钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备 【技术领域】
本发明涉及核技术应用领域，特别是涉及一种钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备。
背景技术
目前集装箱检测系统或设备，从所使用的射线源和探测器的组合角度看大致可分成电子加速器(包括电子直线或静电加速器)与闪烁探测器或气体探测器组合；钴60γ射线源或铯137γ射线源(铯137γ射线源)与气体探测器组合。以电子加速器作为射线源，闪烁探测器作为射线的探测器，二者搭配制成检测系统或设备。例如，英国宇航公司(British AerospaceCo.)和俄罗斯电物理所用电子直线加速器和钨酸镉(CdWO4)闪烁探测器(同位素杂志，1995年2月，第8卷第1期，大型集装箱检测系统的研制，安继刚；俄罗斯电物理所资料)。德国海曼公司(Heimann Co.)用电子直线加速器和碘化铯(CsI)探测器(Radiation source and DetectorConfiguration of the HEIMANN Container Inspection system)。
以电子加速器为射线源，气体探测器为射线探测器构成的检测系统或设备。例如：法国斯仑贝谢公司(Schlumberger)用电子静电加速器和气体多丝正比室；中国的清华同方公司用电子直线加速器和高压气体电离室(CN1242519A)。
以钴60作为γ射线源，气体探测器作为射线探测器构成的检测系统或设备。例如，中国北京华力兴科技发展有限公司用钴60γ射线源和高压气体电离室(CN1242519A)。
根据上述公开的三种组合而成的检测系统或设备存在下列缺陷：
1、用电子加速器作为射线源有如下缺陷：电子加速器结构复杂，巨大沉重，制造难度大，周期长，造价很高。电子加速器需要专门的技术人员负责运行操作和维护保养，且耗电量大(数十KW)，电压高(数万伏至数十万伏)，核心部件(如速调管等)需定期更换，每年的运行费用很高。加速器发生故障的几率很大，不但维修、保养的费用很高(加速器型集装箱检测系统每年的维修费高达80-128万美元)，而且停机维修的时间长，直接影响海关查私。电子加速器的辐射强度很高，防护建筑物主要部分的混凝土屏蔽墙的厚度需要2-2.5米。并且加速器产生的高能X射线照射野张角小(～30°)，要求加速器靶到探测器的距离大，通常在10米以上，因此，加速器作射线源的检测系统所需的建筑面积很大，以致建筑费用很高，有的可达2000-3000万元人民币。加上检测系统本身的造价，使得检测系统或设备的总价高达800-1000万美元。
2、用气体探测器有以下缺陷：
气体探测器地探测效率比碘化铯，钨酸镉等闪烁探测器的探测效率低很多。例如：多丝正比室的探测效率为25％左右，超高压气体电离室当电极长度为20厘米，充入5×106帕斯卡(50个大气压)的氙气时，对钴60γ射线的探测效率也只有13％左右。气体多丝正比室是个流气型探测器，正比室内的阳极丝很细(数＋微米)，长度为200～300毫米，故易于因震动而产生噪声信号。高压气体电离室结构复杂，加工工艺难度很大，电离室充气压1.0×106～1.0×107帕斯卡(即10～100个大气压)，当充气气压为5×106帕斯卡(即50个大气压)时，电离室外壳耐压即应达到8×106帕斯卡(即80个大气压)。为此，电离室外壳相当厚，还要加上加强筋。密封外壳的总漏气率必须小于1×10-9乇升/秒，否则将直接影响使用寿命。电离室所用的绝缘子的绝缘电阻应大于1×1012欧姆，其漏气率应小于1×10-10乇升/秒。此外，复杂的电极系统，厚重的耐压密封外壳，显著增大了探测单元的体积和重量。极严格的密封和绝缘要求使电离室的制作非常困难。气体探测器容易受温度、湿度、震动和电磁等外界因素的干扰。
