安繼剛

（清華大學 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

60Co輻射成像檢測系統(tǒng)于1996年申報發(fā)明專利，1997年研制成功，1999年，第一套國產(chǎn)集裝箱檢測系統(tǒng)在中國海關(guān)馬尾檢查站投入使用，打破了國際公司的壟斷。近二十年來，在海關(guān)總署、科技部和教育部的領(lǐng)導與支持下，60Co輻射成像檢測技術(shù)已發(fā)展形成相當規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，發(fā)揮了重要作用。

我國集裝箱輻射成像檢測技術(shù)研發(fā)始自1991年國家科委八五攻關(guān)計劃。清華大學核研院、工物系和物理系聯(lián)合承擔攻關(guān)任務，研制以直線加速器為輻射源的集裝箱檢測系統(tǒng)。1995年底，清華大學三院系聯(lián)合完成八五攻關(guān)任務，研制成功我國首套加速器集裝箱檢測系統(tǒng)，成立同方威視公司，走上了該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化之路。

1995年末，德國海曼公司推出廉價而且占地小的X射線機檢測系統(tǒng)，但由于輻射能量低，檢測性能差。中國海關(guān)總署提出：需要價廉、省地，但性能優(yōu)良的檢測裝備。清華大學核研院分析加速器和X射線機系統(tǒng)的優(yōu)缺點，依據(jù)八五攻關(guān)所發(fā)明高壓氣體陣列探測器的巨大潛力［1］，提出新的技術(shù)構(gòu)思——用60Co探傷源代替加速器，提高探測系統(tǒng)性能，創(chuàng)建輻射水平低（相差近千倍）但性能與加速器系統(tǒng)相當，而且安全、可靠、價廉、省地的新型集裝箱檢測系統(tǒng)。經(jīng)過技術(shù)論證，于1996年3月申報發(fā)明專利［2］，自此開啟了新的研發(fā)歷程。

1 60 Co輻射成像檢測系統(tǒng)創(chuàng)新思路［3］

創(chuàng)建兼有加速器與X射線機系統(tǒng)優(yōu)點的新系統(tǒng)主要思路如下。

1）用60Co工業(yè)探傷機 （≤300 Ci）做射線源。γ射線平均能量為1.25 Me V，相當于4 Me V加速器，可保障高穿透本領(lǐng)，但其輻射量比加速器低數(shù)百甚至上千倍，是主要技術(shù)困難，需靠其他創(chuàng)新技術(shù)克服。

2）提高探測器靈敏度與效率。適當增大探測器截面，改換充氣，使靈敏度提高40多倍，同時提高電極片的固體輻射體作用，使對60Co γ探測效率大于40%［4］。

圖1 兩種檢測系統(tǒng)空間布局比較a.Layout of accelerator-system b.Layout of 60 Co-systemFig.1 Comparison of spatial layout of t wo inspection system

3）大張角布局。憑借60Co源γ光子發(fā)射的各向均勻性，選擇大張角布局（圖1），使源－探測器距縮小至加速器系統(tǒng)的1／3以下，探測器接受輻射強度增加至10倍以上，克服了60Co源輻射量低的缺陷。

4）縮短檢測通道長度。依靠輻射水平低而實現(xiàn)，使得在掃描速度稍低的情況下，仍能保持集裝箱檢測的通過率不降低。

2 產(chǎn)學研結(jié)合

實現(xiàn)創(chuàng)新技術(shù)設(shè)想，必須走產(chǎn)學研結(jié)合之路。獲得國家計委中國節(jié)能投資公司支持，組建北京華力興公司專職開發(fā)、推廣60Co集裝箱檢測技術(shù)。清華大學核研院與華力興公司結(jié)合，實現(xiàn)了60Co檢測技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。

1996年10月投資研制1／4規(guī)模樣機，1997年4月建成，獲摩托車等客體的清晰圖像，驗證了技術(shù)思路與方案的正確性。1997年5～7月，60Co探傷源集裝箱檢測系統(tǒng)建成，獲面包車及集裝箱等客體清晰圖像（圖2、圖3）。實測指標是：CI＝0.7%，IQI＝2.5%，SP＝240 mm（CI為密度反差靈敏度；IQI為絲分辨率；SP為穿透本領(lǐng)），與當時的加速器檢測系統(tǒng)性能相當，而單次檢測劑量≤5μSv，顯著低于后者。

