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降低放射性物质监测系统中被检车辆屏蔽效应的方法研究

2013-10-23 5页 pdf 766KB 14阅读

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降低放射性物质监测系统中被检车辆屏蔽效应的方法研究 � 第 28 卷 � 第 1 期 核电子学与探测技术 Vol. 28� No. 1� � 2008年 � 1 月 Nuclear Electr onics & Detect ion T echnolo gy Jan. � 2008� � 降低放射性物质监测系统中 被检车辆屏蔽效应的方法研究 邓先祺,李荐民,王小兵 (清华大学工程物理系, 北京 � 100084) � � 摘要:研制了一套带有基于光幕的车辆轮廓采集模块的放射性物质监测系统, 该系统能降低待检 车辆在通过监测系统时对探测器造成的屏蔽效应, 提高了系统的报警...
降低放射性物质监测系统中被检车辆屏蔽效应的方法研究
� 第 28 卷 � 第 1 期 核电子学与探测技术 Vol. 28� No. 1� � 2008年 � 1 月 Nuclear Electr onics & Detect ion T echnolo gy Jan. � 2008� � 降低放射性物质监测系统中 被检车辆屏蔽效应的研究 邓先祺,李荐民,王小兵 (清华大学工程物理系, 北京 � 100084) � � 摘要:研制了一套带有基于光幕的车辆轮廓采集模块的放射性物质监测系统, 该系统能降低待检 车辆在通过监测系统时对探测器造成的屏蔽效应, 提高了系统的报警灵敏度。介绍了系统的工作情况, 并进行了初步试验。 关键词:放射性物质监测系统; 屏蔽效应;光幕; 报警灵敏度 中图分类号: � T L75� � 文献标识码: � A � � 文章编号: � 0258�0934( 2008) 01�0150�05 收稿日期: 2006�05�12 作者简介 :邓先祺( 1980- ) , 男湖南衡阳人, 清华大 学工程物理系在读硕士研究生, 导师李荐民副教授。 主要研究方向:放射性物质监测系统的研究。 � � 由于近年来国际上频繁发生恐怖事件, 尤 其是自� 911 事件以来,世界各国都清醒地认识 到对恐怖主义活动的防范和打击的必要性和艰 巨性。特别是由于核弹的致命性威力, 各国对 防止用于制造核弹的特殊核材料 ! ! ! 钚和高浓 缩铀的非法扩散都制定了特殊的策略。为此, 各国分别研制了相应的放射性物质监测系统, 用于在各关口对通行的行人、车辆或者火车进 行监测,以阻止放射性物质的非法扩散。在车 辆或火车/集装箱监测系统中,由于通过的车辆 (火车/集装箱)本身会屏蔽部分天然本底,造成 探测器本底计数的下降。而普通的报警阈值设 定,是在无车通过时候通过采集本底形成 报警阈值,而在有车通过时锁定报警阈值,由此 被检车辆的屏蔽效应会造成监测系统的报警灵 敏度降低。目前的世界形势对于�安全 的要求 越来越高, 对车辆以及火车的放射性物质监测 系统的报警灵敏度的要求也随之提高。 为了解决以上问题, 我们研发了用于车辆 监测的放射性物质监测系统, 这套系统采用了 基于光幕的车辆轮廓采集模块,用来获取被检 车辆的截面分布数据,再通过软件算法对车辆 通过时的报警阈值进行基于车辆截面信息分布 的调整, 从而提高了系统在监测时候的报警灵 敏度。 1 � 系统介绍 1� 1 � 系统组成 系统主要由以下几块组成: 伽玛探测模块、 占用/速度探测模块、声光报警模块、数据获取 与处理分系统以及车辆轮廓采集模块。系统功 能框图见图 1。监测系统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, 从而实现判断被检车辆是 否含有放射性物质。当放射性物质发射的伽玛 射线入射到探测器, 与探测器材料相互作用变 换为电脉冲信号输出; 经由前置放大器、主放大 器、甄别器后,进入数据获取与处理子系统后分 析处理,如果发现通过的车辆带有放射性物质, 就会由声光报警模块进行报警。 150 图 1� 放射性物质监测系统功能框图 1� 2 � 被检车辆屏蔽效应对报警阈值算法带来 的影响 普通的放射性物质监测系统常采用实时报 警模式,其报警阈值的设定采用概率统计方法: TR= B+ �∀ s。其中, T R 为报警阈值, B 为平 均本底计数率, s 为平均本底计数率的偏 差, �为置信系数,是本底涨落的倍数。本系统 中,平均本底计数率采用移动平均值获得。监 测系统以时间间隔 T dm对探测数据通道进行计 数 Cdm ; 将采到的 N dm - 1 个连续计数值与第 N dm个计数值相加,除以 N dm得到移动平均值 M bkg。