基于溴化鑭( LaBr3 ) 探測器的無人機在口岸貨場放射性檢測中的應用

萬永亮 鐵列克·波拉夏克 李準 成智威 凱依賽爾·阿布都外力

關鍵詞：溴化鑭;放射性檢測;遠距離遙控;核素識別

目前口岸對進出口貨物開展放射性檢測時主要應用通道式車輛放射性監測系統[1]對車輛及其裝載的貨物進行現場實時監測，而且大多數為非核素識別型，當發現存在放射性異常時，需進一步開展放射性核素識別以確認放射性的來源，此時需要工作人員到現場使用便攜式核素識別儀開展相應的檢測任務或者進行采樣送至實驗室分析，工作人員都會在現場停留一段時間，此過程對工作人員會造成一定的輻射危害。為避免此類危害的發生，有些單位研發了機器人輻射監測系統[2]，國內外許多科研院校和輻射監測公司還研發了基于無人機的放射性檢測系統[3-4]。在常溫輻射探測器選用方面，2003年Shan等人[5]成功地制備了大尺寸的LaBr3（Ce）晶體，相比較常用的NaI（Tl）晶體，其具有較高發光效率（～60000光子/MeV）、常溫下較好的能量分辨率（3.2%@661.7keV），快衰減時間常數（～25ns）等特點。國外基于LaBr3（Ce）探測器的無人機研究和應用較成功的案例是2012年在日本福島核電站輻射檢測中的應用[6]。

由于無人機飛行時間有限、飛行靈活、準備程序簡單等特點，更能適用于面積不大、貨物擺放動態性大、遠離生活區的口岸貨場放射性檢測。烏魯木齊海關技術中心與北京中智核安科技有限公司共同研發了基于LaBr3探測器的無人機放射性檢測系統，采用油電混合型多旋翼無人機平臺，應用分辨率較好的LaBr3晶體作為探測器，能夠實現遠距離遙控進行放射性核素的檢測與識別。

1 無人機放射性檢測系統

無人機放射性檢測系統由無人機航空譜儀，無人機及系統控制站軟件組成。實現輻射監測、能譜分析、核素識別、地理信息系統GIS信息顯示、數據存儲與回放等功能。

1.1 無人機航空譜儀

無人機航空譜儀由溴化鑭探測器、光電倍增管、小型前置放大器、小型高壓模塊、小型數字化多道、機載存儲單元、主控單元、北斗定位模塊、數傳電臺、激光高度計、機上電源、溫控模塊、減震保溫結構、探測器艙體等部件組成。

（1）溴化鑭探測器

選用2個溴化鑭探測器，技術性能指標：晶體尺寸為?5cm×5cm;能量分辨率<3%（@661.7keV）;能量范圍為30keV～3MeV。

（2）光電倍增管

選用2個R6231-100型光電倍增管，分別與2個溴化鑭晶體匹配使用。主要技術性能指標：光陰極直徑46mm;峰值波長350nm;光陰極材料為超級雙堿（SBA）;玻殼材料為硼硅玻璃;倍增極級數為8;陽極到陰極電壓為1500V;上升時間（典型值）為8.5ns。

（3）小型前置放大器

選用2個AP2100小型前置放大器，主要技術性能指標：工作電壓為±24V;積分非線性<±0.02%;溫度穩定性：<±0.01/℃（0～50℃）。

（4）小型高壓模塊

選用2個PS2000型高壓模塊，主要技術性能指標：輸出電壓范圍為0～1250V;輸出電流為0.5mA;輸出穩定性（8h，典型值）為0.01%;溫度系數（最大值）為0.01%/℃。

（5）小型數字化多道分析器

選用2個Spectrum-mini-1型數字化多道分析器，主要技術性能指標：多道道數為4096道;死時間校正精度輸入計數率在5×104s-1以內小于5%;電流<50mA。

（6）機載存儲單元

選用1個FPS100型存儲單元，用于存儲探測器采集的數據。技術性能指標：容量為16GB;讀取速度最高可達98MB/s。

（7）主控單元

選用1個FPC200型主控單元。主控單元用于完成溴化鑭探測器數據采集、機上數據存儲、與數傳電臺進行數據通訊、接收北斗定位單元、激光高度計等模塊的數據。

（8）北斗定位模塊

選用BD910型北斗定位模塊，用于獲取探測器采集數據時所在的位置信息。主要技術性能指標：定位精度≤1.2m;數據采樣速率最高為20Hz。

（9）數傳電臺

采用發射功率為1W的DDL-mini型DDL數傳電臺。主要技術性能指標：頻率范圍為902～928MHz（FHSS）;輸出功率5mW～1W;數據鏈路范圍為95km。

（10）激光高度計

選用AUKI型激光高度計，用于測量無人機搭載探測器測量飛行的高度。主要技術性能指標：量程為0～1km;通訊接口為RS232;測量精度：①0～300m高度內，測量誤差<0.5m;②0～20m高度內，測量誤差<0.2m。

（11）電源及溫控電路

自帶可充電電池組，內含溫控電路確保探測器在-40℃到50℃環境下正常工作。主要技術性能指標：電池容量為10Ah;充電器工作點為24V/5A。

（12）探測器艙體與減震機構

采用鋁合金艙體，除蓋板之外的外殼結構采用一體化加工成型，艙體后端預留充電口、天線口和指示燈。譜儀內部填充減震墊層、安裝架加裝減震彈簧。

1.2無人機

采用華翼星空的SF416-F6000型垂直起降小型無人機平臺。主要由以下部分組成：油電混合動力四旋翼無人機平臺、飛行控制系統、差分定位系統、數據通訊系統、機載相機、地面控制站。主要技術指標：凈質量為27.3kg;最大起飛質量為46kg;有效載荷為8kg;續航時間為80min（滿載）;海拔升限為2km;抗風能力為6級;最大飛行速度為40km/h;工作環境溫度為-20℃～60℃。

