核工程与核技术毕业设计论文通道式放射性检测系统性能分析

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1、东华理工大学毕业设计（论文） 绪论 毕业设计（论文）题 目 通道式放射性检测系统性能分析英文题 Capability Analysis of Channel RadiationDetection Systems学生姓名 专 业 核工程与核技术班 级 指导教师 二零一一年六月摘 要通道式放射性检测系统能对过往人员、车辆、货物等进行放射性检测，确保放射源不被任意扩散污染人类的生存环境，通过分析通道式检测系统，来研究其对放射性的甄别判断能力，并对该系统做出相应的整理和规划，提炼了多方面科技文献资料的精华，总结并向大家做出全面的讲解说明。通过本文来介绍通道式放射性检测系统的结构、工作原理、应用实践对比

2、分析、甄别判断放射性能力的研究以及该系统可能遇到的难题。它们和普通探测器的结构和工作原理相类似，都是搜索和探测对象并解析出它的能谱，从而判断出辐射源的存在，并分析得到辐射源的元素成分是怎样的，而天然放射性中主要存在的几种元素为铀、钍和钾，这是需要探测检验的重点对象，它们的价值、它们的影响力不言而喻，我们需要做的就是严防它们的任意扩散。该系统的研究在多方面取得重大突破和进展，包括载体外壳的屏蔽效应、系统的活度响应、探测的能力和灵敏程度等等，此外我们还要把目光放得更加高远，因为系统对放射性的检测仍然还是面临着一些难题需要进一步分析解决。关键词：通道式； 放射性检测系统； 天然放射性； 屏蔽效应；

3、活度响应； 探测能力ABSTRACTRadiation detection system can directly detect the radiation from the past personnel, vehicles, and goods, etc, to ensure that the uncontrolled radioactive sources which are threatening the survival of the human race are not spread out. This article will study the ability of judgin

4、g the radiation through the analysis of the channel detection system, and make the corresponding consolidation and plan from refining the essence of scientific and technological literature. It will give you a summary and comprehensive explanations and instructions. Now I will introduce the channel r

5、adiation detection systems structure, working principle, comparative analysis of application and practice, abilitys study of judging the radiation and difficult problems that may encounter. Their structure and working principle are similar to the general detectors. They should search and detect the

6、objects, and then parse out their spectrum to determine the presence of radiation sources and to analyze what the elemental composition is like in the radiation resources. Natural radioactivity is mainly made of some elements, such as uranium, thorium and potassium. They are the important target tha

7、t must be detected and tested. Their values and influences are self-evident. What should we do is to prevent their uncontrolled spread. This system has majored breakthroughs and made progresses in many areas, including the shielding effect from carriers shell, the activity response of the system , d

8、etection ability and the sensitivity level and so on. In addition we must look beyond, because the detection ability of radioactivity of this system is still faced with some difficult cases those are required further analysis to resolve.Key words: channel; radiation detection systems; Natural radioa

9、ctivity; shielding effect; activity response; detecting ability32目 录绪论11. 通道式放射性检测系统31.1 检测系统简要介绍31.2 检测原理及方法31.3 结构框图及工作检测流程图61.4 应用实践举例、对比分析81.4.1 放射性核素活度探测阈值的测定81.4.2 研制出入口核材料检测装置81.4.3 对比分析102. 系统检测对象简介及所要考虑的受影响因素合集112.1 甄别几种天然放射性同位素需考虑的因素112.2 几种天然放射性元素性质简介122.2.1 钾-40122.2.2 铀-238122.2.3 钍-232

10、132.3 人工的几种放射源简介132.3.1 铯-137132.3.2 钴-60142.3.3 碘-131142.4 检测人工辐射源需考虑的因素153. 检测系统的探测性能分析163.1 对天然放射性同位素的探测能力分析研究163.2 对人工待测放射性同位素源进行探测能力分析研究173.2.1 试验分析研究条件173.2.2 试验分析研究需反映的参数173.2.3 试验分析研究方法173.2.4 试验研究结果193.2.5 几种解决天然放射性甄别方法参考213.3 讨论分析22结论23致 谢24参考文献25附录126附录228附录330绪论我们身边可以常常发现它的存在放射性物质检测系统（Ra

11、diation Detection System），但它是为人类做出怎样的贡献？做出的是怎样的事呢？本文将从研究通道式放射性检测系统入手，依次对通道式放射性检测系统探测放射性的工作原理进行分析以及对其工作能力进行探究。自己所选择的毕业论文标题是通道式放射性检测系统性能分析，从标题来看，它分为两大块：第一是通道式检测系统，重点是知晓其系统结构。从这文字来看，首先要明白什么是通道式检测系统，它的组成、结构究竟是怎么样的，通道式检测系统的功能、作用是什么，另外还需要知道它在运行中会遇到的问题。第二是该系统的性能分析。我们检测需关注的是什么（NORM-天然放射性是我们不关注的）？它的探测辨别方法是怎样

12、的？如何区别天然放射性同位素与人工辐射源？如何排除天然放射性对系统探测的影响？通过这些来对该系统进行性能分析，得到人类探求的目标。通过以上观点可以观察发现，我的毕业论文的目标就是去研究它们去研究通道式检测系统，去研究其工作性能，即所谓的论文标题：通道式放射性检测系统性能分析。从指导老师提供和从中国期刊网上查阅得到的一些文献资料来看，通道式放射性检测系统其实和我校图书馆出入口设立的那扇感应门以及汽车站设立的进站包裹检测装置的道理相类似。现在我先分析下我校图书馆出入专门设立的门它能感应的出我们身上是否携带了图书馆里的藏书，若携带了，则当我们通过那扇感应门时，它会立马发出警报；若没有携带，则通过该门

