各种通道式放射性检测系统的性能比较与研究.docx

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各种通道式放射性检测系统的性能比较与研究

毕业设计（论文）

题目：

各种通道式放射性检测系统的性能研究与比较

英文题：

Theperformanceofthechannelradiationdetectionsystemdirectlyresearchandcomparison

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

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使用授权说明

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按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

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学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

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日期：

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注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

3）其它

摘要

核技术的高速发展，伴随的是核辐射对人类的巨大危害。

尤其是一些放射性核素被携带而导致的核辐射污染，所以针对通道式放射性检测系统的性能研究就显得更加重要。

论文通过对12种不同型号的通道式放射性检测系统的性能参数进行检索，分析每个性能参数在通道式放射性检测系统中所代表的含义，最后把每个检测系统的各个性能参数制成性能参数表。

对同一种通道式放射性检测系统来说，考虑它的各个性能参数对该检测系统的性能的影响；对不同型号的通道式放射性检测系统的同一性能参数来说，大小不一的性能参数决定了该检测系统的探测效率的不同。

论文对比分析之下，决定一个通道式放射性检测系统的性能参数主要有系统所使用的探测器、探测器对射线的能量响应范围、探测器对射线的灵敏度、系统探测概率、系统误报警率、系统所能适应的工作温度和湿度范围以及系统的数据收集时间。

关键词：

通道式放射性检测系统；性能参数；核辐射；放射性核素

ABSTRACT

Therapiddevelopmentofnucleartechnologyisalwaysaccompaniedbygreatharmtohumanbeingsfromnuclearradiation.EspeciallySomeradioactivenuclidesarecarriedtothenuclearradiationpollution.Sostudyingtheperformanceofradioactivedetectionsystemismoreimportant.onpaper,12typesofradioactivedetectionsystemdirectlypropertyweresearched,andAnglicizingeachperformanceparametersdirectlyintheinspectionsystemofradioactiverepresentsmeaning.Finallytheeachdetectionsystemofeachperformanceparametersoftheperformanceparametersofthetableismade.Directlytothesameradioactivedetectionsystemforexample,WeshouldConsidereachofitsperformanceparametersonthetestsystemperformanceimpact;Todifferenttypesofradioactivedetectionsystemofthesamedirectlyforperformanceparameters,differSizeperformanceparametersdecidedthetestingsystemofdifferentdetectionefficiency.SodecidingtoaradioactivedetectionsystemdirectlytheperformanceofthemainparametersareThedetector,Energyresponserange,sensitivity,Systemdetectionprobability,systemerroralarmrate,WorkingtemperatureandhumidityrangeandDatacollectiontime.

Keywords：

Thechannelradiationdetectionsystem;performanceparameter;nuclear;radioactivenuclide

1.绪论

1.1论文背景

20世纪以来，我国的核事业已取得辉煌的成就，不仅核电建设取得初步成就，还建成独立完整的核科技与工业体系；并且核技术应用领域不断扩大。

核科学技术的飞速发展解决了人类的许多困扰已久问题，例如能源、放射性诊断、辐射防护等。

同样我们也不可忽视它的弊端，核辐射照射对人类的损伤绝对称得上是致命的，一些不法分子通过携带各种放射性同位素，形成放射性污染，害人害己。

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的物质等任意流通，通道式放射性检测系统出现了。

目前国外的通道式放射性检测系统发展迅速，许多公司都有专门研发团队的技术支持，例如美国的ThermoFisherScientific（美国热电）公司，美国ORTEC（美国奥泰克）公司、德国Tracerlab公司、法国SDEC公司等，几十年来一直致力于核仪器的研究与开发，可以说在一定程度上，它们代表了当今世界核仪器的发展史。

相比之下，我国的核仪器研发处于相对弱势，目前国内有一些核仪器销售公司，而他们所销售的核仪器也大多数来自国外，有些则是引进国外的材料和器件，再由自己的研发团队进行组装。

当然产品质量也相对不尽如人意。

为了防止放射性核素被携带进入人口密集的区域，通道式放射性检测系统常常安装在飞机场、火车站、汽车站、露天大型运动场等行人密度大的交通区域，当然核工厂、核设施、核电站、钢铁企业、废旧钢铁回收厂等出入口也必不可少的需要安装。

