車載式放射性探測系統的性能與檢測方法

陸小軍 忻智煒 宋家斑 李小雙 韓剛 唐方東/上海市計量測試技術研究院

0 引言

車載式放射性探測系統是一種安裝在車輛上，根據計數率或劑量率等隨移動方向梯度變化探尋放射性物質/放射源位置的放射性探測系統，是遠距離探測放射性物質，搜尋、探查、確定未知放射源的有力手段。根據不同的應用，國內外的車載式放射性探測系統有多種類型，其中基于γ能譜測量模式的車載放射性探測系統還可以根據能譜分析功能確定放射源核素種類、活度乃至計算γ劑量率。由于其機動性強、反應迅速，在輻射環境監測、鈾礦勘探、核與輻射事故應急和放射源搜尋中得到廣泛的應用。2007年環境保護部發布《全國輻射環境監測與監察機構建設標準》，將車載式放射性探測系統列入配置對象[1]。

對于車載放射性探測系統的刻度及巡測技術，已有相關研究[1-4]的報道，但相關研究結果尚不能滿足各類車載式放射性探測系統計量性能評價的要求，也還未形成國標和國家計量技術規范。目前國內環保、安監和核電部門主要參考核工業行業標準EJ/T980-1995中推薦的方法對車載式放射性探測系統作性能檢測。

1 車載式放射性探測系統的類型及性能特點

20世紀80年代，美國、加拿大和日本就已研制出車載式大體積碘化鈉γ譜儀探測系統，用于核電站及核設施周圍的環境輻射水平監測。近年來國內企業也研發生產多款能夠滿足各種監測需求的車載式放射性探測系統，可歸結為以下幾種類型：

圖1 車載式放射性探測系統

1）γ能譜式：此類型一般選用碘化鈉晶體，并根據碘化鈉晶體的大小劃分為大體積和小體積型探測系統（當晶體體積大于4 L時，定義為大體積探測系統）。優點是可以測量能譜，并根據算法計算環境劑量率，識別放射性核素，為早期環保、資源勘查以及核電等部門采購的車載式放射性探測系統主要類型。缺點是小體積碘化鈉探測系統因為固有的探測效率低，在對環境進行巡測時，獲取能譜時間長，并不適合核應急及放射源搜源等機動性要求高的場合，而大體積碘化鈉晶體則價格昂貴。

2）塑料閃爍體式：該類型純粹利用塑料閃爍探測器探測效率高且不潮解的特點，價格低廉，能量分辨力差，主要用來測量放射性的強度，因此一般廣泛應用與海關和出入境放射性監測中。

3）塑料閃爍體加γ譜儀（正比計數器）式：該類型結合了以上兩種類型的優勢，既具備放射性強度的監測，又能滿足放射性核素的識別，且不受碘化鈉晶體大小的限制。根據使用目的和要求，還可以選配GM管，用于高劑量率的測量，為目前國內外主要設備類型。表1列出了目前國內外主要的5種車載式放射性監測系統及其具體技術參數。

表1 國內主要的放射性探測系統及性能參數

2 現行檢測方法及存在的問題

車載探測系統對輻射源的探測效率很大程度上取決于探測器的幾何結構、車輛內的屏蔽元件和譜儀系統布置差異。針對γ譜儀式車載放射性監測系統，IAEA-TECDOC-1363號技術報告[5]推薦了其在探測地表中鈾、釷、鉀等天然核素含量時的計算方法。為了提高探測結果的準確性，參照航空放射性探測系統，提出了7項數據修正。我國核工業系統于1995年制定行業標準EJT 980-1995《車載伽馬能譜測量規范》，其中對γ能譜式放射性監測系統的標定方法作了詳細的說明[6]，與IAEA推薦的標定方法一致，其關鍵是通過采用大體積航空放射性標準測量模型，得到車載大體積γ譜儀對天然核素U、Th、K核素的靈敏系數，實現對監測系統的標定。計算公式如下：

式中：N——測量所得能譜中各能窗的計數率矩陣；

S——探測器各能窗對核素的靈敏因子矩陣；

C——各標準模體中U、Th、K核素的含量矩陣

即：

式中：Nij——j（K、U、Th）核素在i（K、U、Th）能量窗的產生的凈計數率，s-1；

Sij——j（K、U、Th）核素在i（K、U、Th）能量窗的靈敏因子，s-1·g-1·kg；

Cij——j（K、U、Th）標準模體中i（K、U、Th）核素的含量，g·kg-1

根據式（1）和式（2），可計算得到靈敏因子矩陣S，求其逆矩陣S-1，即可根據式（3）計算混合標準體模型中的U、Th、K含量，來完成設備的標定。

令A=S-1，則C=AN，即：

因此，對于（1）型車載式放射性探測系統，現行檢測方法關鍵在于建立U、Th、K標準模體、本底模體和混合模體，根據譜儀的能量窗凈計數率求得靈敏因子矩陣S。而對于常規環境輻射監測及核應急、放射源搜尋用途的（2）、（3）類車載式放射性監測系統，目前尚無公開發表的性能評價方法。

綜上所述，核工業行業標準EJT 980-1995側重于對γ能譜測量模式車載放射性探測系統探測效率的標定，缺乏對設備其他各項性能參數的評價方法。由于標定方法中每個天然核素標準體模型面積高達120 m2，對試驗場地要求高，推廣難度大，目前公開發表的僅有石家莊航測遙感中心和中國工程物理研究院有相應的模體。

EJT 980-1995不適用于類型（2）和類型（3）車載式放射性探測系統的校準，并且車載式放射性探測系統因其設計多樣、使用場景復雜，其性能的可靠性并非通過傳統的單項校準技術能夠保證，因而不能滿足日益增長的輻射環境監測和核應急及輻射安全監測的實際需求。

3 分析與建議

作為輻射環境質量監測和核與輻射事故應急監測的主要技術設備，車載式放射性探測系統設計多樣，工作環境復雜多變，探測距離、響應角度、探測下限、對復雜放射源的甄別能力等均會影響其放射性探測的準確性與可靠性。車載式放射性探測系統的性能檢測應包括在規定測量條件下的劑量響應和對特定放射性核素活度響應及其非線性、角度響應、能量響應，對于γ能譜測量模式車載放射性探測系統，還需要檢測其核素識別能力。

針對車載式放射性探測系統的應用情況，現場檢測是最合理的檢測方式；測量標準為點狀γ放射性核素參考源，便攜式檢測裝置應具備多維移動、定位、測距等功能。為此，有必要研發適用于多種類型車載式放射性探測系統，毋須拆卸即可進行現場檢測的技術方法，制定計量技術規范，科學評價車載式放射性探測系統的技術性能，以保證其量值的準確可靠。同時，也可為環保、安監和核電等部門采購適應于自身需求的相應設備提供技術參考。