圖2 1997年建成的60 Co檢測系統(tǒng)樣機Fig.2 Prototype of 60 Co inspection system established in 1997

圖3 60 Co檢測系統(tǒng)樣機獲取的圖像Fig.3 Image obtained from the prototype of 60 Co inspection system

60Co檢測系統(tǒng)1∶1樣機研制成功后，獲得海關(guān)總署和相關(guān)領(lǐng)導部門的認可。1998年11月23日，時任國務委員的吳儀同志會同國家科委主任朱麗蘭及海關(guān)總署等相關(guān)部門領(lǐng)導親臨清華大學核研院考察此檢測系統(tǒng)（圖4、圖5），充分肯定了這項科技成果，并決定在福建馬尾建設(shè)我國首座60Co集裝箱檢查站，開啟了60Co檢測系統(tǒng)推廣應用之路。

圖4 考察60 Co檢測系統(tǒng)Fig.4 The leaders WU yi etc.visited the 60 Co inspection system

圖5 60 Co檢測系統(tǒng)掃描圖像Fig.5 The i mage obtained by the 60 Co inspection system

清華大學核研院和北京華力興公司通力合作，于1999年6月26日在馬尾建成60Co集裝箱檢查站，調(diào)試成功并投入運行，這是我國第一座投入運行的國產(chǎn)集裝箱檢查站。

馬尾60Co集裝箱檢查站如圖6所示。該站試運行期間（1999-11-23），便查出賴昌星“遠華公司”的一樁冒充廢金屬走私進口千臺計算機顯示器的大案，圖像示于圖7。

圖6 馬尾60 Co集裝箱檢查站Fig.6 Mawei station of 60 Co inspection system

圖7 1999年馬尾站查獲以“廢金屬”名義走私進口的計算機顯示器Fig.7 Computer monitors smuggled as scrap metal at Mawei station in 1999

3 產(chǎn)業(yè)化16年技術(shù)進展

自1999年第1套60Co集裝箱檢測系統(tǒng)產(chǎn)品在馬尾投入運行至2014底，已經(jīng)銷售安裝60Co檢測系統(tǒng)89套，并針對各種需求，研制推廣不同的類型，形成了完整的產(chǎn)品系列。

已經(jīng)推廣的主要類型有：門架移動型［5］、車載式［6］、鐵路貨運列車檢測系統(tǒng)［7］、垂直透視轎車檢測系統(tǒng)［8］及雙視角檢測系統(tǒng)［9］等（圖8、圖9、圖10、圖11）。還研制了集裝箱CT／DR檢測系統(tǒng)［10］、直通式轎車檢測系統(tǒng)等新裝備，正在推廣應用。

圖8 門架移動式檢測系統(tǒng)Fig.8 Gantr y-moving inspection system

圖9 車載式檢測系統(tǒng)Fig.9 Vehicular inspection system

圖10 貨運列車檢測系統(tǒng)Fig.10 Freight train online inspection system

圖11 22.5 k m／hr時速下鐵路貨物（卡車）的檢測圖像Fig.11 Inspection i mage of truck on train at 22.5 k m／h

十多年來，60Co檢測系統(tǒng)的主要應用領(lǐng)域已經(jīng)從海關(guān)擴展到交通部門的港口與高速公路以及國家安全機構(gòu)等，而且出口到亞州與非洲多國，如巴基斯坦、哈薩克斯坦、吉布提、加納，等。

首創(chuàng)的60Co滾裝船貨車查驗系統(tǒng)對渤海灣黃金水道上航行的滾裝船進行監(jiān)測。由于不法商人在車內(nèi)私帶化危品，曾導致中途起火，釀成失火、翻船、死人的慘烈事故。鑒于港口碼頭地域狹小，又要求性價比高、運行成本低，60Co檢測系統(tǒng)成為最佳選擇（圖12、圖13）。自2005年在相關(guān)港口普遍安裝檢測系統(tǒng)后，再沒有發(fā)生船毀人亡的惡性事故?，F(xiàn)已在渤海沿岸、瓊州海峽及長江上游等地安裝20余套，極大地提高了航運安全性。

