通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試方法分析

張煜莉　林 晨　湯 彬

通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試方法分析

張煜莉1林 晨1湯 彬2

（1.廣西壯族自治區(qū)輻射環(huán)境監(jiān)督管理站，廣西 南寧 530000；2.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013）

近年來通道式輻射監(jiān)測(cè)裝置的技術(shù)和功能不斷改進(jìn)，其需求越來越大，主要用于探測(cè)回收廢鋼中是否夾裹放射性源，進(jìn)口礦產(chǎn)資源中放射性核素是否超標(biāo)，防止內(nèi)含運(yùn)輸違法的放射性材料和用于制造核武器的特種核材料，在放射性污染防治中應(yīng)用前景廣闊。文章結(jié)合國際原子能機(jī)構(gòu)于2006年發(fā)布的關(guān)于邊境監(jiān)控裝置的技術(shù)和功能標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指導(dǎo)文件，分析研究了通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，為以后儀器裝置的研發(fā)和調(diào)試提供參考。

通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)；測(cè)試條件；誤報(bào)率；靈敏度；探測(cè)效率

引言

通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)主要應(yīng)用于檢查站，如公路和鐵路邊境過境點(diǎn)、機(jī)場(chǎng)或港口，用來探測(cè)運(yùn)輸?shù)奈镔|(zhì)是否含有放射性物質(zhì)，例如探測(cè)運(yùn)輸材料中是否含有特種核材料，探測(cè)回收的廢鋼中是否夾裹放射源，以及探測(cè)邊境的違法放射性材料運(yùn)輸[1-6]。檢測(cè)系統(tǒng)要求貨車、小汽車或人員等出入窄的限制線，如交通要道收費(fèi)點(diǎn)，其固有靈敏度遠(yuǎn)好于手持式或個(gè)人輻射探測(cè)器。它們?cè)跈z測(cè)連續(xù)通過的人、車輛、行李、包裹、郵件和貨物時(shí)能提供高靈敏度，同時(shí)最大化降低交通車流對(duì)檢測(cè)裝置的影響。

通道式自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)一般都配備了個(gè)人輻射探測(cè)器和多功能手持式儀器，用于工作人員和檢查人員的輻射安全，確認(rèn)警報(bào)，查找放射性物質(zhì)的位置和識(shí)別放射性核素。圖1給出了通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)的一般響應(yīng)模式[7]。

圖1　響應(yīng)模式

目前通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)用來探測(cè)行人是否攜帶或者車輛是否運(yùn)載放射性物質(zhì)，當(dāng)行人或車輛占據(jù)探測(cè)靈敏區(qū)域時(shí)，通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)通過測(cè)量γ輻射水平，然后與報(bào)警閾值做比較。報(bào)警閾值通常受本底輻射水平的影響，通過事先測(cè)量當(dāng)探測(cè)靈敏區(qū)域沒有被占據(jù)時(shí)本底數(shù)據(jù)更新校正得到。

通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)在通過和等待兩種操作模式下都能夠正常運(yùn)行。通過操作模式表示車輛連續(xù)通過門式系統(tǒng)，而等待操作模式表示車輛暫時(shí)停在這個(gè)門式系統(tǒng)內(nèi)，比如車輛暫停然后行駛的通行。軟硬件必須都能夠支持這兩種模式。

本文結(jié)合國際原子能機(jī)構(gòu)于2006年發(fā)布的關(guān)于邊境檢測(cè)裝置的技術(shù)和功能標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)指導(dǎo)文件，詳細(xì)分析研究了通道式輻射監(jiān)測(cè)裝置的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這里主要分析研究關(guān)于γ射線的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)中子的暫不涉及。

1　通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)主要由安裝在垂直柱上的探測(cè)器陣列和輔助的電子學(xué)電路、攝像監(jiān)控系統(tǒng)組成，其能夠明確區(qū)分車輛和行人，且知道何時(shí)監(jiān)控通過的車輛或行人，以及實(shí)時(shí)更新本底輻射水平和報(bào)警閾值。系統(tǒng)的探測(cè)器需要具備很高的靈敏度，例如，Pu的γ射線很容易被屏蔽，但是γ探測(cè)必須能夠探測(cè)到Pu。由于探測(cè)器的靈敏度主要依賴于距離，所以在安裝通道式檢測(cè)系統(tǒng)時(shí)，要認(rèn)真考慮選擇最佳的安裝位置，使儀器發(fā)揮最有效的作用。例如在安裝時(shí)，盡量使行人、車輛和貨物緊靠或中間通過探測(cè)器。系統(tǒng)同時(shí)配備安裝了攝影頭，用于記錄導(dǎo)致報(bào)警的項(xiàng)。至關(guān)重要的是，該檢測(cè)系統(tǒng)在有危險(xiǎn)的時(shí)候能夠同時(shí)進(jìn)行獨(dú)立聲光報(bào)警。