1.2研究现状及方向

正是由于通道式放射性检测系统在辐射防护中发挥着如此重要的作用，使得通道式放射性检测系统如雨后春笋般出现在我们的面前。

那么假使有一个通道式放射性检测系统摆在我们的面前，我们该从哪些方面去研究某个通道式放射性检测系统？

它的性能参数有哪些？

这些性能参数的所表达的意义是什么？

如何通过系统的性能参数来判断该系统的检测性能的强弱？

这些就是论文所要研究的方向。

通过了解各个通道式放射性检测系统的性能参数的含义，分析和比较各个不同的通道式放射性检测系统的性能，获得最标准、最理想的通道式放射性检测系统的性能参数值。

这样，当我们碰到一个通道式放射性检测系统时，我们可以根据其性能参数，把它和所得到的标准值进行对比，从而更方便的判断它的检测性能

论文将会选取12个不同型号的通道式放射性检测系统，包括车辆通道式放射性检测系统、行人通道式放射性检测系统以及行包通道放射性检测系统，得到它们的性能参数，并对这些性能参数一一分析，作出每个型号的检测系统的性能参数表，然后对这12个型号不同的检测系统的性能参数表进行整理合并，放在一个表格中进行比较，通过对比这12个不同型号的检测系统的各个性能参数，可以得出最标准最理想的通道式放射性检测系统的各个性能参数。

从论文题目“各种通道式放射性检测系统的性能研究与比较”来看，本论文将分为四个层次进行介绍：

1）什么是放射性。

既然是反射性检测系统，我们首先的明确什么是放射性，它的来源、它的危害以及如何防护；

2）什么是通道式放射性检测系统。

包括它的结构、原理、它的功能作用以及它运行时的现象；

3）各种不同的检测系统。

论文将介绍各种不同型号的通道式放射性检测系统，包括它们的仪器特点、技术参数；

4）检测系统的系能分析和比较。

论文将对12个不同型号的通道式放射性检测系统的各个性能进行总结，归类再分析比较，得到最佳性能参数；

本论文旨在归纳总结影响通道式放射性检测系统的性能的参数以及让大家学会如何去分析某个通道式放射性检测系统的性能好坏，当然，本篇论文有一些不足之处，例如一些通道式放射性检测系统的性能参数不够完善，以至于系统之间性能比较不够充分……

