王 亮，鄧曉欽，朱小鉸，梁時軍，王麗媛

(1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站，成都 611139；2.南充市環(huán)境監(jiān)測中心站，四川 南充 637000;3.四川省環(huán)境科學(xué)學(xué)會，成都 611139)

引 言

四川是我國的核技術(shù)利用大省，截止2018年底，全省在用放射源約5 400余枚，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療及科研等行業(yè)中。放射源的安全是國家核安全的重要組成部分，它關(guān)系著社會的穩(wěn)定和群眾的健康。近年來，放射源雖已成為生態(tài)環(huán)境行政主管部門的重點監(jiān)管對象，但放射源丟失、失控等輻射安全事故仍不能完全避免，多數(shù)原因是由于企業(yè)破產(chǎn)后放射源閑置無人管理，或者在停產(chǎn)檢修過程中由于管理不善而被盜。為了屏蔽電離輻射，放射源一般貯存于金屬屏蔽體內(nèi)，被盜后常常作為廢金屬賣給廢品收購站，再送往廢金屬熔煉企業(yè)，如不及時發(fā)現(xiàn)，放射源一旦與其他廢金屬一起回爐熔煉，將造成重大經(jīng)濟損失。這些金屬產(chǎn)品如果再流入社會，不僅會使公眾受到不必要的輻射劑量[1]，還可能造成嚴重的社會影響。為此，國家明確要求廢舊金屬回收熔煉企業(yè)應(yīng)在廢舊金屬原料入爐前應(yīng)采取必要的監(jiān)測措施進行輻射監(jiān)測，防止放射性污染[2-3]。

通道式輻射監(jiān)測設(shè)備由于其探測器面積大，工作效率高，無勞動強度的特點[4-6]，已廣泛應(yīng)用于廢金屬熔煉企業(yè)進行輻射監(jiān)測[7]。為了測試目前市面上的通道式輻射監(jiān)測設(shè)備是否能有效探測出廢舊金屬運輸車輛中混有放射源，四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站在四川省內(nèi)某廢金屬熔煉企業(yè)內(nèi)開展了模擬試驗，邀請了5家國內(nèi)通道式輻射監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)商各提供1套通道式輻射監(jiān)測設(shè)備分別進行測試。

1 試驗方案設(shè)計

本次試驗在四川省內(nèi)某從事廢舊金屬冶煉的企業(yè)內(nèi)實地進行，該企業(yè)主要生產(chǎn)工業(yè)用不銹鋼特殊鋼，冶煉爐類型為電爐，年產(chǎn)量約57萬t，廢舊金屬原料年使用量約8.5萬t，廢舊金屬熔煉主要工藝為“原料入廠-過磅-磁選-分裝-入爐-成品”。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，本次試驗選擇在入廠地磅處安裝通道式輻射監(jiān)測設(shè)備，并使用1輛載重約10t的中型貨車裝載廢鋼材至貨箱擋板高度大約1/2處，并在貨箱內(nèi)放置1枚放射源，通過改變放射源在車廂內(nèi)的位置、源窗開啟狀態(tài)及出束方向，在不同測試條件下讓貨車勻速通過通道式輻射監(jiān)測設(shè)備，測試通道式輻射監(jiān)測設(shè)備是否能探測到放射源并發(fā)出預(yù)警，試驗示意圖如圖1所示。

本次試驗分別使用了2枚放射源，結(jié)合四川省核技術(shù)利用情況，四川全省目前在用的放射源(不包括主要從事放射源生產(chǎn)和銷售的成都中核高通同位素股份有限公司持有的放射源以及由生態(tài)環(huán)境部監(jiān)管的大型伽馬輻照裝置使用的放射源)70%以上為Ⅳ、Ⅴ類放射源，主要核素包括60Co、192Ir、137Cs、75Se、85Kr等，本次試驗選擇具有代表性的工業(yè)常用放射源137Cs進行測試，見表1。

圖1 通道式輻射監(jiān)測設(shè)備測試示意圖Fig.1 Test schematic diagram of channel radiation monitoring equipment

表1 試驗用放射源主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of experimental radioactive sources