报警阈值 TR 在本系统中则根据以下式 ( 1)得出(其中置信系数 �目前系统中设为 5) : TR = M bkg ∀ T dm + �∀ M bkg ∀ T dm ( 1) 1� 2� 1 � �动态阈值 方案带来误报警 �动态阈值 方案是指,在被检车辆通过监 测系统之前、之中以及之后,报警阈值的设定一 直按照式( 1)的方法,进行动态调整。这一方案 由于被检车辆的屏蔽效应会带来源于车辆外形 的系统误报警。车辆经过监测系统时,由于其 对天然本底的屏蔽效应, 会造成系统接受到的 本底计数下降, 从而所计算出的报警阈值也会 下降。有些车辆,例如集装箱卡车在其车头与 集装箱之间, 其侧投影有一些部位高度骤降。 这些部位在通过监测系统时, 屏蔽效应比其前 后部位低很多, 形成当时的系统计数上升。而 由于报警阈值的计算是在时间上落后于采集到 的系统计数值的, 所以在这些部位极容易造成 系统误报警。图 2显示了这一问题。同理, 在 车辆离开监测系统时也容易产生这个问题。 图 2� � 动态阈值 方案下被检车辆 屏蔽效应带来的误报警示例 1� 2� 2 �锁定阈值 方案造成报警灵敏度下降 �锁定阈值 方案是指, 无车辆经过监测系 统时,系统处于�本底模式 , 不断根据式( 1)进 行报警阈值的更新, 当车辆开始进入监测系统 时,系统切换到�探测模式 ,并将报警阈值锁定 为最后一次更新的值, 当车辆离开监测系统后, 系统返回�本底模式 ,报警阈值继续进行实时 更新。图 3显示了这一过程。�锁定阈值 方案 能避免�动态阈值 方案所带来的误报警问题。 实际上, 目前通用的放射性物质监测系统均采 用的是�锁定阈值 方案。 图 3� � 锁定阈值 方案示例 � � 我们定义报警灵敏度为报警阈值和监测时 的本底的差与监测时的本底之比,其绝对值越 151 小说明报警灵敏度越高。见式 ( 2) , 其中, S 为 报警灵敏度, T R 为式( 1)定义过的报警阈值, M 为监测时的本底, 即若被检车辆没有放射性 物质时系统的单位采集时间计数。 S = TR - M M ∀ 100% ( 2) � � 由图 3可清晰看出, 在探测模式下,由于监 测时的本底下降,报警灵敏度低于预期报警灵 敏度。图 4给出了一组实测数据, 其中,纵轴为 每单位采集时间(目前系统设为 100 毫秒)计 数,横轴为采样序号, 每两序号间相隔 100 毫 秒。图中显示的探测计数曲线为经过移动平均 算法处理过的曲线, 即式( 1)中的 M bkg的曲线。 下文中类似图示中的曲线与此相同。 图 4 � � 锁定阈值 方案下实测数据 图 4中,报警阈值曲线中间一段实线部分 为探测模式下的阈值, 其余部分为实时更新的 本底模式报警阈值。按照图 4 数据计算, 本底 模式时,期望的报警灵敏度应约为: S = 276 - 203 203 ∀ 100% = 35� 5% ( 3) � � 但进入探测模式后, 实际的报警灵敏度约 为: S = 276 - 187 187 ∀ 100% = 47� 6% ( 4) � � 该次试验中使用的车辆是一辆小型车, 高 1. 88m, 宽 1. 40m,车内无装载物品。该车的屏 蔽效应是比较低的, 实际中通过的车辆的屏蔽 效应会比这次试验的结果要更明显。 1� 3 � 车辆轮廓采集模块可降低屏蔽效应带来 的影响 为了降低被检车辆屏蔽效应对放射性物质 监测系统带来的影响, 提高系统报警灵敏度,我 们在系统中采用了�车辆轮廓采集模块 。该模 块基于光幕,能获取被检车辆的侧投影轮廓信 息。报警阈值设定方式采用�实时调整的锁定 阈值 方案, 即当系统进入�探测模式 时,锁定 最后更新的阈值作为探测模式下报警阈值的基 值,并在监测时利用车辆轮廓采集模块得到的 车辆侧投影轮廓信息对该基值进行调整。 1� 3� 1 硬件结构介绍 ( 1) 工作原理介绍 本系统采用的车辆轮廓采集模块基于光 幕。光幕是排成一列的光电传感器,带有内部 控制电路,通过对控制器进行设定,能用于很多 场合。我们采用的是一种两片式光幕系统。此 光幕系统预设为交叉扫描方式,灵敏度非 常高。一个传感器扫描周期包括两次触发每一 条发射通道(每英尺 16条通道)。发射器在与 其对应的接收器形成通道, 另外此发射器与其 下一位的接收器形成通道, 从而形成交叉扫描 的光形图,见图 5。 图 5 � 光幕示意图 ( 2) 光幕在放射性物质监测系统中应用的 介绍 在本系统中,光幕被设定为输出通过的车 辆对光电传感器的遮挡情况, 从而得到通过物 体的轮廓信息。光幕通过串口与控制计算机相 连,数据采集与处理子系统在每次采集探测器 152 通道数据的同时,通过串口获得当时的光幕数 据,然后对报警阈值进行调整,在更高的报警灵 敏度下进行放射性物质监测。光幕对通过的车 辆进行扫描的示意图见图 6。 图 6 � 光幕在系统中的应用示意图 1� 3� 2软件算法 ( 1) 阈值修正法 由于屏蔽效应,在探测模式下实测数据与 真实本底数据应存在以下关系: M实测 = a# M bkg ( 5) � � 其中 a 为屏蔽因子, M bkg为车辆通过时当 地的真实本底, M实测为在屏蔽效应影响下, 系 统实际探测到的本底。