一種行人放射性檢測裝置的研制

王強(qiáng)　劉海琴

摘 要：文章研制了一套行人放射性監(jiān)測裝置，該裝置由CsI（Tl）閃爍體、日本濱松的H8500C光電倍增管、高壓電源、低壓電源、前端電子學(xué)、數(shù)字電子學(xué)、顯示裝置等組成，用于檢測放射性恐怖活動和放射性物質(zhì)非法轉(zhuǎn)移。

關(guān)鍵詞：CsI（Tl）；放射性；探測器

行人放射性監(jiān)測裝置[1]是一種用來防止放射性恐怖活動和放射性物質(zhì)非法轉(zhuǎn)移的有效工具。檢測通過的人員是否非法攜帶放射性物質(zhì)，主要應(yīng)用在海關(guān)、機(jī)場、火車站等處對出入的行人極其行李、包裹進(jìn)行檢查。它在有效控制放射性材料、防止放射性材料擴(kuò)散等方面起著重要作用。

放射性物質(zhì)一般會有較強(qiáng)的γ射線放出，可以通過檢測γ射線來實(shí)現(xiàn)對核材料的監(jiān)測。CsI（Tl）[2]閃爍體常用于γ射線探測，有性能穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、易于加工、不宜潮解、耐輻照等優(yōu)點(diǎn)。CsI（Tl）閃爍體的探測效率雖不如NaI（Tl）[3]閃爍體高，但其很難潮解，且封裝容易，價格便宜。與塑料閃爍體相比，CsI（Tl）閃爍體具有重量輕，體積小，探測效率高，且能進(jìn)行核素識別等優(yōu)點(diǎn)。

1 工作原理

1.1 檢測原理

本裝置是通過探測放射性物質(zhì)發(fā)射出的γ射線來實(shí)現(xiàn)對這些物質(zhì)的檢測。γ射線進(jìn)入CsI（Tl）閃爍體中，使原子（或分子）激發(fā)，受激原子在退激過程中發(fā)光。光子穿過閃爍體、光導(dǎo)，一部分到達(dá)光電倍增管的光陰級，在光陰級上打出光電子，光電子經(jīng)過光電倍增管各倍增極的倍增，產(chǎn)生一個電脈沖信號，這些信號經(jīng)過前置放大和濾波成形電路，再經(jīng)過數(shù)字電子學(xué)的處理，然后被記錄，其計數(shù)率與γ射線的強(qiáng)度相關(guān)[4]。因此通過檢測此脈沖信號的計數(shù)率的變化來判斷被被檢測區(qū)域是否有放射性物質(zhì)存在。

1.2 檢測方法

本裝置采用總計數(shù)率來確定通過檢測區(qū)域的行人受否攜帶放射性物質(zhì)，每產(chǎn)生一個脈沖計數(shù)一次，1s為一個時間間隔，每1s通信一次，統(tǒng)計每1s的計數(shù)是否有明顯的變化。報警閾值是可調(diào)的，在進(jìn)行檢測時，應(yīng)根據(jù)所測的本底設(shè)置報警閾值[5]，將探測器探測到的計數(shù)與設(shè)置的閾值作比較，高于閾值時則啟動報警裝置，認(rèn)為放射性異常，需要進(jìn)一步核查。

2 裝置組成

行人放射性檢測裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖如圖1所示，由探測器、數(shù)字電子學(xué)、高低壓電源、數(shù)據(jù)處理顯示和報警裝置組成。探測器由上海翌波的CsI（Tl）閃爍體、日本濱松的H8500C光電倍增管、前置放大和成形電路組成；數(shù)字電子學(xué)由ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換、FPGA、網(wǎng)絡(luò)模塊等組成；高低壓電源包括能提供0-1500V的高壓電源、為前放電路和數(shù)字版供電的低壓電源組成；數(shù)據(jù)處理顯示由計算機(jī)完成；報警裝置實(shí)現(xiàn)聲光報警。

3 實(shí)驗

3.1 實(shí)驗裝置組成

整個實(shí)驗裝置構(gòu)成如圖2所示，由CsI（Tl）探測器、數(shù)字板、高壓電源、低壓電源、電腦組成。

文章實(shí)驗采用了兩種探測器，1#探測器如圖3所示，它是由48mm×48mm×48mm的CsI（Tl）晶體和H8500C光電倍增管耦合組成，2#探測器如圖4所示，它是由48mm×96mm×24mm的CsI（Tl）晶體和H8500C光電倍增管耦合組成。