2.放射性

2.1什么是放射性

某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线，只能用专门的仪器才能探测到的射线。

物质的这种自发放出带电粒子流或γ射线，或在俘获轨道电子后放出X射线或自发裂变的特性叫做放射性。

放射性是1896年法国物理学家贝壳勒尔（H.Becquerel）发现的。

他发现铀盐能放射出穿透力很强的一种是高速运动的氦原子核的粒子束，称位α射线，它的电离作用大，贯穿本领小。

另一种是高速运动的粒子束，称为β射线，它的电离作用较小，贯穿本领大。

第三种是波长很短的电磁波，称为γ射线。

它的电离作用小，贯穿本领大。

以上三种射线，由于它们的电离作用贯穿本领，在工业、农业、医学和科学研究重要的应用现在知道，许多天然和人工制造的核素都能自发地放射出射线。

除了上述3种射线外，还有正电子能放射出穿透力很强的，并能使照相底片感光的一种不可见的射线。

经过研究表明，它是由三种成份组成的研究重要的应用。

还有正电子、质子、中子和中微子等其它粒子。

能放射各种射线的核素，称为放射性核素。

发射放射性是三种成份组成的。

发射放射性是核素一种固有的特性，不受加温、、加压或加磁场的影响，是由原子核内部的变化引起的内部的变化引起的，与核外电子状态的改变关系很小。

对放射形的研究可以深入了解原子核内部的结构。

2.2放射性的来源

放射性的来源大题可分为三类：

宇宙射线、天然放射性核素、人工放射性核素。

其中宇宙射线和天然放射性核素属于天然辐射源，人工放射性核素属于人工辐射源。

2.2.1天然辐射源

天然放射性核素是天然放射性系列中的核素的统称。

自然界中天然存在某些放射性核素，它们不断产生连续的衰变，构成放射性系列。

天然放射性系列有三个，即以238U为首的铀系，以235U为首的锕铀系或锕系和以232Th为首的钍系。

他们都有相当长的半衰期（以上三者分别为4.49×109年、7.13×108年和1.39×1010年），其原子从开始一直存留到现在。

其它原子序数大于81的放射性核素均属重元素，这些核素之所以存在是由于铀和钍的长寿命核素不断衰变的结果。

天然放射性核素有两大类：

一类是具有衰变系列的放射性核素，即铀系、钍系、锕系，每一个系都可连续衰变十几次，才变为稳定性核素的子体，母元素均为原子序数大于83的重的天然放射性核素，半衰期都在1010年以上；第二类是无衰变系列的天然放射性核素，如40K、87Rb等。

2.2.2人工辐射源

人工放射性核素是指利用反应堆的中子流和加速器的高能带电粒子流，人为制备的放射性核素。

应用人工方法可得到所有元素的放射性同位素，已经得到的人造放射性核素有近千种。

它们有的放出β射线，有的放出正电，有的同时有伽马射线相随放出，有少量重元素的人工放射性核素有α射线。

人工放射性核素主要利用裂变反应堆和粒子加速器制备。

通过反应堆制备有以下两个途径：

①利用反应堆中产生的强中子流照射靶核，靶核俘获中子而成为放射性核；②利用中子引起重核裂变，从裂变产物中提取放射性核素。

用加速器制备主要是带电粒子引起的核反应产生放射性核。

利用反应堆生产的产量高、成本低，是人工放射性核素的主要来源。

用反应堆生产的是丰中子核素,因此它们通常具有β-放射性。

用加速器生产的则相反，往往是缺中子核素，因而一般具有β+放射性,而且多数的半衰期短。

在目前所知的大约2000种核素中,绝大多数是人工放射性核素。

它们在科学研究和生产实践中起着重要作用，例如核燃料239Pu和常用的γ放射源60Co。

2.3放射性的危害

建筑陶瓷（瓷砖、洗面盆和抽水马桶）主要是由粘土、沙石、矿渣或工业废渣和一些天然助料等材料成型涂釉经烧结而成。

由于这些材料的地质历史和形成条件的不同，或多或少存在着放射性元素，如钍、镭、钾等。

特别是建筑陶瓷表面的一层“釉料”中，含有放射性较高的锆铟砂，虽然建筑陶瓷的烧成温度大多在1100℃至1300℃，但是并不能消除这些物质的放射性，其放射性高低决定于材料和釉质中的放射性，因为各地各品种瓷砖放射性有差异。

