通道式放射性檢測系統測試方法分析

張煜莉　林 晨　湯 彬

通道式放射性檢測系統測試方法分析

張煜莉1林 晨1湯 彬2

（1.廣西壯族自治區輻射環境監督管理站，廣西 南寧 530000；2.東華理工大學，江西 南昌 330013）

近年來通道式輻射監測裝置的技術和功能不斷改進，其需求越來越大，主要用于探測回收廢鋼中是否夾裹放射性源，進口礦產資源中放射性核素是否超標，防止內含運輸違法的放射性材料和用于制造核武器的特種核材料，在放射性污染防治中應用前景廣闊。文章結合國際原子能機構于2006年發布的關于邊境監控裝置的技術和功能標準的技術指導文件，分析研究了通道式放射性檢測系統的測試標準，為以后儀器裝置的研發和調試提供參考。

通道式放射性檢測系統；測試條件；誤報率；靈敏度；探測效率

引言

通道式放射性檢測系統主要應用于檢查站，如公路和鐵路邊境過境點、機場或港口，用來探測運輸的物質是否含有放射性物質，例如探測運輸材料中是否含有特種核材料，探測回收的廢鋼中是否夾裹放射源，以及探測邊境的違法放射性材料運輸[1-6]。檢測系統要求貨車、小汽車或人員等出入窄的限制線，如交通要道收費點，其固有靈敏度遠好于手持式或個人輻射探測器。它們在檢測連續通過的人、車輛、行李、包裹、郵件和貨物時能提供高靈敏度，同時最大化降低交通車流對檢測裝置的影響。

通道式自動檢測系統一般都配備了個人輻射探測器和多功能手持式儀器，用于工作人員和檢查人員的輻射安全，確認警報，查找放射性物質的位置和識別放射性核素。圖1給出了通道式放射性檢測系統的一般響應模式[7]。

圖1　響應模式

目前通道式放射性檢測系統用來探測行人是否攜帶或者車輛是否運載放射性物質，當行人或車輛占據探測靈敏區域時，通道式放射性檢測系統通過測量γ輻射水平，然后與報警閾值做比較。報警閾值通常受本底輻射水平的影響，通過事先測量當探測靈敏區域沒有被占據時本底數據更新校正得到。

通道式放射性檢測系統在通過和等待兩種操作模式下都能夠正常運行。通過操作模式表示車輛連續通過門式系統，而等待操作模式表示車輛暫時停在這個門式系統內，比如車輛暫停然后行駛的通行。軟硬件必須都能夠支持這兩種模式。

本文結合國際原子能機構于2006年發布的關于邊境檢測裝置的技術和功能標準的技術指導文件，詳細分析研究了通道式輻射監測裝置的測試標準，這里主要分析研究關于γ射線的測試標準，有關中子的暫不涉及。

1　通道式放射性檢測系統的特點

通道式放射性檢測系統主要由安裝在垂直柱上的探測器陣列和輔助的電子學電路、攝像監控系統組成，其能夠明確區分車輛和行人，且知道何時監控通過的車輛或行人，以及實時更新本底輻射水平和報警閾值。系統的探測器需要具備很高的靈敏度，例如，Pu的γ射線很容易被屏蔽，但是γ探測必須能夠探測到Pu。由于探測器的靈敏度主要依賴于距離，所以在安裝通道式檢測系統時，要認真考慮選擇最佳的安裝位置，使儀器發揮最有效的作用。例如在安裝時，盡量使行人、車輛和貨物緊靠或中間通過探測器。系統同時配備安裝了攝影頭，用于記錄導致報警的項。至關重要的是，該檢測系統在有危險的時候能夠同時進行獨立聲光報警。

通道式放射性檢測系統的探測效率同樣與感興趣區域內的測量輻射強度的能力有關，因此在安裝監視器的時候要保證探測器的靈敏區域具有一個自由視野，而且還要防止儀器受到機械損傷。報警指示應該能夠讓檢查點的人員清楚聽到和看到。另外，系統通常要連接到局域網，如多個過境點的檢查站都安裝了這種裝置，它應可以安全、遠程鏈接到海關指揮部，又如在大型機場，所有的數據均可以匯集到值班室的數據收集中心的計算機上。

用于人或車輛檢測的檢測系統還需要進行大量的工作進一步完善。如有些系統要求在監測區內能提供定位源的位置數據，就這樣一個看似簡單的問題需要非常復雜的技術方案才能解決。另外，由于無辜/干擾警報都是由合法源所引起的輻射警報，如天然放射性物質，或者最近接受核醫學治療的乘客，因此，近些年人們也意識到應用新技術例如算法，可以標記天然放射性物質或人用醫學同位素。使用特殊的報警算法和參數，要求通道式放射性檢測系統軟件必須能夠分別生成γ射線聲光警報。在不影響通道式放射性檢測系統持續運行的情況下必須支持一個自動調整γ射線報警閾值的程序，該軟件應該有一個用戶界面，允許用戶在特定結構下選擇報警參數和標準，同時，軟件應該在視覺和聽覺上給出γ的警報信息。