圖12 滾裝船車輛檢查站Fig.12 Inspection station f or Roll-on-roll-off ship

圖13 滾裝船車輛檢測系統(tǒng)Fig.13 Tr uck boar ding roll-on-roll-off ship inspection system

針對轎車特點發(fā)展了垂直透視檢測系統(tǒng)，自上而下的視角避免了轎車底盤對檢測圖像的干擾，獲得最佳的檢查效果。首套移動式轎車垂直透視檢測系統(tǒng)已用于2008年北京奧運會［8］，該系統(tǒng)示于圖14。

為得到更好的檢測效果，開發(fā)了雙視角鈷-60檢測技術(shù)［9］。由“1個射線源＋2排探測器”同時獲取2幅投影圖像，形成立體透視效果，可分辨重疊物體的先后位置，進行透視查驗。二連浩特運行的雙視角檢測系統(tǒng)示于圖15。

圖14 移動式轎車垂直透視檢測系統(tǒng)Fig.14 Car top-view inspection system

圖15 雙視角集裝箱檢測系統(tǒng)Fig.15 Dual-view container inspection system

當前裝備的轎車檢測系統(tǒng)，均要求司機下車，再拖動轎車接受檢測，限制了檢測效率的提高，每小時只有數(shù)十輛車可通過，在大交通流量情況下無法應用。清華大學核研院已研制成功不需要司機下車的直通式檢測系統(tǒng)，每小時可通過數(shù)百輛車。

為降低輻射劑量，確保不下車司機的人身安全。美國的ANSI N43.17標準規(guī)定：輻射劑量小于0.25μSv，即可直接檢測人體。從2010年起，美國機場安裝背散射系統(tǒng)檢查旅客，便依據(jù)此標準。清華大學核研院研制的司機不下車直通式轎車檢測系統(tǒng)，輻射源是8 Ci60Co，轎車速度為10～20 k m／h，司機所受劑量≤0.1μSv。掃描圖像示于圖16，能完全滿足安檢要求。

圖16 直通式轎車檢測系統(tǒng)圖像（10～20 k m／hr時速）Fig.16 Image from through car inspection system （at 10～20 k m／h）

為獲得物性判別功能以利于查找爆炸物等危險品，研發(fā)了60Co集裝箱CT／DR檢測系統(tǒng)［10］（十五攻關(guān)項目）——既可獲取多方向透視圖像，又能獲得客體選定部位的斷層圖像，具備了依靠密度數(shù)據(jù)判別材質(zhì)的功能。克服了探測器旋轉(zhuǎn)、環(huán)架結(jié)構(gòu)、信號采集傳輸及圖像重建等困難，實現(xiàn)了大型客體（集裝箱、車輛）的γ－CT檢測。該系統(tǒng)在通過科技部項目驗收時，實測密度分辨率達到0.6%。此技術(shù)已經(jīng)獲得中國發(fā)明［10］與英國專利授權(quán)［11］，又得到國際發(fā)明展金獎。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局及獲得的航空集裝箱與轎車斷層圖像示于圖17、圖18、圖19。圖18中，三瓶液體分別為：汽油，水及汽油加水。

圖17 集裝箱CT檢測系統(tǒng)Fig.17 Container CT system

圖18 航空集裝箱斷層圖像Fig.18 cross-section i mage of an air container

圖19 集裝箱CT系統(tǒng)獲取汽車斷層圖像Fig.19 Car cr oss-section i mages from container CT system

60Co集裝箱CT／DR檢測系統(tǒng)應用CT旋轉(zhuǎn)掃描成像原理，不受物品重疊影響，可依據(jù)密度（精度0.6%）數(shù)據(jù)判別物性，但此類設(shè)備的檢測效率有待提高。

