用于识别核威胁的系统和方法与流程

本发明涉及用于对放射性和放射源进行检测和测量的方法和装置的。

背景技术：

1、1993年至2006年之间，全世界有1080起经证实的涉及核材料和放射性材料的非法贩运和未授权活动的案件(来源：国际原子能机构iaea)。其中十八起案件涉及可以用于炸弹生产的材料，即钚和高浓缩铀(heu)。iaea还报告了124起案件，涉及可以用于生产所谓“脏弹(dirty bomb)”的材料，即，引爆常规炸药爆炸以便散布其中的放射性物质的炸弹。iaea推断这些材料对国际社会的安全构成了潜在的持续威胁。

2、为此，在所有国家，特别是美国和欧共体，均在监控陆地、空中和海上货物运输方面进行了相当大的努力。在这种情况下，应特别注意避免用于监测的仪器发出错误警报。事实上，在第一阶段，通常使用自动仪器。典型的示例是由一个或更多个检测单元构成的辐射入口，所述一个或更多个检测单元构成待分析材料必须通过的门。在警报事件中，有必要用便携式仪器检查可疑材料以识别其确切性质。如果没有识别出放射源，则必须继续对可疑材料进行物理检查，然而这需要相当多的时间和成本。

3、因此，有必要使用可靠的工具来确定地识别所检查材料的性质。

4、用于识别放射源的便携式装置(其特征由iec62327标准定义)是已知的并且可商购获得。这些装置使用针对伽马辐射的光谱检测器，例如有机或无机闪烁体(例如nai(tl)或labr3)。这种类型的检测器通过识别由检测的光谱范围内存在的各种放射性同位素的特征跃迁产生的光峰来识别放射性材料。这些系统不用于检测中子的可能存在，这是因为无机闪烁体对中子的响应在统计上是不相关的。事实上，中子与无机晶格的相互作用基本上是由于来自构成闪烁体的原子核的激发能级的非弹性扩散。这种非弹性扩散的横截面非常低，因此产生特征伽马辐射，该特征伽马辐射的数量在统计上很少，并且在能量上与伽马辐射的直接分量不可区分。出于所有这些原因，由于环境背景，不可能将中子对光谱的贡献与伽马辐射分离。出于这个原因，辐射监测装置有时可以添加中子检测器(通常是3he正比计数器)，以便另外检测中子源的存在。

5、中子源的识别实际上是必不可少的，这是因为它的特征在于：

6、用于工业应用的一些放射性同位素(例如，252cf(锎)或am/be(镅/铍)的源)；

7、一些类型的核废料(其中，通过(α，n)型反应发射中子)，以及

8、所谓的特殊核材料，特别是钚。

9、上述系统的主要缺点是，在没有清晰的相关联的伽马信号的情况下，它们不能提供任何适合于识别中子源的信息。这是因为在这样的装置中，中子和伽马检测器是完全解耦的，并且它们提供的信息也是完全解耦的。迄今为止在便携式系统中使用的中子检测器仅提供存在的中子数量的指示，而关于伽马辐射的信息必须从无机闪烁体获得。总之，这种类型的系统的独特特征之一是中子检测器对伽马辐射的灵敏度非常低，相反地，伽马检测器对中子的灵敏度很低。这对于特殊核材料的识别是特别关键的。根据iec62327标准，特殊核材料的识别仅通过用5mm铁屏蔽的源的伽马光谱来提供。然而，在较大的屏蔽或较重的金属(例如，铅或钨)的情况下，伽马发射可能太弱而不能导致直接的识别。在所有这些情况下，当前可用的技术只能检测过量的中子，然而，不可用于区分中子源的类型并执行正确的识别。

10、到目前为止，用于现场测量的所有便携式或可运输或固定安装的入口监测器测量仪器和系统仅使用且专门单独分析伽马和中子源。它们识别伽马同位素并单独计数中子(通常使用3he检测器)，两者之间没有相关性。相同的标准(例如ansi和iec)涉及对伽马源和中子源的存在进行测量的能力，但不考虑复杂的情况，例如中子发射体的某些确定(即，反应(α-n)的识别)。此外，在中子的测量上，相同的iec和ansi标准仅对计数性能施加条件，以便检测中子发射体的存在/不存在，但不限定它们的起源类型(即，进行它们的识别)。

11、因此，本发明的目的是提供一种基于计算算法的方法，该算法允许通过精确地识别放射源的类型来检测放射源，而不仅仅是如迄今为止在便携式、可运输和固定安装的入口监测器/系统中所执行的那样，通过识别它们的一般性来检测放射源。这些基于混合的伽马和中子检测和识别的算法允许在没有可清楚识别的伽马发射的情况下精确地识别放射性材料。

