用于快速甄别的可携式放射性检测装置

方 忻，李新军，甘 霖，郜 强

(中国原子能科学研究院 放射化学研究所，北京 102413)

自“9.11”之后，随着国际反恐形势的日趋严峻，特种核材料(SNM)(如含233U、235U、239Pu的材料和制品)[1]以及其他放射性材料可能被恐怖分子利用。根据国际原子能机构(IAEA)非法交易数据库(ITDB)记录的数据[2]显示，从1993年1月到2006年12月，全世界被证实的非法交易犯罪行为总共有275起。在这275起事件中，55%的事件涉及核材料，45%的事件涉及放射源。该数据库还报道了332起事件涉及被盗或丢失核材料或其他放射性物质，以及398起涉及其他非法活动，例如放射性物质被非法处置或“孤儿源”[3]被发现。

基于保证国家公众设施和人民群众的安全，防止恐怖分子或其他破坏分子利用核材料或其他放射性物质在公共场所制造放射性恐怖事件的目的，各国加强了对进入其海关的人员、行李和物资等的放射性检测工作，以防止核材料和其他放射性物质非法流入。另外，目前由于科研、医疗和工业探伤等方面使用放射源的数量日益增多，国内有关方面对核材料和放射性物质的检测和快速甄别问题也非常重视。

本文研制了一种用于探测核材料和放射性物质的可携式放射性快速检测装置，并研究了相应的甄别技术。

1 装置构成

本装置是一种核材料或其他放射性物质的快速甄别装置，设计用于机场、海关和火车站等地，对出入的人员进行快速甄别。该装置由可携式放射性测量装置和快速甄别软件组成。

快速甄别装置(见图1)大体为圆柱形，其上装有探测器、电源指示灯、无线数据传输天线和1个串口接口，其内部装有电源单元、电子学单元和无线数据传输单元，配合无线数据接收器和计算机管理软件使用。考虑到小型化和无线传输的特点，采用了外置天线以降低装置外壳对于无线传输信号的屏蔽。在电路设计上将电路板分开分块制作，然后组合放置于探头的周围，这样有效减小了电路安放体积。可携式放射性检测装置内部结构图如图2所示。

图1 可携式放射性检测装置

图2 可携式放射性检测装置内部结构图

综合考虑了探测器质量、探测效率以及性价比，采用了晶体相对于蒽单晶的发光率为230%，闪烁衰变时间为230 ns，发射光谱的主峰位在415 nm左右[4]，晶体尺寸为φ50 mm×50 mm的NaI(Tl)闪烁体组合探头。

采用主、备2种电源工作模式。主电源为外接市电电源，备用电源为6节3.6 V/2 000 mAh的锂电池，主电优先，主、备2种电源可以自动切换，在失去主电时，该装置仍然可以正常地连续独立工作8 h。备电源具有过充和过放保护功能，避免了过充、过放电对电池的损害，有效延长了电池的使用寿命。

电子学部分主要由单片机及外围输入、输出控制电路组成，具备四路单道脉冲计数、数据处理、数据传输和高压变换等功能。在电路的设计上，根据所要实现的功能设计控制系统和信号处理系统。为了能够降低功耗，延长电池供电的使用时间，实现小型化便携可移动，元器件均采用低功耗的贴片型元器件。

NaI(Tl)闪烁体探测器将输出的电脉冲信号经过放大后再送到四路单道分析器进行脉冲幅度甄别，将所选能量范围以外的信号甄别掉，只留下感兴趣的能量范围。四路单道分析器输出的脉冲信号被整形为TTL脉冲信号，被单片机系统所记录。当某一路计数达到预先设定的报警阈值时，数据将传输到上位机，由上位机进行数据报警处理，同时蜂鸣器鸣叫，完成报警提示。检测装置的工作参数可通过RS-232串口进行设置。

单片机选择Atmel公司生产的ATmage128芯片。该芯片有2个独立的可编程定时器/计数器，大多数指令可以在1个时钟周期内完成[5]，能有效地减少外围扩展电路，尽可能使硬件电路尺寸小型化，为高速采集探测数据以及运算提供了很好的条件。四路单道的计数分别由ATMega128内部2个16位计数器C/T1、C/T2和外部2个32位计数器Ls7166完成。设计要求四路单道同时采集数据，然后对四路单道的数据进行计算，并做出判断，整个周期为0.2 s，所以每0.2 s从4个计数器中采集读取1次数据。

所测得的数据经单片机处理后传输至远程上位机计算机，以供实时在线反映探测器状况(正常、报警和低压故障)。与远程上位机计算机进行通信需要编写传输通信协议，以及串口通信软件。数据传输有2种方式可供选择：当检测装置固定布防时，采用有线传输信号的方式与主机计算机连接；当检测装置移动布防时，就可以使用无线传输数据的方式。无线传输单元采用的是wap200c型无线射频传输芯片。芯片采用433 MHz频率进行数据传输，以保障在无障碍200 m范围内数据传输有较高质量。

2 甄别过程及甄别方法

为了判别检测装置所探测到的放射源的性质，实现快速甄别放射源所属类别，研究发展了此类检测装置对于核材料和放射性物质的快速甄别技术，采用分多路单道的设计来区分所探放射性物质发出γ射线能量的高低，以实现快速甄别功能。

装置的测量与甄别流程图如图3所示。装置在进行放射性物质快速甄别时，根据预先设置的报警阈值参数值以及本底值计算报警阈值。当探测器测到的计数超过报警阈值时，装置将发出报警信号。