4 60 Co集裝箱檢測系統(tǒng)運行性能

2014年底，60Co集裝箱檢測系統(tǒng)累計運行時間已經(jīng)超過300萬臺時。檢測安全、穩(wěn)定，可靠性和性價比較高。

1）檢測性能。海關(guān)用300 Ci活度60Co集裝箱檢測系統(tǒng)的主要檢測性能指標是：CI＝0.5%～0.7%；IQI＝2.5%；SP＝220～240 mm鐵；輻射劑量小于5μSv。前三項指標與中檔加速器檢測系統(tǒng)的相當，而第四項則明顯優(yōu)于后者。

針對不同應用場合與要求，發(fā)展了不同60Co源活度的檢測系統(tǒng)，如車載式的30 Ci檢測系統(tǒng)、8 Ci的轎車檢測系統(tǒng)及0.8 Ci的綠色通道檢測系統(tǒng)等。源活度降低使性能略有下降，但即使是0.8 Ci系統(tǒng)的穿透本領(lǐng)仍可達到180 mm鐵，滿足查驗假綠色運輸車的需要。

2）輻射安全性。16年來共銷售安裝60Co檢測系統(tǒng)89套，累計運行時間已超過300萬臺時，未發(fā)生輻射安全事故。

60Co源活 度涵蓋 300-100-30-8-0.8 Ci等多個等級，分別屬于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類放射源。60Co檢查系統(tǒng)設(shè)置了多重安全措施，可全天候防護與監(jiān)控放射源安全。各項輻射安全指標設(shè)計與實測值均小于國家標準要求值。檢查設(shè)備對周圍公眾及環(huán)境的影響小，可忽略不計。

針對放射源的安全措施包括：存儲容器及工作箱體堅固安全；源容器采用雙人雙鎖制度；視頻監(jiān)控及防盜報警系統(tǒng)對放射源實施24 h監(jiān)控，出現(xiàn)意外時立即報警。

3）穩(wěn)定與可靠性。運行數(shù)據(jù)證明，60Co檢測設(shè)備正常運行率（設(shè)備完好率）均在98%以上，鈷源10年無需維護，充氣陣列電離室探測器的壽命幾乎沒有限制。

4）長期連續(xù)運行。60Co檢測系統(tǒng)可長時間（24 h／d）連續(xù)運行，而且能隨時啟動，不需要預熱時間。此優(yōu)點可用于建設(shè)特別地區(qū)的無人值守且24 h通關(guān)運行的檢查卡點。

5）耗電、用地及其他資源消耗情況。每套設(shè)備的用電均不超過10 k W，遠低于加速器檢測設(shè)備，60Co源是完全不耗電的，可稱作“綠色輻射源”。海關(guān)與港口設(shè)備的占地面積統(tǒng)計列于表1。

表1 60 Co檢測系統(tǒng)占地面積統(tǒng)計Table 1 The floor area statistics of the cobalt-60 inspection system

物資消耗主要集中在日常維護與年度檢修，涉及到的物資為網(wǎng)絡配件、電氣配件、機械配件、放射源、探測器等。60Co源更換期設(shè)計為10年（2個半衰期），實際按7～8年操作，探測器（充氣電離室）基本不需更換。

60Co檢測系統(tǒng)屬低輻射水平裝備，場地建筑防護要求顯著低于加速器系統(tǒng)。當采用Ⅲ、Ⅳ類源時防護要求更低。

此外，60Co檢測系統(tǒng)無微波輻射、電磁感應及數(shù)十萬伏高壓等危險因素，車載移動式性能與固定式基本相同，在國內(nèi)外車載式檢測系統(tǒng)中性能最高而又輕便、可靠、價廉。系統(tǒng)的適應性強，可用0.8～300 Ci60Co放射源及不同規(guī)格的探測器來滿足各種要求。

綜上可以看出，60Co集裝箱檢測系統(tǒng)應用簡單、可靠，檢測性能優(yōu)越，且價廉、省地。

5 關(guān)于推廣鈷-60檢測技術(shù)的思考

5.1 對放射源的恐懼

由于放射性知識科普介紹有限，在一些管理人員中存在放射源危險，盡量不用的觀念，部分群眾害怕放射源。

60Co放射源都是置于精確設(shè)計制造的防護罐中，只有開啟專用閥門后，光子才能射出，而一旦關(guān)閉閥門，源罐外的輻射水平立即降到安全閾值以下，對外界的影響同關(guān)電后的加速器、X射線機相同。目前主要存在的風險是丟失、被盜問題?？梢酝ㄟ^必要的常規(guī)安保措施來杜絕。

