钴-60数字辐射成像检测技术回顾与展望

2015-05-16安继刚

同位素 2015年4期

安继刚

（清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084）

60Co辐射成像检测系统于1996年申报发明专利，1997年研制成功，1999年，第一套国产集装箱检测系统在中国海关马尾检查站投入使用，打破了国际公司的垄断。近二十年来，在海关总署、科技部和教育部的领导与支持下，60Co辐射成像检测技术已发展形成相当规模的产业，发挥了重要作用。

我国集装箱辐射成像检测技术研发始自1991年国家科委八五攻关计划。清华大学核研院、工物系和物理系联合承担攻关任务，研制以直线加速器为辐射源的集装箱检测系统。1995年底，清华大学三院系联合完成八五攻关任务，研制成功我国首套加速器集装箱检测系统，成立同方威视公司，走上了该技术的产业化之路。

1995年末，德国海曼公司推出廉价而且占地小的X射线机检测系统，但由于辐射能量低，检测性能差。中国海关总署提出：需要价廉、省地，但性能优良的检测装备。清华大学核研院分析加速器和X射线机系统的优缺点，依据八五攻关所发明高压气体阵列探测器的巨大潜力［1］，提出新的技术构思——用60Co探伤源代替加速器，提高探测系统性能，创建辐射水平低（相差近千倍）但性能与加速器系统相当，而且安全、可靠、价廉、省地的新型集装箱检测系统。经过技术论证，于1996年3月申报发明专利［2］，自此开启了新的研发历程。

1 60 Co辐射成像检测系统创新思路［3］

创建兼有加速器与X射线机系统优点的新系统主要思路如下。

1）用60Co工业探伤机（≤300 Ci）做射线源。γ射线平均能量为1.25 Me V，相当于4 Me V加速器，可保障高穿透本领，但其辐射量比加速器低数百甚至上千倍，是主要技术困难，需靠其他创新技术克服。

2）提高探测器灵敏度与效率。适当增大探测器截面，改换充气，使灵敏度提高40多倍，同时提高电极片的固体辐射体作用，使对60Co γ探测效率大于40%［4］。

图1 两种检测系统空间布局比较a.Layout of accelerator-system b.Layout of 60 Co-systemFig.1 Comparison of spatial layout of t wo inspection system

3）大张角布局。凭借60Co源γ光子发射的各向均匀性，选择大张角布局（图1），使源－探测器距缩小至加速器系统的1／3以下，探测器接受辐射强度增加至10倍以上，克服了60Co源辐射量低的缺陷。

4）缩短检测通道长度。依靠辐射水平低而实现，使得在扫描速度稍低的情况下，仍能保持集装箱检测的通过率不降低。

2 产学研结合

实现创新技术设想，必须走产学研结合之路。获得国家计委中国节能投资公司支持，组建北京华力兴公司专职开发、推广60Co集装箱检测技术。清华大学核研院与华力兴公司结合，实现了60Co检测技术的产业化。

1996年10月投资研制1／4规模样机，1997年4月建成，获摩托车等客体的清晰图像，验证了技术思路与方案的正确性。1997年5～7月，60Co探伤源集装箱检测系统建成，获面包车及集装箱等客体清晰图像（图2、图3）。实测指标是：CI＝0.7%，IQI＝2.5%，SP＝240 mm（CI为密度反差灵敏度；IQI为丝分辨率；SP为穿透本领），与当时的加速器检测系统性能相当，而单次检测剂量≤5μSv，显著低于后者。

图2 1997年建成的60 Co检测系统样机Fig.2 Prototype of 60 Co inspection system established in 1997

图3 60 Co检测系统样机获取的图像Fig.3 Image obtained from the prototype of 60 Co inspection system

60Co检测系统1∶1样机研制成功后，获得海关总署和相关领导部门的认可。1998年11月23日，时任国务委员的吴仪同志会同国家科委主任朱丽兰及海关总署等相关部门领导亲临清华大学核研院考察此检测系统（图4、图5），充分肯定了这项科技成果，并决定在福建马尾建设我国首座60Co集装箱检查站，开启了60Co检测系统推广应用之路。

