陸小軍， 忻智煒， 何林鋒

(上海市計量測試技術(shù)研究院，上海201203)

1 引 言

車載式放射性探測系統(tǒng)安裝在車輛上, 根據(jù)計數(shù)率或劑量率等隨移動方向梯度變化探尋放射性物質(zhì)/放射源位置，是遠距離探測放射性物質(zhì)，搜尋、探查、確定未知放射源的有力手段[1,2]。塑閃型車載系統(tǒng)以大體積塑料閃爍體探測器為主，可選配碘化鈉或溴化鑭探測器用于能譜分析和核素識別，由于其靈敏、探測效率高，故此類車載放射性探測系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測、放射源搜尋以及核應急中得到廣泛的應用[3～8]。

最小可探測活度表示探測系統(tǒng)在滿足一定置信度條件下，可探測到的最小放射性活度，是表征探測系統(tǒng)技術(shù)性能的重要參數(shù)之一。對于塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)的性能評價目前尚無相應的標準或規(guī)范，且由于其體積大、質(zhì)量沉重，固定安裝在車輛不同位置，拆卸困難，難以在專業(yè)實驗室內(nèi)進行性能參數(shù)檢測。為此，將裝載塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)的車輛停在在較為空曠的場地上，選用特定活度的點狀γ放射性參考源，實驗研究塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)的靜態(tài)最小可探測活度的測量與估算方法。

2 實驗設(shè)備

2.1 γ放射性參考源

GBZ125—2009《含密封源儀表的放射衛(wèi)生防護要求》[9]中表C.1給出了各種工業(yè)用含密封源檢測儀表所含放射源的活度最小活度、典型活度及最大活度，137Cs核素能發(fā)射出661.7 keV的γ射線且半衰期足夠長(30年)，是其中應用很廣的核素，且最低活度為應用于濕度/密度計的37 MBq(1 mCi)。因此，為定量評價塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測及工業(yè)應用放射源遺失搜尋中的探測性能，在進行最小可探測活度實驗時，選擇活度約為37 MBq的137Cs參考源，活度量值溯源至4πγ電離室活度標準裝置，相對擴展不確定度為3.0%，k=2。

2.2 遠程控制實驗平臺

為測量實驗研制了遠程控制平臺，實驗時，將輻射屏蔽容器置于平臺，然后通過遠程發(fā)送指令即可實現(xiàn)輻射屏蔽容器的啟閉，并通過激光測距實現(xiàn)輻射源和待測車輛之間的相對位置，遠程控制平臺可更好地保障工作人員的輻射安全。屏蔽容器打開時，參考源距平臺高度為40 mm，平臺表面距離地面為18 cm，見圖1。

圖1 輻射屏蔽容器及遠程控制實驗平臺Fig.1 Radiation shielding container and reference source control platform

2.3 塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)

關(guān)于塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能特點見文獻[1]。在進行最小可探測活度估算實驗時，預先采用PICO ENVIROTEC公司生產(chǎn)的IRIS-Mobile型車載系統(tǒng)進行了遠程控制實驗平臺的高度設(shè)計實驗，該型車載放射性探測系統(tǒng)配置2個4 L的塑閃晶體，在塑閃探測器前端配置有3″×3″(φ76 mm×76 mm) NaI探測器，進行能譜分析及核素識別，能量分辨率優(yōu)于8.7%(對137Cs)，探測能量范圍20 keV～3 MeV。

后續(xù)實驗時，采用上海仁機儀器儀表有限公司生產(chǎn)的RJ24型車載放射性探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置2個5 L的塑閃晶體，在塑閃探測器之間配置有3″×3″ NaI探測器，進行能譜分析及核素識別，能量分辨率優(yōu)于8.0%(對137Cs)，探測能量范圍25 keV～3 MeV。

