通道式輻射監測儀的能窗法應用研究

馮 梅，韋應靖，唐智輝，張慶利，崔 偉，以恒冠

（中國輻射防護研究院，太原 030006）

通道式輻射監測儀在反恐及放射源安全領域已有廣泛應用，是出入口輻射監測最主要的手段［1］，其通常采用大面積塑料閃爍體作為探測元件，被測對象從放置在通行口兩邊的探測器之間通過，當計數高于報警閾值時系統給出報警。塑料閃爍體有個明顯的缺陷：其有效原子序數小，阻止本領低，對γ射線的分辨率低，難以實現核素識別［2］。當含有一定量天然放射性核素的物質（如水泥、瓷磚、化肥等）通過時，當其總計數超過報警閾值時，系統也會給出報警，即誤報警。首次篩查中，所有的報警事件都要進行二次篩查，以確認威脅是否真的存在，誤報警的出現無疑會增加檢測的工作量和成本，并造成正常通關的阻礙［3］。為了客觀評價通道式放射性監測系統的性能參數，在2016 年，歐洲委員會的聯合研究中心和國土安全部開展了非法運輸輻射評估計劃，測試了包括個人放射性探測器、核素識別儀及通道式放射性監測系統等9種非法運輸放射性探測裝置。其中，對10種不同型號的通道式放射性監測系統的測試結果表明：30%的儀器誤報警率偏高，大部分儀器都很難識別低能放射源（特殊核材料WGPu 和 HEU 的替代核素）［4］。我國現行國家標準《放射性物質與特殊核材料監測系統》（GB/T 24246-2009）中明確規定：“監測系統應能對由具有天然放射性的物質（如鉀肥或陶瓷等）引起的系統報警給出提示”，并且“監測系統γ 和中子誤報警率均不應大于0.1%（置信度95%）”［5］。能窗法（Energy Windowing）能夠降低誤報警率，防止車輛等檢測對象通行受阻，同時還具有降低車體本底屏蔽對檢測結果的影響和應用簡單、價格經濟等優勢，近年來在國外已得到廣泛應用。國外有較多關于能窗法用于通道式輻射監測儀的研究，也有商業化的產品［6］，而國內在該技術研究和裝置的研制上的公開報道很少。本文用特殊核材料的替代核素、工業放射性核素和天然放射性核素開展了能窗法的應用研究，掌握了實際應用中的三個關鍵問題：能窗數量、能窗位置及能窗算法。

1 能窗法原理

能窗法是一種基于大面積塑料閃爍體探測技術的譜分析方法，用以降低探測系統對天然放射性物質的誤報警率，其最早是在1997年德國人Trost 和Iwatschenko 的專利中提到的。含有一定量天然放射性核素的物質，其放射性水平主要來自40K、238U、226Ra及其子體、232Th及其子體，與本底放射性來源基本一致，所以兩者的能譜形狀很相似。特殊核材料主要包括233U、235U、239Pu、237Np，這些核素的能譜中低能部分的計數更占優勢，這種能譜形狀上的差異就是能窗法能夠分類識別放射性核素的基礎。

能窗法的具體細節因使用的算法不同可以有很大差異，但是所有的算法都是基于同樣的原理。最常見的是兩個能窗的算法：低能窗是從最低可分辨水平到稍微高于康普頓邊緣的位置，高能窗由能譜中剩余部分組成。將相同窗的測量值與本底值比較做出分類放射性核素的判斷，最常見的比較算法有三種［7］。

（1）先將每一個能窗的計數歸一到高能窗的計數，再將歸一的比值與相應的本底值作比較。

式中，NEW是某特定能窗的計數，單位：個；NH是高能窗的計數，單位：個。將計算結果與本底的計算結果比較，采用與總計數閾值算法相似的比較方法：

式中，REW和RB分別是測量值和本底值按照式（1）計算的結果，K是與探測器最小可探測下限相關的常數，σRB是本底計算結果的統計學標準偏差，根據隨機變量的標準統計方差傳遞公式，σRB可以由公式（3）得出：

式中，NLB和NHB分別是本底在高能窗和低能窗的計數，ρ是NLB和NHB的相關系數。

（2）計算各能窗間比值的方式并不是唯一的，另外一種方法如下：

式中，Ni是多能窗算法中第i能窗的計數。

（3）Trost 和Iwaschenko 還提出過另外一種補償算法：

式中，NL是低能窗計數；RC是補償比，代表測量譜與本底能譜形狀的相似程度，當測量譜與本底譜形狀相似或接近時，RC趨近于0。

計算不同能窗之間的比值還可以有幾個變更的方法，但是公式（1）、（4）、（5）是最常用的三種方法。實際操作中，研究工作主要集中于需要劃分的能窗數量以及能窗邊緣的位置，理論上，將能譜分成大量的能窗是可行的，但是劃分太多的能窗反而會降低區分目標源的能力。