现代都市中放射性污染几乎无处不在，人们生活消费品如玻璃、陶瓷、建筑材料等不同程度地存在放射性物质，人们不必因此而恐慌。

陶瓷洁具的放射性传播量一般不大，只要购买时选择正规厂家产品，平时注意居室开窗通风就行了。

放射性物质广泛存在于地质层中，众所周知对人体有一定的伤害。

我们的身体对放射性的承受能力有一定限度，过度了则有可能引起不适和病变。

所以说，放射性物质超过一定标准就一定会造成危害。

研究证明，建筑装饰材料放射性超标，直接影响消费者特别是儿童、老人和孕妇的身体健康，使人体免疫系统受损害，并诱发类似白血病的慢性放射病。

建筑材料中的放射性危害主要有两个方面，即体内辐射与体外辐射。

体内辐射主要来自于放射性辐射在空气中的衰变而形成的一种放射性物质氡及其子体。

氡是自然界唯一的天然放射性气体，在作用于人体的同时会很快衰变成人体能吸收的核素，进入人的呼吸系统造成辐射损伤，诱发肺癌。

统计资料表明，氡已成为人们患肺癌的主要原因，美国每年因此死亡的达5000—20000人，我国每年也约有50000人因氡及其子体致肺癌而死亡。

另外，氡还对人体脂肪有很高的亲和力，从而影响人的神经系统，使人精神不振，昏昏欲睡。

体外辐射主要是指天然石材中的辐射体直接照射人体后产生一种生物效果，会对人体内的造血器官、神经系统、生殖系统和消化系统造成损伤。

2.4辐射防护

2.4.1辐射照射

体外辐射源对人体的照射称外照射，三种途径来减少外照射剂量：

1）远离放射源。

在处理一个废弃、闲置或无主的放射源时,应尽可能利用长柄操作工具。

有条件时,利用机器人遥控处理放射源。

除非有必要,无执勤任务的人员应远离放射源和不进入放射性污染区。

2）缩短与放射源接触时间。

因此,应加强对从事核与辐射突发事件应急处理人员的训练,提高工作熟练程度,缩短作业时间。

3）有效利用屏蔽物削弱射线作用于人体的强度。

在处理单个放射源时,也应利用具有良好屏蔽性能的物体（如铅砖、铁板、混凝土版）来减少人体的受照剂量。

也可利用建（构）筑物和大型车船体对贯穿辐射的屏蔽性能。

在房屋内,里间的屏蔽性能优于外间,墙角处优于屋正中,更优于门后。

进入人体内的放射性核素作为辐射源对人体的照射称内照射。

为防止放射性微尘的吸入,首先应避免扬尘使近地面空气再度污染,如人员步行、车辆行驶或土工作业时,均应注意尽量减少扬尘。

确实难以避免时则可采取加大车距、改变通过路线等方法避开多尘的地点,适当浇湿地面也可减少扬尘。

对于放射性微尘,通常利用口罩就可以有较满意的效果,其阻留放射性微尘的效果可达80%～90%,但是应正确佩带口罩,防止侧漏。

α、β、γ三种射线由于其特征不同，其穿透物质的能力也不同，他们对人体造成危害的方式不同。

α粒子只有进入人体内部才会造成损伤，这就是内照射；γ射线主要从人体外对人体造成损伤，这就是外照射；β射线既造成内照射，又造成外照射。

2.4.2α射线的防护

如何防护α射线：

由于α粒子穿透能力最弱，一张白纸就能把它挡住，因此，对于α射线应注意内照射，其进入体内的主要途径是呼吸和进食时，其防护方法主要是：

一防止吸入被污染的空气和食入被污染的食物；二防止伤口被污染。

2.4.3β射线的防护

如何防护β射线:

β粒子、其穿透能力比α射线强，比γ射线弱，因此，β射线是比较容易阻挡的，用一般的金属就可以阻挡。

但是，β射线容易被表层组织吸收，引起组织表层的辐射损伤。

因此其防护就复杂的多。

方法有：

（1）避免直接接触被污染的物品；以防皮肤表面的污染和辐射危害；

（2）防止吸入被污染的空气和食入被污染的食物；（3）防止伤口被污染；（4）必要时应采用屏蔽措。

2.4.4γ射线的防护

如何防护γ射线：

γ射线穿透力强，可以造成外照射，其防护的施。

方法主要有以下三种：

（1）尽可能减少受照射的时间；

（2）增大与辐射源间的距离，因为受照剂量与离开源的距离的平方成反比；（3）采取屏蔽措施。

在人与辐射源之间加一层足够厚的屏蔽物，可以降低外照射剂量。

屏蔽的主要材料有铅、钢筋混凝土、水等，我们住的楼房对外部照射来说是很好的屏蔽体。

3．通道式放射性检测系统

3.1系统简介

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的物质通过进出口岸流入我国，从本世纪初开始，在沿海各出入境码头设置了监测车载货物放射性的装置———通道式车辆放射性监测系统。

该系统主要由探测器和监控系统组成，探测器部分使用基于数字信号处理（DSP）的塑料闪烁体或CDM中子探测器，监控系统由信号处理单元CTM和计算机构成（如下图1所示）

图1监控系统

3.2系统的工作原理

通道式放射性检测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γ本底,即使所探测的区域内没有核材料存在,也会有γ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,γ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γ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（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4～6。

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γ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Δt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Δt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,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2和3，即当车辆通过检测仪时本底值的变化情况：

图2无放射源车辆通过情况示意图

（说明：

由于车辆是金属结构，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。

图3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。

3.3系统结构及其工作流程

3.3.1检测系统的结构

车