低，隨ε值減小而升高。

核材料主要指含233U、235U、239Pu的材料和制品，放射性材料主要包括各種工業(yè)用、醫(yī)用放射源和其他放射性物質(zhì)?，F(xiàn)在有很多人接受醫(yī)用放射性(201Tl、99mTc、131I、111In、67Ga)治療手段，很多貨物天然存在放射性物質(zhì)(40K、238U及其子體，226Ra、232Th及其子體)，這種自然的放射性事件報(bào)警會(huì)大大影響探測(cè)器報(bào)警的靈敏反應(yīng)，需要有效地加以甄別。

將γ射線能量分為低、中、高等3個(gè)能區(qū)(見(jiàn)圖4)。低能區(qū)為60～400 keV，為醫(yī)用源和特種核材料的特征能區(qū)；中能區(qū)為400～1 400 keV，為工業(yè)用源的特征能區(qū)；高能區(qū)為1 400 keV以上，為天然放射性物質(zhì)的特征能區(qū)?？焖僬鐒e邏輯圖如圖5所示。當(dāng)?shù)湍軈^(qū)報(bào)警時(shí)，可以初步判斷存在醫(yī)用放射性源或者特種核材料；當(dāng)?shù)汀⒅心軈^(qū)同時(shí)報(bào)警時(shí)，可以初步判斷存在工業(yè)用源；當(dāng)?shù)?、中、高能區(qū)同時(shí)報(bào)警時(shí)，可以初步判斷為存在天然放射性物質(zhì)。裝置采用了4路單道來(lái)分別記錄低、中、高等3個(gè)能區(qū)的計(jì)數(shù)以及全能區(qū)的總計(jì)數(shù)。根據(jù)上述不同需求所用放射源的特點(diǎn)，可以分別設(shè)置各路單道的探測(cè)能區(qū)，使得探測(cè)器對(duì)探測(cè)到的位于低、中、高能區(qū)的放射源進(jìn)行區(qū)別報(bào)警。

圖4 γ能譜圖

圖5 快速甄別邏輯圖[7]

3 裝置調(diào)試

調(diào)試的主要目的是通過(guò)試驗(yàn)確定選擇合適的放大倍數(shù)和各路單道的上下甄別閾相應(yīng)的電壓幅度參數(shù)值。

通過(guò)示波器觀察該檢測(cè)裝置對(duì)241Am、235U、60Co幾種特定的放射源的特征峰位電壓幅度，來(lái)確定合適的放大倍數(shù)區(qū)域。根據(jù)所探測(cè)核素能量范圍以及主放大輸出、單道輸入線性范圍要求，調(diào)節(jié)探測(cè)器輸出幅度，可以確定裝置的主放大倍數(shù)約為1.5倍時(shí)比較合適。

放大倍數(shù)確定后，分別用241Am、57Co、235U和133Ba進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定低能區(qū)，即第1路單道的上、下閾值。經(jīng)試驗(yàn)，在用133Ba的356 keV射線設(shè)定第1路單道上閾后，其他放射源的低能γ射線都未超出其設(shè)定的上閾界限，可以確定低能區(qū)的單道上、下閾的范圍是0.47～1.87 V；用54Mn、65Zn、22Na和152Eu進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)確定中能區(qū)即第2路單道的上、下閾值，中能區(qū)上、下閾的范圍是1.83～3.80 V；本裝置確定的高能區(qū)的范圍在1 400 keV以上，即為第3路單道的范圍，高能區(qū)的上、下閾的范圍是3.52～4.88 V。綜上可知，總能區(qū)的第4路單道上、下閾的范圍為0.47～4.88 V。

4 裝置性能

通過(guò)低、中、高能區(qū)的劃分后，經(jīng)測(cè)試，如果有人攜帶241Am、57Co、235U、133Ba源經(jīng)過(guò)裝置的探測(cè)區(qū)域時(shí)，只有低能區(qū)報(bào)警；當(dāng)有人攜帶54Mn、65Zn、22Na、152Eu源經(jīng)過(guò)裝置的探測(cè)區(qū)域時(shí)，只有低、中能區(qū)報(bào)警。這說(shuō)明低、中、高等3個(gè)能區(qū)閾值的劃分比較合理，可以實(shí)現(xiàn)快速甄別報(bào)警功能設(shè)想。

國(guó)際上將這類檢測(cè)裝置的探測(cè)靈敏度定義為：在規(guī)定條件下(探測(cè)概率50%或置信度95%)，檢測(cè)裝置能夠檢測(cè)到的最小核材料量(單位為g，高濃度鈾HEU或低燃耗钚LBPu)。根據(jù)探測(cè)靈敏度定義，對(duì)該檢測(cè)裝置進(jìn)行了靈敏度測(cè)試，置信水平為95%，步行速度為1 m/s，行至距離探測(cè)器50 cm處時(shí)，該裝置對(duì)U3O8的探測(cè)靈敏度為10 g。對(duì)該檢測(cè)裝置的誤報(bào)警概率(實(shí)測(cè)的誤報(bào)警次數(shù)n/總檢測(cè)次數(shù)N)進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)測(cè)中，選ε=5，N=65 527，n=23，誤報(bào)警率(實(shí)測(cè))為3.5×10- 4。

5 結(jié)語(yǔ)

可攜式放射性檢測(cè)裝置采用NaI(Tl)探測(cè)器探測(cè)γ射線，其檢測(cè)數(shù)據(jù)能通過(guò)有線或無(wú)線進(jìn)行傳輸，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。為發(fā)展此類裝置的快速甄別技術(shù)，該裝置采用4路單道計(jì)數(shù)和移動(dòng)平均法檢測(cè)，通過(guò)對(duì)所探核材料和放射性物質(zhì)發(fā)射γ射線的能量高低進(jìn)行基本判斷，可以快速甄別天然放射性物質(zhì)，對(duì)此類報(bào)警進(jìn)行有效排除。該裝置具有體積小、質(zhì)量小、拆裝方便和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

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