13、时，它不会做出任何反应。同理，在我们进入汽车站时，总会发现有个包裹检测装置，其目的就是为了检测进站人员是否在包裹里携带了危险品，诸如火药、烟花、爆竹、凶器等物品，包裹只要通过该检测装置，旁边的工作台便会从电脑里显示扫描分析得出的内藏物品。再对比下通道式检测系统，它的工作原理和该门的工作原理类似，不过通道式检测系统检测的对象是放射性。通道式检测系统一般设立在场所的出入口，如海关、废物场、炼钢厂、核设施、核电站，以及出于安全考虑，需要防止携带放射源和核材料出入的场所。同样，也适合在国土安全、核应急及反核恐等领域的监测应用。举个例子来说，当一辆货车通过该检测系统时，若它装有放射源，则该系统会立马检测

14、出来；另外还有设立在铁轨两旁检测载货火车是否装运放射源的例子等。现如今国内外都在加紧该系统的继续研究和发展，放射性物质检测系统是用于在关口进行放射性物质监测、控制放射性物质流通的一种很好的方案。在目前通用的监测系统中，由于被检车辆在通过监测系统时，其本身对探测器屏蔽了部分天然本底射线，造成系统的报警灵敏度与预期值相差一定距离。为了实现更高的报警灵敏度，达到更好的监测效果，各国科研机构都在研制能更加灵敏的进行放射性物质监测的系统。从车辆出入口核材料检测装置的研制一文中得到以下信息：经调试后的车辆出入口核材料检测装置于 2004 年被安装在集装箱检测试验现场，进行了集装箱箱体对本底计数的影响和装置

15、的检测误报率试验。分别将高浓铀、低浓铀及Cs-137置于集装箱中，在不同厚度铁的屏蔽下，进行了检测灵敏度的实验。这是通道式检测系统对放射性进行检测及甄别的一次重要实践，它的实验结果表明，该装置具有较高的检测灵敏度和较低的误报率，且性能较稳定。另外有一篇文章大型集装箱检测系统中验出站的设计与实现，其中涉及通道式放射性检测系统的简要内容有：在大型集装箱检测系统中，验出站(Check Out Station, COS)是最后一个站点，对集装箱的检查结束及放行负有重要责任。验出站设在扫描通道出口附近，由验出员操作，主要功能有：验出员登录、集装箱拖车停位管理、从运行管理站(Operation Manag

16、ement Station, OMS)获取集装箱一般信息及报关单图像、从OMS获取及打印集装箱可疑部位图像、向OMS发送开箱检查结果、输出检查报告、根据图像检查结果决定集装箱放行或开箱检查。（摘自核电子学与探测技术）国外文献中针对该检测系统的探测材料做出了选择分析，用于该探测系统的探测材料一般主要选择NaI晶体和塑料闪烁体，他们各有优缺点，但经对比总结得到：塑料闪烁体探测器更实用，更具价值之所在。NaI晶体与塑料闪烁体相比而言，虽然探测灵敏度高，分析判断放射性元素成分的能力更强，但是由于其价格比塑料闪烁体的过于昂贵，因此很难将其做大，从而一般只将其应用于小型包裹检测或者人员放射性探测；塑料闪烁

17、体虽然探测灵敏度不及NaI晶体，但是相比之下，塑料闪烁体要便宜、实惠，所以能将其做大，用于探测载货货车是否偷运放射源等。关于通道式放射性检测系统资料文献有很多，在这里就不一一举例了，之所以拿出两个例子来，主要是为了使读者更容易明白通道式放射性检测系统是什么，干什么用的，常用在什么地方的东华理工大学毕业设计（论文） 1. 通道式放射性检测系统1. 通道式放射性检测系统1.1 检测系统简要介绍核废物和放射性物质的扩散将造成放射性污染，严重危害人类生存环境与社会公共安全。为防止核废物和含放射性物质等任意流通，通道式放射性检测系统出现了。就核材料的控制而言 ,主要是控制铀和钚。因此 ,核材料的检测也主

18、要是针对铀和钚。由于铀、钚等核材料有较强的射线放出 ,可以通过探测射线来实现对铀、钚等核材料的检测。该系统中的塑料闪烁体探测器是常用的一种探测器，有性能稳定、机械强度高、耐潮湿、制作简便、易于加工、耐辐照性能好等优点。塑料闪烁体的探测效率虽不如 NaI (Tl) 闪烁体的高，但其体积可做得较大，且透明度高，光传输性能好，闪烁衰减时间短，足以弥补其探测效率低的不足。本篇文章将以塑料闪烁体作为探测器来分析该检测系统。1.2 检测原理及方法本装置是利用射线探测器来探测放射性物质通过时发射出的射线引起系统计数率的异常变化，从而实现判断被检物是否含有放射性物质。为了有效的监测放射性物质，监测系统根据系统

19、没有检测物体时本底计数率采用特别的运算方法设定报警阈值以满足对监测系统灵敏度、监测速度和误报警率的要求。当检测物体通过时，如果测量的放射性强度高于这个阈值，监测系统报警。由于在任何环境中都存在本底 ,即使所探测的区域内没有核材料存在,也会有本底计数 ,而且这些本底会随时间不断变化 ,也就是在进行检测的过程中 , 计数都包含着不断变化的本底计数。于是在进行检测时 ,如何判断所探测到的计数的增加是由于核材料的存在所造成的还是由于本底的变化所造成的 ,是检测方法的关键。虽然本底随时间在不断变化 ,但本底的变化服从一定的统计规律 ,即本底计数的涨落超过平均本底计数的标准偏差的2倍以上的概率是非常低的(

