馮 梅，韋應(yīng)靖，唐智輝，張慶利，崔 偉，以恒冠

（中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006）

通道式輻射監(jiān)測(cè)儀在反恐及放射源安全領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，是出入口輻射監(jiān)測(cè)最主要的手段［1］，其通常采用大面積塑料閃爍體作為探測(cè)元件，被測(cè)對(duì)象從放置在通行口兩邊的探測(cè)器之間通過，當(dāng)計(jì)數(shù)高于報(bào)警閾值時(shí)系統(tǒng)給出報(bào)警。塑料閃爍體有個(gè)明顯的缺陷：其有效原子序數(shù)小，阻止本領(lǐng)低，對(duì)γ射線的分辨率低，難以實(shí)現(xiàn)核素識(shí)別［2］。當(dāng)含有一定量天然放射性核素的物質(zhì)（如水泥、瓷磚、化肥等）通過時(shí)，當(dāng)其總計(jì)數(shù)超過報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)給出報(bào)警，即誤報(bào)警。首次篩查中，所有的報(bào)警事件都要進(jìn)行二次篩查，以確認(rèn)威脅是否真的存在，誤報(bào)警的出現(xiàn)無疑會(huì)增加檢測(cè)的工作量和成本，并造成正常通關(guān)的阻礙［3］。為了客觀評(píng)價(jià)通道式放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能參數(shù)，在2016 年，歐洲委員會(huì)的聯(lián)合研究中心和國(guó)土安全部開展了非法運(yùn)輸輻射評(píng)估計(jì)劃，測(cè)試了包括個(gè)人放射性探測(cè)器、核素識(shí)別儀及通道式放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等9種非法運(yùn)輸放射性探測(cè)裝置。其中，對(duì)10種不同型號(hào)的通道式放射性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果表明：30%的儀器誤報(bào)警率偏高，大部分儀器都很難識(shí)別低能放射源（特殊核材料WGPu 和 HEU 的替代核素）［4］。我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《放射性物質(zhì)與特殊核材料監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》（GB/T 24246-2009）中明確規(guī)定：“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)能對(duì)由具有天然放射性的物質(zhì)（如鉀肥或陶瓷等）引起的系統(tǒng)報(bào)警給出提示”，并且“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)γ 和中子誤報(bào)警率均不應(yīng)大于0.1%（置信度95%）”［5］。能窗法（Energy Windowing）能夠降低誤報(bào)警率，防止車輛等檢測(cè)對(duì)象通行受阻，同時(shí)還具有降低車體本底屏蔽對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響和應(yīng)用簡(jiǎn)單、價(jià)格經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)，近年來在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用。國(guó)外有較多關(guān)于能窗法用于通道式輻射監(jiān)測(cè)儀的研究，也有商業(yè)化的產(chǎn)品［6］，而國(guó)內(nèi)在該技術(shù)研究和裝置的研制上的公開報(bào)道很少。本文用特殊核材料的替代核素、工業(yè)放射性核素和天然放射性核素開展了能窗法的應(yīng)用研究，掌握了實(shí)際應(yīng)用中的三個(gè)關(guān)鍵問題：能窗數(shù)量、能窗位置及能窗算法。

1 能窗法原理

能窗法是一種基于大面積塑料閃爍體探測(cè)技術(shù)的譜分析方法，用以降低探測(cè)系統(tǒng)對(duì)天然放射性物質(zhì)的誤報(bào)警率，其最早是在1997年德國(guó)人Trost 和Iwatschenko 的專利中提到的。含有一定量天然放射性核素的物質(zhì)，其放射性水平主要來自40K、238U、226Ra及其子體、232Th及其子體，與本底放射性來源基本一致，所以兩者的能譜形狀很相似。特殊核材料主要包括233U、235U、239Pu、237Np，這些核素的能譜中低能部分的計(jì)數(shù)更占優(yōu)勢(shì)，這種能譜形狀上的差異就是能窗法能夠分類識(shí)別放射性核素的基礎(chǔ)。

能窗法的具體細(xì)節(jié)因使用的算法不同可以有很大差異，但是所有的算法都是基于同樣的原理。最常見的是兩個(gè)能窗的算法：低能窗是從最低可分辨水平到稍微高于康普頓邊緣的位置，高能窗由能譜中剩余部分組成。將相同窗的測(cè)量值與本底值比較做出分類放射性核素的判斷，最常見的比較算法有三種［7］。

（1）先將每一個(gè)能窗的計(jì)數(shù)歸一到高能窗的計(jì)數(shù)，再將歸一的比值與相應(yīng)的本底值作比較。

式中，NEW是某特定能窗的計(jì)數(shù)，單位：個(gè)；NH是高能窗的計(jì)數(shù)，單位：個(gè)。將計(jì)算結(jié)果與本底的計(jì)算結(jié)果比較，采用與總計(jì)數(shù)閾值算法相似的比較方法：