探测模式下的报警阈值 也需要对应进行调整: TR调整 = a# TR ( 6) � � 其中 T R 为上文所说的在进入�探测模式 时所锁定的报警阈值基值, T R调整为实时调整 的报警阈值。 目前所采用的光幕共有 192 对光电传感 器。当没有任何一对光路被遮挡时, a 应为 1, 而当所有光路均被遮挡时, 设其应为 a∃ 。我们 认为由于外形所带来的屏蔽效应应与被遮挡的 光路数量成线性关系,所以应有下式( n为遮挡 的光路数量) : a = ( a%- 1) # n 192 + 1 ( 7) � � 由于屏蔽效应不仅仅来自于被检车辆外 形,还与其内部所装载物品的密度有关系,所以 a%值应该在监测不同车辆时有所不同。实际 中, 如果通过该监测口的车辆及其装载物均有 标准,则此 a%可设为一固定值, 由现场试验得 出。如果通过该监测口的车辆有多种不同类 型,可以在软件中存放对应于不同车辆的 a% 值,探测时用不同的 a%值去计算, 如果报警, 同 时应给出所对应的车辆类型, 由监测口工作人 员进行对比。 ( 2) 软件流程图 图 7为采用了车辆轮廓采集模块的用于车 辆监测的放射性物质监测系统的软件流程图。 图 7 � 系统软件流程图 2 � 实验验证 进行实验验证所用车辆为一辆小型车, 高 1. 88m, 宽 1. 40m, 车内无装载物品。经实验, 确定其 a%约为 0. 9。图 8为按照�动态阈值 方 案设定报警阈值的情况,图 9为采用�实时调整 的锁定阈值 方案根据车辆截面信息对报警阈 值修正过后的情况。报警阈值曲线中段实线部 分为探测模式下的报警阈值, 其余虚线部分为 本底模式时的实时更新报警阈值。两图横轴及 左边纵轴的意义与图 3相同, 右边纵轴表示光 幕中的光路被遮挡的数目。 计算本底模式时的期望探测灵敏度, 以及 采用�锁定阈值 与�实时调整的锁定阈值 方案 153 时的探测灵敏度,如下。其中 S原 为采用�锁定 阈值 方案得到的探测模式下的报警灵敏度, S调整为采用�实时调整的锁定阈值 方案得到的 探测模式下的报警灵敏度。 图 8 � � 锁定阈值 方案下报警阈值设定情况 S预期由式( 3)得出,为 35. 5% S原由式( 4)得出,为 47. 6% S调整 = 258 - 188 188 ∀ 100% = 37� 2% ( 7) � � 由上可见, 采用阈值修正法之后,报警灵敏 度有了较大提高。 3 � 讨论与小结 采用光幕来获得通过的车辆的外形, 仅仅 从一个方面对屏蔽效应问题进行了一定程度上 的解决,尚不完美。比如关于上文式 7中 a%的 图 9� � 实时调整的锁定阈值 方案下报警阈值设定情况 确定就有相当的困难。要对屏蔽效应问题进行 更进一步的解决, 可以考虑采用 X 射线光幕, 这样,不仅仅可以得到被检车辆的外形,还可以 通过 X射线的衰减规律得到车辆的密度信息, 能更精确地确定屏蔽因子。 本文对通过放射性物质监测系统的车辆对 探测器的屏蔽效应问题进行了探讨, 并设计了 一套解决方案在一定程度上解决该问题。通过 试验,证明了这个方案是可行的,并获得了较好 的试验效果。 Research of reducing the shielding effect caused by vehicles passing the Radioactivity Monitor System DENG Xian�qi, LI Jian�min, WANG Xiao�bing ( Dept. of Eng ineering Physics, T singhua University, Beijing 100084, China) Abstract:A kind of Radioactivity Monitor Syst em w ith Vehicle Cont our Acquisit ion Module based on Op� t ical Screen is developed. T he system can reduce the shielding effect caused by the passing vehicles, so that t he alarming sensitivity is improved. T his paper introduces the work sit uation of t he sys tem and pre� liminary experiment al results. Key words:Radioact ivity Monitor Sys tem; shielding effect; Optical Screen; alarming sensitivit y 154
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