郭旭影，鄧曉欽，曾國強，王 亮，郭生良

(1.四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站，成都 610031；2.成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院，成都 610051；3.成都新核泰科科技有限公司，成都 610052)

引 言

近年來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國的核技術(shù)利用得到了迅速發(fā)展。與此同時，因為某些人為、天災(zāi)及技術(shù)因素的影響而造成放射源失控事件也頻繁發(fā)生[1]。目前，對于失控放射源的搜尋大多采用人工搜尋和車載大晶體巡測能譜儀搜尋的方式進行，前者搜尋效率低，搜尋人員容易受到高劑量輻射照射傷害[2]；后者搜尋作業(yè)存在局限，車輛無法達到的區(qū)域無法進行搜尋作業(yè)。

利用無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)搜尋失控放射源則與上述2種方式不同，不僅搜尋作業(yè)區(qū)域不受限制，搜尋效率可以得到提高同時還能避免人員受到超劑量照射。因此利用無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)搜尋失控放射源具有極大的實用意義。

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)、外利用無人機搭載核與輻射探測器開展失控放射源的搜尋案例較少，本文所用XTG-3000A型無人機輻射測量系統(tǒng)機載平臺采用低空多旋翼電動無人機，探測器采用CeBr3晶體伽馬能譜儀與GM計數(shù)管相結(jié)合，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，探測效率及靈敏度高，適合用于核與輻射事故中放射源的搜尋、定位監(jiān)測。

現(xiàn)以四川省“天府衛(wèi)士-2018”核與輻射環(huán)境應(yīng)急專項演習(xí)—搜尋失控放射源場景為例，模擬利用無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)對疑似放射源失控區(qū)域進行搜尋應(yīng)用研究。

1 失控放射源場景介紹

2018年11月6日4時，四川省廣元市利州區(qū)觀音店鄉(xiāng)發(fā)生里氏7.0級地震，距震中14km的西南水泥廠受地震影響，廠房內(nèi)生料罐上的一枚約280mCi(1.0425E+10Bq)料位計60Co放射源跌落、破損失控，狀態(tài)不明，造成極大的安全隱患[3]。

西南水泥廠按照輻射事故應(yīng)急預(yù)案向廣元市環(huán)境保護局及四川省生態(tài)環(huán)境廳上報事故情況，并安排專人對事故現(xiàn)場進行封鎖。

四川省生態(tài)環(huán)境廳根據(jù)《四川省環(huán)境保護廳輻射事故應(yīng)急預(yù)案(2015版)》向四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站(以下簡稱省輻射站)下達應(yīng)急指令，省輻射站按照應(yīng)急指令要求派出技術(shù)人員攜帶專業(yè)設(shè)備趕赴事故現(xiàn)場，展開失控放射源搜尋工作。

2 搜尋方案

2.1 搜尋方法依據(jù)

(1)《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 61-2001)[4]；

(2)《環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范》(GB/T 14583-93)[5]；

(3)《核或放射性應(yīng)急監(jiān)測的通用程序》(IAEA-TECD0C-1092 Generic Procedures for Monitoring in a Nuclear or Radiological Emergency)[6]；

(3)《四川省環(huán)境保護廳輻射事故應(yīng)急響應(yīng)實施程序》[7]；

(4)《四川省環(huán)境保護廳輻射事故環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測實施程序》[8]；

(5)《四川省環(huán)境保護廳輻射事故應(yīng)急演習(xí)實施程序》[9]。

2.2 搜尋方案

2.2.1 根據(jù)《四川省環(huán)境保護廳輻射事故應(yīng)急響應(yīng)實施程序》及《四川省環(huán)境保護廳輻射事故環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測實施程序》，首先利用無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)獲得放射源失控區(qū)域高清航拍信息，放射源失控區(qū)域全景航拍照片如圖1 放射源失控區(qū)域航拍圖。

圖1 放射源失控區(qū)域航拍圖

2.2.2 根據(jù)獲得的放射源失控區(qū)域高清航拍信息，結(jié)合無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)探測器角響應(yīng)和探測面積，將失控全區(qū)域按5m×5m正方形網(wǎng)格進行劃分，如圖2 放射源失控區(qū)網(wǎng)格圖。

