基于4G-RTU的水體γ放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

張 勝 王永軍 王瑞軍 黃清波 張春雷 武明洋

1（核工業(yè)航測(cè)遙感中心 石家莊 050002）

2（國(guó)家核應(yīng)急航空監(jiān)測(cè)技術(shù)支持中心 石家莊 050002）

3（中核核應(yīng)急航空監(jiān)測(cè)工程技術(shù)研究中心 石家莊 050002）

隨著核能技術(shù)的開發(fā)利用［1-2］，水體是否受到放射性污染一直是社會(huì)公眾關(guān)心和政府高度關(guān)注的問題［3］，尤其是日本福島核事故后，更是成為了關(guān)注焦點(diǎn)［4-6］。針對(duì)當(dāng)前水體放射性的日常監(jiān)測(cè)監(jiān)管及應(yīng)急快速監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，開展水體放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制對(duì)有效避免或防止水體放射性污染對(duì)人類健康及生態(tài)系統(tǒng)造成威脅和危害具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。相比于傳統(tǒng)的“現(xiàn)場(chǎng)采樣-實(shí)驗(yàn)室分析”方法，將探測(cè)器直接浸入水體中進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，其快捷性和時(shí)效性無(wú)可替代［7-8］。目前，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)和組織先后研制出走航式［9］、浮標(biāo)定點(diǎn)式［10-12］、拖曳式［13］等類型的γ 譜測(cè)量系統(tǒng)，尤其是福島核事故后對(duì)海水放射性開展了系列監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［8，14-15］和在線監(jiān)測(cè)裝置研制及校準(zhǔn)方法研究［16-17］，但主要是針對(duì)特定水體進(jìn)行短期測(cè)量，卻存在著制作和維護(hù)成本高、結(jié)構(gòu)和操作復(fù)雜、通信費(fèi)用高、在線時(shí)間短，不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)等不足。針對(duì)以上問題，本文從水體放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、4G通信技術(shù)與探測(cè)器技術(shù)，將探測(cè)裝置、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、通信模塊及浮體進(jìn)行了一體化設(shè)計(jì)與集成，研制了一套基于4G-RTU的低功耗、可遠(yuǎn)程操控的適用于長(zhǎng)時(shí)間在線的水體放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)、可靠性和適用性進(jìn)行了測(cè)試。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

水體γ 放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由γ 射線監(jiān)測(cè)裝置子系統(tǒng)和遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)軟件子系統(tǒng)兩部分組成，其中γ 射線監(jiān)測(cè)裝置子系統(tǒng)主要由探測(cè)器單元、4GRTU通信單元、供電一體化浮體單元等組成，主要功能是通過4G-RTU接收采集指令和實(shí)時(shí)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)軟件子系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、客戶端及配套軟件等組成，主要功能是通過配套軟件實(shí)現(xiàn)與γ 射線監(jiān)測(cè)裝置子系統(tǒng)的通信連接、設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程配置和控制、采集指令發(fā)送的交互，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的接收、保存、處理、顯示、閾值報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)等。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 水體γ放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Architecture schematic of online monitoring system for γ radioactivity in a body of water

1.2 γ射線監(jiān)測(cè)裝置子系統(tǒng)