通道式放射性檢測系統應該合并出一個基于低或高本底值的誤報警標準。為了得到要求的靈敏度，應考慮在裝載卡車占據靈敏區而降低了γ本底值時，該系統可以使用任何算法。通道式放射性檢測系統應該在內部或外部的電腦上具有存儲原始數據和處理數據的能力，存儲數據的使用格式應非專有，并且應完全公開。在低于2.7 MeV時，不應該有人為設置的γ能量靈敏度上限。

2 測試條件

為了確保通道式放射性檢測系統測試結果的可重復性和有效性，所有監測裝置都要按照以下標準的參考測試條件進行。

（1）環境條件為20℃±10%（溫度），相對濕度為50%～75%，大氣壓為70 kPa～106 kPa（標準）；附近的墻，天花板等對檢驗結果不應該有很大的影響（±10%）。

（2）裸源和車載源經過通道進行測試。

（3）所有安裝好的裝置在長時間測試檢驗過程中應該允許電腦自動控制參數（比如誤報警率），有權限使用原始數據如計數率。

（4）監視器在測試前應該先調好，在測試過程中不允許進行任何調整；用于靈敏度測試的指定核材料源可以使用其它的源來替代，替代武器級钚（WGPu）的源是133 Ba（0.12 MBq相當于1 g WGPu），和用57 Co替代高濃縮鈾等。

3　測試標準

車輛通道式放射性檢測系統主要包括行人監測裝置、車輛和鐵路輻射監測裝置。本文主要研究車輛放射性檢測系統的測試標準，其它暫不涉及。

車輛通道式放射性檢測系統的入口監測器由雙面（兩個支柱）并且對稱的大面積塑料閃爍探測器構成。探測靈敏度取決于源與探測器的距離和探測時間。根據被檢測車輛的寬度，建議支柱之間的最大距離為6 m。且在車輛通過探測區域時，需放置一些工具來控制和減緩車速，建議車速不要超過8 km·h-1。應注意的是，為了避免車輛意外毀壞監測器而安裝的柵欄不能妨礙監測視野。監測器應該只監測一個通道，車輛入口可能是小汽車或卡車類型（包括公共汽車），只是監測的區域的高度不同。

通道式檢測系統的參數在整個測試過程中必須固定不變。至關重要的是，感應器的類型適用于專門應用，安置好的感應器只能在監測器被占據的時候才能觸發，而不能被附近其它車輛所觸發。

3.1　誤報率測試標準

在較長時間內通過模擬一個通道和觸發占用信號可以自動地測試誤報率，并且存儲占用信號和報警信號。在測試模式中占用信號應該連續持續3秒和緊接著斷開2秒，每經歷30個自動更新本底循環之后允許中斷30秒。測試的最少次數應該為30000次，其在自動模式下運行不超過36個小時。如果沒有誤警報記錄則達到了置信度為95%的標準，在置信度為95%下經過100000次測試之后誤報次數不能超過5次，如表1[7]所示。

表1 在95%置信度下檢驗誤報率的標準

需要注意的是，在模擬通道期間沒有車輛出現在監測器中間的話會稍微增加γ誤報率，這是因為在監測期間車輛會稍微降低本底輻射強度（大約達20%）。因此，模擬測試結果可以被認為是最差的情況。

3.2　靈敏度測試標準

對于所有的車輛監測器（小汽車、卡車、公共汽車）探測區域應該至少包括以下區域。

（1）對于卡車入口的垂直范圍為：0.1 m～4 m，如圖2所示；

圖 2 卡車入口的探測區域

（2）對于小汽車入口的垂直距離為：0 m～3 m；

（3）對于卡車/公共汽車監測器的橫向距離（兩個探測器之間的水平距離）可達6 m。與高度相對的中心線上得到關于γ射線和中子的靈敏度變化應小于±50%。

探測區域靈敏度的變化是指通過在探測區域的中間（即柱子之間距離3 m）放置一個裸露源，源放置的位置依次為離地面高度為0.1 m、1 m、2 m、3m、4 m（小汽車入口最大3 m），并且記錄相應探測器高于本底的計數率，數據的統計精度應該至少為±10%。用于測量的源為至少活度為1 MBq的57 Co和137 Cs，以及發射12000 n·s-1的中子源252 Cf。

