通道式放射性检测系统测试方法分析

张煜莉　林 晨　汤 彬

通道式放射性检测系统测试方法分析

张煜莉1林 晨1汤 彬2

（1.广西壮族自治区辐射环境监督管理站，广西 南宁 530000；2.东华理工大学，江西 南昌 330013）

近年来通道式辐射监测装置的技术和功能不断改进，其需求越来越大，主要用于探测回收废钢中是否夹裹放射性源，进口矿产资源中放射性核素是否超标，防止内含运输违法的放射性材料和用于制造核武器的特种核材料，在放射性污染防治中应用前景广阔。文章结合国际原子能机构于2006年发布的关于边境监控装置的技术和功能标准的技术指导文件，分析研究了通道式放射性检测系统的测试标准，为以后仪器装置的研发和调试提供参考。

通道式放射性检测系统；测试条件；误报率；灵敏度；探测效率

引言

通道式放射性检测系统主要应用于检查站，如公路和铁路边境过境点、机场或港口，用来探测运输的物质是否含有放射性物质，例如探测运输材料中是否含有特种核材料，探测回收的废钢中是否夹裹放射源，以及探测边境的违法放射性材料运输[1-6]。检测系统要求货车、小汽车或人员等出入窄的限制线，如交通要道收费点，其固有灵敏度远好于手持式或个人辐射探测器。它们在检测连续通过的人、车辆、行李、包裹、邮件和货物时能提供高灵敏度，同时最大化降低交通车流对检测装置的影响。

通道式自动检测系统一般都配备了个人辐射探测器和多功能手持式仪器，用于工作人员和检查人员的辐射安全，确认警报，查找放射性物质的位置和识别放射性核素。图1给出了通道式放射性检测系统的一般响应模式[7]。

图1　响应模式

目前通道式放射性检测系统用来探测行人是否携带或者车辆是否运载放射性物质，当行人或车辆占据探测灵敏区域时，通道式放射性检测系统通过测量γ辐射水平，然后与报警阈值做比较。报警阈值通常受本底辐射水平的影响，通过事先测量当探测灵敏区域没有被占据时本底数据更新校正得到。

通道式放射性检测系统在通过和等待两种操作模式下都能够正常运行。通过操作模式表示车辆连续通过门式系统，而等待操作模式表示车辆暂时停在这个门式系统内，比如车辆暂停然后行驶的通行。软硬件必须都能够支持这两种模式。

本文结合国际原子能机构于2006年发布的关于边境检测装置的技术和功能标准的技术指导文件，详细分析研究了通道式辐射监测装置的测试标准，这里主要分析研究关于γ射线的测试标准，有关中子的暂不涉及。

1　通道式放射性检测系统的特点

通道式放射性检测系统主要由安装在垂直柱上的探测器阵列和辅助的电子学电路、摄像监控系统组成，其能够明确区分车辆和行人，且知道何时监控通过的车辆或行人，以及实时更新本底辐射水平和报警阈值。系统的探测器需要具备很高的灵敏度，例如，Pu的γ射线很容易被屏蔽，但是γ探测必须能够探测到Pu。由于探测器的灵敏度主要依赖于距离，所以在安装通道式检测系统时，要认真考虑选择最佳的安装位置，使仪器发挥最有效的作用。例如在安装时，尽量使行人、车辆和货物紧靠或中间通过探测器。系统同时配备安装了摄影头，用于记录导致报警的项。至关重要的是，该检测系统在有危险的时候能够同时进行独立声光报警。

通道式放射性检测系统的探测效率同样与感兴趣区域内的测量辐射强度的能力有关，因此在安装监视器的时候要保证探测器的灵敏区域具有一个自由视野，而且还要防止仪器受到机械损伤。报警指示应该能够让检查点的人员清楚听到和看到。另外，系统通常要连接到局域网，如多个过境点的检查站都安装了这种装置，它应可以安全、远程链接到海关指挥部，又如在大型机场，所有的数据均可以汇集到值班室的数据收集中心的计算机上。

用于人或车辆检测的检测系统还需要进行大量的工作进一步完善。如有些系统要求在监测区内能提供定位源的位置数据，就这样一个看似简单的问题需要非常复杂的技术方案才能解决。另外，由于无辜/干扰警报都是由合法源所引起的辐射警报，如天然放射性物质，或者最近接受核医学治疗的乘客，因此，近些年人们也意识到应用新技术例如算法，可以标记天然放射性物质或人用医学同位素。使用特殊的报警算法和参数，要求通道式放射性检测系统软件必须能够分别生成γ射线声光警报。在不影响通道式放射性检测系统持续运行的情况下必须支持一个自动调整γ射线报警阈值的程序，该软件应该有一个用户界面，允许用户在特定结构下选择报警参数和标准，同时，软件应该在视觉和听觉上给出γ的警报信息。

