塑闪型车载式放射性探测系统的最小可探测活度的估算

陆小军， 忻智炜， 何林锋

(上海市计量测试技术研究院，上海201203)

1 引 言

车载式放射性探测系统安装在车辆上, 根据计数率或剂量率等随移动方向梯度变化探寻放射性物质/放射源位置，是远距离探测放射性物质，搜寻、探查、确定未知放射源的有力手段[1,2]。塑闪型车载系统以大体积塑料闪烁体探测器为主，可选配碘化钠或溴化镧探测器用于能谱分析和核素识别，由于其灵敏、探测效率高，故此类车载放射性探测系统在环境监测、放射源搜寻以及核应急中得到广泛的应用[3～8]。

最小可探测活度表示探测系统在满足一定置信度条件下，可探测到的最小放射性活度，是表征探测系统技术性能的重要参数之一。对于塑闪型车载式放射性探测系统的性能评价目前尚无相应的标准或规范，且由于其体积大、质量沉重，固定安装在车辆不同位置，拆卸困难，难以在专业实验室内进行性能参数检测。为此，将装载塑闪型车载式放射性探测系统的车辆停在在较为空旷的场地上，选用特定活度的点状γ放射性参考源，实验研究塑闪型车载式放射性探测系统的静态最小可探测活度的测量与估算方法。

2 实验设备

2.1 γ放射性参考源

GBZ125—2009《含密封源仪表的放射卫生防护要求》[9]中表C.1给出了各种工业用含密封源检测仪表所含放射源的活度最小活度、典型活度及最大活度，137Cs核素能发射出661.7 keV的γ射线且半衰期足够长(30年)，是其中应用很广的核素，且最低活度为应用于湿度/密度计的37 MBq(1 mCi)。因此，为定量评价塑闪型车载式放射性探测系统在环境监测及工业应用放射源遗失搜寻中的探测性能，在进行最小可探测活度实验时，选择活度约为37 MBq的137Cs参考源，活度量值溯源至4πγ电离室活度标准装置，相对扩展不确定度为3.0%，k=2。

2.2 远程控制实验平台

为测量实验研制了远程控制平台，实验时，将辐射屏蔽容器置于平台，然后通过远程发送指令即可实现辐射屏蔽容器的启闭，并通过激光测距实现辐射源和待测车辆之间的相对位置，远程控制平台可更好地保障工作人员的辐射安全。屏蔽容器打开时，参考源距平台高度为40 mm，平台表面距离地面为18 cm，见图1。

图1 辐射屏蔽容器及远程控制实验平台Fig.1 Radiation shielding container and reference source control platform

2.3 塑闪型车载式放射性探测系统

关于塑闪型车载式放射性探测系统的结构及性能特点见文献[1]。在进行最小可探测活度估算实验时，预先采用PICO ENVIROTEC公司生产的IRIS-Mobile型车载系统进行了远程控制实验平台的高度设计实验，该型车载放射性探测系统配置2个4 L的塑闪晶体，在塑闪探测器前端配置有3″×3″(φ76 mm×76 mm) NaI探测器，进行能谱分析及核素识别，能量分辨率优于8.7%(对137Cs)，探测能量范围20 keV～3 MeV。

后续实验时，采用上海仁机仪器仪表有限公司生产的RJ24型车载放射性探测系统，该系统配置2个5 L的塑闪晶体，在塑闪探测器之间配置有3″×3″ NaI探测器，进行能谱分析及核素识别，能量分辨率优于8.0%(对137Cs)，探测能量范围25 keV～3 MeV。

3 实验方法及模型建立

3.1 实验方法

塑闪型车载式放射性探测系统集空间定位及辐射探测功能于一体，采用大体积塑料闪烁体探测器作为主探测器，通常固定安装于车辆顶部，体积大，质量沉且不易拆卸。为此，利用塑闪型车载式放射性探测系统在工作时探测器空间位置相对固定，其载体车辆和外壳包装对其计数率的影响相对不变的特点，将车辆和探测系统作为整体，采用参考源的远程控制平台进行实验。实验方法及步骤如下：

(1) 在采用远程控制平台进行实验之前，先采用活度值分别为8.8×105Bq、1.8×106Bq和3.6×106Bq的137Cs参考源在距离塑闪探测器探测面一侧车体260 cm的垂直面上，以地面为0点，进行塑闪型车载式放射性探测系统的活度响应随高度变化的实验；

(2) 将活度为197 MBq的137Cs参考源放置在远程控制实验平台，在距离车体侧面2～55 m之间，选择52个点位进行参考活度响应测量实验，每个点位读数10次，取平均值计算活度响应，并以距离为自变量进行数据拟合，比较拟合值与实验值的相对偏差；

(3) 采用活度为35 MBq的137Cs参考源进行实验验证，证明最小可探测活度估算模型的可行性。

3.2 最小可探测活度估算模型

最小可探测活度(minimum detectable activity，MDA)定义为探测系统在一定置信度范围内可探测到的最小放射性活度，模型可建立如下[10～12]：

(1)

式中：LD为车载探测系统的探测下限，s-1；Ri为车载探测系统在i位置处的参考活度响应，s-1·Bq-1；MDA为车载探测系统的最小可探测活度，Bq。

由式(1)可知，最小可探测活度的测量，关键在于对车载系统探测下限LD和参考活度响应Ri的确定。由于塑闪型车载式放射性探测系统的测量周期为1 s，即cps(s-1)，因此在实验过程中针对单次测量，LD和Ri的实验模型为：

(2)

(3)