1.2.1 探測(cè)器單元

探測(cè)器單元主要由閃爍探測(cè)器晶體、光電倍增管、多道分析器、高壓模塊、數(shù)據(jù)接口、防水抗壓外殼等組成，采用了一體化集成設(shè)計(jì)，如圖2（a）所示，主要負(fù)責(zé)水體放射性數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。閃爍探測(cè)器晶體采用是NaI（Tl）晶體，尺寸大小為?76.2 mm×76.2 mm，探測(cè)能量范圍為30～3 000 keV，對(duì)137Cs 的662 keV γ射線的能量分辨率≤7.5%。多道分析器采用了自主研制的能夠輸出4 096 道原始γ 能譜數(shù)據(jù)的分析器。為保證更遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離，數(shù)據(jù)接口采用了RS485接口。為防止外殼受水壓而變形滲水從而造成NaI（Tl）晶體可能發(fā)生潮解和電路短路，防水抗壓外殼采用了防護(hù)等級(jí)為IP68的不銹鋼材料，內(nèi)部填充了防潮泡沫，加裝了防水密封件和電纜插頭。經(jīng)在壓力測(cè)試井中進(jìn)行防水抗壓測(cè)試，升壓至0.8 MPa，保持壓力10 h，外殼無(wú)滲水無(wú)變形。探測(cè)器的電源線和數(shù)據(jù)信號(hào)線通過防水電纜接口分別連接至供電一體化浮體單元和4G-RTU設(shè)備。探測(cè)器實(shí)物如圖2（b）所示。

圖2 探測(cè)器單元的示意圖(a)和實(shí)物圖(b)Fig.2 Schematic diagram (a) and photograph (b) of the detector unit

1.2.2 4G-RTU通信單元

4G-RTU 通信單元采用了一款工業(yè)級(jí)無(wú)線遠(yuǎn)程終端設(shè)備，設(shè)備內(nèi)部封裝集成了TCP/IP等多種網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，提供串口數(shù)據(jù)雙向通信，支持“透明傳輸”（連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)）、自動(dòng)心跳包、遠(yuǎn)程配置及控制等功能，無(wú)需單獨(dú)上位機(jī)的支撐，只需接入4G 運(yùn)營(yíng)商的公共網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過簡(jiǎn)單配置后，即可建立探測(cè)器單元與遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)軟件子系統(tǒng)之間的通信，就可以進(jìn)行設(shè)備調(diào)試、配置參數(shù)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。4GRTU通信單元與探測(cè)器單元的組網(wǎng)方式和指令流如圖3所示。

圖3 4G-RTU通信單元的組網(wǎng)方式及指令流示意圖Fig.3 Schematic diagram of the networking mode and order flow of the 4G-RTU communication unit

1.2.3 供電一體化浮體單元

供電一體化浮體單元主要由浮體、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、設(shè)備儀器艙及其他配件（錨、把手、警示燈等）等組成，采用了一體化集成設(shè)計(jì)，如圖4（a）所示，主要用來(lái)作為γ射線監(jiān)測(cè)裝置子系統(tǒng)的支撐平臺(tái)。浮體采用聚乙烯（Polyethylene，PE）為材質(zhì)的圓柱體設(shè)計(jì)，內(nèi)部填充泡沫（Expanded Polystyrene，EPS），浮體上面兩側(cè)的圓孔用于安裝探測(cè)器和配重，中間大圓是帶有電纜水密孔的密封艙蓋，中間長(zhǎng)方體為設(shè)備儀器艙，用來(lái)放置太陽(yáng)能供電配套設(shè)備、蓄電池及4G-RUT 等設(shè)備，浮體上面傾斜部分用于安裝太陽(yáng)能光伏陣列電池板。浮體單元的實(shí)物圖如4（b）所示。

圖4 浮體單元的示意圖(a)和實(shí)物圖(b)Fig.4 Schematic diagram (a) and photograph (b) of the floating body unit

1.3 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)軟件子系統(tǒng)

1.3.1 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用了模塊化設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集與控制模塊、參數(shù)配置模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、數(shù)據(jù)保存模塊、數(shù)據(jù)圖形顯示模塊、歷史數(shù)據(jù)查詢模塊、超閾值報(bào)警模塊、γ譜分析模塊，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)Fig.5 System software design framework

1）數(shù)據(jù)采集與控制模塊：利用4G-RTU 的“透?jìng)鳌惫δ苓M(jìn)行無(wú)線通信連接，在本地實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、遠(yuǎn)程控制γ射線監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行和結(jié)束以及指令的發(fā)送。

2）數(shù)據(jù)傳輸模塊：建立無(wú)線通信連接后，在本地通過發(fā)送開始測(cè)量指令，實(shí)時(shí)讀寫虛擬串口數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的解譯、格式轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)糾錯(cuò)，直到發(fā)送停止測(cè)量指令后，測(cè)量結(jié)束。

