基于序貫貝葉斯分析的放射性核素快速識別方法研究.pdf

1、放射性材料在國民生產(chǎn)和經(jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用，在核電事業(yè)發(fā)展和核恐怖主義威脅日益加深的今天，為防止擴散、走私和惡意使用放射性材料（包括特殊核材料），對放射性材料的管理和監(jiān)控成為核安全領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題，然而要實現(xiàn)對放射性材料的快速探測及識別一直是學(xué)術(shù)界公認的世界性難題。通常情況下，通過被動探測及分析放射性材料釋放出的特征伽馬射線，實現(xiàn)對放射性材料的定性和定量判斷。在傳統(tǒng)方法中，能譜分析方法獨樹一幟——基于高斯假設(shè)，統(tǒng)計性地分析

2、特征伽馬射線的能量分布，這一方法結(jié)合具有能量高分辨的高純鍺探測器，可以精確定量給出放射性材料的種類、活度等信息。能譜分析方法需要通過大量輻射事件累計得出統(tǒng)計性結(jié)果，導(dǎo)致無法在短時間（秒量級）內(nèi)識別放射性核素種類，因此不適合應(yīng)用與海關(guān)、港口、機場和邊境檢查點的安檢場景。上述應(yīng)用場景中，放射性材料通常都會放置于屏蔽良好的容器罐中或置于集裝箱內(nèi)，使得伽馬畸變和計數(shù)率低，為此需要有針對性地研究一種新型放射性核素快速識別方法。
　　序貫貝葉

3、斯分析方法在這種需求牽引下孕育而生，由美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室于2009年首次提出。該方法利用放射性核素的三種“指紋特征”——半衰期、特征伽馬射線能量和特征伽馬射線分支比，選取固定的先驗探測模型并結(jié)合貝葉斯法則和序貫概率比檢驗理論，對放射性核素的存在性作出實時判斷。本文緊跟國際研究最新進展，在國內(nèi)首次開展序貫貝葉斯分析快速識別放射性核素研究，積累了大量數(shù)據(jù)資料，填補了國內(nèi)空缺;本文基于現(xiàn)有的文獻資料分析了這一研究方向的研究現(xiàn)狀，針對

4、當(dāng)前研究的局限和不足，提出數(shù)值模擬、離線實驗和在線實驗三步走的研究方案和技術(shù)路線。首先在國際上首次提出數(shù)值模擬平臺搭建方法并開展數(shù)值模擬研究;其次，在國際上首次提出離線實驗方法并開展離線實驗研究;最終，在國內(nèi)首次搭建序貫貝葉斯分析系統(tǒng)并開展在線實驗研究。通過上述研究，全面論證了序貫貝葉斯分析快速識別放射性核素的可行性，在國際上首次研究并闡明該方法的探測性能（探測率、平均探測時間和虛警率）隨放射性核素活度的變化規(guī)律，同時量化評估了方法的探

5、測下限。
　　在探測器性能研究和能量刻度方面，詳細研究了KLB5075型LaBr3(Ce)閃爍體探測器能量分辨率、探測效率和工作穩(wěn)定性等重要參數(shù)，結(jié)合實驗測定參數(shù)利用MNCP5模擬計算獲取了探測器0.1-2MeV能區(qū)內(nèi)若干單能伽馬射線的響應(yīng)函數(shù);分析了探測器由138La和227Ac產(chǎn)生的固有放射性，并利用固有放射性首次提出探測器能量自刻度方法，證明了自刻度方法的可行性和實用性。該部分研究為下一步研究工作提供了數(shù)據(jù)支持。
　　

6、在數(shù)值模擬方面，嚴(yán)格定義了需要求解的物理問題，按功能分解了處理流程，包括初始化、探測器、數(shù)據(jù)采集、事件甄別、參數(shù)估計、決策函數(shù)更新和核素存在性判別;首次提出了具有普適性的放射性核素簡化探測模型，引入模型探測率描述相應(yīng)的簡化探測模型，基于先驗探測模型，利用貝葉斯法則和序貫概率比檢驗理論推導(dǎo)并給出事件甄別、參數(shù)估計、決策函數(shù)更新和核素存在性判別的具體算法和計算公式，搭建了序貫貝葉斯分析處理器;首次引入測試探測率，結(jié)合探測器單能伽馬射線響應(yīng)函

