核与辐射安全是核行业发展的生命线。核与辐射事故应急监测具有时效性强、地域不可控和事故进程变化快等突出特点。一旦发生极端地质灾害或其他因素导致现有固定式监测系统受到破坏，或者事故发生在偏远地区时，应急监测的机动响应能力是确保及时掌控事故状态的关键要素。然而，现有应急机动响应主要依靠人工巡测，或者辅以车载巡测，不仅难以获取实时数据，而且数据深度分析能力弱，自动化处理程度低，一般不具备污染趋势预测、后果评价等核心决策支持功能，时效性较差，容易引起人员防护不当的问题^[1-5]。基于核与辐射事故对机动应急响应能力和应急决策支持的迫切需求，中国原子能科学研究院完成了“散布式”应急监测系统的研发，旨在核与辐射事故期间提升属地化应急响应能力。“散布式”是指将辐射探测单元按需布放在事故现场的若干位置点并开展辐射监测的形式。

1 系统的研发 1.1 系统结构

“散布式”应急监测系统由辐射监测、数据传输、数据处理和数据展示4个部分组成，系统运行流程见图 1。辐射监测部分通过“散布”在事故现场的多个内置GM计数管和NaI(Tl)闪烁体的探测单元实时获取现场剂量率、核素信息和定位信息。数据传输部分的核心是智能通讯模块，通过该模块建立辐射监测与数据处理之间的通讯网络，实现数据传输和指令的上传下达。数据处理部分包括原始数据的入库和解析、污染趋势分布的绘制、后果评价计算和烟羽源项“反演”等功能。数据展示部分是指结合地理信息系统展示数据处理结果，辅助应急决策。

为了提高“散布式”应急监测系统在核与辐射事故期间应急响应的机动能力和可靠性，本系统采取了“模块化、轻便化、冗余化”的理念进行研发。

1.2 探测单元研发

本工作基于模块化理念将探测单元划分为探测器、嵌入式PC、智能通讯和支撑结构等四个模块分别开发，各模块在硬件结构上相对独立以便于维护。

探测器包括内置双GM计数管、NaI(Tl)闪烁体与高量程GM计数管组合两种类型。GM计数管选用英国世纪电子公司生产的ZP1221型低量程和ZP1301型高量程探测器，剂量率可涵盖7个量级; NaI (Tl)闪烁体为Canberra公司提供的Osprey型带LED稳谱的(5.08×5.08)cm晶体，剂量率使用G(E)函数计算，探测器的基本性能见表 1。

本工作基于德州仪器AM335X型嵌入式PC开发板进行了二次开发，扩展了输入输出接口(包括2个USB端口、2个RJ45端口和5个RS232端口)，实现了对探测器的控制和运行，拓展了硬件扩展能力，整机功耗约为1~1.5W。供电方式基于POE(power over ethernet)方式，直接使用网线低压供电。

考虑到事故状态下移动基站可能出现区域性超负载导致数据传输不稳定的情况，本工作开发了一套具有冗余传输能力的智能数据通讯模块，该模块集成了3G(WCDMA)和射频(RF)2种无线传输和有线传输技术，模块运行时能够自动检查3种通讯方式的连通性、带宽强度，并与用户预设权重进行匹配，自主选择最佳传输方式，实现了数据传输的冗余性，该模块具备断点续传功能，传输方式可在1min内实现快速切换。无线传输模块的主要性能见表 2。

图 2为探测单元的支撑结构设计示意图(图中NaI(Tl)闪烁体可替换为低量程GM计数管)，探测单元内部设计使用一体成型铝合金支架，同时，为提高探测单元在低能区的能量响应，本工作还首次选用碳纤维材料作为探测单元的外壳，实现了探测单元开发的模块化和轻便化，具有强度高、质量轻的特点。

同时，设备集成GPS实现了探测单元位置和时间同步的信息采集; 利用UPS原理开发了电池热切换技术，能确保探测单元在事故现场更换电池期间持续工作。探测器整体封装在Pelican箱体中，整机可达到IP65的防护等级，携带20Ah电池后整备重量约10 kg，整备状态见图 3，整机功耗低于3W。

1.3 软件开发

软件开发主要包括原始数据入库、数据预处理、外部数据(气象、GIS系统)接口、烟羽源项“反演”算法^[6]、数据展示等内容。软件基于C/S结构，不仅可以在一定程度上确保数据安全，而且由于运算过程需要与数据库进行大量交互，C/S结构能直接读取数据库报表，执行效率高。本工作采用联想ThinkStation D20工作站处理数据，处理流程见图 4。事故情景通过在软件中设定具体“项目”来管理，项目明确了事故名称、类型(核与辐射事故)、评价区域、设备型号和设施基本状况等基本信息。系统运行时，上位机定时获取GM计数管原始计数率和NaI(Tl)闪烁体的谱数据，原始数据自动存入数据库，同时通过加载GM管校准系数和γ谱识别模块完成剂量率转换和核素识别，计算结果自动存入数据库备用。运行人员结合应急决策支持的需求对数据进行分析整理，包括污染分布趋势图绘制、后果评价、烟羽源项“反演”等，处理结果通过数据展示平台及时发布，基于GIS系统的展示平台能够实现图形化展示探测器布点、污染分布、风场展示、后果评价及实时数据展示等功能，软件还提供诸如数据查询、统计分析、报表、数据导入导出等基本功能。