3）數(shù)據(jù)自動(dòng)保存模塊：主要實(shí)現(xiàn)將實(shí)時(shí)接收的數(shù)據(jù)，自動(dòng)保存在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。

4）數(shù)據(jù)顯示模塊：通過動(dòng)態(tài)圖表的方式，對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)，如譜數(shù)據(jù)、窗數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)展示。

5）歷史數(shù)據(jù)查詢模塊：通過設(shè)置查詢條件，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

6）超閾值報(bào)警模塊：通過統(tǒng)計(jì)能譜總道數(shù)據(jù)的異常變化進(jìn)行報(bào)警提示，閾值可以自定義設(shè)置。

1.3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件以C++為開發(fā)語(yǔ)言，采用跨平臺(tái)的Qt可視化編程框架，MySQL 為底層數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了自主開發(fā)，該軟件具有支持多站點(diǎn)、斷線自動(dòng)連接，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示256/512/1 024道γ能譜全譜數(shù)據(jù)以及設(shè)定的窗數(shù)據(jù)、測(cè)量時(shí)間、活時(shí)間、實(shí)時(shí)間等功能，實(shí)現(xiàn)了γ射線裝置的遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和控制。軟件實(shí)現(xiàn)的方法流程圖如圖6（a）所示，實(shí)際運(yùn)行的主界面如圖6（b）所示。

圖6 軟件實(shí)現(xiàn)方法流程圖(a)和實(shí)際運(yùn)行界面(b)Fig.6 Flowchart of software implementation method (a) and actual operating interface (b)

2 系統(tǒng)測(cè)試

2.1 主要性能指標(biāo)測(cè)試

為表征γ 射線監(jiān)測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)，利用水體γ 放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開展了主要指標(biāo)測(cè)試。測(cè)試場(chǎng)地選定在室內(nèi)固定區(qū)域，并將探測(cè)器置于空曠地面上。測(cè)試內(nèi)容包括系統(tǒng)的能量分辨率、能譜峰漂、能量線性度和穩(wěn)定性測(cè)試。

2.1.1 能量分辨率測(cè)試

測(cè)試方法：采用137Cs 源進(jìn)行探測(cè)器的能量分辨率測(cè)試。系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱穩(wěn)定30 min 后，將137Cs 測(cè)試源放于探測(cè)器探頭10 cm處，連續(xù)測(cè)量10 min，記錄一組256 道能譜數(shù)據(jù)。然后將137Cs 測(cè)試源移開，系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行7 h 后，再次將137Cs 測(cè)試源置于原處，重復(fù)測(cè)量10 min，記錄一組256 道能譜數(shù)據(jù)。對(duì)兩組數(shù)據(jù)的662 keV γ 射線特征峰的能量分辨率分別進(jìn)行計(jì)算，要求結(jié)果均小于7.5%。圖7 為使用相同137Cs測(cè)試源兩次測(cè)得的譜線，表1為測(cè)試結(jié)果。

表1 能量分辨率測(cè)試結(jié)果Table 1 Energy resolution test results

圖7 能量分辨率137Cs測(cè)試的兩次實(shí)測(cè)譜線Fig.7 Two measured spectra of the 137Cs energy resolution

從圖7 可以看出，662 keV γ 射線特征峰幾乎重合。從表1 計(jì)算得到的能量分辨率計(jì)算結(jié)果來(lái)看，系統(tǒng)運(yùn)行7 h 后，能量分辨率相對(duì)變化率為0.493 5%，兩次結(jié)果均小于設(shè)計(jì)指標(biāo)7.5%。