本次試驗邀請了5家國內(nèi)通道式輻射監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)廠家(或代理廠家)參加，各廠家參加試驗的設(shè)備分別以代號A、B、C、D、E表示，各設(shè)備主要參數(shù)見表2。

表2 通道式輻射監(jiān)測設(shè)備主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of channel radiation monitoring equipment

5套通道式輻射監(jiān)測設(shè)備均使用“塑料閃爍體探頭+光電倍增管”，表明這種設(shè)計方案是通道式輻射監(jiān)測設(shè)備現(xiàn)階段應(yīng)用的主流，其探測原理大致為射線進入探測器內(nèi)產(chǎn)生光子，光子通過光電倍增管形成一個電脈沖信號，電脈沖信號經(jīng)過發(fā)大后再進入設(shè)備的控制系統(tǒng)對信號數(shù)據(jù)進行記錄并處理，設(shè)備自動對比車輛沒有通過時的本底測量數(shù)據(jù)與車輛通過時的測量數(shù)據(jù)是否超過儀器預(yù)定的閾值而判定是否發(fā)出預(yù)警。5套設(shè)備單個探頭體積為25～30L，差別不大，但有3個廠家采用的4探頭編組，左右各2個探頭，上下并列布置。另有2個廠家采用2探頭編組，左右各1個探頭。從各設(shè)備對測量數(shù)據(jù)的顯示上看，4探頭編組的3套設(shè)備均可以單獨顯示每次測量每個探頭的計數(shù)值，2探頭編組的2套設(shè)備則只顯示計數(shù)較大的1個探頭的計數(shù)值。

本次試驗還使用了便攜式輻射監(jiān)測儀對各種試驗條件下運輸車輛車廂外表面(靠近放射源一側(cè))γ輻射劑量率進行了監(jiān)測，考慮到使用Ⅴ類源進行試驗時，在源窗關(guān)閉的情況下車廂外表面的γ輻射劑量率較未裝載放射源的情況不會有太顯著的差異，如選取用于輻射防護監(jiān)測的輻射監(jiān)測設(shè)備(儀器顯示單位為μSv/h)測量數(shù)據(jù)的精度則不能滿足要求，因此本次測量選取用于輻射環(huán)境本底監(jiān)測的輻射監(jiān)測設(shè)備(儀器顯示單位為nSv/h)進行測量。本試驗使用的便攜式輻射監(jiān)測儀主要參數(shù)見表3。

表3 便攜式監(jiān)測設(shè)備主要參數(shù)Tab.3 Main parameters of portable monitoring equipment

2 報警閾值分析

報警閾值是通道式輻射監(jiān)測設(shè)備的一個關(guān)鍵參數(shù)，過大或過小都將直接影響系統(tǒng)的誤報率。對于低水平放射性測量，由于測到的計數(shù)率很低，其計數(shù)漲落與環(huán)境本底相近，很難分辨。因此，針對同一類輻射監(jiān)測設(shè)備，其性能的評價可由系統(tǒng)探測限LD來衡量。LD是確定環(huán)境或樣品中最小放射性計數(shù)，早在1963年，A.Altshuler 和 B. Pasternack 在統(tǒng)計理論的基礎(chǔ)上提出了探測限的數(shù)學(xué)表達式。國內(nèi)倪衛(wèi)沖等人采用“基線”法對航空γ能譜探測人工放射性核素探測限進行研究[8]。因此，將系統(tǒng)探測限LD作為通道式輻射監(jiān)測設(shè)備報警閾值是十分合理的。

在實際測量中，為做出更符合實際的合理判斷，一般在95%置信水平下,當測量凈計數(shù)大于 LD時，樣品中待測放射性不大可能被誤報[9]，其基本公式如下：

式中NB為γ能譜指定特征能窗內(nèi)本底計數(shù)。按照上式計算的探測限LD的理論意義是在實際測量中，測量的數(shù)據(jù)如果大于LD，則可以斷定環(huán)境中存在某種放射性核素測的可信度為95%。若報警閾值低于LD,則認為為環(huán)境本底的統(tǒng)計漲落。因此，LD為報警閾值的最小值，以該值為參考，設(shè)置系統(tǒng)報警閾值是比較合理的。