式中：Nb为本底计数率，s-1；Nsi为放射源位于i位置时，车载放射性探测系统的读数，s-1；A为参考源活度，Bq； 95%置信水平下，Kα、Kβ均为1.645，代入式(2)得到：

(4)

将式(3)、式(4)代入式(1)可得到特定位置处静态最小可探测活度MDA的模型，见式(5)：

(5)

4 实验结果及讨论

4.1 参考活度响应随放射源高度的变化

参考活度响应随放射源高度变化的实验方法如3.1节中所述，车载式放射性探测系统为PICO ENVIROTEC公司生产的IRIS-Mobile型车载系统，塑闪探测器晶体几何中心距离地面高为177 cm，结果见表1。

从表1可看出，在参考源与探测器几何中心点之间的连线逐渐垂直于探测器几何中心所在探测面时，车载式放射性探测系统对137Cs参考源的响应逐渐增大。随着高度的降低，车辆和地面的散射影响增大。当高度分别为50 cm和0 cm时，车载探测系统对于137Cs的参考响应近乎相等，表明可以通过将参考源置于控制平台进行实验(参考源距离地面18 cm)的方式模拟直接将参考源置于地面的实验。

4.2 参考活度响应随距离的变化

由3.2节可看出，静态最小可探测活度的估算关键在于对不同位置处的参考活度响应关系式的拟合计算，因此，选择上海仁机仪器仪表有限公司生产的RJ24型车载式放射性探测系统，用137Cs参考源在距离车体2～55 m进行实验，参考活度响应曲线见图2。

表1 距离车辆260 cm处不同高度的参考活度响应Tab.1 Reference activity response at different heights from the vehicle at 260 cm s-1·kBq-1

图2 源与车辆之间的距离和源与探测器之间的 距离响应拟合比较Fig.2 Comparison of the response between the distance from source to vehicle and source to detector

从图2可以看出，不论是采用参考源与车体之间的垂直距离拟合还是采用参考源与探测器之间的距离进行拟合，关系式都是e指数函数的相加模型，可理解为直接到达探头探测面的射线粒子数和由空气、地面和车体的散射进入探测器的粒子数之和，同时也说明随着参考源与探测系统的距离增加，散射造成的影响呈e指数在减小。2个拟合关系式为：

(1)自变量x为参考源与车体侧面的距离

R(x)=339.64×e-x/1.40+106.56×e-x/7.01+1.07

(6)

(2)自变量x为参考源与探测器面的距离

R(x)=2 543.01×e-x/1.05+134.41×e-x/6.56+1.27

(7)

基于式(6)和式(7)，通过图2我们看不出有大的差异，但是比较各拟合参数发现，图2中A1拟合结果的标准偏差特别大，因此，将拟合响应值与实验测得值做比较，结果见图3。

由图3可看出，距离在20 m范围内，参考活度响应的拟合值与实验值的相对偏差均小于10%；在40 m范围内，参考活度响应的拟合值与实验值的相对偏差小于20%；大于40 m后，相对偏差绝对值甚至超过100%。

因此，取20 m范围内的测量数据进行拟合，并对拟合值和实验值进行比较， 结果显示，在此范围内拟合关系式为：

R(x)=104.47×e-x/7.29+340.28×e-x/1.42+0.18

(8)

图3 拟合值与实验值的相对偏差比较Fig.3 Comparison of relative deviation between fitted and experimental values

此时，各参数的拟合标准差都较小，且相关系数R2大于0.999，各拟合值的相对偏差均小于7%，结果见图4。通过该实验确定了检测时的距离范围，应尽量保持在距离车载式放射性探测系统的车体20 m范围内。

图4 20 m范围内车载系统的参考活度响应及拟合值与实验值的相对偏差Fig.4 Reference activity response of the car-borne system in the range of 20 m and the relative deviation between the fitted value and the experimental value

4.3 理论模型的实验验证

根据以上分析，对于一台车载式放射性探测系统，理论上可以给出任意距离处的参考活度响应，但我们更关注的是该车载式放射性探测系统在多远处能够探测到多大活度的放射源或对特定活度的放射源在多远处能够被探测到。为验证该方法的有效性，采用活度为35 MBq的137Cs参考源，对型号为RJ24的车载式放射性探测系统进行实验验证，测试结果如表2所示。

表2 车载式放射性探测系统本底数据Tab.2 Background data of the Car-borne radioactive detection system s-1

表3 车载式放射性探测系统实验数据Tab.3 Experimental data of the Car-borne radioactive detection system

将x分别等于20 m、21 m、22 m、23 m代入式(8)，得到理论的各测量点位的活度响应分别为6.9 s-1·MBq-1、 6.0 s-1·MBq-1、 5.3 s-1·MBq-1和4.6 s-1·MBq-1，相对偏差最大值为23 m处的21.1%， 其余3个位置处相对偏差均小于8%，以上数据表明最小可探测活度的测量方法是合理的。

同时，由表3可以得出，随着参考源与车体距离的增大，该车载式放射性探测系统中核素识别的时间在延长，因此含有γ谱仪的塑闪型车载式放射性探测系统，其最小可探测活度的探测距离建议参考γ谱仪的核素识别情况。

5 结 论

基于塑闪型车载式放射性探测系统的使用环境和固有特性，以理论和实验相互验证的方法探索一种在免拆卸情况下，塑闪型车载式放射性探测系统静态最小可探测活度的估算方法，结果表明该方法可行，并得出如下结论：

(1) 在对塑闪型车载式放射性探测系统最小可探测活度进行估算时，参考活度响应的测量应在距离车体20 m范围内进行;