2.1.2 能譜峰漂測(cè)試

測(cè)試方法：采用與能量分辨率測(cè)試相同的方法，將232Th 測(cè)試源放于探測(cè)器探頭10 cm 處，進(jìn)行兩次重復(fù)測(cè)量，測(cè)試時(shí)間10 min，間隔時(shí)間7 h，記錄兩組256道能譜數(shù)據(jù)。對(duì)兩組數(shù)據(jù)的2 614 keV γ射線特征峰進(jìn)行峰位計(jì)算，并與預(yù)設(shè)峰位進(jìn)行比較，按照科研任務(wù)書的技術(shù)指標(biāo)要求，對(duì)208Tl 的2 614 keV γ 射線的能譜峰漂的相對(duì)偏差均小于1%。圖8 為使用相同232Th測(cè)試源兩次測(cè)得的譜線，表2為測(cè)試結(jié)果。從兩次測(cè)試結(jié)果可知，能譜峰漂的相對(duì)偏差均小于1%。

表2 能譜峰漂測(cè)試結(jié)果Table 2 Energy spectrum peak drift test results

圖8 能量峰漂測(cè)試的兩次實(shí)測(cè)譜線Fig.8 Two measured spectra of the energy spectrum peak drift test

2.1.3 能量線性度測(cè)試

測(cè)試方法：系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱穩(wěn)定30 min 后，將137Cs、232Th、40K、214Bi、60Co 測(cè)試源分別放于探測(cè)器探頭10 cm處進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間10 min，記錄存儲(chǔ)256 道能譜數(shù)據(jù)；移除測(cè)試源后，進(jìn)行本底測(cè)量1 h。讀取能譜數(shù)據(jù)分別計(jì)算137Cs、208Tl、40K、214Bi和60Co的中心峰位道址，最后將核素能量與道址進(jìn)行線性擬合，要求能譜線性度R2優(yōu)于0.999。擬合曲線如圖9所示，可知能譜線性度R2為0.999 970，優(yōu)于0.999的指標(biāo)要求。由此確定的系統(tǒng)的γ 能窗設(shè)置如表3 所示，文中的窗參數(shù)均采用此設(shè)置。

表3 系統(tǒng)γ能窗設(shè)置Table 3 γ energy window settings of the system

圖9 能量線性度測(cè)試的擬合直線及公式Fig.9 Liner fitting line and equation of the energy linearity test

2.1.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

測(cè)試方法：系統(tǒng)啟動(dòng)預(yù)熱穩(wěn)定30 min后，在室內(nèi)固定位置連續(xù)工作7 h，每小時(shí)記錄一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)的測(cè)量時(shí)間為60 min。對(duì)獲取的7組測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算其總計(jì)數(shù)率窗（TC）、鉀窗（K）、鈾窗（U）、釷窗（Th）的計(jì)數(shù)率、最大值、最小值以及除去最大值、最小值所在數(shù)據(jù)組的其余5組數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)式（1）計(jì)算出系統(tǒng)的穩(wěn)定性的變化情況，按照科研任務(wù)書的技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性優(yōu)于±5%。

式中：δ表示系統(tǒng)的穩(wěn)定性表示除去最大值、最小值所在組數(shù)據(jù)外，其他組數(shù)據(jù)的平均值；下標(biāo)j表示數(shù)據(jù)組的索引；N(max，min)表示窗數(shù)據(jù)的最大值（最小值）。

測(cè)試結(jié)果如表4所示。由表4可知，能譜穩(wěn)定性的最大值為+2.28%，最小值為-2.36%，優(yōu)于系統(tǒng)穩(wěn)定性±5%的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表4 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Table 4 System stability test results

2.2 地面測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)模型測(cè)試

為了驗(yàn)證水體γ放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的正確性，在石家莊核工業(yè)航測(cè)遙感中心的地面測(cè)量模型標(biāo)準(zhǔn)裝置YB2、YK2、YU1、YTH1、YM2 上分別進(jìn)行了測(cè)試。經(jīng)YM2 標(biāo)準(zhǔn)模型含量（2021 年）計(jì)算驗(yàn)證，模型標(biāo)稱值與測(cè)量值的相對(duì)偏差分別為K：0.84%，U：6.68%，Th：2.69%，滿足輕便窗式γ能譜儀檢定規(guī)程（JJG（軍工）40—2014）中相對(duì)偏差的要求：|Ek|≤12%、|Eu|≤7% 和|Eth|≤7%。圖10（a）為YM2 模型測(cè)試時(shí)的照片，圖10（b）為獲取的實(shí)測(cè)譜線。

