基于序貫貝葉斯分析的放射性核素快速識(shí)別方法研究.pdf

1、放射性材料在國(guó)民生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)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(kuò)散、走私和惡意使用放射性材料（包括特殊核材料），對(duì)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(wèn)題，然而要實(shí)現(xiàn)對(duì)放射性材料的快速探測(cè)及識(shí)別一直是學(xué)術(shù)界公認(rèn)的世界性難題。通常情況下，通過(guò)被動(dòng)探測(cè)及分析放射性材料釋放出的特征伽馬射線，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dú)樹(shù)一幟——基于高斯假設(shè)，統(tǒng)計(jì)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(cè)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(guò)大量輻射事件累計(jì)得出統(tǒng)計(jì)性結(jié)果，導(dǎo)致無(wú)法在短時(shí)間（秒量級(jí)）內(nèi)識(shí)別放射性核素種類，因此不適合應(yīng)用與海關(guān)、港口、機(jī)場(chǎng)和邊境檢查點(diǎn)的安檢場(chǎng)景。上述應(yīng)用場(chǎng)景中，放射性材料通常都會(huì)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(jì)數(shù)率低，為此需要有針對(duì)性地研究一種新型放射性核素快速識(shí)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(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(yàn)探測(cè)模型并結(jié)合貝葉斯法則和序貫概率比檢驗(yàn)理論，對(duì)放射性核素的存在性作出實(shí)時(shí)判斷。本文緊跟國(guó)際研究最新進(jìn)展，在國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展序貫貝葉斯分析快速識(shí)別放射性核素研究，積累了大量數(shù)據(jù)資料，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空缺;本文基于現(xiàn)有的文獻(xiàn)資料分析了這一研究方向的研究現(xiàn)狀，針對(duì)

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

5、測(cè)下限。
　　在探測(cè)器性能研究和能量刻度方面，詳細(xì)研究了KLB5075型LaBr3(Ce)閃爍體探測(cè)器能量分辨率、探測(cè)效率和工作穩(wěn)定性等重要參數(shù)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)定參數(shù)利用MNCP5模擬計(jì)算獲取了探測(cè)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(cè)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(cè)器能量自刻度方法，證明了自刻度方法的可行性和實(shí)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(wèn)題，按功能分解了處理流程，包括初始化、探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集、事件甄別、參數(shù)估計(jì)、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(jiǎn)化探測(cè)模型，引入模型探測(cè)率描述相應(yīng)的簡(jiǎn)化探測(cè)模型，基于先驗(yàn)探測(cè)模型，利用貝葉斯法則和序貫概率比檢驗(yàn)理論推導(dǎo)并給出事件甄別、參數(shù)估計(jì)、決策函數(shù)更新和核素存在性判別的具體算法和計(jì)算公式，搭建了序貫貝葉斯分析處理器;首次引入測(cè)試探測(cè)率，結(jié)合探測(cè)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(chǎng);在MatLab7.0環(huán)境下搭建數(shù)值模擬平臺(tái)，具體實(shí)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(cè)試探測(cè)率等于模型探測(cè)率時(shí)，137Cs和60Co的探測(cè)時(shí)間均小于1s，初步驗(yàn)證了方法的可行性;處理器對(duì)目標(biāo)核素的探測(cè)性能取決于模型探測(cè)率和測(cè)試探測(cè)率的數(shù)值關(guān)系，并受到來(lái)自高能射線康普頓散射和宇宙射線的干擾。
　　在離線實(shí)驗(yàn)方面，優(yōu)化改進(jìn)序

8、貫貝葉斯分析算法，使其適用于實(shí)驗(yàn)環(huán)境，提高本實(shí)驗(yàn)室本底輻射場(chǎng)適應(yīng)性。針對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)的局限性，首次提出離線實(shí)驗(yàn)方法——基于實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)上證明了離線實(shí)驗(yàn)方法的正確性。搭建離線實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首次研究了處理器對(duì)137Cs、60Co、133Ba和152Eu的探測(cè)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(cè)距離(MDD)

9、和本底虛警水平距離(BFLD)量化評(píng)估處理器的探測(cè)性能。離線實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，以上四種核素的平均探測(cè)時(shí)間均在秒量級(jí)，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(cè)距離分別為55、70、30、25和157cm。
　　在在線實(shí)驗(yàn)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(mén)陣列(FPGA)的脈沖分析器，實(shí)時(shí)分析探測(cè)器輸出脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)化為包含脈沖能量和達(dá)到時(shí)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(cè)器搭建序貫貝葉斯分析系統(tǒng)，能量分辨率良好(3.2％@661keV)，時(shí)間分辨率為10-7s，脈沖計(jì)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(kāi)發(fā)。整個(gè)系統(tǒng)有良好的便攜性、兼容性、擴(kuò)

11、展性和實(shí)時(shí)性。通過(guò)在線實(shí)驗(yàn)，首次研究了系統(tǒng)對(duì)137Cs、60Co、133Ba和152Eu的探測(cè)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(cè)距離和本底虛警水平距離兩個(gè)參量，同時(shí)又首次引入等效最小可探測(cè)活度(EMDA)共同定量表征系統(tǒng)的探測(cè)性能。在線實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接證明了序貫貝葉斯分析快速識(shí)別放射性核素的可行性，探測(cè)性能的變化規(guī)律與數(shù)值模擬和離線實(shí)驗(yàn)吻合良好:系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前存在目標(biāo)核素的探測(cè)率和平均探測(cè)時(shí)間隨源放置距離增大而分別減小和增大，對(duì)

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(cè)距離分別為123cm、80cm、102cm和80cm，相應(yīng)的等效最小可探測(cè)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(shí)