2 测试结果和分析

对研发的探测单元进行辐射监测性能、温度适应性、无线通讯能力等系列测试，并通过软硬件联动测试了系统整体运行效果。

探测单元在国防科技工业电离辐射一级计量站完成了能量响应、角度响应、NaI(Tl)闪烁体能量线性和剂量率准确性等测试，本文仅对部分内容进行介绍。从图 5可知，低量程GM计数管的能量响应符合国家标准规定的不超过对¹³⁷Csγ辐射响应的±30%的要求，从图 6可知，使用G(E)函数对NaI(Tl)闪烁体采集的谱数据进行剂量率转换后，实测剂量率与标准辐射场给出的标称剂量率吻合较好，最大偏差小于23%。

使用Terchy公司生产的T6800温控箱(温度控制范围为-50℃~100℃，精度0.1℃)对探测单元进行温度试验，试验的主体为低量程GM计数管，试验过程中把探测器置于温箱内，调整好温箱的测试温度，待探测单元内置温度传感器与温箱控制温度一致时开始测试，测试时间为20min。试验结果见图 7，结果表明探测单元能在-40℃~+55℃的温度范围正常工作，但在+55℃下数据出现了较大波动(比平均值高约31%)。

对3G和RF的传输性能分别进行测试。2013年5月7日，本工作在北京市房山区-通州区的高速公路上进行了3G测试，该路段覆盖了山区、平原和市区等多种场景，测试中探测单元后置于汽车后备箱，每10分钟记录一次探测单元内低量程GM计数管的计数率，测试行程总计约90km，测试结果表明:GM计数管计数稳定、连续，计数率在(1.8~3.5)s^-1之间变化，平均值为2.4s^-1，未发生数据丢包，3G传输功能正常。2013年5月10日，选择在中国原子能科学研究院附近测试，测试点靠近山区、周边属丘陵地形，建筑物和树木较多，测试中把RF接收天线置于约20 m高度的房顶，探测器放在汽车中，RF发射天线置于汽车顶部，汽车沿周边公路行进，测试结果表明探测器只要不被高大建筑物完全阻挡，3km内能够稳定地传输，距离或干扰增多后，需要加大RF发射功率或提高基站高度来确保可靠的数据传输。无线传输测试结果表明，在移动基站工作稳定的情况下，优先选择3G传输是可靠的。RF传输受地形影响较大，在周边建筑物多、山区地形情况下，应在较高位置处架设功率较大的接收天线，确保数据获取率。

采用日本福岛核事故后美国能源部公开的航测数据和当时的气象信息等参数对烟羽源项“反演”算法进行了检验，本算法估算福岛核事故向大气释放的¹³¹I当量约为1.07×10¹⁸Bq，与日本相关部门公布的估算值7.7×10¹⁷Bq接近^[6]。

共研制了16套双GM计数管和4套GM计数管和NaI(Tl)闪烁头组合的探测单元，在模拟开展某反应堆应急监测中，应急响应人员根据地形和风向信息，20min内即完成全部布点并开始监测，3G和RF传输功能正常，数据处理后污染趋势分布绘制正确(见图 8)，数据查询、GIS显示、风场展示、后果评价展示等各项功能运行正常。

3 结语

本工作对“散布式”应急监测系统中探测单元的数据采集、数据传输、后果评价和烟羽源项“反演”等模块开展了自主研发，系统通过移动式探测单元布点，使用智能通讯模块组网传输，通过对地理信息、全球定位信息、现场辐射测量信息、后果评价和烟羽源项“反演”模块等的整合，可显著提升应急机动响应能力，为核与辐射事故应急决策提供丰富的支持信息。

“散布式”应急监测系统的研发具有以下特点: ①基于模块化理念开发硬件。本工作对探测器、智能通讯模块和嵌入式PC进行了模块化开发，使其结构相对独立，容易及时发现并解决故障，提高了维护性能。②探测单元能同时提供现场辐射剂量率和核素识别信息，并可在-40℃~+55℃范围内正常工作，可满足大多事故情境下环境测量要求，具有较强的环境适应性。③探测单元首次选用碳纤维外壳，提高了低能区能量响应，并对探测器支架进行了铝合金一体化成型设计，使探测单元结构紧凑、牢固。④首次成系统地整合了监测与评价、烟羽源项“反演”等模块，并结合地理信息平台展示。该系统的研发不仅成为核事故应急监测响应的有力辅助，更为发生在偏远地区或应急监测能力较弱的区域型辐射事故的应急响应引入了全新的选择，有效拓展了应急监测系统的“属地化”应用情景。