通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)效率同樣與感興趣區(qū)域內(nèi)的測(cè)量輻射強(qiáng)度的能力有關(guān)，因此在安裝監(jiān)視器的時(shí)候要保證探測(cè)器的靈敏區(qū)域具有一個(gè)自由視野，而且還要防止儀器受到機(jī)械損傷。報(bào)警指示應(yīng)該能夠讓檢查點(diǎn)的人員清楚聽到和看到。另外，系統(tǒng)通常要連接到局域網(wǎng)，如多個(gè)過境點(diǎn)的檢查站都安裝了這種裝置，它應(yīng)可以安全、遠(yuǎn)程鏈接到海關(guān)指揮部，又如在大型機(jī)場(chǎng)，所有的數(shù)據(jù)均可以匯集到值班室的數(shù)據(jù)收集中心的計(jì)算機(jī)上。

用于人或車輛檢測(cè)的檢測(cè)系統(tǒng)還需要進(jìn)行大量的工作進(jìn)一步完善。如有些系統(tǒng)要求在監(jiān)測(cè)區(qū)內(nèi)能提供定位源的位置數(shù)據(jù)，就這樣一個(gè)看似簡(jiǎn)單的問題需要非常復(fù)雜的技術(shù)方案才能解決。另外，由于無辜/干擾警報(bào)都是由合法源所引起的輻射警報(bào)，如天然放射性物質(zhì)，或者最近接受核醫(yī)學(xué)治療的乘客，因此，近些年人們也意識(shí)到應(yīng)用新技術(shù)例如算法，可以標(biāo)記天然放射性物質(zhì)或人用醫(yī)學(xué)同位素。使用特殊的報(bào)警算法和參數(shù)，要求通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)軟件必須能夠分別生成γ射線聲光警報(bào)。在不影響通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行的情況下必須支持一個(gè)自動(dòng)調(diào)整γ射線報(bào)警閾值的程序，該軟件應(yīng)該有一個(gè)用戶界面，允許用戶在特定結(jié)構(gòu)下選擇報(bào)警參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，軟件應(yīng)該在視覺和聽覺上給出γ的警報(bào)信息。

通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該合并出一個(gè)基于低或高本底值的誤報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)。為了得到要求的靈敏度，應(yīng)考慮在裝載卡車占據(jù)靈敏區(qū)而降低了γ本底值時(shí)，該系統(tǒng)可以使用任何算法。通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該在內(nèi)部或外部的電腦上具有存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的能力，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的使用格式應(yīng)非專有，并且應(yīng)完全公開。在低于2.7 MeV時(shí)，不應(yīng)該有人為設(shè)置的γ能量靈敏度上限。

2 測(cè)試條件

為了確保通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性和有效性，所有監(jiān)測(cè)裝置都要按照以下標(biāo)準(zhǔn)的參考測(cè)試條件進(jìn)行。

（1）環(huán)境條件為20℃±10%（溫度），相對(duì)濕度為50%～75%，大氣壓為70 kPa～106 kPa（標(biāo)準(zhǔn)）；附近的墻，天花板等對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果不應(yīng)該有很大的影響（±10%）。

（2）裸源和車載源經(jīng)過通道進(jìn)行測(cè)試。

（3）所有安裝好的裝置在長時(shí)間測(cè)試檢驗(yàn)過程中應(yīng)該允許電腦自動(dòng)控制參數(shù)（比如誤報(bào)警率），有權(quán)限使用原始數(shù)據(jù)如計(jì)數(shù)率。

（4）監(jiān)視器在測(cè)試前應(yīng)該先調(diào)好，在測(cè)試過程中不允許進(jìn)行任何調(diào)整；用于靈敏度測(cè)試的指定核材料源可以使用其它的源來替代，替代武器級(jí)钚（WGPu）的源是133 Ba（0.12 MBq相當(dāng)于1 g WGPu），和用57 Co替代高濃縮鈾等。

3　測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

車輛通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)主要包括行人監(jiān)測(cè)裝置、車輛和鐵路輻射監(jiān)測(cè)裝置。本文主要研究車輛放射性檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其它暫不涉及。

車輛通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)的入口監(jiān)測(cè)器由雙面（兩個(gè)支柱）并且對(duì)稱的大面積塑料閃爍探測(cè)器構(gòu)成。探測(cè)靈敏度取決于源與探測(cè)器的距離和探測(cè)時(shí)間。根據(jù)被檢測(cè)車輛的寬度，建議支柱之間的最大距離為6 m。且在車輛通過探測(cè)區(qū)域時(shí)，需放置一些工具來控制和減緩車速，建議車速不要超過8 km·h-1。應(yīng)注意的是，為了避免車輛意外毀壞監(jiān)測(cè)器而安裝的柵欄不能妨礙監(jiān)測(cè)視野。監(jiān)測(cè)器應(yīng)該只監(jiān)測(cè)一個(gè)通道，車輛入口可能是小汽車或卡車類型（包括公共汽車），只是監(jiān)測(cè)的區(qū)域的高度不同。