综上所述，电子加速器和气体探测器用于集装箱检测系统或设备中，不仅制作工艺复杂，设备笨重，价格昂贵，而且运行和维护费用很高，使许多用户望而生畏。这极大地限制了辐射成像无损检测技术的推广应用，以至用集装箱检测设备进行海关查私工作发展非常缓慢。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中集装箱检测系统或设备存在的上述不足，提供一种制造容易，价格低廉，性能独特优异，稳定可靠，探测效率高，图象清晰，运行和维护费很少，辐射强度低，易于屏蔽，安全的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备。
本发明的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备包括射线源1及其屏蔽容器2，前准直器3和后准直器5，探测器6及相应的电子线路，信号与图象处理系统10，集装箱拖动系统8和自动控制系统11，其特征在于射线源为钴60γ射线源，探测器为碘化铯或钨酸镉阵列探测器6，所述钴60γ射线源设有自动启闭的射线快门2′，与钴60γ射线源的屏蔽容器2相连；所述碘化铯或钨酸镉阵列探测器6由多个碘化铯或钨酸镉闪烁晶体和与之耦合的硅光电二极管及电子线路组成—板块顺序排列组成的长条形阵列；钴60γ射线源的屏蔽容器2及其射线快门2′和前准直器3固定在同一机座上形成一整体，放置于源室I内；后准直器5，碘化铯或钨酸镉阵列探测器6和射线捕集器7固定在同一机座上形成一个整体，放置于探测器室III内；所述源室I和探测器室III之间为集装箱检测通道II；信号与图象处理系统10和自动控制系统11设置在控制与图像处理室IV内。
按照本发明提供的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备中，所述射线源为钴60γ射线源或铯137γ射线源，优选为钴60γ射线源。钴60γ射线源是高比活度的，其活度不超过20.35TBq(550Ci)，其活性区线度仅为5-7毫米。用于检查航空集装箱或其它小型客休的检测设备也可以用高比活度的铯137γ射线源。钴60γ射线源的运输容器12为铅罐，它对源的屏蔽效果能满足在运输过程中对辐射安全的要求。所述钴60γ射线源的屏蔽容器是由钨，铅，铁等金属或其合金制成的。钴60γ射线源在钨合金半球的中心，铅半球在钨合金半球和运输容器之间，钨合金半球和铅半球组合在一起，被不锈钢外壳包裹，形成一个完整的屏蔽容器。距容器一米处的剂量当量率≤100μSv/h。屏蔽容器2与运输容器12对接，在连接处有铅防护环，确保在源从运输容器向工作用屏蔽容器转移过程中没有γ射线泄漏。
所述钴60γ射线源的射线快门2′是铁制摆动式快门，通过电磁推动器和复位弹簧实现启闭，并与屏蔽容器的钨合金相连，它们中间的准直狭缝与前准直器的狭缝正好对准，狭缝的宽度为6至8毫米，把钴60γ射线源发出的γ射线准直成水平张角为0.1°～1°，而垂直方向张角为60°～70°的片状扇形γ射线束。在开始检测集装箱时，由电磁推动器推动使其在0.3秒，优选为0.1秒内开启，γ射线发射出来。在结束检查集装箱以后，由复位弹簧推动，使其在0.3秒内，优选为0.1秒内关闭，不再有γ射线发射出来。快门的行程只有3厘米，在断电或复位弹簧疲劳失效的情况下，射线快门会凭借自身的重力自动关闭，确保维修人员的安全。