20、不超过 2.25 %) 。因此,只要选择适当的报警阈值,便可以很低的误报率来报警核材料的存在。报警阈值的设置见式(1-1): (1-1)式中: 为报警阈值；为本底平均计数率；N为置信系数,可根据检测要求和检测环境来选定。通常 N 取46。N选得愈高误报率愈低,检测灵敏度也愈低；反之,检测灵敏度高,误报率也高。当在检测区内有核材料存在时，检测装置的计数包括核材料所放出的所引起的计数和本底计数 ,即: (1-2)式中: G为检测到的总计数率; S为由核材料所引起的计数率。只有当 时,检测装置才会发出报警 ,说明探测区内有核材料存在。通常在进行检测时被检测人员以较慢的速度通过检测区。由于检测过程中人

21、员在运动，在不同位置、不同时刻，所探测到的计数率不同。为了获得高的探测灵敏度和低的误报警率以及尽量减少检测时间，采用了移动平均检测法。采用移动平均法进行检测时 ,每隔一个很短的时间t便读取一次计数Yi ,而将最近读取的4个计数的平均值 (1-3)作为移动平均实时计数值 ,当经过一个t时间,读取一个新的计数时,便以取代 ,这时移动平均的实时计数值则为： (1-4)报警判别是用最新的与最新设置的报警阈值相比较 ,只要,则认为通过人员携带有铀、钚等核材料 ,便发出报警 ,否则继续进行检查。这样 ,既能以探测到最高计数率进行报警判别 ,又能减小统计涨落的影响 ,从而提高探测灵敏度。需要补充说明的是，以

22、上工作原理及方法主要是面对处理天然放射性的威胁，当遇到高度屏蔽下的人工辐射源时，该原理及方法不适于测量。所以引入了另一种方法NBR (Natural Background Rejection)技术，来解决这个问题。NBR技术的产生就是为了满足实际测量工作的要求，快速而准确地探测人工辐射源，这在环境放射性监测、通道式放射性监测以及寻找丢失辐射源方面显得尤为重要。此外，还有另一种检测甄别方法来判断放射性是否超标，方法见下图(1-1)和(1-2)，即当车辆通过检测仪时本底值的变化情况：天然本底剂量 3400 3200 2800车辆通过时放射剂量图1-1 无放射源车辆通过情况示意图（说明：由于车辆是金

23、属结构，形成对天然本底的屏蔽，因此读数比本底值小。）当车辆内有放射性物质时，检测到的曲线如下图所示。天然本底剂量放射源（报警点）3400 32003000 2600车辆通过时有放射剂量图1-2 有放射源车辆通过情况示意图检测仪的探测器不间断地检测天然放射本底值，并以1/16秒为单位进行修正，当物体通过时，监测和评估是否有放射性物品通过 ，当检测到的值与天然本底值比值超过5%时（由用户设定）仪器报警，所以通道式检测仪得到的数据是车辆通过时探测器监测到的射线剂量与天然本底值的比率。该系统对检测到的放射性警报，划分为3个水平：水平1是最敏感的警报设置，表示检测到的放射性剂量很弱，可能是由于车辆运动或

24、天气原因造成的环境本底值的变化而产生的警报，所以需要重新检测。水平2是一个通常的报警设置，表示检测到的放射性有一定剂量水平，需要引起足够的重视。而水平3是一个较大值的报警设置，表示检测到的放射性剂量很高，可以肯定存在放射性物质或被污染的放射性物质。1.3 结构框图及工作检测流程图出入口核材料放射性检测装置主要由射线探测器、电子学单元以及数据采集和报警单元组成(图1-3) 。图1-3 通道式检测系统工作原理图装置由两个立式的机箱构成 ,形成一个检测门。每个机箱内有两个探测器。单道分析器用来选择合适的能量窗口 ,以减少其它干扰信号的影响。单道分析器的输出信号经整形后由数据采集单元(单片机)计数并作

25、报警判断。当人员到达或离开时 ,传感器发出信号 ,以此来控制探测器进行本底测量还是人员检测。若检测过程中发出报警信号 ,则说明人员可能携带铀、钚等核材料;否则放行 ,系统重新进入准备状态 ,进行本底测量。检测流程图如图1-4所示。图1-4 检测流程图1.4 应用实践举例、对比分析1.4.1 放射性核素活度探测阈值的测定通道式车辆放射性测控系统主要由探测器、数据采集处理系统和报警装置等部分组成， 常用探测器为塑料晶体，主要应用于港口、钢铁厂、核电站等场所，监测车辆和集装箱中夹带的放射性物质。通道式车辆放射性测控系统的探测阈值就是其对放射性核素活度的最低可探测值，表征了测控系统对放射性核素的监测能

26、力，是反映放射性测控系统技术性能的重要指标。通常对于特定的放射性核素，探测阈值就是测控系统的报警阈值，其意义相当于区分本底辐射与由放射性物质产生的附加辐射的界限。由于仪器噪音、环境干扰等因素的存在，以及本底辐射测量的统计涨落，本底计数率存在着很大的波动，影响探测阈值的准确测定。所以通过理论及实验研究，探索科学合理的方法来确定测控系统的探测阈值，对有效判别附加辐射的存在并减少测控系统的误报警率很有必要。对于一个正常工作状态下的通道式车辆放射性测控系统，其探测阈值由各探测器的活度响应以及本底计数率统计涨落决定。对各种放射性核素的活度响应是探测器的固有性能，活度响应愈高，则对该核素的探测阈值愈低，即