圖2 放射源失控區(qū)域網(wǎng)格圖

2.2.3 根據(jù)放射源失控區(qū)域網(wǎng)格劃分情況，在無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)地面控制站上設(shè)定無人機飛行參數(shù)，設(shè)定巡航高度為30m，并繪制無人機巡航監(jiān)測航線圖，如圖3 監(jiān)測航線圖。

圖3 監(jiān)測航線圖

2.2.4 無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)按照監(jiān)測航線進行巡航監(jiān)測，應(yīng)急監(jiān)測人員記錄地面控制站實時無人機飛行參數(shù)及相應(yīng)網(wǎng)格區(qū)域γ輻射劑量率。

2.2.5 無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)熱點區(qū)域后，以γ輻射劑量率最高點網(wǎng)格為中心，將四周4個網(wǎng)格劃定為熱點區(qū)域。將熱點區(qū)域按1m×1m正方形網(wǎng)格進行劃分，在地面控制站上設(shè)定無人機飛行參數(shù)，并繪制無人機巡航監(jiān)測航線圖，巡航高度分別設(shè)置為30m、20m、10m進行巡航監(jiān)測。

2.2.6 根據(jù)熱點區(qū)域不同高度巡航監(jiān)測結(jié)果分析及航拍圖像信息，確定失控放射源位置、狀態(tài)、包容物情況及放射源活度等信息，為失控放射源的收儲工作提供技術(shù)支持。

3 無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)簡介

XTG-3000A型無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)將M8FD型多旋翼無人機(八旋翼無人機)搭載高精度數(shù)字化伽馬能譜測量系統(tǒng)、高清航拍系統(tǒng)、GPS測量系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將測量能譜信息、航拍信息、GPS信息傳輸給地面控制平臺，完成信息對接。地面控制平臺通過無線方式遠程操控?zé)o人飛行、伽馬能譜測量參數(shù)、航拍角度等參數(shù)，能快速獲取調(diào)查與監(jiān)測區(qū)域的實時視頻信息，三維地理位置信息、伽馬能譜信息。地面控制平臺將測量信息統(tǒng)一分析、處理、整合，通過預(yù)設(shè)軟件功能實現(xiàn)了核素識別、劑量填圖、核素填圖功能等功能?？衫L制展示出放射性劑量熱點分布圖、放射性核素識別結(jié)果圖，并將放射性測量信息圖與監(jiān)測區(qū)域地理位置圖相融合，可以在輻射環(huán)境監(jiān)測、放射性污染源普查、事故應(yīng)急情況下開展伽馬輻射測量工作，實時獲取測量結(jié)果，正常情況可用于環(huán)境放射性普查；緊急狀況時，能于較短時間內(nèi)，在放射性污染嚴重、車輛無法到達、需關(guān)注低能γ放射性核素的區(qū)域完成放射性調(diào)查任務(wù)，具備對特定區(qū)域進行超低空、快速掃描測量和定點測量的能力。全套系統(tǒng)實景照片如圖4。

