基于溴化镧（LaBr3）探测器的无人机在口岸货场放射性检测中的应用

㊀第43卷㊀第5期2023年㊀9月㊀
辐㊀射㊀防㊀护
Radiation㊀Protection
Vol.43㊀No.5
㊀㊀Sep.2023
㊃辐射防护监测㊃
基于溴化镧(LaBr 3)探测器的无人机在
口岸货场放射性检测中的应用
万永亮1,铁列克㊃波拉夏克1,李㊀准2,成智威1,凯依赛尔㊃阿布都外力1
(1.乌鲁木齐海关技术中心,乌鲁木齐830063;2.北京中智核安科技有限公司,北京102206)
㊀摘㊀要:详细介绍了配备溴化镧探测器的无人机放射性检测系统的组成,并对能量进行校准,对能量分辨率㊁本底进行了测试㊂应用蒙特卡罗方法计算系统测量点源探测效率和土壤体源转换系数,计算了其测量时间1500s 对
点源和体源的最小可探测活度㊂结果表明,该系统对137Cs 661.7keV 的分辨率达到2.75%,测量时间1500s 对137Cs 点源和体源的最小可探测活度分别为2.37kBq ㊁3.77Bq /kg ㊂现场实际应用表明,该系统能够应用于口岸
货场中放射性检测工作㊂
关键词:溴化镧;放射性检测;远距离遥控;核素识别中图分类号:X837
文献标识码:A
㊀㊀收稿日期:2022-11-14
基金项目:新疆维吾尔自治区重点研发计划项目(2019B00002)㊂
作者简介:万永亮(1973 ),男,1996年毕业于兰州大学金属物理学专业,2013年毕业于兰州大学核能与核技术工程专业,获硕士学位,高级工程师㊂E -mail:1293700823@
通信作者:成智威㊂E -mail:czw2008@
㊀㊀目前口岸对进出口货物开展放射性检测时主要应用通道式车辆放射性监测系统[1]对车辆及其装载的货物进行现场实时监测,而且大多数为非核素识别型,当发现存在放射性异常时,需进一步开展放射性核素识别以确认放射性的来源,此时需要工作人员到现场使用便携式核素识别仪开展相应的检测任务或者进行采样送至实验室分析,工作人员都会在现场停留一段时间,此过程对工作人员会造成一定的辐射危害㊂为避免此类危害的发生,有些单位研发了机器人辐射监测系统[2],
国内外许多科研院校和辐射监测公司还研发了基于无人机的放射性检测系统[3
-4]
㊂在常温辐射探
测器选用方面,2003年Shan 等人[5]成功地制备了大尺寸的LaBr 3(Ce)晶体,相比较常用的NaI(Tl)晶体,其具有较高发光效率(~60000光子/
MeV)㊁常温下较好的能量分辨率(3.2%@661.7keV),快衰减时间常数(~25ns)等特点㊂国外基于LaBr 3(Ce)探测器的无人机研究和应用较成功的案例是2012年在日本福岛核电站辐射检测中的应用[6]㊂
由于无人机飞行时间有限㊁飞行灵活㊁准备程
序简单等特点,更能适用于面积不大㊁货物摆放动态性大㊁远离生活区的口岸货场放射性检测㊂乌鲁木齐海关技术中心与北京中智核安科技有限公司共同研发了基于LaBr 3探测器的无人机放射性检测系统,采用油电混合型多旋翼无人机平台,应用分辨率较好的LaBr 3晶体作为探测器,能够实现远距离遥控进行放射性核素的检测与识别㊂
1㊀无人机放射性检测系统
㊀㊀无人机放射性检测系统由无人机航空谱仪,无人机及系统控制站软件组成㊂实现辐射监测㊁能谱分析㊁核素识别㊁地理信息系统GIS 信息显示㊁数据存储与回放等功能㊂
1.1㊀无人机航空谱仪
㊀㊀无人机航空谱仪由溴化镧探测器㊁光电倍增管㊁小型前置放大器㊁小型高压模块㊁小型数字化多道㊁机载存储单元㊁主控单元㊁北斗定位模块㊁数传电台㊁激光高度计㊁机上电源㊁温控模块㊁减震保温结构㊁探测器舱体等部件组成㊂
(1)溴化镧探测器
选用2个溴化镧探测器,技术性能指标:晶体
㊃
094㊃
万永亮等:基于溴化镧(LaBr3)探测器的无人机在口岸货场放射性检测中的应用㊀
尺寸为ϕ5cmˑ5cm;能量分辨率<3%(@661.7 keV);能量范围为30keV~3MeV㊂
(2)光电倍增管