27、能探测到更低活度的这种核素。而本底计数率的统计涨落则与环境因素密切相关，周围环境的机械震动及噪音、电磁辐射等都会产生干扰，引起本底计数率的统计涨落的明显波动，使得探测阈值变大。通常以各个探测器中探测阈值最大者作为通道式车辆放射性测控系统的探测阈值。1.4.2 研制出入口核材料检测装置人员出入口核材料检测装置是一种用来防止核材料被非法携带或转移的有效工具。检测通过的人员是否非法携带核材料或放射性物质；也可以用于海关，对出入的乘客及其行李、包裹进行检查。它在有效控制核材料、防止核扩散方面起着重要作用。本工作研制一套以塑料闪烁体作为探测器的人员出入口检测装置，主要由闪烁体、光的收集部件和光电转换器件

28、组成的辐射探测器。探测原理：本装置是通过探测铀、钚等核材料发射出的射线来实现对这些物质的检测。射线进入塑料闪烁体中，会使其原子激发，受激原子在退激过程中发光。光子穿过闪烁体、 光导，一部分到达光电倍增管的光阴极 ,在光阴极上打出光电子,光电子经过光电倍增管的倍增，便产生一个电脉冲信号，这些信号经过放大后再经过单道分析器，将能量窗以外的信号甄别掉。通过单道分析器后的信号再被转换成逻辑脉冲，然后被记录，其计数率与射线的强度直接相关。因此通过记录此脉冲信号的计数率的变化便可得知被检测区域的射线强度的变化，从而判断是否有铀、钚等核材料存在。检测方法：在进行检测时 ,根据所测的本底预先设置报警阈值 ,当

29、探测器的计数超过阈值时便发出报警 ,认为在检测区内有核材料存在。图1-5 实验测得的康普顿能谱图装置的调试：调试工作主要是选择各路放大器的放大倍数以及主、副机箱单道分析器能量窗的下阈和宽度。考虑到报警阈值(见式1-1)，因此，选择放大倍数和能量窗的原则是根据源的净计数与本底平方根比值的大小，此值愈大愈好。对每路探测器选择不同的放大倍数进行了实验,在每个放大倍数下，测得的有源计数和本底的康普顿谱线示于图1-5，从这些能谱的测量结果选出合适的放大倍数。在选定的放大倍数下,源净计数与本底平方根的比值随能量窗的变化示于图1-6，由此可选择合适能量窗的范围。图1-6 净计数与本底平方根的比值与能量窗位置

30、的关系能量窗的宽度为0.8V实验表明，该装置在 2.58 10- 9 Ckg- 1h-1的本底下，人的行走速度小于1.2 m/s时，对高浓铀的检测质量下限为2g，低燃耗钚的下限为0.06g；在5.1610- 9 C kg- 1h- 1的本底下,人的行走速度小于1.2 m/s时,对高浓铀的检测质量下限为3g ,低燃耗钚的下限为0.08 g。为了估计误报率 ,进行了 4 220 min 的本底测量 ,每 0.2s 记录一次本底计数 ,共连续记录约1 266 000 次本底。实验结果表明 ,所研制的这台装置误报警率小于 1/ 3 000。该装置利用单片机进行控制 ,整个检测过程完全实现了自动化。自行

31、编制的数据获取软件可用于接收单片机系统的测量数据 ,在单片机进行检测时所有数据均可通过 RS2232C 传送到计算机中进行显示、计算和保存。1.4.3 对比分析经前面举出的几个例子来看，放射性的检测会受到多方面因素的干扰，这样会对放射性检测带来很多的困难。从例子中我们先后看到有天然放射性干扰因素、距离因素、屏蔽因素、仪器自身构造导致的测量精度等多方面综合因素积累在一起，而我们要做到的就是尽可能将这些因素最小化，从而实现对放射性的高精度的甄别和判断。由1.4.1节内容可以知道：由于放射性辐射随照射距离而衰减，对于不同的参考测量点，活度响应值随照射距离的变化而变化；对于不同的放射性核素，由于其光子

32、的能量不同，导致射线在空气中的吸收衰减也不同，并且探测器的响应也有差异，因而活度响应的测量结果也不同。所以“距离”是通道式放射性检测系统检测灵敏度的一个重要因素，随着放射源与探测器探头之间的距离的变化，探测器得到的响应也会随之而变，距离越大，响应值越小。1.4.2节内容介绍了探测器在探测晶体方面选用了塑料闪烁体，它是当今重点发展和研究的对象，因为它具有以下优点：第一：性能稳定、机械强度高、耐震动、抗冲击、耐潮湿、耐辐照性能好等，可应用于高照射量的辐射场。第二：发光衰减时间短（几个ns），可快速反应辐射场的变化。第三：具有极高的探测效率和探测灵敏度。第四：对快中子具有较高的探测效率，可快速准确地

33、测量出和中子剂量率及其较小的变化。第五，这是最为关键的一点了：可以高效廉价地制成大体积，其制作成本较其它探测器低，且便携易于操作。相比之下，NaI(Tl)晶体虽然有着高灵敏度探测和分析能谱的功能，但是由于其价格昂贵，无法做大，从而只适于配置于人员出入口核材料检测装置或者行李检测装置中，而不适于对大型载货车辆进行全方位监测。东华理工大学毕业设计（论文） 2. 系统检测对象简介及所要考虑的受影响因素合集2. 系统检测对象简介及所要考虑的受影响因素合集放射性是指元素从不稳定的原子核自发地放出射线（如射线、射线、射线等）衰变形成稳定的元素而停止放射（衰变产物），这种现象称为放射性。衰变时放出的能量称为