图4 考察60 Co检测系统Fig.4 The leaders WU yi etc.visited the 60 Co inspection system

图5 60 Co检测系统扫描图像Fig.5 The i mage obtained by the 60 Co inspection system

清华大学核研院和北京华力兴公司通力合作，于1999年6月26日在马尾建成60Co集装箱检查站，调试成功并投入运行，这是我国第一座投入运行的国产集装箱检查站。

马尾60Co集装箱检查站如图6所示。该站试运行期间（1999-11-23），便查出赖昌星“远华公司”的一桩冒充废金属走私进口千台计算机显示器的大案，图像示于图7。

图6 马尾60 Co集装箱检查站Fig.6 Mawei station of 60 Co inspection system

图7 1999年马尾站查获以“废金属”名义走私进口的计算机显示器Fig.7 Computer monitors smuggled as scrap metal at Mawei station in 1999

3 产业化16年技术进展

自1999年第1套60Co集装箱检测系统产品在马尾投入运行至2014底，已经销售安装60Co检测系统89套，并针对各种需求，研制推广不同的类型，形成了完整的产品系列。

已经推广的主要类型有：门架移动型［5］、车载式［6］、铁路货运列车检测系统［7］、垂直透视轿车检测系统［8］及双视角检测系统［9］等（图8、图9、图10、图11）。还研制了集装箱CT／DR检测系统［10］、直通式轿车检测系统等新装备，正在推广应用。

图8 门架移动式检测系统Fig.8 Gantr y-moving inspection system

图9 车载式检测系统Fig.9 Vehicular inspection system

图10 货运列车检测系统Fig.10 Freight train online inspection system

图11 22.5 k m／hr时速下铁路货物（卡车）的检测图像Fig.11 Inspection i mage of truck on train at 22.5 k m／h

十多年来，60Co检测系统的主要应用领域已经从海关扩展到交通部门的港口与高速公路以及国家安全机构等，而且出口到亚州与非洲多国，如巴基斯坦、哈萨克斯坦、吉布提、加纳，等。

首创的60Co滚装船货车查验系统对渤海湾黄金水道上航行的滚装船进行监测。由于不法商人在车内私带化危品，曾导致中途起火，酿成失火、翻船、死人的惨烈事故。鉴于港口码头地域狭小，又要求性价比高、运行成本低，60Co检测系统成为最佳选择（图12、图13）。自2005年在相关港口普遍安装检测系统后，再没有发生船毁人亡的恶性事故。现已在渤海沿岸、琼州海峡及长江上游等地安装20余套，极大地提高了航运安全性。

图12 滚装船车辆检查站Fig.12 Inspection station f or Roll-on-roll-off ship

图13 滚装船车辆检测系统Fig.13 Tr uck boar ding roll-on-roll-off ship inspection system

针对轿车特点发展了垂直透视检测系统，自上而下的视角避免了轿车底盘对检测图像的干扰，获得最佳的检查效果。首套移动式轿车垂直透视检测系统已用于2008年北京奥运会［8］，该系统示于图14。

为得到更好的检测效果，开发了双视角钴-60检测技术［9］。由“1个射线源＋2排探测器”同时获取2幅投影图像，形成立体透视效果，可分辨重叠物体的先后位置，进行透视查验。二连浩特运行的双视角检测系统示于图15。

图14 移动式轿车垂直透视检测系统Fig.14 Car top-view inspection system

图15 双视角集装箱检测系统Fig.15 Dual-view container inspection system

当前装备的轿车检测系统，均要求司机下车，再拖动轿车接受检测，限制了检测效率的提高，每小时只有数十辆车可通过，在大交通流量情况下无法应用。清华大学核研院已研制成功不需要司机下车的直通式检测系统，每小时可通过数百辆车。

为降低辐射剂量，确保不下车司机的人身安全。美国的ANSI N43.17标准规定：辐射剂量小于0.25μSv，即可直接检测人体。从2010年起，美国机场安装背散射系统检查旅客，便依据此标准。清华大学核研院研制的司机不下车直通式轿车检测系统，辐射源是8 Ci60Co，轿车速度为10～20 k m／h，司机所受剂量≤0.1μSv。扫描图像示于图16，能完全满足安检要求。

图16 直通式轿车检测系统图像（10～20 k m／hr时速）Fig.16 Image from through car inspection system （at 10～20 k m／h）