选用2个R6231-100型光电倍增管,分别与2个溴化镧晶体匹配使用㊂主要技术性能指标:光阴极直径46mm;峰值波长350nm;光阴极材料为超级双碱(SBA);玻壳材料为硼硅玻璃;倍增极级数为8;阳极到阴极电压为1500V;上升时间(典型值)为8.5ns㊂
(3)小型前置放大器
选用2个AP2100小型前置放大器,主要技术性能指标:工作电压为ʃ24V;积分非线性<ʃ0.02%;温度稳定性:<ʃ0.01/ħ(0~50ħ)㊂(4)小型高压模块
选用2个PS2000型高压模块,主要技术性能指标:输出电压范围为0~1250V;输出电流为0.5mA;输出稳定性(8h,典型值)为0.01%;温度系数(最大值)为0.01%/ħ㊂
(5)小型数字化多道分析器
选用2个Spectrum-mini-1型数字化多道分析器,主要技术性能指标:多道道数为4096道;死时间校正精度输入计数率在5ˑ104s-1以内小于5%;电流<50mA㊂
(6)机载存储单元
选用1个FPS100型存储单元,用于存储探测器采集的数据㊂技术性能指标:容量为16GB;读取速度最高可达98MB/s㊂
(7)主控单元
选用1个FPC200型主控单元㊂主控单元用于完成溴化镧探测器数据采集㊁机上数据存储㊁与数传电台进行数据通讯㊁接收北斗定位单元㊁激光高度计等模块的数据㊂
(8)北斗定位模块
选用BD910型北斗定位模块,用于获取探测器采集数据时所在的位置信息㊂主要技术性能指标:定位精度ɤ1.2m;数据采样速率最高为20Hz㊂
(9)数传电台
采用发射功率为1W的DDL-mini型DDL数传电台㊂主要技术性能指标:频率范围为902~ 928MHz(FHSS);输出功率5mW~1W;数据链路范围为95km㊂
(10)激光高度计
选用AUKI型激光高度计,用于测量无人机搭载探测器测量飞行的高度㊂主要技术性能指标:量程为0~1km;通讯接口为RS232;测量精度:①0~300m高度内,测量误差<0.5m;②0~20m 高度内,测量误差<0.2m㊂
(11)电源及温控电路
自带可充电电池组,内含温控电路确保探测器在-40ħ到50ħ环境下正常工作㊂主要技术性能指标:电池容量为10Ah;充电器工作点为24V/5A㊂
(12)探测器舱体与减震机构
采用铝合金舱体,除盖板之外的外壳结构采用一体化加工成型,舱体后端预留充电口㊁天线口和指示灯㊂谱仪内部填充减震垫层㊁安装架加装减震弹簧㊂
1.2㊀无人机
㊀㊀采用华翼星空的SF416-F6000型垂直起降小型无人机平台㊂主要由以下部分组成:油电混合动力四旋翼无人机平台㊁飞行控制系统㊁差分定位系统㊁数据通讯系统㊁机载相机㊁地面控制站㊂主要技术指标:净质量为27.3kg;最大起飞质量为46kg;有效载荷为8kg;续航时间为80min(满载);海拔升限为2km;抗风能力为6级;最大飞行速度为40km/h;工作环境温度为-20ħ~60ħ㊂1.3㊀系统控制站软件
㊀㊀无人机放射性检测系统控制站软件设计有参数配置㊁集成控制㊁数据分析㊁数据文件㊁显示与回放㊁工具箱㊁视图窗体㊁帮助等主要模块㊂
2㊀系统性能测试
2.1㊀能量校准与分辨率
㊀㊀将137Cs㊁60Co放射性点源分别置于2个溴化镧探测器前端窗的25cm处,采集谱数据,测量的谱图如图1所示㊂
将原始谱图中全能峰与相对应的道址进行直线拟合,得到能量校准公式如下:
E=0.7215㊃C h+22.85,R2=0.998(1)式中,E为能量值,keV;C h为道址㊂
通过分析得知,实际测量可得谱仪系统对137Cs的661.7keV全能峰分辨率[7]为2.75%㊂
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㊀辐射防护第43卷㊀第5
期
图1㊀能量校准的测量谱图
Fig.1㊀Measurement spectrogram of energy calibration
2.2㊀核素识别