34、衰变能量。原子序数在83（铋）或以上的元素都具有放射性，但某些原子序数小于83的元素（如锝）也具有放射性。2.1 甄别几种天然放射性同位素需考虑的因素天然放射性是指天然存在的放射性同位素，能自发地放射出射线的属性。“天然”具有放射性的物质称作“天然放射性物质（NORM）”。地壳是天然放射性核素的重要贮存库，尤其是原生放射性核素。天然放射性核素，即地球诞生时就存在的放射性核素，如铀238、钍232、镭226等，它们主要是从铀衰变链或钍衰变链中产生的阿尔法粒子放射物。人体放射性的来源则为钾-40（40K）。土壤主要由岩石的侵蚀和风化作用而产生的，可见，其中的放射性是从岩石转移而来的。由于岩石的种类

35、很多，受到自然条件的作用程度也不尽一致，可以预期土壤中天然放射性核素的浓度变化范围是很大的。土壤的地理位置、地质来源、水文条件、气候以及农业历史等都是影响土壤中天然放射性核素含量的重要因素。存在于岩石和土壤中的放射性物质，由于地下水的浸滤作用而受损失，地下水中的天然放射性核素主要来源于此途径。此外，粘附于地表颗粒土壤上的放射性核素，在风力的作用下，可转变成尘埃或气溶胶，进而转入到大气圈并进一步迁移到植物或动物体内。土壤中的某些可溶性放射性核素被植物根吸收后，继而输送到可食部分，接着再被食草动物采食，然后转移到食肉动物，最终成为食品中和人体中放射性核素的重要来源之一。环境水中天然放射性核素的浓度

36、与多种因素有关。此外，天然放射性物质还包括宇宙射线。宇宙射线是一种从宇宙空间射到地球上的高能粒子流，它由质子、粒子等组成。天然放射性已为人类所适应，并未造成什么危害。但是在放射性检测中，由于天然放射性的随机变化导致对通道式放射性检测系统的检测效果产生一定的影响，故而针对这些方面展开了一系列的研究和分析以尽最大的可能将它们的影响减小，甚至彻底将其过滤掉。2.2 几种天然放射性元素性质简介2.2.1 钾-40已发现的钾的同位素共有16种，包括钾35至钾50，其中只有钾39和钾41是稳定的，其他同位素都带有放射性。钾在一般岩石和矿物中是很常见的元素，在地壳中含量丰富。钾有两个主要同位素，即钾39和钾

37、40，但只有钾40是放射性的，有两种不同的衰变方式，约有89以放射一个电子的方式衰变成钙40，1l%以捕获一个电子的方式衰变成氩40.钙也是一种常见元素，一般岩石和矿物中都有。钾-40的衰变性质及同位素参考附录和表2-1。表2-1 钾的几种最稳定的同位素同位素 丰度 半衰期 衰变模式 衰变能量(MeV) 衰变产物K-39 93.26% 稳定K-40 0.01% 1.277109年 衰变电子捕获 1.311 Ca-401.505 Ar-40K-41 6.73% 稳定2.2.2 铀-238每一千个铀原子当中只有七个是铀235，其余的都是铀238。铀238是最常见的一种铀，但它却不是实用的核燃料。铀

38、238也能在中子作用下发生裂变，但只有快中子才能做到这一点。那些分裂成两半的铀238会产生一些慢中子，而慢中子不足以引起进一步的裂变。铀238可以比作潮湿的木头：你可以把它烧着，但它最后还是要熄灭的。但是，假定把铀235同铀238分离开来（这是一个相当艰巨的任务），并且用铀235来建造一个原子核反应堆，这时，构成反应堆燃料的那些铀235原子就会发生裂变，并向四面八方发射出无数慢中子。如果这个反应堆包着一个用普通铀（其中绝大部分是铀238）制成的外壳，那么，射入这个外壳的中子就会被铀238所吸收。这些中子不可能迫使铀238发生裂变，但却会使铀238发生另外的变化，最后就会产生钚239。如果把这些

39、钚239从铀里面分离出来（这是个相当容易完成的任务），它们就可以用作实用的核燃料了。能够用这种方式产生新燃料去代替用掉的燃料的反应堆就是增殖反应堆。一座设计得当的增殖反应堆所生产的钚239，在数量上要多于消耗掉的铀235。利用这种办法，就可以使地球上的全部铀而不仅仅是稀有的铀235都变成潜在的燃料来源。铀-238的衰变性质参考附录。2.2.3 钍-232天然存在的钍完全是由钍232组成的。钍232就象铀238一样，也不是实用的核燃料，因为要有快中子才能使它发生裂变。不过，如果把钍232放进包着核反应堆的外壳里，钍232原子就会吸收慢中子，并且尽管它不发生裂变，最后却会变成铀233原子。由于铀2

40、33是一种很容易同钍分离开来的实用燃料，这样做的结果便又实现了另一种增殖反应堆，它会把地球上现有的钍资源变成潜在的核燃料。钍-232的衰变性质参考附录。综合2.2.2和2.2.3两个部分来讲，地球上的铀和钍的总量大约比铀235一项的蕴藏量多800倍。这就是说，如果适当地利用增殖反应堆，就可以通过原子核裂变发电厂把地球上的潜在能源增加800倍，所以防止铀、钍资源的流失是一项艰巨的任务，这给我们继续研制和开发中的通道式放射性检测系统带来了巨大的挑战。2.3 人工的几种放射源简介 人类出于不同的目的制造了一些具有放射性的核素，这种核素叫做人工放射性核素，铯137、钴60、碘131等都是人工放射性核素