圖10 YM2模型測(cè)試照片(a)和實(shí)測(cè)譜線(b)Fig.10 YM2 model test photograph (a) and measured spectrum (b)

2.3 系統(tǒng)適應(yīng)性測(cè)試

為了驗(yàn)證研制的水體γ放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的適用性，分別進(jìn)行了系統(tǒng)的防水性測(cè)試、功耗測(cè)試、4G 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試及工作溫度測(cè)試。經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，γ射線監(jiān)測(cè)裝置子系統(tǒng)防水性能良好，總體功耗為1.896 W，太陽(yáng)能供電結(jié)合蓄電池可以保證系統(tǒng)可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋和互聯(lián)網(wǎng)接入正常的情況下，數(shù)據(jù)傳輸正常，在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)中斷后能夠自動(dòng)連接，繼續(xù)測(cè)量。系統(tǒng)工作溫度采用了第三方（河北省計(jì)量監(jiān)測(cè)研究院）測(cè)試，測(cè)試方法為：首先將探測(cè)器置于測(cè)試容器中啟動(dòng)系統(tǒng)，運(yùn)行正常后，按照每小時(shí)溫度均勻上升/下降5 ℃的間隔，從室溫+22 ℃，均勻下降到-5 ℃，后均勻上升至+50 ℃，再均勻下降至室溫+22 ℃，共測(cè)試22 h，觀察溫度變化引起的能譜數(shù)據(jù)變化情況，要求系統(tǒng)運(yùn)行且獲取能譜數(shù)據(jù)正常。測(cè)試結(jié)果表明，在-5～+50 ℃溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行正常，獲取能譜數(shù)據(jù)正常，其中在+33～+50 ℃溫度范圍內(nèi)，TC窗計(jì)數(shù)率總體變化不明顯，而K窗、Th窗計(jì)數(shù)率變化明顯，說(shuō)明譜儀自動(dòng)穩(wěn)譜程序在此溫度范圍內(nèi)需進(jìn)一步改進(jìn)和修正。圖11（a）為系統(tǒng)工作溫度測(cè)試照片，圖11（b）為隨時(shí)間溫度變化的實(shí)測(cè)窗數(shù)據(jù)曲線。

圖11 系統(tǒng)工作溫度測(cè)試照片(a)和實(shí)測(cè)窗數(shù)據(jù)曲線(b)Fig.11 System working temperature test photograph (a) and measured window data curves (b)

2.4 系統(tǒng)探測(cè)核素137Cs 最小可探測(cè)活度濃度的計(jì)算

在對(duì)水體放射性進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于水體的放射性濃度水平較低，測(cè)量的凈計(jì)數(shù)與本底計(jì)數(shù)率不相上下，有時(shí)候甚至還要低，因此，最小可探測(cè)活度（Minimum Detectable Activity，MDA）是探測(cè)系統(tǒng)非常重要的性能參數(shù)之一。在置信概率為95%的情況下，探測(cè)系統(tǒng)的MDA可由式（2）計(jì)算得到：

式中：N為本底計(jì)數(shù)，N=B×t，B為放射性核素的本底計(jì)數(shù)率；t為系統(tǒng)的探測(cè)時(shí)間；ε為系統(tǒng)探測(cè)效率；P為射線發(fā)射概率。

式（2）中，137Cs探測(cè)效率ε是關(guān)鍵參數(shù)。鑒于實(shí)驗(yàn)條件的限制，為了研究γ能譜儀的探測(cè)下限，提出利用已知活度的137Cs 標(biāo)準(zhǔn)體源，通過地面實(shí)驗(yàn)測(cè)量模擬137Cs 標(biāo)準(zhǔn)溶液的方法來(lái)獲取核素137Cs 的探測(cè)效率，進(jìn)而利用式（2）計(jì)算137Cs 的MDA。具體方法步驟如下：