3 實驗方法及模型建立

3.1 實驗方法

塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)集空間定位及輻射探測功能于一體，采用大體積塑料閃爍體探測器作為主探測器，通常固定安裝于車輛頂部，體積大，質(zhì)量沉且不易拆卸。為此，利用塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)在工作時探測器空間位置相對固定，其載體車輛和外殼包裝對其計數(shù)率的影響相對不變的特點，將車輛和探測系統(tǒng)作為整體，采用參考源的遠程控制平臺進行實驗。實驗方法及步驟如下：

(1) 在采用遠程控制平臺進行實驗之前，先采用活度值分別為8.8×105Bq、1.8×106Bq和3.6×106Bq的137Cs參考源在距離塑閃探測器探測面一側(cè)車體260 cm的垂直面上，以地面為0點，進行塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)的活度響應隨高度變化的實驗；

(2) 將活度為197 MBq的137Cs參考源放置在遠程控制實驗平臺，在距離車體側(cè)面2～55 m之間，選擇52個點位進行參考活度響應測量實驗，每個點位讀數(shù)10次，取平均值計算活度響應，并以距離為自變量進行數(shù)據(jù)擬合，比較擬合值與實驗值的相對偏差；

(3) 采用活度為35 MBq的137Cs參考源進行實驗驗證，證明最小可探測活度估算模型的可行性。

3.2 最小可探測活度估算模型

最小可探測活度(minimum detectable activity，MDA)定義為探測系統(tǒng)在一定置信度范圍內(nèi)可探測到的最小放射性活度，模型可建立如下[10～12]：

(1)

式中：LD為車載探測系統(tǒng)的探測下限，s-1；Ri為車載探測系統(tǒng)在i位置處的參考活度響應，s-1·Bq-1；MDA為車載探測系統(tǒng)的最小可探測活度，Bq。

由式(1)可知，最小可探測活度的測量，關(guān)鍵在于對車載系統(tǒng)探測下限LD和參考活度響應Ri的確定。由于塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)的測量周期為1 s，即cps(s-1)，因此在實驗過程中針對單次測量，LD和Ri的實驗模型為：

(2)

(3)

式中：Nb為本底計數(shù)率，s-1；Nsi為放射源位于i位置時，車載放射性探測系統(tǒng)的讀數(shù)，s-1；A為參考源活度，Bq； 95%置信水平下，Kα、Kβ均為1.645，代入式(2)得到：

(4)

將式(3)、式(4)代入式(1)可得到特定位置處靜態(tài)最小可探測活度MDA的模型，見式(5)：

(5)

4 實驗結(jié)果及討論

4.1 參考活度響應隨放射源高度的變化

參考活度響應隨放射源高度變化的實驗方法如3.1節(jié)中所述，車載式放射性探測系統(tǒng)為PICO ENVIROTEC公司生產(chǎn)的IRIS-Mobile型車載系統(tǒng)，塑閃探測器晶體幾何中心距離地面高為177 cm，結(jié)果見表1。

從表1可看出，在參考源與探測器幾何中心點之間的連線逐漸垂直于探測器幾何中心所在探測面時，車載式放射性探測系統(tǒng)對137Cs參考源的響應逐漸增大。隨著高度的降低，車輛和地面的散射影響增大。當高度分別為50 cm和0 cm時，車載探測系統(tǒng)對于137Cs的參考響應近乎相等，表明可以通過將參考源置于控制平臺進行實驗(參考源距離地面18 cm)的方式模擬直接將參考源置于地面的實驗。

4.2 參考活度響應隨距離的變化

由3.2節(jié)可看出，靜態(tài)最小可探測活度的估算關(guān)鍵在于對不同位置處的參考活度響應關(guān)系式的擬合計算，因此，選擇上海仁機儀器儀表有限公司生產(chǎn)的RJ24型車載式放射性探測系統(tǒng)，用137Cs參考源在距離車體2～55 m進行實驗，參考活度響應曲線見圖2。

表1 距離車輛260 cm處不同高度的參考活度響應Tab.1 Reference activity response at different heights from the vehicle at 260 cm s-1·kBq-1

