核安保系統(tǒng)關(guān)鍵手段：輻射探測(cè)技術(shù)與設(shè)備

陳俊松 李福龍 中廣核貝谷科技有限公司 南昌市 330029

0 引言

伴隨著我國乃至世界核工業(yè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，核安保（Nuclear Security）與核安全（Nuclear Safety）逐漸成為了發(fā)展中的兩大主要任務(wù)，也成為了參與核工業(yè)發(fā)展企業(yè)的主要責(zé)任。在世界范圍內(nèi)，每天都有大量未經(jīng)許可的核及其他放射性材料的運(yùn)輸和儲(chǔ)存，甚至存在被恐怖主義組織所掌握用于制造恐怖事件的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)國際原子能機(jī)構(gòu)（International Atomic Energy Agency，IAEA）非法販運(yùn)數(shù)據(jù)庫（Incident and Trafficking Database ，ITDB）顯示，自1993年以來，全世界發(fā)生的非法交易、盜竊或丟失事件達(dá)3371起。針對(duì)核材料和其他放射性物質(zhì)的儲(chǔ)存監(jiān)管、丟失、被盜和非法轉(zhuǎn)移等核安保問題，核輻射探測(cè)技術(shù)與設(shè)備可以發(fā)揮重要作用。

1 核安保系統(tǒng)

IAEA相關(guān)文件對(duì)核安保的定義是：預(yù)防、探測(cè)和應(yīng)對(duì)核材料和其他放射性物質(zhì)或相關(guān)核設(shè)施的偷竊、蓄意破壞、擅自接觸、非法轉(zhuǎn)移或其他惡意的行為。其目標(biāo)是為了避免人員、財(cái)產(chǎn)、社會(huì)和環(huán)境受到犯罪行為或未經(jīng)許可的故意行為以及對(duì)核安保有不良影響的其他行為的輻射危害[2,3]。

核安保系統(tǒng)是由核材料衡算與控制、實(shí)物保護(hù)和保密等多項(xiàng)技術(shù)措施所構(gòu)成的綜合系統(tǒng)。其中實(shí)物保護(hù)系統(tǒng)包括探測(cè)、延遲和響應(yīng)三大子系統(tǒng)。探測(cè)是指探知核安保事件發(fā)生并發(fā)出報(bào)警的技術(shù)手段；延遲是指能夠延緩或阻止敵手實(shí)施行動(dòng)的技術(shù)手段；響應(yīng)是為終止核安保事件的發(fā)展而采取的快速行動(dòng)[1]。三者之中探測(cè)是所有行動(dòng)的前提，在整個(gè)核安保系統(tǒng)中尤為重要，它包含了多種傳感器和探測(cè)器，如雷達(dá)、紅外、生物傳感器和核輻射探測(cè)器等。而在一次有效探測(cè)中，核輻射探測(cè)技術(shù)與分析設(shè)備雖然只是其中的一個(gè)小部分，但卻是其關(guān)鍵執(zhí)行手段。

圖1 核安保系統(tǒng)實(shí)物保護(hù)組成與要素

2 核安保中的輻射探測(cè)

全世界目前已經(jīng)有超過1000多座核設(shè)施，其中包括核電站、研究堆以及燃料循環(huán)設(shè)施。隨著核設(shè)施的不斷增加，越來越多的核材料和廢料需要進(jìn)行運(yùn)輸和儲(chǔ)存，加強(qiáng)實(shí)物保護(hù)成為了防止這些材料被盜和破壞的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。核設(shè)施出入口的放射性篩查設(shè)備可以有效防范核材料偷運(yùn)、存儲(chǔ)區(qū)域的放射性監(jiān)控能有效防范核材料被盜。IAEA向各成員國提供了大量的儀器設(shè)備，與相關(guān)國家機(jī)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)室開展了大量研究工作，在改進(jìn)技術(shù)措施、提高探測(cè)能力、強(qiáng)化可靠性方面取得顯著成果。

大型公共活動(dòng)是恐怖主義組織的主要目標(biāo)，如奧運(yùn)會(huì)、世界杯、峰會(huì)活動(dòng)等?；顒?dòng)的參與者和觀眾容易受到放射性散布或爆炸裝置的威脅。東道主國家安排和組織針對(duì)核安保的輻射探測(cè)設(shè)備，對(duì)人流和物流進(jìn)行全面有效的放射性監(jiān)測(cè)，對(duì)使用相關(guān)儀器設(shè)備的一線人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)及演習(xí)，有效防止了恐怖事件的發(fā)生。