本次試驗為與5家國內(nèi)通道式輻射監(jiān)測設(shè)備的測試效果進行比對，使用FH40G型便攜式輻射監(jiān)測儀對各種試驗條件下運輸車輛車廂外表面(靠近放射源一側(cè))γ輻射劑量率進行了測量，測量結(jié)果如表4所示。

以未裝載放射源時測量的環(huán)境本底劑量率47.3 nSv/h為參考，按上述公式計算出FH40G型便攜式輻射監(jiān)測儀的探測限為79.8nSv/h。因此，可以預(yù)測當測量值小于79.8nSv/h時，系統(tǒng)將不會預(yù)警。即系統(tǒng)測試11、12次時，將會出現(xiàn)漏報。因此，在對5種不同通道輻射測量設(shè)備的測試中，將重點關(guān)注Ⅴ類源處于源窗關(guān)閉狀態(tài)下，分別處于車廂1/4寬處及車廂中央時的預(yù)警結(jié)果。

表4 試驗條件及便攜式儀器監(jiān)測結(jié)果Tab.4 Test conditions and results of portable monitoring equipment

3 試驗結(jié)果及討論

本次試驗測試了車輛裝載不同管理類別的放射源，并在不同的測試條件下讓車輛通過通道式輻射監(jiān)測設(shè)備，檢驗設(shè)備是否能夠發(fā)出預(yù)警信號，測試數(shù)據(jù)見表5、 表6。

本次實驗設(shè)備4探頭設(shè)備用A、C、E標記，測試結(jié)果與表4中以FH40G型便攜式輻射監(jiān)測儀為參考的預(yù)測報警分析結(jié)論吻合。5套通道式輻射監(jiān)測設(shè)備分別在15種試驗條件下進行了測試，設(shè)備C、D在11、12種試驗條件下不能發(fā)出預(yù)警，占本次試驗設(shè)備總數(shù)的40%；設(shè)備A、B在12種試驗條件下不能發(fā)出預(yù)警，占本次試驗設(shè)備總數(shù)的40%；僅有1套設(shè)備在全部試驗條件下均能發(fā)出預(yù)警，占本次試驗設(shè)備總數(shù)的20%。

對未發(fā)出預(yù)警的測試條件進行統(tǒng)計，包括“Ⅴ類放射源源窗關(guān)閉放置在車廂中央”和“Ⅴ類放射源源窗關(guān)閉放置在車廂1/4寬處”兩種條件。在“Ⅴ類放射源源窗關(guān)閉放置在車廂中央”的條件下，有4套設(shè)備不能發(fā)出預(yù)警，占本次試驗設(shè)備總數(shù)的80%，在“Ⅴ類放射源源窗關(guān)閉放置在車廂1/4寬處”的條件下，有2套設(shè)備不能發(fā)出預(yù)警，占本次試驗設(shè)備總數(shù)的40%。

表5 設(shè)備A、C、E測試結(jié)果Tab.5 Test results of equipment A, C and E (cps)

續(xù)表5

測試次數(shù)數(shù)據(jù)類型探測器類型各探頭監(jiān)測數(shù)據(jù)探頭1探頭2探頭3探頭4是否報警… …10車輛通過時監(jiān)測數(shù)據(jù)A2 7502 7403 4123 320是C3 7443 8696 56511 638是E9 4667 1195 9936 599是11車輛通過時監(jiān)測數(shù)據(jù)A2 7882 7343 3252 914是C3 9234 0775 1777 577否E8 1357 1675 9966 923是12車輛通過時監(jiān)測數(shù)據(jù)A2 7152 6592 8032 718否C4 0283 8604 6507 021否E8 0467 1706 1186 822是13車輛通過時監(jiān)測數(shù)據(jù)A2 7532 8453 8554 158是C3 8224 3348 31918 412是E12 9257 6176 3707 103是14車輛通過時監(jiān)測數(shù)據(jù)A2 7482 9003 3613 723是C3 7844 2526 4058 756是E9 8777 8536 3276 910是15車輛通過時監(jiān)測數(shù)據(jù)A3 1473 0553 2303 322是C3 9144 7955 7597 449是E8 9317 6137 1387 285是