㊀㊀采用基于序贯贝叶斯方法的核素识别算法[8]与传统能谱分析技术相结合的方法进行放射性核素识别㊂两种方法利用针对特征γ射线能量来识别,在高剂量率场中进行核素分析的差别不大㊂在低剂量率场中,序贯贝叶斯核素识别算法将放射性核素的每条特征γ射线视为一个独立的单能γ源,利用贝叶斯算法对每个光子的半衰期㊁特征γ射线能量和分支比信息进行分析,把属于同一单能源的光子归为一个光子事件组,形成一个辐射脉冲序列,然后根据预设的参数分析光子序列,利用序贯概率比检验计算核素存在的概率㊂综合多种单能射线源的计算结果,决定是否检出了放射性核素,实现低活度下快速识别核素㊂2.3㊀探测效率的蒙特卡罗计算
㊀㊀溴化镧探测器主要由ϕ5cmˑ5cm的溴化镧晶体㊁0.05cm厚的MgO反射层㊁0.3cm厚的前端铝层㊁0.2cm厚的包裹铝层以及0.2cm厚的后端SiO2光学玻璃组成[9-10],效率计算采用MCNP程序进行计算㊂设抽样的初始粒子数为107,光子输运的截止能量为3MeV,不采用减方差技巧㊂前端和侧面包裹铝层的厚度微调,应用校准过的点源241Am㊁137Cs进行实验室效率测量后,与效率计算值相比较而进行的㊂空气衰减层设置为质量比分别为79%的氮气和21%的氧气㊂2.3.1㊀点源探测效率蒙卡模拟计算
㊀㊀放射性点源设置在距探测器前端窗100cm 处,效率计算结果列于1㊂
表1㊀点源效率计算值
Tab.1㊀Calculation result of point source efficiency
2.3.2㊀体源效率计算
㊀㊀根据货场多数的货包尺寸,假设土壤体源的尺寸为:ϕ200cmˑ60cm,密度为1.5g/cm3㊂土壤的组成成分设为质量比为75%的二氧化硅㊁20%的三氧化二铝和5%的四氧化三铁㊂探测器距土壤的探测距离为30cm㊂其中探测器的转换系数,定义为全能峰净计数率与放射性核素比活度的比值[11],计算结果列于表2㊂
表2㊀体源转换系数计算值
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万永亮等:基于溴化镧(LaBr 3)探测器的无人机在口岸货场放射性检测中的应用㊀
2.4㊀最小可探测活度
㊀㊀将系统置于一空旷场地距地面30cm 处,用
便携式γ剂量率仪巡测场地的γ剂量率,确保选择的场所的γ剂量率属于正常本底水平,并且无明显异常点㊂开启测量系统采集1500s 的谱数
据,本底谱如图2所示
㊂
图2㊀本底测量谱图
Fig.2㊀Measurement spectrogram of background
㊀㊀将本底谱中对应全能峰区域的计数加和后,按公式(2)分别计算点源和体源的最小可探测活度MDA [12]:
MDA =4.65N b /(ε㊃p γ㊃t )
(2)
式中,MDA 为最小可探测活度,Bq 或Bq /kg;N b 为全能峰区域的计数加和;ε为点源探测效率或体源转换系数,s -1/Bq 或s -1/(Bq㊃kg -
1);p γ为γ射线
的发射几率;t 为测量时间,s㊂
经计算分析,系统对点源和体源中不同放射性核素的1500s 测量时间内最小可探测活度列于表3㊂
3㊀现场应用
㊀㊀使用经中国测试技术研究院校准(校准证书
编号:校准字第202108002553)的1枚137Cs 点源,放射源编号为AF -9188,其活度值为968.0kBq;1枚60Co 点源,放射源编号为AF -9186,其活度值㊀㊀㊀㊀㊀
表3㊀1500s 下系统的最小可探测活度值
Tab.3㊀MDA of system at 1500s measurement time
为340.9kBq㊂校准时间为2021年5月31日,扩展不确定度为5%,k =2㊂于2021年6月16
日,将2枚点源同时放置某一货场的空旷场地的地面上,开启无人机放射性航测系统并巡航至放射性点源正上方,悬空定点测量1500s 后,对采集的数据进
行分析,检测结果修正到校准时间的活度㊂其测量结果列于表4㊂检测结果表明,无人机放射性航测系统检测结果与校准值相对偏差小于5%㊂
表4㊀现场测量结果
Tab.4㊀Result of in-situ measurement