1）測(cè)試條件準(zhǔn)備。選用密度與水的密度相當(dāng)、低活度的137Cs標(biāo)準(zhǔn)體源1枚，編號(hào)為041213，生產(chǎn)日期 為2013 年4 月12 日，活度為309 Bq，凈重為341.4 g，體源直徑dCs=7.5 cm，高h(yuǎn)Cs=7 cm；低本底鉛屏蔽室1個(gè)；研制的探測(cè)器系統(tǒng)1套，探頭直徑dprobe=7.5 cm，高h(yuǎn)probe=7.5 cm。

2）環(huán)境本底測(cè)量。將探測(cè)器置于鉛屏蔽室底部中心，系統(tǒng)預(yù)熱穩(wěn)定30 min后，關(guān)閉鉛屏蔽室上蓋，開始進(jìn)行本底測(cè)量，采樣時(shí)間設(shè)置為2.1 s，系統(tǒng)連續(xù)工作15 h，實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)256道能譜數(shù)據(jù)，共獲取到25 677組本底譜數(shù)據(jù)。

3）137Cs標(biāo)準(zhǔn)體源測(cè)量。將137Cs標(biāo)準(zhǔn)體源置于鉛屏蔽室內(nèi)底部中心，探測(cè)器放置于體源頂部中心上方1 cm，關(guān)閉鉛屏蔽室上蓋，開始進(jìn)行137Cs 標(biāo)準(zhǔn)體源測(cè)量，采樣時(shí)間設(shè)置為2.1 s，系統(tǒng)連續(xù)工作7.72 h，實(shí)時(shí)記錄存儲(chǔ)256 道能譜數(shù)據(jù)，共獲取到13 237組137Cs標(biāo)準(zhǔn)體源譜數(shù)據(jù)。

4）計(jì)算137Cs 窗的凈計(jì)數(shù)率，求取137Cs 的探測(cè)效率ε。通過對(duì)獲取的譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解譯和處理，窗道址范圍設(shè)置為50～60，求得137Cs 窗的凈計(jì)數(shù)率Nnet=0.901·s-1。通過計(jì)算137Cs 源活度A=257.038 Bq，體積VCs=309.250 5 cm3，測(cè)量時(shí)間t=27 798 s。以放射源頂部中心為球心，放射源的高h(yuǎn)Cs=7 cm 為半徑的球體體積Vsphere≈1 436.8 cm3。通過將與水密度相當(dāng)?shù)姆派潴w源模擬為活度為309 Bq的137Cs標(biāo)準(zhǔn)溶液，源放置于探頭底部1 cm 處，則相當(dāng)于距離水面1 cm。由于探頭上部被遮擋且與源的距離只有1 cm，假定角響應(yīng)影響忽略不計(jì)，則探頭接收到光子的有效體積Vprobe=44.178 6 cm3，因此137Cs 的探測(cè)效率ε=Nnet/（A×P×Vprobe/Vsphere）≈13.41%。

5）利用式（2）計(jì)算得到137Cs的MDA。經(jīng)計(jì)算可知，137Cs 的MDA 為0.753 781 Bq·L-1（測(cè)量時(shí)間：7.72 h），滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)1 Bq·L-1的要求。測(cè)試用裝置如圖12（a）所示，測(cè)得的137Cs 去除本底后的譜線如圖12（b）所示。

圖12 137Cs體源及鉛室照片(a)和137Cs去除本底后的譜線(b)Fig.12 Photograph of 137Cs volume source and lead chamber (a) and spectrum with removed background (b)