式中，REW和RB分別是測(cè)量值和本底值按照式（1）計(jì)算的結(jié)果，K是與探測(cè)器最小可探測(cè)下限相關(guān)的常數(shù)，σRB是本底計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)方差傳遞公式，σRB可以由公式（3）得出：

式中，NLB和NHB分別是本底在高能窗和低能窗的計(jì)數(shù)，ρ是NLB和NHB的相關(guān)系數(shù)。

（2）計(jì)算各能窗間比值的方式并不是唯一的，另外一種方法如下：

式中，Ni是多能窗算法中第i能窗的計(jì)數(shù)。

（3）Trost 和Iwaschenko 還提出過另外一種補(bǔ)償算法：

式中，NL是低能窗計(jì)數(shù)；RC是補(bǔ)償比，代表測(cè)量譜與本底能譜形狀的相似程度，當(dāng)測(cè)量譜與本底譜形狀相似或接近時(shí)，RC趨近于0。

計(jì)算不同能窗之間的比值還可以有幾個(gè)變更的方法，但是公式（1）、（4）、（5）是最常用的三種方法。實(shí)際操作中，研究工作主要集中于需要?jiǎng)澐值哪艽皵?shù)量以及能窗邊緣的位置，理論上，將能譜分成大量的能窗是可行的，但是劃分太多的能窗反而會(huì)降低區(qū)分目標(biāo)源的能力。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

為了模擬通道式輻射監(jiān)測(cè)儀的工作情景，本文設(shè)計(jì)了兩個(gè)尺寸為30 cm×80 cm×200 cm 的探測(cè)箱（如圖1所示），箱體采用不銹鋼結(jié)構(gòu)，箱體各面板采用密封避光設(shè)計(jì)，光電倍增管的數(shù)據(jù)輸出線、電源線和地線從專用線孔引出，探測(cè)器入射窗的材料是3 mm厚的鋁板。

圖1 實(shí)驗(yàn)探測(cè)器設(shè)計(jì)Fig.1 Designing for experiment detector

塑料閃爍體采用SAINT-GOBAIN BC408，尺寸為5.08 cm×50 cm×100 cm，發(fā)光強(qiáng)度最大是在入射光波長(zhǎng)425 nm 處；光電倍增管采用濱松CR105，直徑2英寸；信號(hào)采集系統(tǒng)采用ORTEC的電子學(xué)插件，數(shù)據(jù)獲取軟件采用ORTEC 的MAESTRO。

實(shí)驗(yàn)用放射源包括137Cs、60Co、133Ba、57Co、KC（l40K）、天然鈾（含99.27%的238U、0.72%的235U）和226Ra。國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)推薦采用57Co 和133Ba分別替代高濃縮鈾（HEU）和核武器級(jí)別钚（WGPu）開展儀器測(cè)試［8］，57Co 產(chǎn)生的122 keV 和136 keV的γ射線近似HEU中235U產(chǎn)生的144 keV和186 keV的γ射線，133Ba產(chǎn)生的80 keV的γ射線以及能量在 300 keV 到 385 keV 之間的三種 γ 射線與 WGPu 中239Pu 產(chǎn)生的 100 keV 左右的 γ 射線及能量在 330 keV 到 420 keV 間的 γ 射線很接近。放射源主要參數(shù)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)用放射源參數(shù)Table 1 Parameters of experiment radiation sources

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取及處理

使用137Cs、60Co 和133Ba 三種放射源對(duì)實(shí)驗(yàn)探測(cè)器進(jìn)行能量刻度，得到道址與能量之間的相對(duì)線性關(guān)系，使用Matlab 軟件將能譜數(shù)據(jù)讀取成數(shù)組數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)譜數(shù)組數(shù)據(jù)的道址重新分配，從而得到能量與計(jì)數(shù)之間的關(guān)系。完成探測(cè)器的能量刻度后，繼續(xù)獲取實(shí)驗(yàn)源能譜，特殊核材料的替代核素（57Co 和133Ba）、天然放射性物質(zhì)（KCl、天然鈾和226Ra）和工業(yè)放射性核素（137Cs 和60Co）三類源的能譜如圖2（a）所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)源能譜Fig.2 Energy spectrum of experiment radiation sources