圖4 無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

(1)8軸旋翼無人機，最大起飛重量54 kg，最大凈載重25 kg；

(2)懸停時間：35分鐘(帶10 kg載荷)，巡航速度：45 km/h；

(3)抗風(fēng)能力6級(地面7級)，自動起飛/降落、航線飛行；

(4)通訊傳輸距離：最大10 km，具有斷槳保護功能；

(5)探測器類型：溴化鈰(CeBr3)，對地有效探測面積64cm2；

(6)射線相對探測效率：相對于3英寸NaI晶體為200%(60Co 1.31Mev)；

(7)能量分辨率：FWHM≤4.5%(661keV全能峰)；

(8)伽馬射線能量范圍：15keV～3.0MeV；

(9)劑量率范圍：10nSv/h～0.1Sv/h；

(10)譜漂：≤1道/8小時1024道，系統(tǒng)自動選擇特征峰穩(wěn)譜。

4 模擬搜尋監(jiān)測結(jié)果與分析

為避免四川省“天府衛(wèi)士-2018”核與輻射環(huán)境應(yīng)急專項演習(xí)—搜尋失控放射源場景產(chǎn)生不必要的輻射照射，演習(xí)現(xiàn)場未使用真實放射源。擇期在四川省城市放射性廢物庫內(nèi)空曠區(qū)域，按照圖2網(wǎng)格尺寸劃出模擬放射源失控區(qū)域，放置1枚約280mCi(1.0425E+10Bq)60Co放射源進行模擬搜尋測量。

4.1 放射源失控區(qū)域監(jiān)測結(jié)果

依據(jù)失控放射源搜尋方案，以5m×5m正方形網(wǎng)格，30 m的高度對失控區(qū)域進行測量，快速定位熱點區(qū)域。

圖5為根據(jù)圖3所制定的航測方案對放射源失控區(qū)域γ輻射劑量率進行監(jiān)測的結(jié)果。結(jié)果表明，圍繞C4號監(jiān)測點，形成一個γ輻射劑量率較高的區(qū)域，故根據(jù)搜尋方案，將B3、B4、B5、C3、C4、C5、D3、D4及D5劃定為熱點區(qū)域邊界，對該區(qū)域進行加密監(jiān)測。

圖5 放射性失控區(qū)域快速測量

4.2 熱點區(qū)域監(jiān)測結(jié)果

將熱點區(qū)域按1m×1m正方形網(wǎng)格進行劃分，如圖6熱點區(qū)域網(wǎng)格圖。

圖6 熱點區(qū)域網(wǎng)格圖

在地面控制站上設(shè)定無人機飛行參數(shù)，并繪制無人機巡航監(jiān)測航線圖，如圖7 熱點區(qū)域監(jiān)測航線圖。巡航高度分別設(shè)置為30m、20m、10m進行巡航監(jiān)測。

圖7 熱點區(qū)域監(jiān)測航線圖

表1為熱點區(qū)域30m檢測高度的γ輻射劑量率檢測結(jié)果。由e、f、g，7、8、9組成的網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，γ劑量率異常，大于3.48μGy/h；表2為熱點區(qū)域20m檢測高度的γ輻射劑量率檢測結(jié)果，異常區(qū)域與30m 監(jiān)測結(jié)果為同一區(qū)域，γ劑量率大于7.81μGy/h；表3為熱點區(qū)域10m檢測高度的γ輻射劑量率檢測結(jié)果，異常區(qū)域與前兩次測量一致，γ劑量率大于30.77μGy/h。

表1 熱點區(qū)域(30m)γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果

續(xù)表1

表2 熱點區(qū)域(20m)γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果

表3 熱點區(qū)域(10m)γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果

4.3 失控放射源定位

利用MathWorks公司開發(fā)的科學(xué)繪圖、數(shù)據(jù)分析軟件MATLAB對放射源失控區(qū)域γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果和熱點區(qū)域監(jiān)測結(jié)果進行數(shù)據(jù)分析和科學(xué)繪圖。

圖8為30m、20、10 放射源失控區(qū)域γ輻射劑量率分布圖。3種不同高度的測面數(shù)據(jù)經(jīng)過等高線成圖均表現(xiàn)為以f8測點為中心的高劑量率異常區(qū)，并且熱點區(qū)域的大小隨著測量高度的增加而減小。這是由于隨著高度的增加，探測器立體角引起的效應(yīng)突出所致。

圖8 放射源失控區(qū)域γ輻射劑量率分布圖

4.4 核素甄別及圖像

通過調(diào)整無人機飛行高度，利用無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)獲得疑似失控放射源的高清航拍信息，發(fā)現(xiàn)疑似失控放射源及貯源容器。通過巡測系統(tǒng)的伽馬能譜測量、識別功能識別該失控放射源為60Co放射源，如圖9 伽馬核素識別圖。