通道式檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)在整個(gè)測(cè)試過程中必須固定不變。至關(guān)重要的是，感應(yīng)器的類型適用于專門應(yīng)用，安置好的感應(yīng)器只能在監(jiān)測(cè)器被占據(jù)的時(shí)候才能觸發(fā)，而不能被附近其它車輛所觸發(fā)。

3.1　誤報(bào)率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

在較長時(shí)間內(nèi)通過模擬一個(gè)通道和觸發(fā)占用信號(hào)可以自動(dòng)地測(cè)試誤報(bào)率，并且存儲(chǔ)占用信號(hào)和報(bào)警信號(hào)。在測(cè)試模式中占用信號(hào)應(yīng)該連續(xù)持續(xù)3秒和緊接著斷開2秒，每經(jīng)歷30個(gè)自動(dòng)更新本底循環(huán)之后允許中斷30秒。測(cè)試的最少次數(shù)應(yīng)該為30000次，其在自動(dòng)模式下運(yùn)行不超過36個(gè)小時(shí)。如果沒有誤警報(bào)記錄則達(dá)到了置信度為95%的標(biāo)準(zhǔn)，在置信度為95%下經(jīng)過100000次測(cè)試之后誤報(bào)次數(shù)不能超過5次，如表1[7]所示。

表1 在95%置信度下檢驗(yàn)誤報(bào)率的標(biāo)準(zhǔn)

需要注意的是，在模擬通道期間沒有車輛出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)器中間的話會(huì)稍微增加γ誤報(bào)率，這是因?yàn)樵诒O(jiān)測(cè)期間車輛會(huì)稍微降低本底輻射強(qiáng)度（大約達(dá)20%）。因此，模擬測(cè)試結(jié)果可以被認(rèn)為是最差的情況。

3.2　靈敏度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于所有的車輛監(jiān)測(cè)器（小汽車、卡車、公共汽車）探測(cè)區(qū)域應(yīng)該至少包括以下區(qū)域。

（1）對(duì)于卡車入口的垂直范圍為：0.1 m～4 m，如圖2所示；

圖 2 卡車入口的探測(cè)區(qū)域

（2）對(duì)于小汽車入口的垂直距離為：0 m～3 m；

（3）對(duì)于卡車/公共汽車監(jiān)測(cè)器的橫向距離（兩個(gè)探測(cè)器之間的水平距離）可達(dá)6 m。與高度相對(duì)的中心線上得到關(guān)于γ射線和中子的靈敏度變化應(yīng)小于±50%。

探測(cè)區(qū)域靈敏度的變化是指通過在探測(cè)區(qū)域的中間（即柱子之間距離3 m）放置一個(gè)裸露源，源放置的位置依次為離地面高度為0.1 m、1 m、2 m、3m、4 m（小汽車入口最大3 m），并且記錄相應(yīng)探測(cè)器高于本底的計(jì)數(shù)率，數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)精度應(yīng)該至少為±10%。用于測(cè)量的源為至少活度為1 MBq的57 Co和137 Cs，以及發(fā)射12000 n·s-1的中子源252 Cf。

應(yīng)該繪出以放射性核素與測(cè)量源高度為陣列的測(cè)量結(jié)果圖，對(duì)于給定的源在任意一個(gè)高度能夠找到靈敏度的變化，要求源相對(duì)高度的計(jì)數(shù)率變化應(yīng)小于±50%。

3.3　探測(cè)效率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

車輛監(jiān)測(cè)器必須滿足靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試的要求，由于動(dòng)態(tài)測(cè)試耗費(fèi)時(shí)間長并且花費(fèi)更高，推薦在靜態(tài)測(cè)試成功通過之后再進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試。

3.3.1靜態(tài)探測(cè)效率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于一個(gè)距離監(jiān)測(cè)器表面區(qū)域中心點(diǎn)3 m的點(diǎn)源，下列的最小絕對(duì)探測(cè)效率要求必須要達(dá)到。探測(cè)效率是由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)高于本底之后的凈計(jì)數(shù)之和率比上MBq而得到（即雙柱子系統(tǒng)的總計(jì)數(shù)率之和）。實(shí)際探測(cè)靈敏度取決于當(dāng)?shù)氐谋镜子?jì)數(shù)率，對(duì)于探測(cè)概率為50%、1/10000的誤報(bào)率要求下，最小凈計(jì)數(shù)率必須至少要高于本底計(jì)數(shù)率的平方根的四倍（σ），較高的探測(cè)概率要求更高的σ乘數(shù)。表2最后列為本底計(jì)數(shù)率為2500時(shí)的σ，并給出對(duì)應(yīng)σ的探測(cè)效率[7]。