1.3系統控制站軟件

無人機放射性檢測系統控制站軟件設計有參數配置、集成控制、數據分析、數據文件、顯示與回放、工具箱、視圖窗體、幫助等主要模塊。

2系統性能測試

2.1能量校準與分辨率

將137Cs、60Co放射性點源分別置于2個溴化鑭探測器前端窗的25cm處，采集譜數據，測量的譜圖如圖1所示。

將原始譜圖中全能峰與相對應的道址進行直線擬合，得到能量校準公式如下：

E=0.7215·Ch+22.85，R2=0.998（1）式中，E為能量值，keV;Ch為道址。

通過分析得知，實際測量可得譜儀系統對137Cs的661.7keV全能峰分辨率[7]為2.75%。

2.2核素識別

采用基于序貫貝葉斯方法的核素識別算法[8]與傳統能譜分析技術相結合的方法進行放射性核素識別。兩種方法利用針對特征γ射線能量來識別，在高劑量率場中進行核素分析的差別不大。在低劑量率場中，序貫貝葉斯核素識別算法將放射性核素的每條特征γ射線視為一個獨立的單能γ源，利用貝葉斯算法對每個光子的半衰期、特征γ射線能量和分支比信息進行分析，把屬于同一單能源的光子歸為一個光子事件組，形成一個輻射脈沖序列，然后根據預設的參數分析光子序列，利用序貫概率比檢驗計算核素存在的概率。綜合多種單能射線源的計算結果，決定是否檢出了放射性核素，實現低活度下快速識別核素。

2.3探測效率的蒙特卡羅計算

溴化鑭探測器主要由?5cm×5cm的溴化鑭晶體、0.05cm厚的MgO反射層、0.3cm厚的前端鋁層、0.2cm厚的包裹鋁層以及0.2cm厚的后端SiO2光學玻璃組成[9-10]，效率計算采用MCNP程序進行計算。設抽樣的初始粒子數為107，光子輸運的截止能量為3MeV，不采用減方差技巧。前端和側面包裹鋁層的厚度微調，應用校準過的點源241Am、137Cs進行實驗室效率測量后，與效率計算值相比較而進行的。空氣衰減層設置為質量比分別為79%的氮氣和21%的氧氣。

2.3.1點源探測效率蒙卡模擬計算

放射性點源設置在距探測器前端窗100cm處，效率計算結果列于1。

2.3.2體源效率計算

根據貨場多數的貨包尺寸，假設土壤體源的尺寸為：?200cm×60cm，密度為1.5g/cm3。土壤的組成成分設為質量比為75%的二氧化硅、20%的三氧化二鋁和5%的四氧化三鐵。探測器距土壤的探測距離為30cm。其中探測器的轉換系數，定義為全能峰凈計數率與放射性核素比活度的比值[11]，計算結果列于表2。

2.4最小可探測活度

將系統置于一空曠場地距地面30cm處，用便攜式γ劑量率儀巡測場地的γ劑量率，確保選擇的場所的γ劑量率屬于正常本底水平，并且無明顯異常點。開啟測量系統采集1500s的譜數據，本底譜如圖2所示。

將本底譜中對應全能峰區域的計數加和后，按公式（2）分別計算點源和體源的最小可探測活度MDA[12]：

式中，MDA為最小可探測活度，Bq或Bq/kg;Nb為全能峰區域的計數加和;ε為點源探測效率或體源轉換系數，s-1/Bq或s-1/（Bq·kg-1）;pγ為γ射線的發射幾率;t為測量時間，s。

經計算分析，系統對點源和體源中不同放射性核素的1500s測量時間內最小可探測活度列于表3。

3現場應用

使用經中國測試技術研究院校準（校準證書編號：校準字第202108002553）的1枚137Cs點源，放射源編號為AF-9188，其活度值為968.0kBq;1枚60Co點源，放射源編號為AF-9186，其活度值為340.9kBq。校準時間為2021年5月31日，擴展不確定度為5%，k=2。于2021年6月16日，將2枚點源同時放置某一貨場的空曠場地的地面上，開啟無人機放射性航測系統并巡航至放射性點源正上方，懸空定點測量1500s后，對采集的數據進行分析，檢測結果修正到校準時間的活度。其測量結果列于表4。檢測結果表明，無人機放射性航測系統檢測結果與校準值相對偏差小于5%。

4結論

裝備2個?5cm×5cm溴化鑭探測器的無人機放射性航測系統，在常溫下具有對137Cs的661.7keV分辨率優于3%的性能，具備較好的核素識別能力;測量時間1500s對137Cs點源和體源的最小可探測活度分別為2.37kBq、3.77Bq/kg;譜儀系統集成度較高，占用體積不大，能夠較好地安裝于無人機的機腹下。無人機作為控操平臺，能夠靈活機動地應用于現場復雜條件下的檢測工作，備配可視設備時可檢測工作人員不能到達可疑位置上的放射性物品，從而極大地減輕工作人員工作量，減少工作人員受輻照的危害。

為了提高檢測出放射性活度的可信度，必須充分描述現場物品的形狀、材料特性以及屏蔽體的特性，因此，需進一步開發針對現場常見場景下的效率校準計算軟件，便于快速給出相應檢測物品中的放射性核素種類與活度值。