鈷-60數字輻射成像檢測技術回顧與展望

安繼剛

（清華大學 核能與新能源技術研究院，北京 100084）

60Co輻射成像檢測系統于1996年申報發明專利，1997年研制成功，1999年，第一套國產集裝箱檢測系統在中國海關馬尾檢查站投入使用，打破了國際公司的壟斷。近二十年來，在海關總署、科技部和教育部的領導與支持下，60Co輻射成像檢測技術已發展形成相當規模的產業，發揮了重要作用。

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

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，但由于輻射能量低，檢測性能差。中國海關總署提出：需要價廉、省地，但性能優良的檢測裝備。清華大學核研院分析加速器和X射線機系統的優缺點，依據八五攻關所發明高壓氣體陣列探測器的巨大潛力［1］，提出新的技術構思——用60Co探傷源代替加速器，提高探測系統性能，創建輻射水平低（相差近千倍）但性能與加速器系統相當，而且安全、可靠、價廉、省地的新型集裝箱檢測系統。經過技術論證，于1996年3月申報發明專利［2］，自此開啟了新的研發歷程。

1 60 Co輻射成像檢測系統創新思路［3］

創建兼有加速器與X射線機系統優點的新系統主要思路如下。

1）用60Co工業探傷機 （≤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，但其輻射量比加速器低數百甚至上千倍，是主要技術困難，需靠其他創新技術克服。

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，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 產學研結合

實現創新技術設想，必須走產學研結合之路。獲得國家計委中國節能投資公司支持，組建北京華力興公司專職開發、推廣60Co集裝箱檢測技術。清華大學核研院與華力興公司結合，實現了60Co檢測技術的產業化。

1996年10月投資研制1／4規模樣機，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），與當時的加速器檢測系統性能相當，而單次檢測劑量≤5μSv，顯著低于后者。

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

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

60Co檢測系統1∶1樣機研制成功后，獲得海關總署和相關領導部門的認可。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總署等相關部門領導親臨清華大學核研院考察此檢測系統（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我國首座60Co集裝箱檢查站，開啟了60Co檢測系統推廣應用之路。

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

圖5 60 Co檢測系統掃描圖像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，調試成功并投入運行，這是我國第一座投入運行的國產集裝箱檢查站。

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 產業化16年技術進展

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

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

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

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

圖10 貨運列車檢測系統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檢測系統的主要應用領域已經從海關擴展到交通部門的港口與高速公路以及國家安全機構等，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。

首創的60Co滾裝船貨車查驗系統對渤海灣黃金水道上航行的滾裝船進行監測。由于不法商人在車內私帶化危品，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檢測系統成為最佳選擇（圖12、圖13）。自2005年在相關港口普遍安裝檢測系統后，再沒有發生船毀人亡的惡性事故。現已在渤海沿岸、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Fig.13 Tr uck boar ding roll-on-roll-off ship inspection system

針對轎車特點發展了垂直透視檢測系統，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已用于2008年北京奧運會［8］，該系統示于圖14。

為得到更好的檢測效果，開發了雙視角鈷-60檢測技術［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示于圖15。

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

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

當前裝備的轎車檢測系統，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，每小時可通過數百輛車。

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檢查旅客，便依據此標準。清華大學核研院研制的司機不下車直通式轎車檢測系統，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，研發了60Co集裝箱CT／DR檢測系統［10］（十五攻關項目）——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，具備了依靠密度數據判別材質的功能。克服了探測器旋轉、環架結構、信號采集傳輸及圖像重建等困難，實現了大型客體（集裝箱、車輛）的γ－CT檢測。該系統在通過科技部項目驗收時，實測密度分辨率達到0.6%。此技術已經獲得中國發明［10］與英國專利授權［11］，又得到國際發明展金獎。該系統結構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檢測系統應用CT旋轉掃描成像原理，不受物品重疊影響，可依據密度（精度0.6%）數據判別物性，但此類設備的檢測效率有待提高。

4 60 Co集裝箱檢測系統運行性能

2014年底，60Co集裝箱檢測系統累計運行時間已經超過300萬臺時。檢測安全、穩定，可靠性和性價比較高。

1）檢測性能。海關用300 Ci活度60Co集裝箱檢測系統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的相當，而第四項則明顯優于后者。

