王琦標(biāo) 庹先國 黃 紅 馬 橋 王 旭 鄧 立 楊劍波,2

γ放射性門式檢測(cè)系統(tǒng)的蒙特卡羅模擬及設(shè)計(jì)

王琦標(biāo)1庹先國2,3,4黃 紅1馬 橋5王 旭1鄧 立1楊劍波1,2

1（成都理工大學(xué) 地學(xué)核技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059）2（成都理工大學(xué) 地球探測(cè)與信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn) 成都 610059）3（成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610059）4（西南科技大學(xué) 核廢物與環(huán)境安全國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室 綿陽 621010）5（四川省疾病預(yù)防控制中心 成都 610041）

針對(duì)γ放射源非法攜帶轉(zhuǎn)移的危害性，設(shè)計(jì)了一種適用于放射性敏感區(qū)域的γ放射性門式檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)首先采用塑料閃爍體探測(cè)器對(duì)放射性物質(zhì)發(fā)出的γ射線進(jìn)行甄別，然后采用NaI(Tl)探測(cè)器陣列進(jìn)行核素識(shí)別和初步定位經(jīng)137Cs和60Co兩個(gè)常用γ放射源蒙特卡羅模擬驗(yàn)證，理論上其放射性檢測(cè)下限可達(dá)370 Bq，并能有效地對(duì)放射性核素進(jìn)行識(shí)別和初步模塊化定位，對(duì)防止γ放射源的非法轉(zhuǎn)移具有很好的技術(shù)途徑。

γ放射性，門式檢測(cè)系統(tǒng)，核素識(shí)別，定位

和平利用放射性物質(zhì)對(duì)人類而言是一筆巨大的財(cái)富，但是如果核事故發(fā)生，放射性物質(zhì)泄露擴(kuò)散，也將給人類社會(huì)造成無法想象的危害[1?2]。雖然我國關(guān)于核材料以及放射性廢物的管理相對(duì)嚴(yán)格，但是由于放射性具有不可視的特點(diǎn)，同時(shí)放射源體積較小、易攜帶，使得通過人為攜帶等方式非法轉(zhuǎn)移核材料及其它放射性物質(zhì)成為一種可能，這將對(duì)大眾的生命健康造成威脅。我國是一個(gè)涉核大國，核設(shè)施眾多，在發(fā)生核事故時(shí)，如何在實(shí)現(xiàn)大批量人群的快速疏散同時(shí)確保放射性物質(zhì)的有效監(jiān)管，是目前所面臨的一個(gè)難題，給社會(huì)和人們的生活留下了嚴(yán)重的安全隱患[3]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊狀況下放射性物質(zhì)的監(jiān)管，防止γ放射源的非法轉(zhuǎn)移，本文提出一種基于塑料閃爍體探測(cè)器和NaI(Tl)探測(cè)器陣列的γ放射性門式檢測(cè)系統(tǒng)，針對(duì)出入敏感區(qū)域的行人及攜帶物等進(jìn)行快速自動(dòng)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射γ射線的放射性物質(zhì)識(shí)別和初步定位，并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

1 系統(tǒng)總體方案

γ放射性門式檢測(cè)系統(tǒng)主要由探測(cè)器系統(tǒng)、電子電路系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)等組成，門式檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)高200cm、寬40cm，單側(cè)厚度為6cm，如圖1所示。探測(cè)器系統(tǒng)由NaI(Tl)探測(cè)器、塑料閃爍體和門頂部的電荷耦合元件(Charge-coupled Device, CCD)圖像采集器組成，NaI(Tl)探測(cè)器嵌在兩側(cè)的塑料閃爍體塊中。電子電路系統(tǒng)主要包括程控高壓模塊、信號(hào)采集模塊、接口模塊和通信模塊。計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)包括放射性核素?cái)?shù)據(jù)庫和門式系統(tǒng)γ放射性檢測(cè)軟件，此軟件集成了解譜分析、圖像處理、核素識(shí)別、放射性定位、自動(dòng)報(bào)警等多個(gè)功能模塊。

圖1 γ放射性門式檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of gantry system for γ radiation detection.

檢測(cè)總體思路為：首先對(duì)進(jìn)出人員、物品用塑料閃爍體探測(cè)器初步探測(cè)是否攜帶放射性物質(zhì)；針對(duì)有攜帶放射性物質(zhì)的人員采用CCD圖像采集器進(jìn)行二維頭像采集，同時(shí)啟用NaI(Tl)探測(cè)器陣列進(jìn)一步進(jìn)行γ能譜測(cè)量；通過數(shù)據(jù)處理，最終在軟件系統(tǒng)上顯示放射性核素種類及其所在位置，并自動(dòng)報(bào)警。整個(gè)過程大約在15s內(nèi)相繼執(zhí)行完成檢測(cè)，能夠很好滿足大批量人群場(chǎng)所的使用。

2 蒙特卡羅模擬

依照系統(tǒng)模型，用蒙特卡羅模擬軟件MCNP對(duì)系統(tǒng)裝置建模。塑料閃爍體采用EJ200，單側(cè)尺寸為200cm×40 cm×6cm，密度為1.023 g·cm?3，左右兩塊塑料閃爍體之間的距離為60cm。10個(gè)