5.2 恐怖份子利用

放射源可能被恐怖份子利用制作炸彈的說法，促成了盡量限制使用放射源的提法。

對于恐怖份子利用的可能性，應當像911事件后的民航部門一樣，要嚴肅對待，采取必要措施積極應對，來保證安全，而不能因噎廢食，一禁了之。

5.3 穿透本領(lǐng)

這是國際廠商在開發(fā)集裝箱檢測系統(tǒng)初期提出的性能衡量指標之一，指在多厚鐵板后仍能發(fā)現(xiàn)一塊鉛磚（大小未規(guī)定）的陰影，但僅從此陰影并不能分辨出任何有意義的客體信息。用此指標劃分集裝箱檢測系統(tǒng)的等級，是不恰當和片面的。

滿載集裝箱平均質(zhì)量厚度約140 mm鐵。因此實際用到的是在集裝箱平均質(zhì)量厚度情況下分辨細節(jié)的能力。300 Ci60Co系統(tǒng)的穿透本領(lǐng)達到220～240 mm鐵，已明顯超出滿載集裝箱的平均質(zhì)量厚度，它在140 mm鐵情況下分辨細節(jié)的能力足夠優(yōu)良。

5.4 放射源移動及人體照射。

國家針對放射源的管理十分嚴格。目前“放射源移動使用”及“直接針對人體的非醫(yī)學安全檢查”還是禁區(qū)，對車載型或直通式60Co檢測系統(tǒng)應用有很大影響。

探傷源為BU包裝，此規(guī)格包裝是為確保能使用各種交通工具安全運輸。購自美國的60Co探傷源由飛機空運經(jīng)萬余千米抵達我國而無任何問題，但在國內(nèi)車運數(shù)公里卻成了問題。美國SAIC公司的車載式137Cs檢測系統(tǒng)早已行銷世界各地，北京華力興公司的車載式60Co系統(tǒng)也已遠銷非洲，近年又銷售到要求特別嚴格的某個亞洲國家，但在國內(nèi)推廣仍有很大難度。

關(guān)于人體的非醫(yī)學安全檢查，美國標準ANSI N43.17要求每次人員受照劑量低于0.25μSv即可，但國內(nèi)標準尚未建立。盡管新研制成功的直通式60Co轎車檢測系統(tǒng)每次通過劑量只有0.1μSv，遠低于美國標準要求，在國內(nèi)推廣仍需努力做許多工作。

為了推動60Co輻射成像檢測系統(tǒng)的更大規(guī)模推廣、應用，希望通過溝通和科學分析，從國家利益出發(fā)，早日取得共識，為此技術(shù)開辟更廣闊的應用空間。

6 展望

6.1 發(fā)展條件不斷改善

國家大力發(fā)展鈷-60放射源生產(chǎn)，秦山三期核電站的 產(chǎn) 量 已 達 670 萬 Ci／a［12］。所 產(chǎn)60Co的比活度大于150 Ci／g，已能滿足大部分探傷檢測的要求。此比活度的小顆粒源（鈷粒子）可用于制造不同活度的探傷源。目前，探傷源裝置已經(jīng)實現(xiàn)了國產(chǎn)化。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，充氣電離室探測器技術(shù)上了新臺階，全焊接陣列電離室的像素尺寸已達1.3 mm～30 mm范圍。靈敏度、探測效率提高，時間響應改善，可靠性更好。

信息技術(shù)的發(fā)展與探測器性能改進將促使集裝箱檢測技術(shù)總體性能獲得明顯提升，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，如雙視角檢測系統(tǒng)、垂直透視轎車檢測系統(tǒng)、直通式檢測系統(tǒng)及集裝箱CT／DR檢測系統(tǒng)等。