針對不同應用場合與要求，發展了不同60Co源活度的檢測系統，如車載式的30 Ci檢測系統、8 Ci的轎車檢測系統及0.8 Ci的綠色通道檢測系統等。源活度降低使性能略有下降，但即使是0.8 Ci系統的穿透本領仍可達到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89套，累計運行時間已超過300萬臺時，未發生輻射安全事故。

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檢查系統設置了多重安全措施，可全天候防護與監控放射源安全。各項輻射安全指標設計與實測值均小于國家標準要求值。檢查設備對周圍公眾及環境的影響小，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；視頻監控及防盜報警系統對放射源實施24 h監控，出現意外時立即報警。

3）穩定與可靠性。運行數據證明，60Co檢測設備正常運行率（設備完好率）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）長期連續運行。60Co檢測系統可長時間（24 h／d）連續運行，而且能隨時啟動，不需要預熱時間。此優點可用于建設特別地區的無人值守且24 h通關運行的檢查卡點。

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

表1 60 Co檢測系統占地面積統計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，涉及到的物資為網絡配件、電氣配件、機械配件、放射源、探測器等。60Co源更換期設計為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。當采用Ⅲ、Ⅳ類源時防護要求更低。

此外，60Co檢測系統無微波輻射、電磁感應及數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，在國內外車載式檢測系統中性能最高而又輕便、可靠、價廉。系統的適應性強，可用0.8～300 Ci60Co放射源及不同規格的探測器來滿足各種要求。

綜上可以看出，60Co集裝箱檢測系統應用簡單、可靠，檢測性能優越，且價廉、省地。

5 關于推廣鈷-60檢測技術的思考

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。可以通過必要的常規安保措施來杜絕。

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

這是國際廠商在開發集裝箱檢測系統初期提出的性能衡量指標之一，指在多厚鐵板后仍能發現一塊鉛磚（大小未規定）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的等級，是不恰當和片面的。

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

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學安全檢查”還是禁區，對車載型或直通式60Co檢測系統應用有很大影響。

探傷源為BU包裝，此規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萬余千米抵達我國而無任何問題，但在國內車運數公里卻成了問題。美國SAIC公司的車載式137Cs檢測系統早已行銷世界各地，北京華力興公司的車載式60Co系統也已遠銷非洲，近年又銷售到要求特別嚴格的某個亞洲國家，但在國內推廣仍有很大難度。

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

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

6 展望

6.1 發展條件不斷改善

國家大力發展鈷-60放射源生產，秦山三期核電站的 產 量 已 達 670 萬 Ci／a［12］。所 產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，探傷源裝置已經實現了國產化。

經過數十年的發展，充氣電離室探測器技術上了新臺階，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。

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

隨著科學知識的普及，鈷-60同位素技術的群眾接受力將大大改善。在深圳、廣州、北京等地都建設了數百萬居里的鈷-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，更適應社會經濟發展的需要。

6.2 國家需求旺盛

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

6.3 發展前景良好

60Co檢測系統已在海關運行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；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，今后還將繼續采用；反恐網絡布點量大面廣，性價比高的60Co技術更適合，直通式檢測系統很受歡迎。集裝箱CT檢測系統是迄今唯一真正具備物性判別功能（密度分辯）的檢測系統，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，發展前景良好。

7 小結

本文是對清華大學核研院與北京華力興公司產學研結合，研究開發60Co輻射成像檢測系統并實現產業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匯報，并反映了一些認識和體會。限于篇幅，一些技術問題難以深入展開，有興趣者可參看學術專著《鈷－60數字輻射成像集裝箱檢測系統》［3］及相關專利與文獻。

［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，劉以思.移動式γ數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數字輻射成像集裝箱檢測系統［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［4］ 安繼剛，周立業，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，劉以思.車載γ射線數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研制［J］.原子能科學技術，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集裝箱檢測系統的研制［J］.原子能科學技術，2015，49（9）：1 695-1 699.

［10］安繼剛 .一種大型客體數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跨越量產藩籬［J］.科技縱覽，2011：55.