表5中，測試次數(shù)對應(yīng)表4測試次數(shù)2～9均能正常預(yù)警，此表省略；0號測試為本底測量，數(shù)據(jù)為15次測試的平均值。計算探測限時，本底數(shù)據(jù)取4探頭平均值; A、C、E設(shè)備探測限分別為2 956、4 350、6 327。

表6 設(shè)備B、D測試結(jié)果Tab.6 Test results of equipment B and D (cps)

表6中，測試次數(shù)對應(yīng)表4，該設(shè)備不能單獨顯示每個探頭監(jiān)測結(jié)果，數(shù)據(jù)為最大探頭計數(shù)；0號測試為本底測量，測試次數(shù)2～9均能正常預(yù)警，此表省略；B、D設(shè)備探測限分別為2 615，763。

(1)對15種測試條件進行分析，以便攜式輻射監(jiān)測儀測得的車廂外表面γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果為參考，其報警值分析見圖2所示。

圖2 FH40G型便攜式輻射監(jiān)測儀探測限與報警閾值Fig.2 Detection limit and alarm threshold of FH40G portable radiation monitor

結(jié)合表4的外表面γ輻射劑量率監(jiān)測數(shù)據(jù)及圖2探測限分析，按照探測限設(shè)置設(shè)備預(yù)警值，即便是管理類別最低Ⅴ類放射源的，只要不是處于完全密封狀態(tài)，車廂外表面γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果為474.3 nSv/h～33 157.8 nSv/h，較未裝載放射源的條件下監(jiān)測結(jié)果47.3 nSv/h增加了至少10倍，變化十分明顯，在這一類測試條件下，5套設(shè)備均能在車輛通過時發(fā)出預(yù)警。在放射源處于完全密封的狀態(tài)下，Ⅳ類放射源在車廂內(nèi)不同位置對車廂外表面γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果為102.0～855.4nSv/h，較未裝載放射源時的監(jiān)測結(jié)果也增加了2倍以上，變化較為明顯，在這一類測試條件下， 5套設(shè)備均能在車輛通過時發(fā)出預(yù)警。

同樣，在放射源處于完全密封的狀態(tài)下，當Ⅴ類放射源放置在車廂1/4寬處和車廂中央兩種條件下，即第11、12次試驗， 5套通道式輻射監(jiān)測設(shè)備不能全部發(fā)出預(yù)警。可以看出，通道式輻射監(jiān)測設(shè)備在車輛通過時是否預(yù)警與車廂外表面γ輻射劑量率相關(guān)，按照放射源管理類別劃定依據(jù)，同一種核素的放射源管理類別越高，其活度必定越大，從而在相同的密封條件下其發(fā)出的射線越強。從本次試驗結(jié)果來分析，對常用的工業(yè)放射源，如果是非密封裸源或者密封不完全的源，無論是哪一種類別，其裝載在車輛上通過通道式輻射監(jiān)測設(shè)備均很容易被探測到并發(fā)出預(yù)警；如果是密封完好的密封源，對Ⅳ類及以上的放射源，其裝載在車輛上通過通道式輻射監(jiān)測設(shè)備也很容易被探測到并發(fā)出預(yù)警，但對Ⅴ類放射源，在某些特定條件下，其裝載在車輛上通過通道式輻射監(jiān)測設(shè)備很難被探測到并發(fā)出預(yù)警。因而僅通過通道式輻射監(jiān)測設(shè)備并不能完全確保發(fā)現(xiàn)車廂內(nèi)已混有放射源，存在漏報風險。

在11、12兩種測試條件下，測量值為60 nSv/h左右，比報警值79.8 nSv/h要低。因此，測量值淹沒在統(tǒng)計漲落中，如果設(shè)備本身的探測精度不夠，很難探測到這樣細微的變化。

(2)5套通道式在該測試場中的探測限LD如圖3中折線所示，柱狀圖代表第11、12次測量中的最大探頭計數(shù)率。由圖中數(shù)據(jù)可以得出：E設(shè)備A設(shè)備在第12種測試下未報警，是因為探測限大于實測值，反映出系統(tǒng)探測精度不夠；同樣原理，B設(shè)備在12種測試下及D設(shè)備在11、12中測試下未報警，是因為探測限大于實測值反映出系統(tǒng)探測精度不夠；C設(shè)備在第11、12種測試下，探測限小于實測值均為出現(xiàn)報警，說明該設(shè)備報警值設(shè)置過高，通過調(diào)整報警值到探測限值，便能滿足測試條件。

