基于辐射信息的放射源实时监控系统

占杨炜

（四川大学 物理与科学技术学院辐射物理与技术教育部重点实验室，四川 成都 610065）

放射源种类多，应用广[1]，几十年来的应用为发展国民经济、提高国家实力、保障人民健康做出了重大贡献。放射源在医学方面用于诊断、治疗和消毒灭菌等，在农业方面用于辐照育种来改良品质、增加产量及保鲜等，在工业方面用于石油煤炭等资源勘探、矿石成份分析和工业探伤等。但放射源也带来很多危害，据卫生部统计，1988年至1998年，放射事故主要发生在小型密封源应用的单位，约占全部事故的80%。该领域中的事故主要是丢失放射源，导致公众受照，找源过程又占用大量劳动力，受照集体剂量和经济损失也均在各行业之首，分别约占总数的67%和58%[2]。直到今天，一些地区的放射源管理依旧隐患重重。如福岛核事故及山西省亨泽辐照科技有限公司五名工作人员在未将放射源降至安全位置的情况下，携带坏的剂量仪进入辐照室，其中一人死亡，另外4人患上放射病。因此，管理好放射源[3]，是关系到人民健康、安全的大事。

现有技术中对放射源的监控系统，其各监测单元以并联的形式连接，因受到线路和接口的限制而不易扩展，若是扩展即需要更多的线路和接口；同时其数据通讯采用的是无线通讯技术，这会使得数据信息有被窃取风险，容易泄密且通讯不稳定易受干扰。

为此该系统利用可编程逻辑器件STC15单片机作为中枢，采用CAN总线通信收集各监测单元的辐射信息[4]至主控器，再将主控器处理后的数据遵循TCP/IP协议模式传至服务器[5]。各监测单元和主控器用一根四芯线串联起来，其中两线用于供电，另两线用于通信，这样可便于扩展且不需另外增加线路和接口；主控器与服务器用一根网线进行通讯，可保证数据传输的稳定可靠且不被窃取。

1 监控系统组成

系统由监测单元（含屏蔽准直器）、主控器、警报器、服务器组成，如图1所示。

每一个放射源容器侧壁安装一个监测单元并配有屏蔽准直器，用G-M管实时测取容器内放射源的辐射信息。所有的监测单元测得的辐射信息通过CAN总线汇集到主控器同时由主控制器供给工作电压。主控器上连有警报器，根据获取的数据分析结果来决定警报器的工作状态，并通过TCP/IP协议上传监测数据至服务器同时可从服务器接受相关操作指令。从而实现放射源的远程实时监管。

图1 放射源贮存及实时监控系统构架图Fig.1 Storage of radioactive sources&Frame diagram of the real-time monitoring system

1.1 主控器

主控器的结构如图2所示，包括交直流转换模块、电流监测模块、CAN模块、以太网模块和STC15单片机。

图2 主控器硬件功能结构图Fig.2 Hardware function structure chart of the host controller

主控器将外接交流220 V转直流12 V，给主控板及各监测单元供电。正常工作时，负载电流是一个较为稳定的值，如果某部件或供电电缆发生短路、断路或供电（通讯）电缆遭剪断破坏，则电流值会发生较大变化。为此采用高精度的电流传感器MAX9634对总负载电流进行实时采样，STC15单片机通过DAC口读取MAX9634采集的数据，获取当前的负载电流值，根据获取的正常电流值智能设定上下阈值，一旦电流值不在阈值内立即启动警报器。

该系统采用嵌入式控制CAN协议栈芯片MCP2515和TJA1050实现CAN总线数据的收发[6]，对每一个数据包采用CRC16校验，可以从根本上避免数据传输的差错。CAN总线通信走线少，只需2根总线，即可串联起主控器和所有监测单元，便于扩展，通信带宽最高1 Mbps时，对应传输距离可达40 m，通信带宽500 kbps时通信距离可达1 000 m。

主控器对CAN总线汇集的辐射信息和测得的电流数据进行分析处理，在正常状态下智能设定置信区间即上下阈值，若监测的数据不在置信区间内则启动警报器。主控器采用STC15单片机控制高速硬件以太网协议芯片W5300实现与服务器间TCP/IP通信[7]，上传数据至服务器同时接受其下发的指令和参数，并下发给各监测单元 ，有线以太网通信保证了数据传输的稳定可靠。

1.2 智能设定阈值

为减少误报警和漏报警率，系统根据测量数据和统计规律，实时动态智能调整报警阈值。

放射源衰变是随机的，衰变产生的计数分布服从泊松分布，

其中M是计数N的期望值。当衰变数较多时核衰变服从高斯分布，

其中σ是标准差。根据3σ准则[8]得：

1）辐射值分布在[M-2σ，M+2σ]中的概率为 0.977 250 即误报警率是2.2750%，

由样本标准差：

同理，

2）辐射值分布在[M-3σ，M+3σ]中的概率为 0.998 650 即误报警率是0.1350%，得阈值区间为

同理，

3）辐射值分布在[M-4σ，M+4σ]中的概率为 0.999 968 即

在正常状态下，系统定时测得放射源的部分辐射值作为样本，动态智能设定上下阈值。

2 系统测试

由于放射性具有统计涨落使得G－M管计数不稳定，因此采用滑动平均值法即每测得的一个辐射值与之前的4个辐射值取平均值作为当前辐射值，改进后有效的提高了稳定性。使用Am－241源测试结果如下（见图3）：

图3 放射源距G－M管0.1m和0.5m的相对辐射值概率分布图Fig.3 The relative radiation value probability distribution diagram of radioactive sources and G－M tube are separated in distance by 0.1 meter&0.5 meter

将放射源置G－M管0.1 m处时，正常状态下系统会定时自动测取60个辐射值作为样本来自动设定上下阈值：

1）阈值设为[M－2σ，M+2σ]对应的置信区间为[23，31]，误警率约为1.2200%；

2）阈值设为[M－3σ，M+3σ]对应的置信区间为[21，33]，误警率约为0.0200%；

3）阈值设为[M－4σ，M+4σ]对应的置信区间为[19，35]，误警率为0；

选择的置信区间越宽，误警率越低，但灵敏度会随之降低。

当把放射源移至G－M管0.5 m处时：测得此时放射源的辐射值，其范围在3～11之间，都不在3种置信区间内，即都会触发声光报警。

3 结束语

随着社会发展放射源应用越加广泛，但伴随而来的安全问题也日益严峻，所以需要对放射源进行实时监控。本监控系统中监测单元与主控器间采用串联式的 CAN[9－10]通信，便于扩展；主控器与服务器间采用有线以太网通信保证了数据传输的稳定可靠且不易被窃取。由硬件电路和服务端软件相结合实现了远程实时监视放射源的辐射信息，可对放射源进行统一监管，有效提高放射源的监控管理水平和效率，减少放射源丢失、被盗等事件的发生。

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