?7.62cm×3.81cm NaI(Tl)探測(cè)器等間距嵌在塑料閃爍體中。為屏蔽環(huán)境γ射線的干擾，在NaI(Tl)探測(cè)器外層包裹了1.2 cm的鉛屏蔽層，探測(cè)器準(zhǔn)直的長(zhǎng)度為2cm。以水平方向?yàn)閤方向，垂直方向?yàn)閥方向，兩塊塑料閃爍體下端中心為原點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系。在系統(tǒng)探測(cè)區(qū)間內(nèi)（x：?30–30cm，y：0–200 cm），分別將137Cs和60Co放射源水平方向以10cm為間距、垂直方向以20cm為間距，依次變化測(cè)量。

在MCNP中，采用F8脈沖卡進(jìn)行計(jì)數(shù)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用?7.62cm×3.81cm NaI(Tl)探測(cè)器的能量分辨率（相對(duì)662keV的能量分辨率為7.5%）進(jìn)行了能譜展寬處理。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 γ放射性檢測(cè)

EJ200塑料閃爍體探測(cè)器對(duì)不同位置的60Co、137Cs γ放射源的檢測(cè)結(jié)果分別如圖2所示。兩個(gè)γ放射源均是在水平中心(y=0cm)處的總探測(cè)效率（總探測(cè)效率=(左側(cè)探測(cè)器計(jì)數(shù)率+右側(cè)探測(cè)器計(jì)數(shù)率)/源活度×100%）最低，在垂直方向上兩端（x=0cm與x=200cm）處總探測(cè)效率最低，在整個(gè)x-y平面上最小總探測(cè)效率分別為17.87% (137Cs)、17.89% (60Co)。

圖2 不同源位置塑閃探測(cè)結(jié)果 –■–左側(cè)，–●–右側(cè)，–▲–合計(jì)Fig.2 Plastic scintillator detection results of different source location. –■– Left, –●– Right, –▲– Total

最小可探測(cè)活度(Minimum detectable activity, MDA)也就是檢測(cè)下限Lm，指在一定置信水平下，被測(cè)物質(zhì)活度能夠從本底中區(qū)分出來，能夠檢出的最小被測(cè)量[4]。在99.7%的置信區(qū)間內(nèi)，計(jì)算公式如下：

式中，t為測(cè)量時(shí)間；nB為本底輻射的放射性活度；ηB為探測(cè)器對(duì)本底輻射的探測(cè)效率；η為探測(cè)器對(duì)核材料射線的探測(cè)效率。

通過式(1)，根據(jù)系統(tǒng)所在環(huán)境的測(cè)量本底值和測(cè)量時(shí)間，可以得到本系統(tǒng)放射性檢測(cè)下限。測(cè)量時(shí)間為2s時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)得本底值計(jì)數(shù)為500(nBηBt)，對(duì)兩個(gè)γ源的檢測(cè)下限均可達(dá)到370Bq。

3.2 核素識(shí)別

當(dāng)塑料閃爍體檢測(cè)到放射性時(shí)，啟用NaI(Tl)探測(cè)器陣列進(jìn)行能譜測(cè)量。通過譜光滑、本底扣除等一系列譜數(shù)據(jù)處理后進(jìn)行解譜分析[5]，得到峰位、峰面積等信息，與常用放射性核素?cái)?shù)據(jù)庫中的核素信息比對(duì)，識(shí)別出被檢測(cè)核素[6–11]。圖3為源在x=0cm、y=100cm處，NaI(Tl)探測(cè)器陣列分別對(duì)兩個(gè)γ放射源的模擬測(cè)量能譜。從圖3可看出，核素的特征峰信息能夠清晰地從模擬測(cè)量能譜分辨出。

圖3中，左3和右3探測(cè)器的探測(cè)效率最大，在10?5量級(jí)。測(cè)量時(shí)間確定時(shí)，根據(jù)特征γ射線的分支比和在特征峰區(qū)間的本底計(jì)數(shù)，可以計(jì)算得到核素識(shí)別的計(jì)數(shù)下限。

圖3 NaI(Tl)探測(cè)器陣列對(duì)兩個(gè)γ放射源的測(cè)量結(jié)果Fig.3 NaI(Tl) detector array detection results of two γ sources.

3.3 放射源初步定位

放射源在不同的位置，相對(duì)NaI(Tl)探測(cè)器陣列中各探測(cè)器的方位角和距離均產(chǎn)生變化，通過解譜分析得到特征峰的峰面積隨之改變。以測(cè)量得到最大特征峰面積的探測(cè)器為基準(zhǔn)，根據(jù)對(duì)側(cè)y值相同的探測(cè)器峰面積和同側(cè)上下相連探測(cè)器的峰面積可以確定放射源的位置。由于本系統(tǒng)運(yùn)用于公共場(chǎng)所和出入關(guān)口，人流量大，需要系統(tǒng)快速反應(yīng)，檢測(cè)時(shí)間短，同時(shí)對(duì)定位的精確性要求不高。本文提出了一種簡(jiǎn)單有效并且快速的初步定位方法。