钴60γ射线源的γ射线能量恒定不变，强度稳定可靠；工作状态不需调整，监视、维护和保养，无需人员值守，更不需要停机检修，而加速器需定期更换核心部件，停机检修，每年的维护费高达百万美元左右；钴60γ射线源没有大功率用电设备，不会出现高电压，强微波干扰，因而系统运行安全可靠；钴60γ射线源辐射输出量比加速器小数百倍，易于防护；被检测的物件受到辐射剂量少，特别对胶卷安全；钴源检测系统占地面积小，建筑费用低；总体价格低，仅为加速器型检测系总价格的三分之一左右。
所述前准直器由铁、铅或其合金制成，为单折线形，其高度由被检测集装箱的尺寸和源至探测器的距离决定；狭缝宽度由γ射线源至探测器的距离及像素尺寸决定，一般为6—8毫米。前准直器的狭缝可与快门的狭缝非常靠近，以便从快门狭缝出来的γ射线直接进入前准直器的狭缝，减少散射射线；前准直器的长度可大大减小从而减轻重量；前准直器与屏蔽容器、射线快门组成一个整体，便于移动、安装、调试。
后准直器由铁，铅或其合金制成，与阵列探测器一样成单折线形，它与探测器、射线捕集器组成一个整体，便于安装调试。后准直器的狭缝等于或略大于阵列探测器的晶体的宽度，并且严格对准前准直器的狭缝和钴60γ射线源的活性区。后准直器的横截面可以是矩形，也可以是圆形的，在保证屏蔽散射γ射线效果相同的情况下，圆形截面的准直器可减少重量约20％(见图8)。
后准直器在与探测器结合处可以做成一长条凹槽，探测器放在凹槽内，它可以接收到从狭缝射入的γ射线。从侧面来的散射线被挡住了，这样可以使图像更清晰(见图9)。
所述碘化铯或钨酸镉阵列探测器系由多个包含一定数量像素探测器元的探测器单元(或称板块)垂直方向顺序排列组成的长条形的阵列，可多达1400个探测器元。探测器单元由碘化铯或钨酸镉闪烁晶体和与之耦合的硅光电二极管及电子线路组成的一板块，并安装在紧靠后准直器的支架里，每块板的平面垂直于它的中心与射线源的连线，使得每个探测器元基本上都能对准射线源的活性区，确保从钴60γ射线源发出的γ射线经过射线快门，前准直器，集装箱，后准直器以后能准确地射入各探测器晶体的灵敏体积内。用作探测器的晶体可以是碘化铯，钨酸镉，BiGe3O12(BGO)，Gd2SiO5(Ce)(GSO)，Gd3O2S(GOS)，Lu2(SiO)O(Ce)(LSO)中的一种，优选为碘化铯或钨酸镉。
各晶体之间有反射白胶，防止光线串行。由于各晶体互相紧密地靠在一起，故不会出现死角，使图像更均匀。晶体的截面由硅光电二极管光敏面而定，为10～50毫米2，优选为20～30毫米2，其长度≤8厘米。
晶体长度的选择使它对γ射线的探测效率应该≥80％。由于各种材料对γ射线的阻止本领不同，故为达到80％探测效率所需的长度也不同。由于晶体的截面(10～50毫米2)比气体探测器像素截面(≥100毫米2)小得多，所以碘化铯探测器的空间分辨率可达4毫米，比气体探测器系统要小得多，而且图像更清晰、细腻。在气体探测器系统得到的图像中看得见的“马骞克”，在CsI探测器系统中基本上看不见了。
每个探测器元探测到的γ射线强度与它穿行路径上的物体对γ射线的吸收能力有关，物体密度大，吸收γ射线的能力强，穿过去的γ射线就弱，即探测器上得到的γ射线也弱，输出的信号也弱，从而为后续步骤显示提供强弱不同信号。