有效的邊境管控措施有助于確保核材料及其他放射性物質(zhì)出入境轉(zhuǎn)移的合法性。在邊境口岸配備相關(guān)輻射探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，為海關(guān)官員等一線人員配備輻射探測(cè)儀器有助于他們實(shí)施有效的管控措施，并保護(hù)自身及其他人員的人身安全。早在2003年，美國就推出“大港口倡議”，2011年底，中美“特大型港口計(jì)劃”也正式啟動(dòng)，旨在通過在港口安裝核輻射檢測(cè)儀器設(shè)備系統(tǒng)，阻止核和其他放射性物質(zhì)非法販運(yùn)。

3 核輻射探測(cè)技術(shù)

核輻射探測(cè)儀器的基本原理是：核材料及其他放射性物質(zhì)在自身的衰變過程中釋放各種特征射線，包括了α射線、γ射線以及中子等。利用這些特征射線與探測(cè)器物質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生光信號(hào)或者電信號(hào)（光信號(hào)通過光電倍增管最終轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)），微弱電信號(hào)通過信號(hào)放大、脈沖分析等后端硬件電路的處理，形成脈沖計(jì)數(shù)或者能譜數(shù)據(jù)，通過不同的數(shù)據(jù)處理和分析算法，可以對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行定性判斷和定量分析，得到最終的探測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)。

圖2 輻射探測(cè)設(shè)備原理及組成

在輻射探測(cè)技術(shù)中，輻射探測(cè)方法取決于探測(cè)對(duì)象的特性：α射線是重帶電粒子，在其輸運(yùn)路徑上通過電離和輻射損失大量的能量，穿透力很小，射程很短，因此不能在遠(yuǎn)距離和有屏蔽的情況下對(duì)α粒子進(jìn)行直接探測(cè)；而γ射線和中子是不帶電粒子，在其輸運(yùn)路徑上以散射方式損失能量，通過吸收體后射線強(qiáng)度會(huì)衰減，衰減因子與其輸運(yùn)路徑上的吸收材料有關(guān)。γ射線和中子具有較高的穿透性，因此可在遠(yuǎn)距離對(duì)其進(jìn)行直接探測(cè)[4]。

4 核輻射探測(cè)設(shè)備

核設(shè)施、大型活動(dòng)、出入境口岸等需要建立核安保系統(tǒng)的場(chǎng)所，可以在其出入口及沿途建立核輻射監(jiān)測(cè)體系，該體系包括：通道式輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、便攜式輻射探測(cè)儀器、劑量（率）監(jiān)測(cè)儀、專家級(jí)輻射探測(cè)及分析設(shè)備。其中通道式輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于初步篩選出入口的車輛、人員和貨物的輻射水平并產(chǎn)生報(bào)警信息；便攜式輻射探測(cè)儀器用于對(duì)發(fā)生輻射報(bào)警的車輛和人員進(jìn)行放射性精確定位和進(jìn)一步篩查；劑量（率）監(jiān)測(cè)儀用于測(cè)量劑量率超標(biāo)水平，定義報(bào)警上報(bào)級(jí)別和指導(dǎo)進(jìn)一步的安保措施。專家級(jí)輻射探測(cè)及分析設(shè)備用于輻射報(bào)警目標(biāo)進(jìn)行定量和定性分析，確定報(bào)警性質(zhì)。

通道式輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一套配置大體積高靈敏度伽馬和中子探測(cè)器的放射性自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對(duì)通道內(nèi)的車輛、行人、行包進(jìn)行實(shí)時(shí)在線放射性監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中微量放射性物質(zhì)，自動(dòng)發(fā)出輻射超限報(bào)警，并完成對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存。同時(shí)，系統(tǒng)還能夠與上級(jí)管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)平臺(tái)。通過技術(shù)的不斷升級(jí)和創(chuàng)新，通道式輻射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以兼容便攜式輻射探測(cè)儀器的放射性定位、劑量率檢測(cè)、放射性種類和含量分析等功能，甚至采用一種探測(cè)器即可完成對(duì)γ射線和中子的同時(shí)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可以和電子檔桿、限行裝置、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)、中央警報(bào)處理室設(shè)備、報(bào)警短信提醒系統(tǒng)、箱號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、車牌號(hào)識(shí)別系統(tǒng)、音頻廣播系統(tǒng)等外圍設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，更有效全面地實(shí)現(xiàn)核安保關(guān)于探測(cè)、延遲、響應(yīng)三要素的要求。