12、本发明的另一目的涉及在便携式仪器(小于10kg)、可运输(小于20kg)仪器或辐射入口监测器中实施这种方法。

13、本发明的另一目的是提供一种用于检测放射源的新方法，该方法可以通过单个检测器来实施，该单个监测器用于同时检测同一源的伽马发射和中子发射。

14、本发明的另一目的是能够区分不同类型的中子源，即使在没有可清楚识别的伽马发射的情况下也是如此。

技术实现思路

1、本发明涉及一种用于检测放射源的方法和装置，其基于同时使用两个或多个不同类型的辐射检测器，具体地由i型、ii型和/或iii型检测器(参见下文对检测器的定义)可能的组合组成(其主要由i型和ii型检测器的组合组成)。由于这种不同类型的检测器的组合全部集成在单个仪器中，因此有可能通过单次同时测量来识别包含在潜在恐怖分子来源的装置(例如放射性扩散装置(radioactive dispersal device，rdd)或简易核装置(improvised nuclear device，ind))中的特殊核材料(special nuclear materials，snm)。由安装在装置中的所有检测器同时执行该单次测量，包括测量伽马发射和中子发射两者，即使在它们潜在的屏蔽和/或掩蔽的条件下，几乎瞬时的测量在几秒内产生警报。此外，它提供了对源在其伽马和中子放射性核素中的完全识别，还可以瞬时评估来自伽马辐射和来自中子辐射的总的或独立的等效环境剂量h*(10)。

2、中子源的识别对于识别由燃料循环处理产生的特殊核材料或产物至关重要。这样的产物是通过对核反应堆内已经经过辐照的核燃料进行再处理或者通过所谓的“乏燃料(spent fuel)”产生的，“乏燃料”是在寿命结束时从反应堆堆芯除去的经过辐照的核燃料。这些产物的其他来源是：

3、用于工业应用的放射性同位素，例如252cf；

4、通过(α，n)型反应发射中子的源，即，amli(镅锂源)、ambe(镅铍源)；

5、特殊核材料(snm)的典型同位素，例如钚-239(pu-239)和铀-235(u-235)。

6、本发明的特殊性和独特性在于算法的实现，该算法通过处理中子计数和多重性以及借助所选择的同位素库分析相关联的伽马光谱，以并行和顺序的方式同时分析伽马和中子计数数据。然后在这些分析上应用选择标准，以使从伽马和中子的性质方面识别源的概率最大化，并使关联特定置信水平cl的概率(cl＝精确识别核素的概率)最大化。

7、本发明的基本思想是，除了识别发射范围的中子和同位素之外，还能够确保在某些临界检测条件(即，所谓的掩蔽条件)下识别它们，在这些条件下，天然、医疗或工业性质的强伽马源被添加到中子发射源。这种条件显著改变了n(中子)/伽马多重性，从而给中子源的识别带来问题。因此，将第二检测器引入测量系统的想法可以选择例如具有优于或等于8％的分辨率的闪烁体(例如，在cs-137处具有7％的典型fwhm(脉冲的半宽高度)的nai(tl)，或在cs-137处具有3％的典型fwhm的cebr，或在cs-137(661kev)处具有2.5％至3％之间的典型fwhm的csi或sri或labr)，以识别伽马源的峰值，以便能够从n-伽马测量部分中减去它们，从而获得中子/伽马多重性的校正。

8、例如，通过识别1.001mev处的亚稳态镤pa-231m的光峰，该算法可以验证或不验证heu高浓缩铀(对于每克u-238以1mev每秒发射100伽马)。

9、热中子检测器(iii型)与ii型检测器并行实施还将允许执行热中子/快中子流的比率，因此如果中子发射器是snm，则有助于以特殊方式识别该中子发射器。

10、每个snm具有其自身的放射性特征，即特征中子和γ射线发射光谱，允许对其进行识别。自发裂变和α粒子诱导产生的中子发射，在12kg wgu(武器级铀)中约为2×105n/s，在4kg wgpu(武器级钚)中约为2×105n/s。记住，iec62327标准要求在25cm距离处的20.000n/s发射源在2秒内触发中子警报。对于大多数感兴趣的同位素，发射的中子通过裂变伴随有γ射线，平均6.5个光子，并且具有1mev能量。使用钨作为屏蔽材料，对于wgu和wgpu，其发射分别达到30γ/s和100γ/s。

11、由于γ发射可以更容易地被屏蔽，从而与环境背景混淆，因此必须通过检测中子来对wgu和wgpu进行识别，中子具有比γ低三个数量级左右的自然背景。最大的困难在于wgu的识别，特别是如果使用钨作为屏蔽/篡改材料，这是由于发射的中子数量很少。在这种情况下，仅可能在短距离处识别snm材料。为了满足这种需要，便携式调查系统是必要的，原因在于它允许检测并且同时区分和正确地识别γ射线和中子射线，并且精确地关联特殊核材料(snm)的类型。

12、本发明提供了来自两个或更多个伽马和伽马/中子辐射检测器的并行和顺序分析，包括计数和光谱分析，通过测量和自动自校准仪器系列的独特实验校准过程，还允许对识别(伽马和中子两者)的可靠性水平进行比较验证和评估。