通道式放射性检测系统应该合并出一个基于低或高本底值的误报警标准。为了得到要求的灵敏度，应考虑在装载卡车占据灵敏区而降低了γ本底值时，该系统可以使用任何算法。通道式放射性检测系统应该在内部或外部的电脑上具有存储原始数据和处理数据的能力，存储数据的使用格式应非专有，并且应完全公开。在低于2.7 MeV时，不应该有人为设置的γ能量灵敏度上限。

2 测试条件

为了确保通道式放射性检测系统测试结果的可重复性和有效性，所有监测装置都要按照以下标准的参考测试条件进行。

（1）环境条件为20℃±10%（温度），相对湿度为50%～75%，大气压为70 kPa～106 kPa（标准）；附近的墙，天花板等对检验结果不应该有很大的影响（±10%）。

（2）裸源和车载源经过通道进行测试。

（3）所有安装好的装置在长时间测试检验过程中应该允许电脑自动控制参数（比如误报警率），有权限使用原始数据如计数率。

（4）监视器在测试前应该先调好，在测试过程中不允许进行任何调整；用于灵敏度测试的指定核材料源可以使用其它的源来替代，替代武器级钚（WGPu）的源是133 Ba（0.12 MBq相当于1 g WGPu），和用57 Co替代高浓缩铀等。

3　测试标准

车辆通道式放射性检测系统主要包括行人监测装置、车辆和铁路辐射监测装置。本文主要研究车辆放射性检测系统的测试标准，其它暂不涉及。

车辆通道式放射性检测系统的入口监测器由双面（两个支柱）并且对称的大面积塑料闪烁探测器构成。探测灵敏度取决于源与探测器的距离和探测时间。根据被检测车辆的宽度，建议支柱之间的最大距离为6 m。且在车辆通过探测区域时，需放置一些工具来控制和减缓车速，建议车速不要超过8 km·h-1。应注意的是，为了避免车辆意外毁坏监测器而安装的栅栏不能妨碍监测视野。监测器应该只监测一个通道，车辆入口可能是小汽车或卡车类型（包括公共汽车），只是监测的区域的高度不同。

通道式检测系统的参数在整个测试过程中必须固定不变。至关重要的是，感应器的类型适用于专门应用，安置好的感应器只能在监测器被占据的时候才能触发，而不能被附近其它车辆所触发。

3.1　误报率测试标准

在较长时间内通过模拟一个通道和触发占用信号可以自动地测试误报率，并且存储占用信号和报警信号。在测试模式中占用信号应该连续持续3秒和紧接着断开2秒，每经历30个自动更新本底循环之后允许中断30秒。测试的最少次数应该为30000次，其在自动模式下运行不超过36个小时。如果没有误警报记录则达到了置信度为95%的标准，在置信度为95%下经过100000次测试之后误报次数不能超过5次，如表1[7]所示。

表1 在95%置信度下检验误报率的标准

需要注意的是，在模拟通道期间没有车辆出现在监测器中间的话会稍微增加γ误报率，这是因为在监测期间车辆会稍微降低本底辐射强度（大约达20%）。因此，模拟测试结果可以被认为是最差的情况。

3.2　灵敏度测试标准

对于所有的车辆监测器（小汽车、卡车、公共汽车）探测区域应该至少包括以下区域。

（1）对于卡车入口的垂直范围为：0.1 m～4 m，如图2所示；

图 2 卡车入口的探测区域

（2）对于小汽车入口的垂直距离为：0 m～3 m；

（3）对于卡车/公共汽车监测器的横向距离（两个探测器之间的水平距离）可达6 m。与高度相对的中心线上得到关于γ射线和中子的灵敏度变化应小于±50%。

探测区域灵敏度的变化是指通过在探测区域的中间（即柱子之间距离3 m）放置一个裸露源，源放置的位置依次为离地面高度为0.1 m、1 m、2 m、3m、4 m（小汽车入口最大3 m），并且记录相应探测器高于本底的计数率，数据的统计精度应该至少为±10%。用于测量的源为至少活度为1 MBq的57 Co和137 Cs，以及发射12000 n·s-1的中子源252 Cf。