便攜式輻射探測(cè)儀器及劑量（率）監(jiān)測(cè)儀是由小型探測(cè)器與微型控制系統(tǒng)組成，適合近距離探測(cè)。經(jīng)過計(jì)量機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)溯源，可以準(zhǔn)確測(cè)量使用場(chǎng)景中的劑量率水平。通過連續(xù)對(duì)大型被測(cè)物進(jìn)行分區(qū)檢測(cè)，分析劑量率或計(jì)數(shù)率的變化規(guī)律，可以較為準(zhǔn)確得定位到核材料與其他放射性物質(zhì)的具體位置。根據(jù)該類設(shè)備儀器的特性，可以將其作為一種探測(cè)報(bào)警后的信息復(fù)核手段，并為響應(yīng)環(huán)節(jié)中信息上報(bào)和情況處置提供有力的執(zhí)行依據(jù)。

專家級(jí)輻射探測(cè)及分析設(shè)備一般是指具有較高技術(shù)指標(biāo)和更全面的技術(shù)分析手段等設(shè)備或儀器，如能譜儀、核素識(shí)別儀、放射性活度檢測(cè)儀等。該類設(shè)備或儀器的輻射探測(cè)器一般具有很好的技術(shù)特性，如能量分辨率高、探測(cè)效率高、能量響應(yīng)好、死時(shí)間小等優(yōu)勢(shì)，配合更先進(jìn)的硬件條件和分析算法，可以非常準(zhǔn)確得給出被測(cè)對(duì)象的核素名稱、核素類別（特殊核材料、天然核素、人工核素和醫(yī)用核素等）和含量信息，實(shí)現(xiàn)核素識(shí)別和活度分析等功能，為準(zhǔn)確定性報(bào)警或非法事件提供有力依據(jù)。

除了以上輻射探測(cè)系統(tǒng)和儀器外，得益于軟、硬件和云技術(shù)的快速發(fā)展，使用大量不同輻射探測(cè)器和控制系統(tǒng)，配合GPS、GIS等成熟技術(shù)，可組建放射性的區(qū)域監(jiān)控系統(tǒng)或在線實(shí)時(shí)監(jiān)控云平臺(tái)。對(duì)實(shí)物保護(hù)場(chǎng)所和放射源運(yùn)輸路線進(jìn)行連續(xù)輻射水平監(jiān)視，對(duì)輻射水平異常進(jìn)行快速報(bào)警、上報(bào)和執(zhí)行其他響應(yīng)手段，為特殊核材料及其他放射性物質(zhì)的儲(chǔ)存和運(yùn)輸提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

另外，在放射性物質(zhì)的丟失尋找和大型活動(dòng)放射性跟蹤監(jiān)控中，伽馬成像檢測(cè)設(shè)備發(fā)揮了重要作用。針對(duì)核安保中的高?；蛉肆Σ环奖愕诌_(dá)的場(chǎng)所，無人機(jī)放射性巡檢系統(tǒng)和輻射探測(cè)機(jī)器人也逐漸發(fā)揮了它們的固有優(yōu)勢(shì)。

5 總結(jié)

文章重點(diǎn)介紹了輻射探測(cè)的基本原理和相關(guān)特性，以及不同輻射探測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的組成及其優(yōu)勢(shì)。針對(duì)核安保系統(tǒng)的特點(diǎn)和應(yīng)用，分析了用于實(shí)物保護(hù)環(huán)節(jié)的各種輻射探測(cè)設(shè)備與儀器。可以看出，輻射探測(cè)技術(shù)與設(shè)備將會(huì)在核安保領(lǐng)域中得到更好的發(fā)展和應(yīng)用，從而更有效提升核安保系統(tǒng)的監(jiān)管和防御能力，為世界核能事業(yè)發(fā)展提供有力保障。