为获得物性判别功能以利于查找爆炸物等危险品，研发了60Co集装箱CT／DR检测系统［10］（十五攻关项目）——既可获取多方向透视图像，又能获得客体选定部位的断层图像，具备了依靠密度数据判别材质的功能。克服了探测器旋转、环架结构、信号采集传输及图像重建等困难，实现了大型客体（集装箱、车辆）的γ－CT检测。该系统在通过科技部项目验收时，实测密度分辨率达到0.6%。此技术已经获得中国发明［10］与英国专利授权［11］，又得到国际发明展金奖。该系统结构布局及获得的航空集装箱与轿车断层图像示于图17、图18、图19。图18中，三瓶液体分别为：汽油，水及汽油加水。

图17 集装箱CT检测系统Fig.17 Container CT system

图18 航空集装箱断层图像Fig.18 cross-section i mage of an air container

图19 集装箱CT系统获取汽车断层图像Fig.19 Car cr oss-section i mages from container CT system

60Co集装箱CT／DR检测系统应用CT旋转扫描成像原理，不受物品重叠影响，可依据密度（精度0.6%）数据判别物性，但此类设备的检测效率有待提高。

4 60 Co集装箱检测系统运行性能

2014年底，60Co集装箱检测系统累计运行时间已经超过300万台时。检测安全、稳定，可靠性和性价比较高。

1）检测性能。海关用300 Ci活度60Co集装箱检测系统的主要检测性能指标是：CI＝0.5%～0.7%；IQI＝2.5%；SP＝220～240 mm铁；辐射剂量小于5μSv。前三项指标与中档加速器检测系统的相当，而第四项则明显优于后者。

针对不同应用场合与要求，发展了不同60Co源活度的检测系统，如车载式的30 Ci检测系统、8 Ci的轿车检测系统及0.8 Ci的绿色通道检测系统等。源活度降低使性能略有下降，但即使是0.8 Ci系统的穿透本领仍可达到180 mm铁，满足查验假绿色运输车的需要。

2）辐射安全性。16年来共销售安装60Co检测系统89套，累计运行时间已超过300万台时，未发生辐射安全事故。

60Co源活度涵盖 300-100-30-8-0.8 Ci等多个等级，分别属于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类放射源。60Co检查系统设置了多重安全措施，可全天候防护与监控放射源安全。各项辐射安全指标设计与实测值均小于国家标准要求值。检查设备对周围公众及环境的影响小，可忽略不计。

针对放射源的安全措施包括：存储容器及工作箱体坚固安全；源容器采用双人双锁制度；视频监控及防盗报警系统对放射源实施24 h监控，出现意外时立即报警。

3）稳定与可靠性。运行数据证明，60Co检测设备正常运行率（设备完好率）均在98%以上，钴源10年无需维护，充气阵列电离室探测器的寿命几乎没有限制。

4）长期连续运行。60Co检测系统可长时间（24 h／d）连续运行，而且能随时启动，不需要预热时间。此优点可用于建设特别地区的无人值守且24 h通关运行的检查卡点。

5）耗电、用地及其他资源消耗情况。每套设备的用电均不超过10 k W，远低于加速器检测设备，60Co源是完全不耗电的，可称作“绿色辐射源”。海关与港口设备的占地面积统计列于表1。

表1 60 Co检测系统占地面积统计Table 1 The floor area statistics of the cobalt-60 inspection system

物资消耗主要集中在日常维护与年度检修，涉及到的物资为网络配件、电气配件、机械配件、放射源、探测器等。60Co源更换期设计为10年（2个半衰期），实际按7～8年操作，探测器（充气电离室）基本不需更换。

60Co检测系统属低辐射水平装备，场地建筑防护要求显著低于加速器系统。当采用Ⅲ、Ⅳ类源时防护要求更低。

此外，60Co检测系统无微波辐射、电磁感应及数十万伏高压等危险因素，车载移动式性能与固定式基本相同，在国内外车载式检测系统中性能最高而又轻便、可靠、价廉。系统的适应性强，可用0.8～300 Ci60Co放射源及不同规格的探测器来满足各种要求。

综上可以看出，60Co集装箱检测系统应用简单、可靠，检测性能优越，且价廉、省地。

5 关于推广钴-60检测技术的思考

5.1 对放射源的恐惧

由于放射性知识科普介绍有限，在一些管理人员中存在放射源危险，尽量不用的观念，部分群众害怕放射源。

60Co放射源都是置于精确设计制造的防护罐中，只有开启专用阀门后，光子才能射出，而一旦关闭阀门，源罐外的辐射水平立即降到安全阈值以下，对外界的影响同关电后的加速器、X射线机相同。目前主要存在的风险是丢失、被盗问题。可以通过必要的常规安保措施来杜绝。