图3 可携式放射性检测装置检测流程图

由于存在与使用环境相关且随时间而变化的γ本底，因此从本底涨落中正确判断源自于核材料或放射性物质的信号是快速甄别方法的关键所在。采用移动平均检测法[6]，可以根据使用环境的不同自动调整报警阈值，在提高灵敏度的同时降低了误报警概率。

选择适当置信系数ε，视γ射线计数率N次采样周期的移动平均值Bi为本底，设置随时间变化的报警阈值Ti，当γ射线计数率M次采样周期的移动平均值Gi超过报警阈值Ti时，启动报警。

作为本底的采样周期数N(例如取值为80)通常要远大于作为检测的采样周期数M(例如取值为4)。根据甄别要求和甄别环境，通常选择ε为4～10。探测灵敏度和误报警率随ε值增大而降低，随ε值减小而升高。

核材料主要指含233U、235U、239Pu的材料和制品，放射性材料主要包括各种工业用、医用放射源和其他放射性物质。现在有很多人接受医用放射性(201Tl、99mTc、131I、111In、67Ga)治疗手段，很多货物天然存在放射性物质(40K、238U及其子体，226Ra、232Th及其子体)，这种自然的放射性事件报警会大大影响探测器报警的灵敏反应，需要有效地加以甄别。

将γ射线能量分为低、中、高等3个能区(见图4)。低能区为60～400 keV，为医用源和特种核材料的特征能区；中能区为400～1 400 keV，为工业用源的特征能区；高能区为1 400 keV以上，为天然放射性物质的特征能区。快速甄别逻辑图如图5所示。当低能区报警时，可以初步判断存在医用放射性源或者特种核材料；当低、中能区同时报警时，可以初步判断存在工业用源；当低、中、高能区同时报警时，可以初步判断为存在天然放射性物质。装置采用了4路单道来分别记录低、中、高等3个能区的计数以及全能区的总计数。根据上述不同需求所用放射源的特点，可以分别设置各路单道的探测能区，使得探测器对探测到的位于低、中、高能区的放射源进行区别报警。

图4 γ能谱图

图5 快速甄别逻辑图[7]

3 装置调试

调试的主要目的是通过试验确定选择合适的放大倍数和各路单道的上下甄别阈相应的电压幅度参数值。

通过示波器观察该检测装置对241Am、235U、60Co几种特定的放射源的特征峰位电压幅度，来确定合适的放大倍数区域。根据所探测核素能量范围以及主放大输出、单道输入线性范围要求，调节探测器输出幅度，可以确定装置的主放大倍数约为1.5倍时比较合适。

放大倍数确定后，分别用241Am、57Co、235U和133Ba进行试验来确定低能区，即第1路单道的上、下阈值。经试验，在用133Ba的356 keV射线设定第1路单道上阈后，其他放射源的低能γ射线都未超出其设定的上阈界限，可以确定低能区的单道上、下阈的范围是0.47～1.87 V；用54Mn、65Zn、22Na和152Eu进行试验来确定中能区即第2路单道的上、下阈值，中能区上、下阈的范围是1.83～3.80 V；本装置确定的高能区的范围在1 400 keV以上，即为第3路单道的范围，高能区的上、下阈的范围是3.52～4.88 V。综上可知，总能区的第4路单道上、下阈的范围为0.47～4.88 V。

4 装置性能

通过低、中、高能区的划分后，经测试，如果有人携带241Am、57Co、235U、133Ba源经过装置的探测区域时，只有低能区报警；当有人携带54Mn、65Zn、22Na、152Eu源经过装置的探测区域时，只有低、中能区报警。这说明低、中、高等3个能区阈值的划分比较合理，可以实现快速甄别报警功能设想。

国际上将这类检测装置的探测灵敏度定义为：在规定条件下(探测概率50%或置信度95%)，检测装置能够检测到的最小核材料量(单位为g，高浓度铀HEU或低燃耗钚LBPu)。根据探测灵敏度定义，对该检测装置进行了灵敏度测试，置信水平为95%，步行速度为1 m/s，行至距离探测器50 cm处时，该装置对U3O8的探测灵敏度为10 g。对该检测装置的误报警概率(实测的误报警次数n/总检测次数N)进行了测试。实测中，选ε=5，N=65 527，n=23，误报警率(实测)为3.5×10- 4。

5 结语

可携式放射性检测装置采用NaI(Tl)探测器探测γ射线，其检测数据能通过有线或无线进行传输，可实现远程监测。为发展此类装置的快速甄别技术，该装置采用4路单道计数和移动平均法检测，通过对所探核材料和放射性物质发射γ射线的能量高低进行基本判断，可以快速甄别天然放射性物质，对此类报警进行有效排除。该装置具有体积小、质量小、拆装方便和使用灵活等优点。

[1] 中华人民共和国核材料管制条例[S]. 北京：国务院，1987.

[2] IAEA Illicit Trafficking Database (ITDB). IAEA information system on incidents of illicit trafficking and other unauthorized activities involving nuclear and radioactive materials Fact Sheet [R/OL]. Vienna: IAEA, 2006[2013-08-23].http://www.iaea.org/News Center/Features/RadSources/PDF/fact_figures2006.pdf.

[3] Definition of an Orphan Source[R/OL]. [2017-01-05]https://www.nrc.gov/materials/miau/miau-reg-initiatives/orphan.html.

[4] 汲长松. 核辐射探测器及其实验技术手册[M]. 北京：原子能出版社，1990.

[5] 沈建良，赵文宏，贾玉坤，等. Atmega128单片机入门与提高[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[6] 张文良. 人员出入口核材料放射性监测装置计算机数据采集和处理系统的研制[J]. 原子能科学技术，2000，34(5)：464-468.

[7] Duftschmid K E. New radiation detection systems for the protection of the Olympic Games in China[R]. Beijing: s. n., 2006.