塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的最小可探測(cè)活度的估算

陸小軍， 忻智煒， 何林鋒

(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海201203)

1 引 言

車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)安裝在車(chē)輛上, 根據(jù)計(jì)數(shù)率或劑量率等隨移動(dòng)方向梯度變化探尋放射性物質(zhì)/放射源位置，是遠(yuǎn)距離探測(cè)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(chē)載系統(tǒng)以大體積塑料閃爍體探測(cè)器為主，可選配碘化鈉或溴化鑭探測(cè)器用于能譜分析和核素識(shí)別，由于其靈敏、探測(cè)效率高，故此類(lèi)車(chē)載放射性探測(cè)系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、放射源搜尋以及核應(yīng)急中得到廣泛的應(yīng)用[3～8]。

最小可探測(cè)活度表示探測(cè)系統(tǒng)在滿(mǎn)足一定置信度條件下，可探測(cè)到的最小放射性活度，是表征探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)性能的重要參數(shù)之一。對(duì)于塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)目前尚無(wú)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，且由于其體積大、質(zhì)量沉重，固定安裝在車(chē)輛不同位置，拆卸困難，難以在專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行性能參數(shù)檢測(cè)。為此，將裝載塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的車(chē)輛停在在較為空曠的場(chǎng)地上，選用特定活度的點(diǎn)狀γ放射性參考源，實(shí)驗(yàn)研究塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的靜態(tài)最小可探測(cè)活度的測(cè)量與估算方法。

2 實(shí)驗(yàn)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(hù)要求》[9]中表C.1給出了各種工業(yè)用含密封源檢測(cè)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(xiàn)且半衰期足夠長(zhǎng)(30年)，是其中應(yīng)用很廣的核素，且最低活度為應(yīng)用于濕度/密度計(jì)的37 MBq(1 mCi)。因此，為定量評(píng)價(jià)塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)及工業(yè)應(yīng)用放射源遺失搜尋中的探測(cè)性能，在進(jìn)行最小可探測(cè)活度實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)裝置，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為3.0%，k=2。

2.2 遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為測(cè)量實(shí)驗(yàn)研制了遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)時(shí)，將輻射屏蔽容器置于平臺(tái)，然后通過(guò)遠(yuǎn)程發(fā)送指令即可實(shí)現(xiàn)輻射屏蔽容器的啟閉，并通過(guò)激光測(cè)距實(shí)現(xiàn)輻射源和待測(cè)車(chē)輛之間的相對(duì)位置，遠(yuǎn)程控制平臺(tái)可更好地保障工作人員的輻射安全。屏蔽容器打開(kāi)時(shí)，參考源距平臺(tái)高度為40 mm，平臺(tái)表面距離地面為18 cm，見(jiàn)圖1。

圖1 輻射屏蔽容器及遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Radiation shielding container and reference source control platform

2.3 塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)

關(guān)于塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。在進(jìn)行最小可探測(cè)活度估算實(shí)驗(yàn)時(shí)，預(yù)先采用PICO ENVIROTEC公司生產(chǎn)的IRIS-Mobile型車(chē)載系統(tǒng)進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的高度設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，該型車(chē)載放射性探測(cè)系統(tǒng)配置2個(gè)4 L的塑閃晶體，在塑閃探測(cè)器前端配置有3″×3″(φ76 mm×76 mm) NaI探測(cè)器，進(jìn)行能譜分析及核素識(shí)別，能量分辨率優(yōu)于8.7%(對(duì)137Cs)，探測(cè)能量范圍20 keV～3 MeV。

后續(xù)實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用上海仁機(jī)儀器儀表有限公司生產(chǎn)的RJ24型車(chē)載放射性探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置2個(gè)5 L的塑閃晶體，在塑閃探測(cè)器之間配置有3″×3″ NaI探測(cè)器，進(jìn)行能譜分析及核素識(shí)別，能量分辨率優(yōu)于8.0%(對(duì)137Cs)，探測(cè)能量范圍25 keV～3 MeV。

3 實(shí)驗(yàn)方法及模型建立

3.1 實(shí)驗(yàn)方法

塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)集空間定位及輻射探測(cè)功能于一體，采用大體積塑料閃爍體探測(cè)器作為主探測(cè)器，通常固定安裝于車(chē)輛頂部，體積大，質(zhì)量沉且不易拆卸。為此，利用塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)在工作時(shí)探測(cè)器空間位置相對(duì)固定，其載體車(chē)輛和外殼包裝對(duì)其計(jì)數(shù)率的影響相對(duì)不變的特點(diǎn)，將車(chē)輛和探測(cè)系統(tǒng)作為整體，采用參考源的遠(yuǎn)程控制平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法及步驟如下：

(1) 在采用遠(yuǎn)程控制平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(cè)器探測(cè)面一側(cè)車(chē)體260 cm的垂直面上，以地面為0點(diǎn)，進(jìn)行塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的活度響應(yīng)隨高度變化的實(shí)驗(yàn)；