7、數(shù)，利用Monte Carlo抽樣原理搭建輻射事件序列生成器，模擬生成多種輻射場;在MatLab7.0環(huán)境下搭建數(shù)值模擬平臺，具體實現(xiàn)序貫貝葉斯分析處理器和輻射事件序列生成器。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)測試探測率等于模型探測率時，137Cs和60Co的探測時間均小于1s，初步驗證了方法的可行性;處理器對目標(biāo)核素的探測性能取決于模型探測率和測試探測率的數(shù)值關(guān)系，并受到來自高能射線康普頓散射和宇宙射線的干擾。
　　在離線實驗方面，優(yōu)化改進序

8、貫貝葉斯分析算法，使其適用于實驗環(huán)境，提高本實驗室本底輻射場適應(yīng)性。針對實驗測量系統(tǒng)的局限性，首次提出離線實驗方法——基于實驗測量脈沖幅度譜（能譜）和輻射事件間隔的指數(shù)衰減模型，利用Monte Carlo抽樣原理二次生成具有高仿真度的輻射事件序列，并從統(tǒng)計上證明了離線實驗方法的正確性。搭建離線實驗平臺，首次研究了處理器對137Cs、60Co、133Ba和152Eu的探測性能隨目標(biāo)核素放置距離的變化規(guī)律，并首次引入最大可探測距離(MDD)

9、和本底虛警水平距離(BFLD)量化評估處理器的探測性能。離線實驗結(jié)果顯示，以上四種核素的平均探測時間均在秒量級，間接證明了方法的可行性。137Cs(7.676×103Bq)、137Cs(1.679×104Bq)、60Co(1.365×103Bq)、152Eu(8.962×103Bq)和133Ba(7.147×104Bq)的最大可探測距離分別為55、70、30、25和157cm。
　　在在線實驗方面，研制了序貫貝葉斯分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

10、——基于前端可編程門陣列(FPGA)的脈沖分析器，實時分析探測器輸出脈沖信號，轉(zhuǎn)化為包含脈沖能量和達到時間的輻射事件序列，滿足序貫貝葉斯分析處理器的數(shù)據(jù)輸入要求;在此基礎(chǔ)上，首次結(jié)合LaBr3(Ce)閃爍體探測器搭建序貫貝葉斯分析系統(tǒng)，能量分辨率良好(3.2％@661keV)，時間分辨率為10-7s，脈沖計數(shù)率≥2kHz，數(shù)據(jù)采集控制軟件和序貫貝葉斯分析處理器均在Labwindow CVI8.5下開發(fā)。整個系統(tǒng)有良好的便攜性、兼容性、擴

11、展性和實時性。通過在線實驗，首次研究了系統(tǒng)對137Cs、60Co、133Ba和152Eu的探測性能隨目標(biāo)核素放置距離的變化規(guī)律，沿用了最大可探測距離和本底虛警水平距離兩個參量，同時又首次引入等效最小可探測活度(EMDA)共同定量表征系統(tǒng)的探測性能。在線實驗結(jié)果直接證明了序貫貝葉斯分析快速識別放射性核素的可行性，探測性能的變化規(guī)律與數(shù)值模擬和離線實驗吻合良好:系統(tǒng)對當(dāng)前存在目標(biāo)核素的探測率和平均探測時間隨源放置距離增大而分別減小和增大，對

12、其他非存在目標(biāo)核素的虛警率隨源放置距離增大而迅速降低至本底虛警水平。137Cs(1.588×105Bq)、60Co(1.862×104Bq)、133Ba(6.874×104Bq)和152Eu(9.723×104Bq)的最大可探測距離分別為123cm、80cm、102cm和80cm，相應(yīng)的等效最小可探測活度為16.4Bq、4.54Bq、10.32Bq和23.72Bq。
　　綜上所述，本文系統(tǒng)地研究基于序貫貝葉斯分析的放射性核素快速識