41、。2.3.1 铯-137铯-137是金属铯的同位素之一，呈银白色、质软、化学性质极为活泼，遇水发生爆炸，放射性较强，人体摄入量小于0.25Gy属于安全范围；超过此值会导致造血系统、神经系统损伤，非正常生育乃至绝育；人体摄入量超过6Gy，能够致人死亡。铯在工程施工中被用于钢管焊接中的工业探伤，由于有放射性，平时储存在铅容器内。铯-137是一种重金属，与铀-235同属于放射性物质中毒组。铯-137是一种常用的伽马辐射源。辐射源是用于校对医治癌症的放射治疗设备，也可以用于校对用来监测放射治疗人员及病人所接受的辐射水平的辐射监测仪器。这些医疗设备和仪器需要定期校对，以确保它们的准确性。 铯-137可以

42、用来杀死食物内的细菌和微生物，从而增加食物储存的时间，这方法有抑制发霉和保持新鲜的效果，经辐射处理的食物不会带放射性或残留有毒物质。铯-137也用于监测工业产品的重量、厚度和密度，以及探测焊接点和金属管道的裂缝。铯-137的衰变性质参考附录。2.3.2 钴-60钴-60（60Co）是金属元素钴的放射性同位素之一，其半衰期为5.27年。它会透过衰变放出能量高达315keV的高速电子成为镍-60，同时会放出两束伽马射线，其能量分别为1.17及1.33 MeV，见右图2-1所示。钴-60具辐射，影响人类脱发，严重损害人血液内之细胞组织，少致白血球减少，引起贫血，白血病(即是血癌)，更严重者甚至死亡。

43、钴60要用铅容器密闭保存，工作环境中有钴60放射性元素时，一定要穿专用防护服，平时多喝绿茶。钴57、钴58、钴59和钴60，这中间除了钴59是稳定同位素(无放射性)外，其余都具有放射性。其中，钴60更是一种穿透力很强的核辐射元素，也用来治疗癌症，一般在工业上普遍用作检测厚钢里的裂纹、气孔等，是一种无损探伤手段，工人们操作时都要穿上铅服用作防护，如果万一不慎遭受辐射，会有致命危险。而饮茶能有效地阻止放射性物质侵入骨髓,并可使锶90和钴60迅速排出体外,茶叶中的儿茶素类物质和脂多糖物质可减轻辐射对人体的危害,对造血功能有显著的保护作用。用茶叶片剂治疗由于放射引起的轻度辐射病的临床试验表明,其总有效

44、率可达90% 。Co-60的衰变性质参考附录。2.3.3 碘-131碘-131是元素碘的一种放射性同位素，为人工放射性核素（核裂变产物），符号为I-131，半衰期为8.3天。正常情况下自然界是不会存在。大量生产碘131时，要注意避免碘131挥发，以免给环境带来严重污染。操作应在设有负压和带有除碘装置的屏蔽箱室里进行。活性炭、涂银活性炭、银铜合金网、银网和碱性溶液等都是碘131的良好吸附剂。在核医学中，碘131除了以NaI溶液的形式直接用于甲状腺功能检查和甲状腺疾病治疗外，还可用来标记许多化合物,供体内或体外诊断疾病用。如碘131标记的玫瑰红钠盐和马尿酸钠就是常用的肝、胆和肾等的扫描显像剂。除了

45、核医学方面的应用外,碘131还可用来寻找地下水和测定地下水的流速、流向，查找地下管道泄漏；测定油田注水井各油层吸水能力及其变化，以便及时有效地采取措施，调节水流的分配，保持油井的高产稳产等。碘-131是衰变核素，发射射线（99%）和射线（1%）， 射线最大能量为 0.6065兆电子伏，主要射线能量为0.364兆电子伏。半衰期为 8.02天。3.710贝可的碘-131点源重8.0510毫克，在1厘米远处的照射量率是2.3伦琴/时，采用5厘米厚的铅屏蔽就可以安全操作。碘131属高毒性核素，紧要器官是甲状腺，对人体的有效半减期为7.6天,在人体内的最大容许积存量为1.810贝可。碘-131在放射性工

46、作场所空气中和露天水源中的最大容许浓度分别为0.33和22贝可/升。碘-131的衰变性质参考附录。2.4 检测人工辐射源需考虑的因素人工辐射源一般具有能量低的特点，因此，它易受“屏蔽效应”影响，导致难以监测出它的存在。能谱方法识别和定量分析人工放射性核素，要求较长的测量时间与复杂的装置。特别探测高度屏蔽的人工辐射源，要求在100毫秒至几秒时间内探测强度略高的人工核素光电峰，其测量统计误差太大，不足以将人工辐射与天然辐射分开，且天然辐射波动较大。东华理工大学毕业设计（论文） 3. 检测系统的探测性能分析3. 检测系统的探测性能分析剂量和活度是描述放射性辐射的两个基本量。在电离辐射计量学中，测量装

47、置对放射性辐射的响应既是对辐射剂量的响应，也可以是对放射性活度的响应。在空气介质中，辐射剂量通常以空气比释动能率表示，其单位为Gy (1Gy=1J/kg)，辐射场中某一点处空气比释动能率的刻度受到测量条件、环境因素等诸多制约，在工作现场难以实现准确测量。放射性活度则是表示放射性核素衰变（几）率的量，其计量单位为Bq (1Bq=1s-1)，由于原子核衰变按其自身规律发生，不受环境因素影响，放射源的活度经刻度后只需按时间作衰变修正即可获得准确的量值，而行李放射性测控装置的读数是以计数率（s-1）表示，因此用活度响应来反映探测器的探测能力更具有可行性与实际意义。通过前面大量内容的介绍，我们都可以知道