因?qū)嶒?yàn)放射源活度較低，除226Ra 外，其余6種放射源的凈計(jì)數(shù)都比本底低，為了便于能譜形狀比較，將226Ra 和本底計(jì)數(shù)除以10，得到如圖2（b）、2（c）和 2（d）所示結(jié)果。從圖2（b）中可知，57Co和133Ba的計(jì)數(shù)在低能部分更占優(yōu)勢(shì)；從圖2（c）中可知，KCl、天然鈾和226Ra的能譜形狀與本底相似；從圖2（d）中可知，137Cs和60Co的計(jì)數(shù)主要是集中在中高能區(qū)域，這種不同能量區(qū)間的計(jì)數(shù)差異為能窗法的運(yùn)用提供了基礎(chǔ)。

4 能窗法數(shù)據(jù)處理

最簡(jiǎn)單的能窗法是兩個(gè)窗，對(duì)于圖2（a）中的譜：1-750道（137Cs康普頓邊緣）為低能窗，剩余的751-2048道為高能窗，求得各放射源在高低能窗的總計(jì)數(shù)如圖3所示（BK為本底）。

圖3 高、低能窗計(jì)數(shù)Fig.3 Counts of high energy and low energy

圖4 高、低能窗比值Fig.4 Ratio of high energy and low energy counts

按式（1）的算法對(duì)圖3 中的計(jì)數(shù)進(jìn)行處理得到如圖4 所示結(jié)果，可以看出57Co 和133Ba 在高低能區(qū)計(jì)數(shù)比值的優(yōu)勢(shì)非常明顯，遠(yuǎn)超過了本底和其他兩類核素的比值。假設(shè)本底在高低能區(qū)的計(jì)數(shù)是不相關(guān)的，則本底的標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

將計(jì)算值RB=7.184687491，NLB=6628.7，NHB=922.6 帶入公式（6）中可得到σRB=0.25，則在公式（2）的比較方法中，天然放射性核素中比值最大的是天然鈾 RU=7.614880683，（RU-RB）/σRB=1.72，所以只要將K 值設(shè)置在2 的位置上，就能始終保持報(bào)警閾值REW大于天然放射性核素的比值，探測(cè)系統(tǒng)就不會(huì)對(duì)其報(bào)警，也就有效地降低了系統(tǒng)的誤報(bào)警率。

對(duì)于圖2（a）中的譜，三個(gè)能窗的劃分方法是：1-350 道（133Ba 康普頓邊緣）為低能區(qū)，351-1450 道（60Co 康普頓邊緣）為中能區(qū)，1451-2048道為高能區(qū)，各能區(qū)的總計(jì)數(shù)如圖5所示。

圖5 高、中、低能窗計(jì)數(shù)Fig.5 Counts of high,middle and low energy

圖6 低能、高能窗比值Fig.6 Ratio of high energy and low energy counts

圖7 低能、中能窗比值Fig.7 Counts of low energy and middle energy

圖8 中能、高能窗比值Fig.8 Ratio of middle energy and high energy counts

對(duì)圖5 的計(jì)數(shù)按公式（1）的算法處理得到圖6、圖7和圖8的結(jié)果，57Co和133Ba的比值與本底相比存在著很大的差異，在公式（2）中選擇合適的K值就能區(qū)分出特殊核材料、工業(yè)核素和天然放射性物質(zhì)。

四個(gè)能窗和五個(gè)能窗的劃分更加復(fù)雜，研究方法類似。從2-5個(gè)能窗法研究結(jié)果可以看出，在各種算法中，總有某一算法能在對(duì)特殊核材料和工業(yè)放射性核素報(bào)警的同時(shí)抑制對(duì)天然放射性物質(zhì)的報(bào)警，不同數(shù)量能窗算法的報(bào)警結(jié)果見表2。

表2 不同能窗算法對(duì)各放射源的報(bào)警結(jié)果Table 2 Alarm results of different energy windowing algorithms to different radiation sources

2 個(gè)能窗是最簡(jiǎn)單常用的方法，選擇合適的閾值就能將57Co、133Ba 和137Cs 與天然放射性物質(zhì)加以區(qū)分，但是對(duì)60Co 和天然放射性物質(zhì)則沒有區(qū)分能力。3、4、5 個(gè)能窗的方法都能成功區(qū)分57Co、133Ba、137Cs、60Co 和天然放射性物質(zhì)，但是其中的個(gè)別算法對(duì)60Co 報(bào)警的同時(shí)也會(huì)對(duì)KCl報(bào)警。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證能窗位置對(duì)報(bào)警結(jié)果的影響（實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)有一定的漂移，不能將能窗位置精確定位到某核素的康普頓邊緣位置上），在前面三個(gè)能窗劃分的方法上，將能窗位置分別向低能和高能方向各移50道和100道，并將其核素區(qū)分能力與原劃分方法進(jìn)行比較，結(jié)果見表3。