其主要思路為：首先對(duì)門禁系統(tǒng)探測(cè)區(qū)間x-y平面進(jìn)行模塊劃分并編號(hào)，如圖4所示；然后對(duì)NaI(Tl)探測(cè)器陣列中各個(gè)探測(cè)器測(cè)量的能譜進(jìn)行解譜分析，得到特征峰的峰面積；比較各個(gè)探測(cè)器得到的特征峰峰面積，找出最大峰面積，并標(biāo)記出此探測(cè)器的位置；在同側(cè)探測(cè)器中，找出峰面積第二大的探測(cè)器，用不同方式標(biāo)記出此探測(cè)器位置。

圖4 x-y平面模塊劃分圖Fig.4 Module partition of x-y plane.

根據(jù)這兩個(gè)探測(cè)器的位置，可以初步確定放射源所在x-y平面的模塊。圖5為模擬檢測(cè)137Cs γ放射源在非邊緣位置的定位效果；從圖5中可看出，通過此定位方法能夠快速、準(zhǔn)確地找到在非邊緣位置γ所處模塊。

圖5 137Cs定位效果Fig.5 Positioning of 137Cs.

當(dāng)γ放射源的位置處于邊緣模塊1（2或19或20）時(shí)，由于下部（或上部）沒有探測(cè)器，通過此定位方法會(huì)誤定位到3（4或17或18）模塊。因此需要對(duì)本方法進(jìn)行補(bǔ)充：當(dāng)最大峰面積的探測(cè)器為左1或右1（左5或右5）時(shí)，將1和3或2和4（17和19或18和20）模塊標(biāo)識(shí)為放射源可能所處模塊，如圖6所示。通過此補(bǔ)充，有效地解決了探測(cè)邊界問題，使整個(gè)門禁系統(tǒng)區(qū)間不存在探測(cè)盲區(qū)；但是同時(shí)也使得定位精度降低，增加了工作人員工作量。

圖6 邊緣位置模塊定位Fig.6 Edge location positioning.

4 結(jié)語

本工作設(shè)計(jì)的γ放射性門式檢測(cè)系統(tǒng)通過塑料閃爍體探測(cè)器可以檢測(cè)出通過人員和物品的放射性，針對(duì)含有放射性的人員和物品進(jìn)行NaI(Tl)探測(cè)器陣列能譜測(cè)量，通過解譜分析識(shí)別出放射性核素并進(jìn)行初步模塊化定位。經(jīng)蒙特卡羅模擬分析和理論計(jì)算，對(duì)137Cs和60Co放射源，理論上該系統(tǒng)γ放射性檢測(cè)下限可達(dá)370 Bq；同時(shí)也能夠很好地識(shí)別出兩種核素的特征能量峰，并能夠快速準(zhǔn)確地確定放射性核素的位置。本系統(tǒng)能夠很好滿足大批量人群場(chǎng)所的使用，有效地防止了在核事故發(fā)生時(shí)γ放射源的非法轉(zhuǎn)移。

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CLC TL99

Monte Carlo simulation and design of gantry system for γ radiation detection

WANG Qibiao1TUO Xianguo2,3,4HUANG Hong1MA Qiao5WANG Xu1DENG Li1YANG Jianbo1,2
1(Provincial Key Laboratory of Applied Nuclear Techniques in Geosciences, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) 2(Key Laboratory of Earth Exploration & Information Techniques of Ministry of Education, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) 3(State Key Laboratory of Geo-hazard Prevention & Geo-environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) 4(Key Laboratory of Defensive Discipline on Nuclear Wastes and Environmental Safety, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China) 5(Sichuan Provincial Disease Prevention and Control, Chengdu 610041, China)

Background: The peaceful use of radioactive materials is a huge wealth for humans, but illegal transfer of radioactive materials brings a serious potential safety hazard to the public security. Purpose: This study aims to design a gantry system for γ radiation detection to avoid the illegal transfer of radioactive materials. Methods: MCNP code is used to simulate the system which measured two typical γ sources (137Cs and60Co) using two plastic scintillator detectors (EJ200) in the size of 200 cm × 40 cm × 6 cm. Nuclides are identified by analyzing the spectrum, and locations are obtained according to the response of NaI(Tl) detector array. Results: Theoretical computation results showed that γradiation detection limitation of this system was identified to be 370 Bq for both137Cs and60Co, characteristic peaks can be identified effectively, and locations of137Cs are obtained rapidly and accurately. Conclusion: This system satisfies the use of crowd places well, and prevents γ radioactive sources from transferring illegally in the event of a nuclear accident.

γ radiation, Gantry system, Nuclide identification, Positioning

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.040202

國家杰出青年科學(xué)基金(No.41025015)、國家自然科學(xué)基金(No.41374112)、國家863計(jì)劃課題(No.2012AA063501)、四川省科技創(chuàng)新苗子工程項(xiàng)目(No.2014-30)資助

王琦標(biāo)，男，1991年出生，2013年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)楹思夹g(shù)及應(yīng)用

楊劍波，E-mail: yjb@cdut.edu.cn

2014-06-21，

2014-09-16