5.2 恐怖份子利用

放射源可能被恐怖份子利用制作炸弹的说法，促成了尽量限制使用放射源的提法。

对于恐怖份子利用的可能性，应当像911事件后的民航部门一样，要严肃对待，采取必要措施积极应对，来保证安全，而不能因噎废食，一禁了之。

5.3 穿透本领

这是国际厂商在开发集装箱检测系统初期提出的性能衡量指标之一，指在多厚铁板后仍能发现一块铅砖（大小未规定）的阴影，但仅从此阴影并不能分辨出任何有意义的客体信息。用此指标划分集装箱检测系统的等级，是不恰当和片面的。

满载集装箱平均质量厚度约140 mm铁。因此实际用到的是在集装箱平均质量厚度情况下分辨细节的能力。300 Ci60Co系统的穿透本领达到220～240 mm铁，已明显超出满载集装箱的平均质量厚度，它在140 mm铁情况下分辨细节的能力足够优良。

5.4 放射源移动及人体照射。

国家针对放射源的管理十分严格。目前“放射源移动使用”及“直接针对人体的非医学安全检查”还是禁区，对车载型或直通式60Co检测系统应用有很大影响。

探伤源为BU包装，此规格包装是为确保能使用各种交通工具安全运输。购自美国的60Co探伤源由飞机空运经万余千米抵达我国而无任何问题，但在国内车运数公里却成了问题。美国SAIC公司的车载式137Cs检测系统早已行销世界各地，北京华力兴公司的车载式60Co系统也已远销非洲，近年又销售到要求特别严格的某个亚洲国家，但在国内推广仍有很大难度。

关于人体的非医学安全检查，美国标准ANSI N43.17要求每次人员受照剂量低于0.25μSv即可，但国内标准尚未建立。尽管新研制成功的直通式60Co轿车检测系统每次通过剂量只有0.1μSv，远低于美国标准要求，在国内推广仍需努力做许多工作。

为了推动60Co辐射成像检测系统的更大规模推广、应用，希望通过沟通和科学分析，从国家利益出发，早日取得共识，为此技术开辟更广阔的应用空间。

6 展望

6.1 发展条件不断改善

国家大力发展钴-60放射源生产，秦山三期核电站的产量已达 670 万 Ci／a［12］。所产60Co的比活度大于150 Ci／g，已能满足大部分探伤检测的要求。此比活度的小颗粒源（钴粒子）可用于制造不同活度的探伤源。目前，探伤源装置已经实现了国产化。

经过数十年的发展，充气电离室探测器技术上了新台阶，全焊接阵列电离室的像素尺寸已达1.3 mm～30 mm范围。灵敏度、探测效率提高，时间响应改善，可靠性更好。

信息技术的发展与探测器性能改进将促使集装箱检测技术总体性能获得明显提升，新技术不断涌现，如双视角检测系统、垂直透视轿车检测系统、直通式检测系统及集装箱CT／DR检测系统等。

随着科学知识的普及，钴-60同位素技术的群众接受力将大大改善。在深圳、广州、北京等地都建设了数百万居里的钴-60辐照站，且已运行多年，并无不良反应。国家政策法规逐步完善，社会主义市场体制改革不断深化，放射源管理将更趋合理、积极，更适应社会经济发展的需要。

6.2 国家需求旺盛

20世纪，集装箱检测系统研发主要是针对打击世界范围走私猖獗问题，海关是最大的需求单位。21世纪以来，反恐斗争的重要性日益显现，不仅表现在重要道路沿线检测，也包括要害部门的安保工作，已经提出新的需求。与海关大部分沿国境线或口岸部署不同，反恐设备的需求单位呈网络式面状分布，有更多更高的要求。

6.3 发展前景良好

60Co检测系统已在海关运行16年，能很好地满足需求，在近期进行升级换代时，仍坚持采用60Co检测技术；自2005年以来，除了某一个城市外，交通部门在其他城市、港口都一直普遍选用60Co辐射成像检测系统，今后还将继续采用；反恐网络布点量大面广，性价比高的60Co技术更适合，直通式检测系统很受欢迎。集装箱CT检测系统是迄今唯一真正具备物性判别功能（密度分辩）的检测系统，国际航空运输安全及毒品、爆炸物检测均需要，进一步解决通过率（检查效率）问题，发展前景良好。