48、了通道式检测系统检测放射源是否存在都是仅仅针对伽马源的检测，因为伽马源的穿透能力强，且它对人类生存环境的影响是重大的，它的工业及医学价值在很多方面都体现出了其不可替代的作用，所以它的工业价值和医学价值是值得我们肯定，值得我们对其进一步研究和分析，对于它的流通我们必须引起重视，因此在很多重要场所（前面已举例说明，在此不一一介绍了）都设立了通道式放射性检测系统以监督和检查，避免其肆意流失。需再次强调的是：通道式检测系统的检测对象主要是针对过往人员、车辆、货物等进行放射性检测，由于、射线的穿透能力较弱，一般运载车厢外壳对其具有明显的屏蔽作用，从而导致通道式检测系统对其检测存在不够灵敏的现状，所以通道

49、式检测系统不适合对、源的检测（下文将对该项进行详细分析），而射线穿透能力强，即使有车厢外壳的屏蔽作用的存在，它依然能较明显的被通道式放射性检测系统检测发现。为确保行李放射性测控装置性能可靠、工作正常，需要对其进行定期校准，以有效防止监测系统失准、失灵，从而引发放射性物质扩散事故，威胁公众安全。探测器对放射源的响应是放射性测控装置最重要的性能指标，称为活度响应，用测控装置的读数除以探测点放射性核素的活度表示，表征了装置对放射性辐射的探测能力及灵敏程度。在其测量范围内的探测装置活度响应的相对偏差，称为活度响应非线性。3.1 对天然放射性同位素的探测能力分析研究对天然放射性的探测，即通道式放射性检测

50、系统对天然本底的测量情况是怎么样的。这里所指的“天然本底”主要是指天然伽玛射线，其主要来源包括宇宙射线以及来自地层中的天然放射性元素所产生的伽玛射线。在同一地点，相近时间内，如果没有人为的带进或带出放射性物质，天然本底不会发生明显改变。实际中，可以采用探测器接收天然本底射线，经过核电子学处理后，进行计数，则天然本底的强弱可以数值化表示。天然本底强，探测器单位时间内接收到的射线多，则计数率高，反之，计数率低。在同一地点，相近时间内，计数率的变化不会太大。利用天然本底相对稳定的这一特性，可以进行放射性物质监测。在关口设置一套通道式放射性物质检测系统，持续对该地点的天然放射性水平进行监测。如果在某车

51、辆通过该关口时，系统监测到的计数率发生明显上升，则可以断定该车辆含有放射性物质。3.2 对人工待测放射性同位素源进行探测能力分析研究分析方法同3.1，通过一个例子来说明通道式检测系统对人工待测放射性同位素源进行探测能力的分析研究。此部分介绍了行李放射性测控装置对137Cs放射源活度响应的校准方法，利用点状放射源的活度与照射距离的平方成反比的核物理特性，测量行李放射性测控装置对某指定探测点的活度响应，根据一系列的活度响应值计算出行李放射性测控装置对137Cs放射源活度响应的非线性。试验结果表明，活度响应是反映探测器对放射性辐射探测能力的重要参数，必须在规定的测量条件下进行测量。3.2.1 试验分

52、析研究条件试验在GR606/2200型行李放射性测控装置上进行，该装置由单个探测器与数据采集处理系统组成； 放射性放射源核素为 137Cs，活度为 101kBq；放射源定位装置的定位精度为 0.1cm。试验在室内进行，无震动，无电磁场干扰，实验室周围环境剂量当量率小于 0.15Sv/h。3.2.2 试验分析研究需反映的参数测量装置对于距离探测器几何中心50cm处的137Cs放射源的响应及其非线性。3.2.3 试验分析研究方法利用点状放射源放射性活度与照射距离的平方成反比的核物理特性，将 137Cs 放射性放射源置于与探测器平面垂直并通过几何中心的直线上，改变其距探测器几何中心的距离，按照反平方

53、关系来计算其等效于参考点（距离探测器几何中心 50cm 处）的相对活度。放射源的位置及其相对于参考点的活度如表3-1 及图3-1所示。表3-1 137Cs 放射源位置与参考点处相对活度的关系放射源与探测器几何中心的距离对应于参考点处的活度82.6cm37kBq(1Ci)58.3cm74kBq(2Ci)50.0cm101kBq(2.74Ci)47.7cm111kBq(3Ci)41.3cm148kBq(4Ci)37.0cm185kBq(5Ci)试验时，先由装置测量本低值，然后按表3-1中所示的距离设定测量点，由探测器对 137Cs 放射源读数，各测量点的读数平均值，扣除本底后除以对应的相对活度值，

54、得到探测器在距离几何中心 50cm 处试验点的各活度响应值： （3-1）式中， 探测器计数平均值，cps； 探测器本底计数平均值，cps； A 放射源活度，kBq； Ri 各校准点的活度响应，cps /kBq；各测量点活度响应的平均值即为探测器的平均活度响应，用R来表示： （3-2） 各试验点的活度响应与平均活度响应的相对偏差为活度响应非线性： （3-3）式中，L 活度响应非线性，%。 R 平均活度响应，cps /kBq。3.2.4 试验研究结果用 137Cs 放射性放射源测量行李放射性测控装置的活度响应及非线性，测量结果由表3-2和图3-2所示：表3-2探测器对参考点处137Cs 放射性放射