表3 不同能窗劃分方法對(duì)各放射源的報(bào)警結(jié)果Table 3 Alarm results of different energy windowing dividings to different radiation sources

表中第1種劃分是參考了133Ba和137Cs的康普頓邊緣的位置，后4 種劃分是在第1 種劃分的基礎(chǔ)上將能窗位置分別向低能和高能區(qū)各移50 道和100 道的結(jié)果，可見，5 種劃分的算法對(duì)放射源的報(bào)警結(jié)果大概一致，都是在將低能區(qū)計(jì)數(shù)歸一到其他區(qū)域時(shí)展現(xiàn)出對(duì)133Ba、57Co 和137Cs 三種放射源的報(bào)警能力，對(duì)中能區(qū)和高能區(qū)的計(jì)數(shù)進(jìn)行歸一時(shí)展現(xiàn)出對(duì)133Ba、137Cs和60Co的報(bào)警能力，可見能窗位置在一定范圍內(nèi)的漂移不會(huì)對(duì)報(bào)警結(jié)果產(chǎn)生影響。

能窗法自身也存在一定缺陷：對(duì)能譜形狀與特殊核材料相近的核素很難區(qū)分，比如醫(yī)療核素，其能譜也是在低能部分的計(jì)數(shù)更占優(yōu)勢(shì)；對(duì)與天然放射性核素近似的危險(xiǎn)源的探測(cè)也是個(gè)難題，比如達(dá)到一定活度的226Ra，能窗法可能也不會(huì)對(duì)其報(bào)警；能窗法對(duì)有屏蔽的核材料的探測(cè)也存在問題。所以，能窗法最好和總計(jì)數(shù)法結(jié)合使用，多重報(bào)警算法能保證對(duì)每個(gè)有效信號(hào)的報(bào)警能力。圖9是對(duì)兩種報(bào)警算法結(jié)合的一個(gè)簡(jiǎn)單示意，橫軸是高低能窗計(jì)數(shù)的比值，縱軸是各能窗的總計(jì)數(shù)之和，紅線為總計(jì)數(shù)報(bào)警閾值，藍(lán)線為能窗法報(bào)警閾值，這樣將計(jì)數(shù)分為了Ⅰ～Ⅳ四個(gè)區(qū)，假定低于藍(lán)線部分（Ⅰ、Ⅲ區(qū)）為天然放射性核素，高于藍(lán)線部分（Ⅱ、Ⅳ區(qū)）為特殊核材料，總計(jì)數(shù)法對(duì)Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的計(jì)數(shù)都會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，能窗法又顯然不會(huì)對(duì)計(jì)數(shù)超高的天然放射性物質(zhì)（Ⅰ區(qū)橙色區(qū)域）報(bào)警，所以應(yīng)將兩種報(bào)警算法結(jié)合使用，對(duì)圖中橙色和黃色區(qū)域的計(jì)數(shù)引起關(guān)注，保證對(duì)每個(gè)有效信號(hào)的報(bào)警能力，同時(shí)降低誤報(bào)警率。

圖9 能窗算法和總計(jì)數(shù)算法結(jié)合設(shè)置閾值示意圖Fig.9 Combination of energy windowing and total count algorithm to set alarm threshold

5 結(jié)果與討論

能窗法是對(duì)入射探測(cè)器的γ射線能譜的一種簡(jiǎn)單處理，只能區(qū)分核素種類，不能識(shí)別核素。基于不同的核素，最優(yōu)的能窗數(shù)量在3 到5 個(gè)之間，可以達(dá)到降低誤報(bào)警率的目的，更多的能窗只會(huì)導(dǎo)致更加復(fù)雜的算法和更多的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，反而會(huì)降低分類核素的能力。最優(yōu)的能窗位置是在稍高于康普頓邊緣的地方有一個(gè)能窗劃分，因?yàn)榭灯疹D邊緣是塑料閃爍體探測(cè)器能譜中唯一的識(shí)別信息。能窗位置在康普頓邊緣左右飄移后（50 道～100 道）對(duì)特殊核材料和工業(yè)放射性核素的報(bào)警能力不會(huì)降低。不同的能窗算法之間沒有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，應(yīng)將各算法結(jié)合使用，以達(dá)到區(qū)分核素種類的目的。鑒于能窗法在區(qū)分醫(yī)療核素、與天然放射性核素近似的危險(xiǎn)源及有屏蔽的核材料方面的缺陷，建議將能窗法和總計(jì)數(shù)法結(jié)合使用，多重報(bào)警算法在降低誤報(bào)警率的同時(shí)保證對(duì)每個(gè)關(guān)注核素不漏報(bào)。