2 實驗裝置設計

為了模擬通道式輻射監測儀的工作情景，本文設計了兩個尺寸為30 cm×80 cm×200 cm 的探測箱（如圖1所示），箱體采用不銹鋼結構，箱體各面板采用密封避光設計，光電倍增管的數據輸出線、電源線和地線從專用線孔引出，探測器入射窗的材料是3 mm厚的鋁板。

圖1 實驗探測器設計Fig.1 Designing for experiment detector

塑料閃爍體采用SAINT-GOBAIN BC408，尺寸為5.08 cm×50 cm×100 cm，發光強度最大是在入射光波長425 nm 處；光電倍增管采用濱松CR105，直徑2英寸；信號采集系統采用ORTEC的電子學插件，數據獲取軟件采用ORTEC 的MAESTRO。

實驗用放射源包括137Cs、60Co、133Ba、57Co、KC（l40K）、天然鈾（含99.27%的238U、0.72%的235U）和226Ra。國際原子能機構推薦采用57Co 和133Ba分別替代高濃縮鈾（HEU）和核武器級別钚（WGPu）開展儀器測試［8］，57Co 產生的122 keV 和136 keV的γ射線近似HEU中235U產生的144 keV和186 keV的γ射線，133Ba產生的80 keV的γ射線以及能量在 300 keV 到 385 keV 之間的三種 γ 射線與 WGPu 中239Pu 產生的 100 keV 左右的 γ 射線及能量在 330 keV 到 420 keV 間的 γ 射線很接近。放射源主要參數見表1。

表1 實驗用放射源參數Table 1 Parameters of experiment radiation sources

3 實驗數據獲取及處理

使用137Cs、60Co 和133Ba 三種放射源對實驗探測器進行能量刻度，得到道址與能量之間的相對線性關系，使用Matlab 軟件將能譜數據讀取成數組數據，對實驗譜數組數據的道址重新分配，從而得到能量與計數之間的關系。完成探測器的能量刻度后，繼續獲取實驗源能譜，特殊核材料的替代核素（57Co 和133Ba）、天然放射性物質（KCl、天然鈾和226Ra）和工業放射性核素（137Cs 和60Co）三類源的能譜如圖2（a）所示。

圖2 實驗源能譜Fig.2 Energy spectrum of experiment radiation sources

因實驗放射源活度較低，除226Ra 外，其余6種放射源的凈計數都比本底低，為了便于能譜形狀比較，將226Ra 和本底計數除以10，得到如圖2（b）、2（c）和 2（d）所示結果。從圖2（b）中可知，57Co和133Ba的計數在低能部分更占優勢；從圖2（c）中可知，KCl、天然鈾和226Ra的能譜形狀與本底相似；從圖2（d）中可知，137Cs和60Co的計數主要是集中在中高能區域，這種不同能量區間的計數差異為能窗法的運用提供了基礎。

4 能窗法數據處理

最簡單的能窗法是兩個窗，對于圖2（a）中的譜：1-750道（137Cs康普頓邊緣）為低能窗，剩余的751-2048道為高能窗，求得各放射源在高低能窗的總計數如圖3所示（BK為本底）。

圖3 高、低能窗計數Fig.3 Counts of high energy and low energy

圖4 高、低能窗比值Fig.4 Ratio of high energy and low energy counts

按式（1）的算法對圖3 中的計數進行處理得到如圖4 所示結果，可以看出57Co 和133Ba 在高低能區計數比值的優勢非常明顯，遠超過了本底和其他兩類核素的比值。假設本底在高低能區的計數是不相關的，則本底的標準偏差計算公式可簡化為：

將計算值RB=7.184687491，NLB=6628.7，NHB=922.6 帶入公式（6）中可得到σRB=0.25，則在公式（2）的比較方法中，天然放射性核素中比值最大的是天然鈾 RU=7.614880683，（RU-RB）/σRB=1.72，所以只要將K 值設置在2 的位置上，就能始終保持報警閾值REW大于天然放射性核素的比值，探測系統就不會對其報警，也就有效地降低了系統的誤報警率。

對于圖2（a）中的譜，三個能窗的劃分方法是：1-350 道（133Ba 康普頓邊緣）為低能區，351-1450 道（60Co 康普頓邊緣）為中能區，1451-2048道為高能區，各能區的總計數如圖5所示。

