方 忻，李新軍，甘 霖，郜 強

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

自“9.11”之后，隨著國際反恐形勢的日趨嚴峻，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)國際原子能機構(gòu)(IAEA)非法交易數(shù)據(jù)庫(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)庫還報道了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，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)在公共場所制造放射性恐怖事件的目的，各國加強了對進入其海關(guān)的人員、行李和物資等的放射性檢測工作，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，國內(nèi)有關(guān)方面對核材料和放射性物質(zhì)的檢測和快速甄別問題也非常重視。

本文研制了一種用于探測核材料和放射性物質(zhì)的可攜式放射性快速檢測裝置，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)計用于機場、海關(guān)和火車站等地，對出入的人員進行快速甄別。該裝置由可攜式放射性測量裝置和快速甄別軟件組成。

快速甄別裝置(見圖1)大體為圓柱形，其上裝有探測器、電源指示燈、無線數(shù)據(jù)傳輸天線和1個串口接口，其內(nèi)部裝有電源單元、電子學(xué)單元和無線數(shù)據(jù)傳輸單元，配合無線數(shù)據(jù)接收器和計算機管理軟件使用?？紤]到小型化和無線傳輸?shù)奶攸c，采用了外置天線以降低裝置外殼對于無線傳輸信號的屏蔽。在電路設(shè)計上將電路板分開分塊制作，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?？蓴y式放射性檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖1 可攜式放射性檢測裝置

圖2 可攜式放射性檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

綜合考慮了探測器質(zhì)量、探測效率以及性價比，采用了晶體相對于蒽單晶的發(fā)光率為230%，閃爍衰變時間為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種電源可以自動切換，在失去主電時，該裝置仍然可以正常地連續(xù)獨立工作8 h。備電源具有過充和過放保護功能，避免了過充、過放電對電池的損害，有效延長了電池的使用壽命。

電子學(xué)部分主要由單片機及外圍輸入、輸出控制電路組成，具備四路單道脈沖計數(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)計上，根據(jù)所要實現(xiàn)的功能設(shè)計控制系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)。為了能夠降低功耗，延長電池供電的使用時間，實現(xiàn)小型化便攜可移動，元器件均采用低功耗的貼片型元器件。

NaI(Tl)閃爍體探測器將輸出的電脈沖信號經(jīng)過放大后再送到四路單道分析器進行脈沖幅度甄別，將所選能量范圍以外的信號甄別掉，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被整形為TTL脈沖信號，被單片機系統(tǒng)所記錄。當(dāng)某一路計數(shù)達到預(yù)先設(shè)定的報警閾值時，數(shù)據(jù)將傳輸?shù)缴衔粰C，由上位機進行數(shù)據(jù)報警處理，同時蜂鳴器鳴叫，完成報警提示。檢測裝置的工作參數(shù)可通過RS-232串口進行設(shè)置。

單片機選擇Atmel公司生產(chǎn)的ATmage128芯片。該芯片有2個獨立的可編程定時器/計數(shù)器，大多數(shù)指令可以在1個時鐘周期內(nèi)完成[5]，能有效地減少外圍擴展電路，盡可能使硬件電路尺寸小型化，為高速采集探測數(shù)據(jù)以及運算提供了很好的條件。四路單道的計數(shù)分別由ATMega128內(nèi)部2個16位計數(shù)器C/T1、C/T2和外部2個32位計數(shù)器Ls7166完成。設(shè)計要求四路單道同時采集數(shù)據(jù)，然后對四路單道的數(shù)據(jù)進行計算，并做出判斷，整個周期為0.2 s，所以每0.2 s從4個計數(shù)器中采集讀取1次數(shù)據(jù)。

所測得的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后傳輸至遠程上位機計算機，以供實時在線反映探測器狀況(正常、報警和低壓故障)。與遠程上位機計算機進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)檢測裝置固定布防時，采用有線傳輸信號的方式與主機計算機連接；當(dāng)檢測裝置移動布防時，就可以使用無線傳輸數(shù)據(jù)的方式。無線傳輸單元采用的是wap200c型無線射頻傳輸芯片。芯片采用433 MHz頻率進行數(shù)據(jù)傳輸，以保障在無障礙200 m范圍內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸有較高質(zhì)量。

2 甄別過程及甄別方法

為了判別檢測裝置所探測到的放射源的性質(zhì)，實現(xiàn)快速甄別放射源所屬類別，研究發(fā)展了此類檢測裝置對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)計來區(qū)分所探放射性物質(zhì)發(fā)出γ射線能量的高低，以實現(xiàn)快速甄別功能。

裝置的測量與甄別流程圖如圖3所示。裝置在進行放射性物質(zhì)快速甄別時，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的報警閾值參數(shù)值以及本底值計算報警閾值。當(dāng)探測器測到的計數(shù)超過報警閾值時，裝置將發(fā)出報警信號。

