门式辐射检测仪在反恐及放射源安全领域有广泛应用, 是出入口多层辐射安全防御系统中最重要的一环, 对防御系统的有效性起关键作用。动态灵敏度是门式辐射检测仪辐射响应特性的一项重要指标, 针对某一特定的检测仪, 探测灵敏度会强烈地依赖于检测仪的测量时间, 放射源的运动速度和检测仪的采样时间是决定测量时间的最关键的因素。了解门式辐射检测仪的动态响应特性, 对于检测仪的设计和运行参数设置都具有一定的指导意义。

1 实验方法 1.1 实验布置

实验设备由门式辐射检测仪、动态灵敏度校准/测试装置和置于高速直线定位系统滑块上的测试放射源组成, 实验布置见图 1。将门式辐射检测仪的两个大面积探测器(A、B)分别放置于高速直线定位系统运动轨道的两侧, 两个探测器的表面距轨道中心的距离均为1m, 调节门式辐射检测仪的两个探测器的高度, 使得放射源的中心与探测器的有效中心位于相同的高度上, 为了确保放射源在尽可能长的区域内匀速通过探测器的灵敏区, 两个探测器置于8m有效运动区间的中间位置。

1.2 门式辐射检测仪

门式辐射检测仪主要由两个个探测器和一个控制器组成。每个探测器均包括一块500mm×500mm×51mm的BC408大面积塑料闪烁体及相应的光电倍增管和信号处理单元; 控制器包括控制计算机、AC-DC电源, 信号转接单元、超声波传感器和报警灯控制电路; 测控软件由控制界面、功能策略组成。主要的控制界面包括:控制主界面、高压调节界面、传感器设置界面, 报警数据及信息查看转存界面等。主要的功能有:定时、初始化、查看报警数据、实现各种动画等。每个界面又由实时动画、功能按键、输入框、数据显示区、实时曲线等组成。该检测仪具有较高的探测灵敏度, 可动态更新报警阈值, 动画显示实时运行情况, 记录保存监测数据和完成系统参数设置。可测量的γ射线能量范围为60keV~2000 keV, 最小可探测活度(MDA):距探测器中心1m, 测量时间1s, ¹³⁷Cs(33kBq)、⁶⁰Co(17kBq)。

门式辐射检测仪通常在两种工作模式(本底监测和目标监测)之间转换。当检测仪未探测到目标出现时, 检测仪的工作状态处于本底监测模式, 该模式采用80个最新的本底监测数据, 采用移动平均法获得平均本底计数率, 用于动态更新检测仪的报警阈值, 计数率报警阈值与平均本底计数率的关系见公式(1);当检测仪探测到目标出现时, 检测仪的工作状态转入目标监测模式, 在该工作模式下, 检测仪每200ms采样并记录一个数据, 1秒计数率则是5个200ms采样计数率之和, 用于与之前动态更新的报警阈值比较, 来确定是否触发检测仪报警。

(1)

其中:C_Th:计数率报警阈值(cps); C_B:平均本底计数率(cps); k:包含因子。

1.3 动态灵敏度校准/测试装置

本实验采用了中国辐射防护研究院的门式辐射检测仪校准测试系统^[1]中的动态灵敏度校准/测试装置, 该装置由高速直线定位系统、控制柜和计算机控制系统组成, 测试用的放射源置于高速直线定位系统的滑块上, 滑块的运动速度可在(0~10) m/s范围内连续精确可调, 当系统设置为最高10m/s速度运行时, 其匀速运动区间可以达到(4~5) m。

本实验采用的两枚测试放射源活度为1 110kBq和536kBq的¹³⁷Cs, 在距放射源1m处产生的空气比释动能率分别约为100nGy/h和48nGy/h, 放射源的活度可溯源至国家标准。

2 实验结果 2.1 放射源运动速度的影响

国际标准和一些国际机构^{[2, 3]}规定的车辆通过门式检测仪的最高速度通常为8km/h, 在一些需要保持足够的交通流量的情况下, 也可能会达到20 km/h甚至30 km/h。与对静止源的测量相比, 当放射源以一定速度运动时, 门式检测仪对运动源的探测能力会有快速的下降。为了解放射源运动速度对门式检测仪探测能力的影响, 按照图 1所示的实验布置, 采用活度为1 110kBq的¹³⁷Cs, 在(1~36) km/h范围内, 调节放射源运动速度, 在每一种速度下, 放射源往返200次, 记录相关数据, 统计报警次数和漏报警次数, 得到漏报警率。实验数据表明, 在设定的条件下, 当放射源运动速度小于18km/h时, 检测仪可实现100%的报警, 无漏报现象发生; 当放射源速度增加到18.3km/h, 开始有漏报现象发生, 随着速度的增加, 漏报警率快速增加, 见表 1。

当采用较小活度(536kBq)的¹³⁷Cs, 当放射源运动速度大于8km/h时, 检测仪就开始发生漏报现象, 图 2显示放射源分别以8km/h和36km/h速度往返运行10次, 门式检测仪的A探测器的监测数据。可以看出即使被检车辆速度不超过国际标准通常规定的8km/h, 对于更小活度的放射源, 检测仪对于运动源的探测能力的衰退也会非常显著。

2.2 检测仪采样时间的影响

为了解采样时间设置对门式检测仪的运动源探测能力的影响, 按照图 1所示的实验布置, 采用活度为536kBq的¹³⁷Cs, 在每一种速度下, 放射源往返10次。

在8km/h速度以下, 分别选取8km/h、5km/h、2km/h三种运动速度, 在(0.1~1.0) s范围内以0.1s间隔调节采样时间, 测试结果显示在8km/h速度内, 检测仪采样时间在(0.1~1.0) s范围内的任意设置均能可靠报警。

在(8~36) km/h范围内, 分别设置检测仪的采样时间为0.2s、1.0s, 统计报警次数和漏报警次数见表 2, 由表中数据可以看出, 当采样时间为0.2s时, 随着速度的增加, 漏报警率急速增长, 到36km/h时, 漏报警率可达到90%;而采样时间为1.0 s时, 随着速度的增加, 漏报警率也逐渐增加, 但当速度达到36km/h时, 漏报警率还可维持在50%左右。图 3给出门式检测仪的A探测器的测量结果(B探测器有类似结果)。

3 结论

门式辐射检测仪的运动源探测能力随着放射源运动速度的增加而快速降低, 在一些需要保持较高的车辆速度以保证足够的交通流量的情况下, 必须采取其他措施(如增加探测器体积、数量或高灵敏的探测器材料)来提高探测器的静态灵敏度, 以保持其对运动放射源有足够的探测能力。

在门式辐射检测仪中选取设置较短的采样时间, 可较方便地探测到辐射水平的瞬时变化, 但由于存在信号处理系统的计数死时间", 会导致其对较高速度运动的放射源的探测能力快速下降, 设置较长的采样时间会有效减缓这种原因导致的性能衰退过程。

在门式辐射检测仪的使用过程中, 应严格控制被检车辆的通过速度, 并尽可能对由于放射源运动而产生的检测仪探测能力的衰退予以评估。