圖5 高、中、低能窗計數Fig.5 Counts of high,middle and low energy

圖6 低能、高能窗比值Fig.6 Ratio of high energy and low energy counts

圖7 低能、中能窗比值Fig.7 Counts of low energy and middle energy

圖8 中能、高能窗比值Fig.8 Ratio of middle energy and high energy counts

對圖5 的計數按公式（1）的算法處理得到圖6、圖7和圖8的結果，57Co和133Ba的比值與本底相比存在著很大的差異，在公式（2）中選擇合適的K值就能區分出特殊核材料、工業核素和天然放射性物質。

四個能窗和五個能窗的劃分更加復雜，研究方法類似。從2-5個能窗法研究結果可以看出，在各種算法中，總有某一算法能在對特殊核材料和工業放射性核素報警的同時抑制對天然放射性物質的報警，不同數量能窗算法的報警結果見表2。

表2 不同能窗算法對各放射源的報警結果Table 2 Alarm results of different energy windowing algorithms to different radiation sources

2 個能窗是最簡單常用的方法，選擇合適的閾值就能將57Co、133Ba 和137Cs 與天然放射性物質加以區分，但是對60Co 和天然放射性物質則沒有區分能力。3、4、5 個能窗的方法都能成功區分57Co、133Ba、137Cs、60Co 和天然放射性物質，但是其中的個別算法對60Co 報警的同時也會對KCl報警。

為了進一步驗證能窗位置對報警結果的影響（實際應用中可能會有一定的漂移，不能將能窗位置精確定位到某核素的康普頓邊緣位置上），在前面三個能窗劃分的方法上，將能窗位置分別向低能和高能方向各移50道和100道，并將其核素區分能力與原劃分方法進行比較，結果見表3。

表3 不同能窗劃分方法對各放射源的報警結果Table 3 Alarm results of different energy windowing dividings to different radiation sources

表中第1種劃分是參考了133Ba和137Cs的康普頓邊緣的位置，后4 種劃分是在第1 種劃分的基礎上將能窗位置分別向低能和高能區各移50 道和100 道的結果，可見，5 種劃分的算法對放射源的報警結果大概一致，都是在將低能區計數歸一到其他區域時展現出對133Ba、57Co 和137Cs 三種放射源的報警能力，對中能區和高能區的計數進行歸一時展現出對133Ba、137Cs和60Co的報警能力，可見能窗位置在一定范圍內的漂移不會對報警結果產生影響。

能窗法自身也存在一定缺陷：對能譜形狀與特殊核材料相近的核素很難區分，比如醫療核素，其能譜也是在低能部分的計數更占優勢；對與天然放射性核素近似的危險源的探測也是個難題，比如達到一定活度的226Ra，能窗法可能也不會對其報警；能窗法對有屏蔽的核材料的探測也存在問題。所以，能窗法最好和總計數法結合使用，多重報警算法能保證對每個有效信號的報警能力。圖9是對兩種報警算法結合的一個簡單示意，橫軸是高低能窗計數的比值，縱軸是各能窗的總計數之和，紅線為總計數報警閾值，藍線為能窗法報警閾值，這樣將計數分為了Ⅰ～Ⅳ四個區，假定低于藍線部分（Ⅰ、Ⅲ區）為天然放射性核素，高于藍線部分（Ⅱ、Ⅳ區）為特殊核材料，總計數法對Ⅰ區和Ⅱ區的計數都會產生報警，能窗法又顯然不會對計數超高的天然放射性物質（Ⅰ區橙色區域）報警，所以應將兩種報警算法結合使用，對圖中橙色和黃色區域的計數引起關注，保證對每個有效信號的報警能力，同時降低誤報警率。

圖9 能窗算法和總計數算法結合設置閾值示意圖Fig.9 Combination of energy windowing and total count algorithm to set alarm threshold

5 結果與討論

能窗法是對入射探測器的γ射線能譜的一種簡單處理，只能區分核素種類，不能識別核素。基于不同的核素，最優的能窗數量在3 到5 個之間，可以達到降低誤報警率的目的，更多的能窗只會導致更加復雜的算法和更多的數據處理時間，反而會降低分類核素的能力。最優的能窗位置是在稍高于康普頓邊緣的地方有一個能窗劃分，因為康普頓邊緣是塑料閃爍體探測器能譜中唯一的識別信息。能窗位置在康普頓邊緣左右飄移后（50 道～100 道）對特殊核材料和工業放射性核素的報警能力不會降低。不同的能窗算法之間沒有絕對優勢，應將各算法結合使用，以達到區分核素種類的目的。鑒于能窗法在區分醫療核素、與天然放射性核素近似的危險源及有屏蔽的核材料方面的缺陷，建議將能窗法和總計數法結合使用，多重報警算法在降低誤報警率的同時保證對每個關注核素不漏報。