3 系統(tǒng)初步應(yīng)用

為了驗(yàn)證研制的水體γ放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，在石家莊太平河開展了初步實(shí)地測(cè)試。測(cè)試地點(diǎn)的河水水量充沛，水流緩慢，水面散有部分藻類，水深保持在2.0～2.5 m。將研制的供電一體化浮標(biāo)裝置和γ射線監(jiān)測(cè)裝置子系統(tǒng)置于水下深度1.5 m，采樣時(shí)間設(shè)置為2.1 s，利用自主研發(fā)的在線監(jiān)測(cè)軟件遠(yuǎn)程啟動(dòng)系統(tǒng)，通過4G網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸至位于數(shù)據(jù)中心。系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)21.45 h，采集有效數(shù)據(jù)36 798 組，其中系統(tǒng)功能測(cè)試數(shù)據(jù)5 598 組，實(shí)際連續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)為31 200組。針對(duì)31 200 組能譜數(shù)據(jù)的TC、K、U 和Th 窗數(shù)據(jù)，按照累積采樣時(shí)間300 s，記錄計(jì)數(shù)率的變化情況并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，測(cè)試點(diǎn)水域的總體計(jì)數(shù)率非常低，而K、U、Th 計(jì)數(shù)率的變化相對(duì)穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)其他數(shù)據(jù)異常，說(shuō)明測(cè)試點(diǎn)水域的放射性處于正常水平。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證供電的可靠性，在石家莊滹沱河進(jìn)行了連續(xù)3 個(gè)多月的實(shí)際應(yīng)用。結(jié)果表明，研制的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水體中γ放射性的長(zhǎng)期連續(xù)性測(cè)量，且在網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)隨時(shí)可以瀏覽監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。圖13 為太平河監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片，圖14 為TC、K、U和Th窗計(jì)數(shù)率300 s的變化曲線。

圖13 石家莊太平河實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.13 Actual on-site photograph of the measured field in the Taiping river of Shijiazhuang city

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)水體γ放射性長(zhǎng)時(shí)在線監(jiān)測(cè)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，研制了一套基于4G-RTU的水體γ放射性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開展了系統(tǒng)的γ 射線監(jiān)測(cè)裝置的主要性能指標(biāo)、適應(yīng)性、準(zhǔn)確性、實(shí)用性測(cè)試以及遠(yuǎn)程控制軟件系統(tǒng)的功能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)滿足任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)了4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控設(shè)備，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、顯示、保存和統(tǒng)計(jì)等功能。實(shí)際應(yīng)用和效果表明，該系統(tǒng)在4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的范圍內(nèi)，可不受地域和時(shí)間限制隨時(shí)監(jiān)控和瀏覽水體的放射性狀況，且具有自主可控、建設(shè)和維護(hù)成本低等特點(diǎn)，可以為水體放射性日常和應(yīng)急監(jiān)測(cè)研究與實(shí)踐提供可靠、低成本的數(shù)據(jù)來(lái)源，在水體放射性在線監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有重要的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

致謝感謝李懷淵總工、徐國(guó)蒼研究員級(jí)高工、張積運(yùn)研究員級(jí)高工、劉士凱研究員級(jí)高工、倪衛(wèi)沖研究員級(jí)高工、胡明考研究員級(jí)高工、江民忠研究員級(jí)高工、房江奇研究員級(jí)高工以及楊金政高工、陳元慶高工提供的幫助和指導(dǎo)，感謝同事劉林峰、安政偉、劉學(xué)、牛國(guó)臣、王浩然、宋振濤、曾玉潔、孫祿健、郝明鑫等提供的幫助。

作者貢獻(xiàn)聲明張勝負(fù)責(zé)論文撰寫、方法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)分析、軟件開發(fā)；王永軍負(fù)責(zé)論文審核、項(xiàng)目管理、方法指導(dǎo)、測(cè)試協(xié)調(diào)；王瑞軍負(fù)責(zé)論文審核、資源、監(jiān)管、測(cè)試；黃清波負(fù)責(zé)硬件研制、數(shù)據(jù)分析；張春雷負(fù)責(zé)設(shè)備采購(gòu)、安裝和調(diào)試；武明洋負(fù)責(zé)論文整理。