圖3 可攜式放射性檢測裝置檢測流程圖

由于存在與使用環(huán)境相關(guān)且隨時間而變化的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)的信號是快速甄別方法的關(guān)鍵所在。采用移動平均檢測法[6]，可以根據(jù)使用環(huán)境的不同自動調(diào)整報警閾值，在提高靈敏度的同時降低了誤報警概率。

選擇適當(dāng)置信系數(shù)ε，視γ射線計數(shù)率N次采樣周期的移動平均值Bi為本底，設(shè)置隨時間變化的報警閾值Ti，當(dāng)γ射線計數(shù)率M次采樣周期的移動平均值Gi超過報警閾值Ti時，啟動報警。

作為本底的采樣周期數(shù)N(例如取值為80)通常要遠大于作為檢測的采樣周期數(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。探測靈敏度和誤報警率隨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)。現(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警會大大影響探測器報警的靈敏反應(yīng)，需要有效地加以甄別。

將γ射線能量分為低、中、高等3個能區(qū)(見圖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)報警時，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)?、中能區(qū)同時報警時，可以初步判斷存在工業(yè)用源；當(dāng)?shù)汀⒅?、高能區(qū)同時報警時，可以初步判斷為存在天然放射性物質(zhì)。裝置采用了4路單道來分別記錄低、中、高等3個能區(qū)的計數(shù)以及全能區(qū)的總計數(shù)。根據(jù)上述不同需求所用放射源的特點，可以分別設(shè)置各路單道的探測能區(qū)，使得探測器對探測到的位于低、中、高能區(qū)的放射源進行區(qū)別報警。

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試驗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。

通過示波器觀察該檢測裝置對241Am、235U、60Co幾種特定的放射源的特征峰位電壓幅度，來確定合適的放大倍數(shù)區(qū)域。根據(jù)所探測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)探測器輸出幅度，可以確定裝置的主放大倍數(shù)約為1.5倍時比較合適。

放大倍數(shù)確定后，分別用241Am、57Co、235U和133Ba進行試驗來確定低能區(qū)，即第1路單道的上、下閾值。經(jīng)試驗，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進行試驗來確定中能區(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

通過低、中、高能區(qū)的劃分后，經(jīng)測試，如果有人攜帶241Am、57Co、235U、133Ba源經(jīng)過裝置的探測區(qū)域時，只有低能區(qū)報警；當(dāng)有人攜帶54Mn、65Zn、22Na、152Eu源經(jīng)過裝置的探測區(qū)域時，只有低、中能區(qū)報警。這說明低、中、高等3個能區(qū)閾值的劃分比較合理，可以實現(xiàn)快速甄別報警功能設(shè)想。

國際上將這類檢測裝置的探測靈敏度定義為：在規(guī)定條件下(探測概率50%或置信度95%)，檢測裝置能夠檢測到的最小核材料量(單位為g，高濃度鈾HEU或低燃耗钚LBPu)。根據(jù)探測靈敏度定義，對該檢測裝置進行了靈敏度測試，置信水平為95%，步行速度為1 m/s，行至距離探測器50 cm處時，該裝置對U3O8的探測靈敏度為10 g。對該檢測裝置的誤報警概率(實測的誤報警次數(shù)n/總檢測次數(shù)N)進行了測試。實測中，選ε=5，N=65 527，n=23，誤報警率(實測)為3.5×10- 4。

5 結(jié)語

可攜式放射性檢測裝置采用NaI(Tl)探測器探測γ射線，其檢測數(shù)據(jù)能通過有線或無線進行傳輸，可實現(xiàn)遠程監(jiān)測。為發(fā)展此類裝置的快速甄別技術(shù)，該裝置采用4路單道計數(shù)和移動平均法檢測，通過對所探核材料和放射性物質(zhì)發(fā)射γ射線的能量高低進行基本判斷，可以快速甄別天然放射性物質(zhì)，對此類報警進行有效排除。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。

[1] 中華人民共和國核材料管制條例[S]. 北京：國務(wù)院，1987.

[2] IAEA Illicit Trafficking Database (ITDB). IAEA information system on incidents of illicit trafficking and other unauthorized activities involving nuclear and radioactive materials Fact Sheet [R/OL]. Vienna: IAEA, 2006[2013-08-23].http://www.iaea.org/News Center/Features/RadSources/PDF/fact_figures2006.pdf.

[3] Definition of an Orphan Source[R/OL]. [2017-01-05]https://www.nrc.gov/materials/miau/miau-reg-initiatives/orphan.html.

[4] 汲長松. 核輻射探測器及其實驗技術(shù)手冊[M]. 北京：原子能出版社，1990.

[5] 沈建良，趙文宏，賈玉坤，等. Atmega128單片機入門與提高[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[6] 張文良. 人員出入口核材料放射性監(jiān)測裝置計算機數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的研制[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2000，34(5)：464-468.

[7] Duftschmid K E. New radiation detection systems for the protection of the Olympic Games in China[R]. Beijing: s. n., 2006.