圖2 源與車輛之間的距離和源與探測器之間的 距離響應擬合比較Fig.2 Comparison of the response between the distance from source to vehicle and source to detector

從圖2可以看出，不論是采用參考源與車體之間的垂直距離擬合還是采用參考源與探測器之間的距離進行擬合，關(guān)系式都是e指數(shù)函數(shù)的相加模型，可理解為直接到達探頭探測面的射線粒子數(shù)和由空氣、地面和車體的散射進入探測器的粒子數(shù)之和，同時也說明隨著參考源與探測系統(tǒng)的距離增加，散射造成的影響呈e指數(shù)在減小。2個擬合關(guān)系式為：

(1)自變量x為參考源與車體側(cè)面的距離

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

(6)

(2)自變量x為參考源與探測器面的距離

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)，通過圖2我們看不出有大的差異，但是比較各擬合參數(shù)發(fā)現(xiàn)，圖2中A1擬合結(jié)果的標準偏差特別大，因此，將擬合響應值與實驗測得值做比較，結(jié)果見圖3。

由圖3可看出，距離在20 m范圍內(nèi)，參考活度響應的擬合值與實驗值的相對偏差均小于10%；在40 m范圍內(nèi)，參考活度響應的擬合值與實驗值的相對偏差小于20%；大于40 m后，相對偏差絕對值甚至超過100%。

因此，取20 m范圍內(nèi)的測量數(shù)據(jù)進行擬合，并對擬合值和實驗值進行比較， 結(jié)果顯示，在此范圍內(nèi)擬合關(guān)系式為：

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

(8)

圖3 擬合值與實驗值的相對偏差比較Fig.3 Comparison of relative deviation between fitted and experimental values

此時，各參數(shù)的擬合標準差都較小，且相關(guān)系數(shù)R2大于0.999，各擬合值的相對偏差均小于7%，結(jié)果見圖4。通過該實驗確定了檢測時的距離范圍，應盡量保持在距離車載式放射性探測系統(tǒng)的車體20 m范圍內(nèi)。

圖4 20 m范圍內(nèi)車載系統(tǒng)的參考活度響應及擬合值與實驗值的相對偏差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 理論模型的實驗驗證

根據(jù)以上分析，對于一臺車載式放射性探測系統(tǒng)，理論上可以給出任意距離處的參考活度響應，但我們更關(guān)注的是該車載式放射性探測系統(tǒng)在多遠處能夠探測到多大活度的放射源或?qū)μ囟ɑ疃鹊姆派湓丛诙噙h處能夠被探測到。為驗證該方法的有效性，采用活度為35 MBq的137Cs參考源，對型號為RJ24的車載式放射性探測系統(tǒng)進行實驗驗證，測試結(jié)果如表2所示。

表2 車載式放射性探測系統(tǒng)本底數(shù)據(jù)Tab.2 Background data of the Car-borne radioactive detection system s-1

表3 車載式放射性探測系統(tǒng)實驗數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of the Car-borne radioactive detection system

將x分別等于20 m、21 m、22 m、23 m代入式(8)，得到理論的各測量點位的活度響應分別為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，相對偏差最大值為23 m處的21.1%， 其余3個位置處相對偏差均小于8%，以上數(shù)據(jù)表明最小可探測活度的測量方法是合理的。

同時，由表3可以得出，隨著參考源與車體距離的增大，該車載式放射性探測系統(tǒng)中核素識別的時間在延長，因此含有γ譜儀的塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)，其最小可探測活度的探測距離建議參考γ譜儀的核素識別情況。

5 結(jié) 論

基于塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)的使用環(huán)境和固有特性，以理論和實驗相互驗證的方法探索一種在免拆卸情況下，塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)靜態(tài)最小可探測活度的估算方法，結(jié)果表明該方法可行，并得出如下結(jié)論：

(1) 在對塑閃型車載式放射性探測系統(tǒng)最小可探測活度進行估算時，參考活度響應的測量應在距離車體20 m范圍內(nèi)進行;