應該繪出以放射性核素與測量源高度為陣列的測量結果圖，對于給定的源在任意一個高度能夠找到靈敏度的變化，要求源相對高度的計數率變化應小于±50%。

3.3　探測效率測試標準

車輛監測器必須滿足靜態和動態測試的要求，由于動態測試耗費時間長并且花費更高，推薦在靜態測試成功通過之后再進行動態測試。

3.3.1靜態探測效率測試標準

對于一個距離監測器表面區域中心點3 m的點源，下列的最小絕對探測效率要求必須要達到。探測效率是由監測系統高于本底之后的凈計數之和率比上MBq而得到（即雙柱子系統的總計數率之和）。實際探測靈敏度取決于當地的本底計數率，對于探測概率為50%、1/10000的誤報率要求下，最小凈計數率必須至少要高于本底計數率的平方根的四倍（σ），較高的探測概率要求更高的σ乘數。表2最后列為本底計數率為2500時的σ，并給出對應σ的探測效率[7]。

表2　靜態探測效率

注：其中σ乘數是高于本底的凈信號計數率除于本底計數率平方根的比率。

3.3.1動態探測效率測試標準

這個測試是為了驗證γ射線檢測系統的總性能。在標準的本底下，測試采用了活度為1 MBq（±30%）的57 Co源和活度為1 MBq（±30%）的137 Cs源，在置信度為95%時為了獲得要求的80%的探測概率，這個測試的閾值應設較低的2.0“σ”（2倍的本底計數率的平方根低于“源+本底計數率”），這個要求應該是與1/10000的誤報率一致，即在給定的本底計數率下測試源的凈計數率應提供至少6.5“σ”系數。

在入口中間線上1 m的高度穿過一個平均速度為8 km·h–1（±30%）的裸露源來測試探測概率，在一定合理的通道數目間隔提供一個中斷，允許監測器更新本底，如果對于50個通道至少有45個警報被觸發那么達到了要求的探測概率（在95%置信度時為80%）。

其它如機械要求、技術和功能要求、環境和電源要求，以及電磁干擾要求的測試標準，在以后的測試研究中會逐漸涉及到，這里暫不作分析討論。

4 結論

本文詳細地分析研究了通道式放射性檢測系統的測試條件和測試標準，其目的不僅僅是用來測試，更重要的是用來研發和調試時應用，以及在檢查站安裝部署時作為系統參數的標準來使用，同時在采購儀器裝置時也可以作為參考標準來評價是否達標。隨著技術的迅速發展，儀器的功能和系統參數會有所提高，但這些測試標準依然可以作為最低的測試標準來使用。

[1] Chambers W H, Atwater F H, Fehlau P E, et al. Portal Monitor for Diversion Safeguards[D]. Los Alamos: University of California, 1974.

[2] Fehlau P E, Brunson G S. Coping with plastic scintillators in nuclear safeguards[J]. Nuclear Science, 1983, 30(1): 158-161.

[3] Fehlau P E, Garcia C, Payne R A, et al. Vehicle monitors for domestic perimeter safeguards[D]. Los Alamos: University of California, 1983.

[4] Fehlau P E. An applications guide to pedestrian SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1986.

[5] Fehlau P E. An applications guide to vehicle SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1987.

[6] York R L. Fehlau P E. Update for the applications guide to vehicle SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1997.

[7] IAEA. Technical and functional specifications for border monitoring equipment[EB/OL]. https://www.iaea.org/publications/ 7400, 2021-12-28.

Analysis of the Test Methods of Passageway Radioactive Detection System

In recent years, with the continuous improvement of technology and function of passageway radiation monitoring device, its demand is increasing. It is mainly used to detect whether radioactive sources are wrapped in recycled scrap, whether radionuclides in imported mineral resources exceed the standard, and prevent the transportation of illegal radioactive materials and special nuclear materials used to manufacture nuclear weapons. It has a broad application prospect in the prevention and control of radioactive pollution. Combined with the technical guidance document on the technical and functional standards of border monitoring devices issued by the International Atomic Energy Agency in 2006, this paper analyzes and studies the test standards of channel radioactive detection system, so as to provide reference for the research and development and commissioning of instruments and devices in the future.

passageway radioactive detection system; test conditions; false positive rate; sensitivity; detection efficiency

TL8

A

1008-1151(2022)02-0001-04

2021-11-25

國家自然科學基金（12075055）；國家重點研發計劃（2017YFF0104200）；國家重點實驗室聯合創新基金（NRE2021-03）。

張煜莉（1986－），女，廣西壯族自治區輻射環境監督管理站工程師，從事核技術與放射性物理檢測。

林晨（1989－），男，廣西壯族自治區輻射環境監督管理站工程師，從事核技術與輻射物理研究。