(2) 將活度為197 MBq的137Cs參考源放置在遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在距離車(chē)體側(cè)面2～55 m之間，選擇52個(gè)點(diǎn)位進(jìn)行參考活度響應(yīng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，每個(gè)點(diǎn)位讀數(shù)10次，取平均值計(jì)算活度響應(yīng)，并以距離為自變量進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，比較擬合值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差；

(3) 采用活度為35 MBq的137Cs參考源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明最小可探測(cè)活度估算模型的可行性。

3.2 最小可探測(cè)活度估算模型

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

(1)

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

由式(1)可知，最小可探測(cè)活度的測(cè)量，關(guān)鍵在于對(duì)車(chē)載系統(tǒng)探測(cè)下限LD和參考活度響應(yīng)Ri的確定。由于塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量周期為1 s，即cps(s-1)，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中針對(duì)單次測(cè)量，LD和Ri的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑椋?/p>

(2)

(3)

式中：Nb為本底計(jì)數(shù)率，s-1；Nsi為放射源位于i位置時(shí)，車(chē)載放射性探測(cè)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?kù)o態(tài)最小可探測(cè)活度MDA的模型，見(jiàn)式(5)：

(5)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

4.1 參考活度響應(yīng)隨放射源高度的變化

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

從表1可看出，在參考源與探測(cè)器幾何中心點(diǎn)之間的連線(xiàn)逐漸垂直于探測(cè)器幾何中心所在探測(cè)面時(shí)，車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)對(duì)137Cs參考源的響應(yīng)逐漸增大。隨著高度的降低，車(chē)輛和地面的散射影響增大。當(dāng)高度分別為50 cm和0 cm時(shí)，車(chē)載探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于137Cs的參考響應(yīng)近乎相等，表明可以通過(guò)將參考源置于控制平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)(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(shí)驗(yàn)。

4.2 參考活度響應(yīng)隨距離的變化

由3.2節(jié)可看出，靜態(tài)最小可探測(cè)活度的估算關(guān)鍵在于對(duì)不同位置處的參考活度響應(yīng)關(guān)系式的擬合計(jì)算，因此，選擇上海仁機(jī)儀器儀表有限公司生產(chǎn)的RJ24型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)，用137Cs參考源在距離車(chē)體2～55 m進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，參考活度響應(yīng)曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

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

圖2 源與車(chē)輛之間的距離和源與探測(cè)器之間的 距離響應(yīng)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(chē)體之間的垂直距離擬合還是采用參考源與探測(cè)器之間的距離進(jìn)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(dá)探頭探測(cè)面的射線(xiàn)粒子數(shù)和由空氣、地面和車(chē)體的散射進(jìn)入探測(cè)器的粒子數(shù)之和，同時(shí)也說(shuō)明隨著參考源與探測(cè)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(gè)擬合關(guān)系式為：

(1)自變量x為參考源與車(chē)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(cè)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)偏差特別大，因此，將擬合響應(yīng)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)得值做比較，結(jié)果見(jiàn)圖3。

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

因此，取20 m范圍內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并對(duì)擬合值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)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(shí)驗(yàn)值的相對(duì)偏差比較Fig.3 Comparison of relative deviation between fitted and experimental values

此時(shí)，各參數(shù)的擬合標(biāo)準(zhǔn)差都較小，且相關(guān)系數(shù)R2大于0.999，各擬合值的相對(duì)偏差均小于7%，結(jié)果見(jiàn)圖4。通過(guò)該實(shí)驗(yàn)確定了檢測(cè)時(shí)的距離范圍，應(yīng)盡量保持在距離車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的車(chē)體20 m范圍內(nèi)。

圖4 20 m范圍內(nèi)車(chē)載系統(tǒng)的參考活度響應(yīng)及擬合值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上分析，對(duì)于一臺(tái)車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)，理論上可以給出任意距離處的參考活度響應(yīng)，但我們更關(guān)注的是該車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)在多遠(yuǎn)處能夠探測(cè)到多大活度的放射源或?qū)μ囟ɑ疃鹊姆派湓丛诙噙h(yuǎn)處能夠被探測(cè)到。為驗(yàn)證該方法的有效性，采用活度為35 MBq的137Cs參考源，對(duì)型號(hào)為RJ24的車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 車(chē)載式放射性探測(cè)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(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(cè)量點(diǎn)位的活度響應(yīng)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(duì)偏差最大值為23 m處的21.1%， 其余3個(gè)位置處相對(duì)偏差均小于8%，以上數(shù)據(jù)表明最小可探測(cè)活度的測(cè)量方法是合理的。

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

5 結(jié) 論

基于塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)的使用環(huán)境和固有特性，以理論和實(shí)驗(yàn)相互驗(yàn)證的方法探索一種在免拆卸情況下，塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)靜態(tài)最小可探測(cè)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(duì)塑閃型車(chē)載式放射性探測(cè)系統(tǒng)最小可探測(cè)活度進(jìn)行估算時(shí)，參考活度響應(yīng)的測(cè)量應(yīng)在距離車(chē)體20 m范圍內(nèi)進(jìn)行;