圖3 探測限與未報警的關(guān)系Fig.3 The relationship between detection limits and no alarm

(3)參與試驗的5套設(shè)備有2套采用2探頭組合，3套采用4探頭組合，其探測器體積為25L及30L。衡量該5套設(shè)備的性能可以單位體積的探測限作為指標，如圖4所示。設(shè)備E具有最大單位體積的探測限，因此系統(tǒng)的探測精度高，在15中測試條件下均能正確預(yù)警。設(shè)備D具有最下值，性能最差，因此在第11、12次低水平放射性測試條件下，均出現(xiàn)漏報。設(shè)備C性能僅次于E，因此，在11、12次測試條件下出現(xiàn)漏報的原因是報警值設(shè)置不合理，可以通過調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)完全預(yù)警。因此，從性能上來講，C、E設(shè)備最優(yōu)，D最差。

圖4 5套設(shè)備單位體積探測限Fig.4 Detection limits per unit volume of 5 sets of equipment

對比兩種不同數(shù)量探頭組合的設(shè)備，2套2探頭組合設(shè)備共測試30次，其中3次未發(fā)出預(yù)警，總漏報率10%，單個設(shè)備漏報率分別為6.7%和13.%。3套4探頭組合設(shè)備共測試45次，其中3次未發(fā)出預(yù)警，總漏報率為6.7%，單個設(shè)備漏報率分別為0、6.7%和13.3%。從漏報率結(jié)果分析，從整體上來說2探頭組合設(shè)備并不會明顯比4探頭組合設(shè)備應(yīng)用效果差。

(4)參與試驗的5套通道式輻射監(jiān)測設(shè)備各自對車輛通過前對本底測量的cps計數(shù)率和在相同試驗條件下車輛通過時測量的cps計數(shù)率結(jié)果相差巨大，特別是每次車輛通過前對本底測量的cps計數(shù)率數(shù)值最低為650，最高為6 532，最高值為最低值10倍以上。在不存在外界干擾的情況下，一般同一地點的本底輻射劑量率的變化主要影響因素為宇宙射線的波動和天氣的變化，通過對比2017年四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站對的全省5個輻射環(huán)境質(zhì)量自動監(jiān)測站空氣吸收劑量率連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，在同一個自動站測得空氣吸收劑量率小時均值最大值均不會超過最小值的3倍，因此，本次試驗5套設(shè)備測得的本底cps計數(shù)率數(shù)值變化范圍明顯不符合同一地點本底輻射水平的變化范圍，因此，通道式輻射監(jiān)測設(shè)備測得的cps計數(shù)率數(shù)值只是參考值，僅用于定性判斷車輛通過前后輻射劑量率是否存在明顯變化，不能定量使用。

4 結(jié)論及建議

4.1 試驗證明通道式輻射監(jiān)測設(shè)備在大多數(shù)情況下，能夠探測到混入廢鋼材裝載車輛中的放射源并發(fā)出預(yù)警，但并不能確保萬無一失。建議在條件允許的情況下，在企業(yè)工段增加其他監(jiān)測設(shè)備或監(jiān)測手段，進一步減少漏報的可能。

4.2 通道式輻射監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)廠家應(yīng)進一步研究在兼顧靈敏度和誤報率的情況下，以探測限為參考，合理地設(shè)定設(shè)備的報警閾值，進一步降低漏報率。

4.3 通道式輻射監(jiān)測設(shè)備測量的cps計數(shù)率數(shù)值只是一個參考值，需經(jīng)校準才能定量使用。

4.4 本次試驗是以貨車在設(shè)備規(guī)定的車速下勻速通過的條件下進行的，未開展不同車速對測量精度的影響研究，建議通道式輻射監(jiān)測設(shè)備生產(chǎn)單位或使用單位在實際應(yīng)用中，可以進一步開展降低車速是否能夠提高測量精度，降低漏報率的試驗。