表2　靜態(tài)探測(cè)效率

注：其中σ乘數(shù)是高于本底的凈信號(hào)計(jì)數(shù)率除于本底計(jì)數(shù)率平方根的比率。

3.3.1動(dòng)態(tài)探測(cè)效率測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)

這個(gè)測(cè)試是為了驗(yàn)證γ射線檢測(cè)系統(tǒng)的總性能。在標(biāo)準(zhǔn)的本底下，測(cè)試采用了活度為1 MBq（±30%）的57 Co源和活度為1 MBq（±30%）的137 Cs源，在置信度為95%時(shí)為了獲得要求的80%的探測(cè)概率，這個(gè)測(cè)試的閾值應(yīng)設(shè)較低的2.0“σ”（2倍的本底計(jì)數(shù)率的平方根低于“源+本底計(jì)數(shù)率”），這個(gè)要求應(yīng)該是與1/10000的誤報(bào)率一致，即在給定的本底計(jì)數(shù)率下測(cè)試源的凈計(jì)數(shù)率應(yīng)提供至少6.5“σ”系數(shù)。

在入口中間線上1 m的高度穿過一個(gè)平均速度為8 km·h–1（±30%）的裸露源來測(cè)試探測(cè)概率，在一定合理的通道數(shù)目間隔提供一個(gè)中斷，允許監(jiān)測(cè)器更新本底，如果對(duì)于50個(gè)通道至少有45個(gè)警報(bào)被觸發(fā)那么達(dá)到了要求的探測(cè)概率（在95%置信度時(shí)為80%）。

其它如機(jī)械要求、技術(shù)和功能要求、環(huán)境和電源要求，以及電磁干擾要求的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在以后的測(cè)試研究中會(huì)逐漸涉及到，這里暫不作分析討論。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)地分析研究了通道式放射性檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試條件和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其目的不僅僅是用來測(cè)試，更重要的是用來研發(fā)和調(diào)試時(shí)應(yīng)用，以及在檢查站安裝部署時(shí)作為系統(tǒng)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)來使用，同時(shí)在采購儀器裝置時(shí)也可以作為參考標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)是否達(dá)標(biāo)。隨著技術(shù)的迅速發(fā)展，儀器的功能和系統(tǒng)參數(shù)會(huì)有所提高，但這些測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)依然可以作為最低的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)來使用。

[1] Chambers W H, Atwater F H, Fehlau P E, et al. Portal Monitor for Diversion Safeguards[D]. Los Alamos: University of California, 1974.

[2] Fehlau P E, Brunson G S. Coping with plastic scintillators in nuclear safeguards[J]. Nuclear Science, 1983, 30(1): 158-161.

[3] Fehlau P E, Garcia C, Payne R A, et al. Vehicle monitors for domestic perimeter safeguards[D]. Los Alamos: University of California, 1983.

[4] Fehlau P E. An applications guide to pedestrian SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1986.

[5] Fehlau P E. An applications guide to vehicle SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1987.

[6] York R L. Fehlau P E. Update for the applications guide to vehicle SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1997.

[7] IAEA. Technical and functional specifications for border monitoring equipment[EB/OL]. https://www.iaea.org/publications/ 7400, 2021-12-28.

Analysis of the Test Methods of Passageway Radioactive Detection System

In recent years, with the continuous improvement of technology and function of passageway radiation monitoring device, its demand is increasing. It is mainly used to detect whether radioactive sources are wrapped in recycled scrap, whether radionuclides in imported mineral resources exceed the standard, and prevent the transportation of illegal radioactive materials and special nuclear materials used to manufacture nuclear weapons. It has a broad application prospect in the prevention and control of radioactive pollution. Combined with the technical guidance document on the technical and functional standards of border monitoring devices issued by the International Atomic Energy Agency in 2006, this paper analyzes and studies the test standards of channel radioactive detection system, so as to provide reference for the research and development and commissioning of instruments and devices in the future.

passageway radioactive detection system; test conditions; false positive rate; sensitivity; detection efficiency

TL8

A

1008-1151(2022)02-0001-04

2021-11-25

國家自然科學(xué)基金（12075055）；國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFF0104200）；國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合創(chuàng)新基金（NRE2021-03）。

張煜莉（1986－），女，廣西壯族自治區(qū)輻射環(huán)境監(jiān)督管理站工程師，從事核技術(shù)與放射性物理檢測(cè)。

林晨（1989－），男，廣西壯族自治區(qū)輻射環(huán)境監(jiān)督管理站工程師，從事核技術(shù)與輻射物理研究。