圖9 伽馬核素識別圖

4.5 活度估算

因目前僅對本無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)溴化鈰(CeBr3)探測器進行了能量刻度，尚未進行效率刻度，同時，也無法利用國內(nèi)外相同結(jié)構(gòu)及尺寸的溴化鈰(CeBr3)探測器刻度資料準確推算該探測器的刻度系數(shù)。因此，作為一種粗略估算方法利用熱點正上方不同檢測高度(即飛行高度)的γ輻射劑量率及有關(guān)資料上發(fā)布的60Co比釋動能率常數(shù)Γδ結(jié)合各向同性點狀放射源γ輻射劑量率計算公式[10]來估算放射源的活度，計算公式如下：

其中：A—放射源活度，單位Bq；

Dγ—距離放射源源R(m)處中的γ輻射劑量率，單位Gy/h；R—R處與放射源之間的距離，近似等于熱點正上方檢測高度單位m；Γδ—源相應(yīng)放射性核素空氣比釋動能率常數(shù)，單位Gy·m2·Bq-1·s-1。根據(jù)《電離輻射計量學(xué)基礎(chǔ)(第三版)》[11]及ICRU-47號出版物(Measurement of Dose Equivalents from External Photon and Electron Radiations)[12]和ICRU-33號出版物(Radiation Quantities and Units)[13]查得60Co比釋動能率常數(shù)Γδ為8.50E-17 Gy·m2·Bq-1·s-1。

當(dāng)熱點正上方檢測高度為30m時，測得γ輻射劑量率為3.51μGy/h，算得失控放射源活度為1.0324E+10Bq；當(dāng)熱點正上方檢測高度為20m時，測得γ輻射劑量率為7.90μGy/h，算得失控放射源活度為1.0327E+10Bq；當(dāng)熱點正上方檢測高度為10m時，測得γ輻射劑量率為31.61μGy/h，算得失控放射源活度為1.0330E+10Bq。

4.6 放射源活度與實測估算活度對比

根據(jù)表4放射源活度與實測估算結(jié)果對比表可知，失控放射源位置(f8點位)正上方10m、20m、30m實測估算結(jié)果與放射源活度誤差在1%之內(nèi)，滿足模擬測試設(shè)定的誤差在5%以內(nèi)為測試合格的要求。非失控放射源位置正上方實測估算結(jié)果與放射源活度誤差較正上方偏大。分析原因，由于本次模擬測試使用的探測器由4根1.5英寸×1.5英寸溴化鈰(CeBr3)晶體構(gòu)成，非各向同性。測試前僅對探測器的對地有效探測面進行了標定，未進行對地探測角響應(yīng)測試，因此造成測量誤差偏大的情況。

表4 放射源活度與實測估算結(jié)果對比表

5 結(jié) 論

本文以四川省“天府衛(wèi)士-2018”核與輻射環(huán)境應(yīng)急專項演習(xí)—搜尋失控放射源場景為例使用的無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)進行模擬測量，通過對失控區(qū)域圖像信息采集、區(qū)域網(wǎng)格劃分、航線規(guī)劃、甄別放射性核素、不同高度γ輻射監(jiān)測、重點區(qū)域加密監(jiān)測等信息，可準確確定失控放射源位置、狀態(tài)、包容物情況，理論計算放射源活度滿足誤差控制要求。

整個搜尋失控放射源過程無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)起飛3架次，全程用時約40 min，提高了搜尋效率，減少了應(yīng)急處置人員受照劑量，為失控放射源的收儲工作提供了技術(shù)保障。

由于本次測試使用的無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)首次采用溴化鈰(CeBr3)探測器，國內(nèi)外暫無相同結(jié)構(gòu)及尺寸的溴化鈰(CeBr3)探測器測試資料，其對地探測角響應(yīng)及效率刻度有待進一步測試研究。

致謝：感謝成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動化工程學(xué)院楊小峰，成都新核泰科科技有限公司余鵬等在本無人機放射性劑量率應(yīng)急巡測系統(tǒng)搜尋失控放射源應(yīng)用研究過程中給予的建議及提供的技術(shù)支持。