3.2 實(shí)驗過程

3.2.1 1#探測器本底測試

探測器部分不做屏蔽，在整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，采集300s本底計數(shù)數(shù)據(jù)，一共采集3次，每次采集時間間隔1小時，每次計數(shù)的平均計數(shù)如表1所示。從表1中可以看出每次平均本底計數(shù)基本穩(wěn)定。

3.2.2 1#探測器鉛屏蔽后本底測試

行人放射性檢測裝置主要用于監(jiān)測行人通過監(jiān)測區(qū)域是否攜帶放射性物質(zhì)，考慮到探測器的感興趣區(qū)域，同時為了減少其他方向的射線對系統(tǒng)的影響，如圖2中探測器部分所示，將探測器的其他5個面用50mm厚的鉛磚屏蔽。待整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，采集300s本底計數(shù)數(shù)據(jù)3次，每次采集時間間隔1小時，每次計數(shù)的平均計數(shù)如表2所示。從2表中可以看出屏蔽后每次本底平均計數(shù)基本穩(wěn)定。

3.2.3 1#探測器鉛屏蔽后有源測試

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，使用1μCi的Na-22源進(jìn)行檢測，距離探測器水平距離0.5m，采集120s有源計數(shù)數(shù)據(jù)，有源情況下的平均計數(shù)為138.5個。圖5是1#探測器在本底和有源情況下計數(shù)隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，在40s與60s之間有個較大的計數(shù)峰，它高于有源情況下的幾個計數(shù)。在這種情況下如果報警閾值設(shè)定較低，會差生誤報警；如果報警閾值設(shè)定較高，會產(chǎn)生漏報警的情況。

3.2.4 2#探測器鉛屏蔽后本底測試

針對上面探測器本底的計數(shù)會高于有源計數(shù)的情況，設(shè)計了如圖4所示的2#探測器，將探測器的有效探測面積增加一倍。如圖6所示，將2#探測器其他5個面用用50mm厚的鉛磚屏蔽。開機(jī)待整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，采集300s本底計數(shù)數(shù)據(jù)3次，每次采集時間間隔1小時，每次的平均計數(shù)如表3所示。從3表中可以看出鉛屏蔽后每次本底平均計數(shù)基本穩(wěn)定。

3.2.5 2#探測器鉛屏蔽后有源測試

在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后，使用1μCi的Na-22源進(jìn)行檢測，距離探測器水平距離0.5m，采集120s有源計數(shù)數(shù)據(jù)，有源情況下的平均計數(shù)為213.1個。圖7是2#探測器在本底和有源情況下計數(shù)隨時間的變化曲線，從圖中可以看出，有源計數(shù)的最小值大于本底計數(shù)的最大值，我們可以將報警閾值設(shè)為它們之間的一個值，高于這個值，就意味著存在放射性物質(zhì)。在計數(shù)穩(wěn)定的情況下，再次使用放射源進(jìn)行監(jiān)測，距離探測器水平表面0.5m，攜帶Na-22放射源以1.2m/s的速度通過，搜集整個過程的數(shù)據(jù)，整理數(shù)據(jù)得到如圖8所示。可以明顯發(fā)現(xiàn)在60s與80s之間有一個較大的計數(shù)峰，遠(yuǎn)高于本底計數(shù)。

4 結(jié)束語

行人放射性檢測系統(tǒng)可以有效檢測行人是否攜帶放射性物質(zhì)，實(shí)驗表明，適當(dāng)增加CsI（Tl）探測器的有效檢測面積，可以降低統(tǒng)計漲落誤差，將較低下限的放射性物質(zhì)檢測出來，并能減少誤報警率，提高檢測裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

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[2]Ruo-fu C，Rui-rui FAN，Jian-song W，et. Property measurement of the CsI（Tl） crystal prepared at IMP[J].Chinese Phys C，2008，32（2）：135-138.

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[4]趙榮生，張文良，呂釗，等.人員出入口核材料檢測裝置的研制[J].原子能科學(xué)技術(shù)，2005，39（5）：455-457.

[5]呂海泉，蔡小波，段敬彬，等.通道式輻射檢測裝置設(shè)計與主要性能研究[J].艦船防化，2013，3：39-42.