隨著科學知識的普及，鈷-60同位素技術(shù)的群眾接受力將大大改善。在深圳、廣州、北京等地都建設(shè)了數(shù)百萬居里的鈷-60輻照站，且已運行多年，并無不良反應。國家政策法規(guī)逐步完善，社會主義市場體制改革不斷深化，放射源管理將更趨合理、積極，更適應社會經(jīng)濟發(fā)展的需要。

6.2 國家需求旺盛

20世紀，集裝箱檢測系統(tǒng)研發(fā)主要是針對打擊世界范圍走私猖獗問題，海關(guān)是最大的需求單位。21世紀以來，反恐斗爭的重要性日益顯現(xiàn)，不僅表現(xiàn)在重要道路沿線檢測，也包括要害部門的安保工作，已經(jīng)提出新的需求。與海關(guān)大部分沿國境線或口岸部署不同，反恐設(shè)備的需求單位呈網(wǎng)絡式面狀分布，有更多更高的要求。

6.3 發(fā)展前景良好

60Co檢測系統(tǒng)已在海關(guān)運行16年，能很好地滿足需求，在近期進行升級換代時，仍堅持采用60Co檢測技術(shù)；自2005年以來，除了某一個城市外，交通部門在其他城市、港口都一直普遍選用60Co輻射成像檢測系統(tǒng)，今后還將繼續(xù)采用；反恐網(wǎng)絡布點量大面廣，性價比高的60Co技術(shù)更適合，直通式檢測系統(tǒng)很受歡迎。集裝箱CT檢測系統(tǒng)是迄今唯一真正具備物性判別功能（密度分辯）的檢測系統(tǒng)，國際航空運輸安全及毒品、爆炸物檢測均需要，進一步解決通過率（檢查效率）問題，發(fā)展前景良好。

7 小結(jié)

本文是對清華大學核研院與北京華力興公司產(chǎn)學研結(jié)合，研究開發(fā)60Co輻射成像檢測系統(tǒng)并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化工作的回顧與展望，是雙方科技人員近二十年工作成果的總結(jié)匯報，并反映了一些認識和體會。限于篇幅，一些技術(shù)問題難以深入展開，有興趣者可參看學術(shù)專著《鈷－60數(shù)字輻射成像集裝箱檢測系統(tǒng)》［3］及相關(guān)專利與文獻。

［1］ 安繼剛，鄔海峰.氣體電離型高能x／γ輻射成象陣列探測裝置：中國，CN1076546A（93102728.4）［P］.1993-09-22.

［2］ 安繼剛，周立業(yè)，劉以思.移動式γ數(shù)字輻射成像無損檢測方法與裝置及其用途：中國，CN1142609 A （96102080.6）［P］.1997-02-12.

［3］ 安繼剛等著.鈷-60數(shù)字輻射成像集裝箱檢測系統(tǒng)［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［4］ 安繼剛，周立業(yè)，劉以思.陣列探測裝置及其用途：中國，CN129085 A［P］.1998-04-03.

［5］ 張顏民，向新程，裘偉東，等.一種可組合拆裝的移動式集裝箱檢測裝置：中國，CN256768 Y（02256759.3）［P］.2003-08-20.

［6］ 安繼剛，周立業(yè)，劉以思.車載γ射線數(shù)字輻射成像流動檢測站及其陣列探測裝置：中國，CN1197209 A（98101501.8）［P］.1998-10-28.

［7］ 吳志芳，安繼剛.鈷-60鐵路貨車在線檢測系統(tǒng)研制［J］.原子能科學技術(shù)，2002，6：490-493.

［8］ 李大慶.垂直透視“拱門”服務奧運安保［N］.科技日報，2008-08-08（2）.

［9］ 吳志芳，苗積臣.雙視角鈷-60集裝箱檢測系統(tǒng)的研制［J］.原子能科學技術(shù)，2015，49（9）：1 695-1 699.

［10］安繼剛 .一種大型客體數(shù)字輻射成像檢測裝置：中國，CN1242519A（99110839.6）［P］.1999-01-26.

［11］安繼剛.Digital radiography inspection apparatus for large object：英國，GB 2368764［P］.2004-02-18.

［12］朱麗兵.中國鈷-60跨越量產(chǎn)藩籬［J］.科技縱覽，2011：55.