55、源的活度响应及其非线性放射源距探测器中心的距离(cm)相应于参考点处的活度(kBq)活度响应(cps /kBq)82.6cm3714.8458.3cm7415.0450.0cm10117.0947.7cm11117.1541.3cm14818.2137.0cm18518.24平均活度响应（cps /kBq）16.76活度响应非线性（%）11.5图3-2 探测器对参考点处137Cs 放射性放射源的活度响应测量结果显示装置的活度响应为16.8 cps/kBq，表示在试验设定的测量条件下，该行李放射性测控装置对于活度为1kBq的137Cs 放射性核素的响应读数为16.8s-1，或者说该行李放射性测控

56、装置的灵敏度为每秒分之一的计数率代表了60Bq的137Cs核素放射性活度。活度响应的大小反映了探测器对放射性辐射的探测能力，活度响应值愈大表明装置的探测灵敏度愈高。装置活度响应非线性为 11.5 %，表示在测量范围内，装置对137Cs 放射性核素测量结果的相对偏差不超过11.5%。活度响应非线性反映了探测器对放射性辐射响应的相对偏差，非线性愈小，表明装置对放射性辐射的探测结果愈准确可靠。行李放射性测控装置对137Cs 放射源在各测量点的活度响应见表3-3及图3-3所示：表3-3 各测量点的活度响应值放射源与探测器几何中心的距离(cm)活度响应（cps /kBq）82.67.8758.313.3

57、450.017.1547.718.7841.322.0537.027.19图3-3 各测量点的活度响应值由表3-3 中数据可见：放射源距探测器越远，测得的活度响应值就越小，这是由于放射性辐射随照射距离而衰减，在不同的测量点，活度响应值随距离而变化，这在前面“1.4.4 对比分析”部分中有所提及。同样，对于不同的放射性核素，其射线的能量不同，在空气中的吸收衰减也不同，则活度响应的测量结果也不同。所以，对于行李放射性测控装置，其活度响应是对应于特定放射性核素以及测量参考点的一个参量。3.2.5 几种解决天然放射性甄别方法参考装置的活度响应由装置探测器本身的性能所决定，是放射性辐射测量仪器一个常用的

58、重要参数，体现了探测器的探测能力，仪器响应的非线性通常也被称为相对固有误差。由于活度响应与射线的能量和测量条件相关，所以校准装置的活度响应时，应注明放射源核素（或射线能量）和测量条件。 在实际探测应用中，解决天然放射性的甄别方法有多种，包括光幕探测装置的应用、NBR技术等。尽管人工辐射源比起天然放射性核素普遍具有能量低的特点，但是通过这些方法可以有效的将天然放射性核素与人工辐射源区分开，从而实现天然放射性的甄别，参考附录。3.3 讨论分析从以上应用讨论，我们可以在公共场所放射性物质监测方面有一些启示：1）为了携带和走私放射性物质，非法份子通常会对放射性物质进行屏蔽，这样就必须采用高灵敏度的探测

59、设备才可能把屏蔽后的放射性物质检测出来；2）放射性物质的检测不能依靠单一设备，最少采用怀疑、确认两个步骤，才能确定真正的非法携带（详细流程可参考前面“1.3部分”绘制的流程图）；3）放射性物质可以在很小的体积下对人造成威胁，这样可以很方便藏匿和塑形，检测人员需要保持高度的警惕，尽量不放过可疑物品；4）检查人员应采取正确的检测方法，这样可以在防止公共威胁的同时更好地保护自己。另外，目前紧张的国际形势使公共安全处于潜在的极大威胁之中，核威胁也不再是停留在国与国之间的战略层面，它正在被国际恐怖分子利用，一旦遭受恐怖分子的核攻击，公众以及国家将会有极大的损失。这就要求每个公民从思想上重视核检测的必要性

60、，配合检测人员完成正常检查工作，使核安检工作能够顺利进行。东华理工大学毕业设计（论文） 结论结论本文主要讨论的通道式放射性检测系统的探测器采用的是塑料闪烁体，这在文章开始便提到了，它与其他探测器相比有其不可比拟的优势所在，即性能稳定、机械强度高、耐潮湿、制作简便、易于加工、耐辐照性能好等，塑料闪烁体的探测效率虽不如 NaI (Tl)闪烁体的高，但其体积可做得较大，且透明度高，光传输性能好，闪烁衰减时间短，足以弥补其探测效率低的不足。NaI (Tl)闪烁体虽然价格昂贵，难以做大，但凭借其探测效率和分辨本领高的优势，它同样被用于一些通道式放射性检测系统中，如人员出入口放射性检测系统、行李包裹等放射

61、性检测系统等，这些虽然只是一些小型检测装置，但它为我们人类做的贡献是不可忽略的，因为它们为我们提供了更多的安全保障！通过通道式检测系统性能分析，可知：传统通道式放射性检测系统很难探测分析出人工辐射源的存在，主要原因在于人工辐射源能量低，易受“屏蔽效应”干扰，然而，人工辐射源就目前而言，其重要性所有人都有目共睹，它在工业和医学方面都取得了可观的成效，幸亏经过一代又一代的继续研究和开发，该系统在多方面已经取得重大突破和进展，包括载体外壳的屏蔽效应、系统的活度响应、探测的能力和灵敏程度等等。如今在克服天然放射性的影响工作方面，已有NBR技术的诞生，这在一定程度上为通道式放射性检测系统的研制减轻了很多负担，同时为辐射源的安全检测做出了一大贡献！受天然放射性影响，由于天然放射性具有能量高、穿透力强、易探测等特点，因此，对于铀、钍及钾等放射性同位素的探测不在话下。当然也存在这样的情况就是其成分及含量都很少，即使它具有以上所说的特