4㊀结论
装备2个ϕ5cm ˑ5cm 溴化镧探测器的无人
机放射性航测系统,在常温下具有对137Cs 的661.7keV 分辨率优于3%的性能,具备较好的核
素识别能力;测量时间1500s 对137Cs 点源和体源
的最小可探测活度分别为2.37kBq㊁3.77Bq /kg;谱仪系统集成度较高,占用体积不大,能够较好地安装于无人机的机腹下㊂无人机作为控操平台,
能够灵活机动地应用于现场复杂条件下的检测工作,备配可视设备时可检测工作人员不能到达可疑位置上的放射性物品,从而极大地减轻工作人员工作量,减少工作人员受辐照的危害㊂
为了提高检测出放射性活度的可信度,必须充分描述现场物品的形状㊁材料特性以及屏蔽体的特性,因此,需进一步开发针对现场常见场景下的效率校准计算软件,便于快速给出相应检测物
㊃
394㊃
㊀
辐射防护第43卷㊀第5期
品中的放射性核素种类与活度值㊂参考文献:
[1]㊀国家市场监督管理总局.中华人民共和国国家计量技术规范.通道式车辆放射性监测系统校准规范:JJF 1248
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32.
Application of UAV aerial survey using LaBr 3in radioactive
detection of port freight yard
WAN Yongliang 1,TIE Lieke㊃bolaxiake 1,LI Zhun 2,CHENG Zhiwei 1,KAI Yisaier㊃abuduwaili 1
(1.Customs Technology Center,Urumqi 830063;2.China Nuclear Security Technology Co.,Beijing 102206)
Abstract :This paper introduces in detail the composition of UAV radioactive aerial survey system equipped with
LaBr 3detector.The radiation energy is calibrated and the energy resolution and background are tested with the
UAV system.The Monte Carlo method is applied to calculate the detection efficiency and conversion coefficient of measuring point source and soil bulk source.The minimum detectable activity (MDA)of the system for point source and volume source at 1500s measurement time is calculated.The result shows that the energy resolution
of
137
Cs 661.7keV is 2.75%.MDA of
137
Cs point source and bulk source is 2.4kBq and 3.8Bq /kg,
respectively,at 1500s measurement time.The field application shows that,this system can be flexibly applied
to radioactive detection in port freight yard.
Key words :LaBr 3;radioactive detection;remote control;nuclide identification
㊃
494㊃。