应该绘出以放射性核素与测量源高度为阵列的测量结果图，对于给定的源在任意一个高度能够找到灵敏度的变化，要求源相对高度的计数率变化应小于±50%。

3.3　探测效率测试标准

车辆监测器必须满足静态和动态测试的要求，由于动态测试耗费时间长并且花费更高，推荐在静态测试成功通过之后再进行动态测试。

3.3.1静态探测效率测试标准

对于一个距离监测器表面区域中心点3 m的点源，下列的最小绝对探测效率要求必须要达到。探测效率是由监测系统高于本底之后的净计数之和率比上MBq而得到（即双柱子系统的总计数率之和）。实际探测灵敏度取决于当地的本底计数率，对于探测概率为50%、1/10000的误报率要求下，最小净计数率必须至少要高于本底计数率的平方根的四倍（σ），较高的探测概率要求更高的σ乘数。表2最后列为本底计数率为2500时的σ，并给出对应σ的探测效率[7]。

表2　静态探测效率

注：其中σ乘数是高于本底的净信号计数率除于本底计数率平方根的比率。

3.3.1动态探测效率测试标准

这个测试是为了验证γ射线检测系统的总性能。在标准的本底下，测试采用了活度为1 MBq（±30%）的57 Co源和活度为1 MBq（±30%）的137 Cs源，在置信度为95%时为了获得要求的80%的探测概率，这个测试的阈值应设较低的2.0“σ”（2倍的本底计数率的平方根低于“源+本底计数率”），这个要求应该是与1/10000的误报率一致，即在给定的本底计数率下测试源的净计数率应提供至少6.5“σ”系数。

在入口中间线上1 m的高度穿过一个平均速度为8 km·h–1（±30%）的裸露源来测试探测概率，在一定合理的通道数目间隔提供一个中断，允许监测器更新本底，如果对于50个通道至少有45个警报被触发那么达到了要求的探测概率（在95%置信度时为80%）。

其它如机械要求、技术和功能要求、环境和电源要求，以及电磁干扰要求的测试标准，在以后的测试研究中会逐渐涉及到，这里暂不作分析讨论。

4 结论

本文详细地分析研究了通道式放射性检测系统的测试条件和测试标准，其目的不仅仅是用来测试，更重要的是用来研发和调试时应用，以及在检查站安装部署时作为系统参数的标准来使用，同时在采购仪器装置时也可以作为参考标准来评价是否达标。随着技术的迅速发展，仪器的功能和系统参数会有所提高，但这些测试标准依然可以作为最低的测试标准来使用。

[1] Chambers W H, Atwater F H, Fehlau P E, et al. Portal Monitor for Diversion Safeguards[D]. Los Alamos: University of California, 1974.

[2] Fehlau P E, Brunson G S. Coping with plastic scintillators in nuclear safeguards[J]. Nuclear Science, 1983, 30(1): 158-161.

[3] Fehlau P E, Garcia C, Payne R A, et al. Vehicle monitors for domestic perimeter safeguards[D]. Los Alamos: University of California, 1983.

[4] Fehlau P E. An applications guide to pedestrian SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1986.

[5] Fehlau P E. An applications guide to vehicle SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1987.

[6] York R L. Fehlau P E. Update for the applications guide to vehicle SNM monitors[D]. Los Alamos: University of California, 1997.

[7] IAEA. Technical and functional specifications for border monitoring equipment[EB/OL]. https://www.iaea.org/publications/ 7400, 2021-12-28.

Analysis of the Test Methods of Passageway Radioactive Detection System

In recent years, with the continuous improvement of technology and function of passageway radiation monitoring device, its demand is increasing. It is mainly used to detect whether radioactive sources are wrapped in recycled scrap, whether radionuclides in imported mineral resources exceed the standard, and prevent the transportation of illegal radioactive materials and special nuclear materials used to manufacture nuclear weapons. It has a broad application prospect in the prevention and control of radioactive pollution. Combined with the technical guidance document on the technical and functional standards of border monitoring devices issued by the International Atomic Energy Agency in 2006, this paper analyzes and studies the test standards of channel radioactive detection system, so as to provide reference for the research and development and commissioning of instruments and devices in the future.

passageway radioactive detection system; test conditions; false positive rate; sensitivity; detection efficiency

TL8

A

1008-1151(2022)02-0001-04

2021-11-25

国家自然科学基金（12075055）；国家重点研发计划（2017YFF0104200）；国家重点实验室联合创新基金（NRE2021-03）。

张煜莉（1986－），女，广西壮族自治区辐射环境监督管理站工程师，从事核技术与放射性物理检测。

林晨（1989－），男，广西壮族自治区辐射环境监督管理站工程师，从事核技术与辐射物理研究。