本发明提供的碘化铯或钨酸镉阵列探测器的特点为：探测效率高，在50％以上，因而图像清晰质量好，而最好的气体探测器的探测效率也只有13％；不受温度、压力、震动和电磁干扰；所用材料非常坚固，便于加工，不易损坏，体积小重量轻；操作方便，工作时只需加10V电压即可正常工作，而气体探测器则需要加数百伏的高压，容易产生火花，必须经常有人检查；在常压下工作没有高气压问题，而气体探测器需充气达到50-100大气压，因而有气密封和漏气问题，使用寿命可达10年以上。由后准直器，探测器及支架和射线捕集器组成的整体，放置在一个铁制的外壳之中，用鼓风机把干燥的冷空气从壳体的底端吹入壳体，保证探测器单元工作在规定的温度、湿度气氛之中，从而提高仪器的稳定性和延长使用寿命。
在阵列探测器垂直于地面的部分的背后设有一铅制或铁制的射线捕集器，用来吸收穿过探测器的γ射线。
所述集装箱的拖动系统包括一个承载集装箱货车的检测台车，变频调速驱动电机与控制系统和轨道及其承轨梁。检测台车采用数字式交流变频调速系统，在主控制系统发出的指令下，由变频电机驱动，以规定的速度沿轨道匀速前进，速度分三档：6米/分；12米/分和18米/分。停在台车上的集装箱货车随台车一起匀速通过检测通道，完成检查集装箱的工作。
根据条件及需要还可采用下列两种办法检测集装箱：
(1)集装箱货车可以在卷扬机13钢丝绳的牵引下，在平滑的水泥地面或走台钢板地面上匀速前进，使集装箱在被准直成片状的γ射线束中作扫描运动，完成检测工作(见图5)。
(2)由司机开着集装箱货车通过检测通道(见图6)。当车头A—A线到达X—X线时，安装在X点的对射式光电管的光线被车头挡住，光电管给出信号让射线快门关闭，并且横杆14自动升起，允许集装箱货车通行。若射线快门没关闭，则横杆不能升起，即横杆与射线快门联锁。当集装箱的前边缘B—B线达到Y—Y线时，在Y—Y处的对射式光电管的光线被挡住，并给出信号使射线快门开启，γ射线穿进集装箱，开始进行检测。此时，司机已离开片状的γ射线约2米远，经计算散射线已低于计量限值。必要时在驾驶室后面立一块铅或铁板，使司机更安全。当集装箱的后边缘C—C线离开Y—Y线时，光电管的光线不被挡住，并给出关射线快门的信号。同时横杆落下检测结束。
上述二种方法可省去拖动系统从而节省出拖动系统的造价；节省与之相应的建筑费用；减少了出故障的几率，从而减少停机检修的时间和维护经费。
按照本发明提供的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱设备中，所述信号与图像处理系统采用数字化电路和高档微型计算机，被放置在远离钴60γ射线源和辐射通道的主控与图像处理室内。四个工作站供海关工作人员显示图像，检查、分析、判断集装箱中的物品使用。配有图像存贮、输出设备。图像处理系统的主要功能有：局域窗放大，边缘增强，灰度窗和伪彩窗调节，ZOOM漫游窗，贮存，再现，留档，输出，比较，打印检测报告等。
所述自动控制系统，采用分级分部控制，由主计算机(PC)，可编程序逻辑控制器(PLC)，剂量监测及位置、温度、湿度等传感器组成，另配有闭路电视监控，自动控制系统的功能为对γ射线的快门，拖动系统，源室和探测器室的门，成像系统，检测通道及其大门，以及对检测集装箱的全过程进行自动控制与监视，确保人员安全和检测工作的顺利进行，并且具有自检，故障诊断，显示、隔离，参数可视化和数据存贮等功能。具有优良的可靠性和实用性。
本发明提供的检测设备可以安装在固定的建筑物内，也可以方便地拆卸并运到指定地点。
γ射线源的屏蔽容器及其射线快门和前准直器安装在同一个机座上形成一个组合体(以下称源组合体，重约一吨)，后准直器、阵列探测器和射线捕集器安装在同一机架内形成一个组合体(以下称探测器组合体，重约4.5吨)。由于两组合体都可以装在普通卡车上运送到任意地方。例如：混凝土地面的集装箱停放场，公路两侧或铁路两侧。两上述组合体落地后，用经纬仪调整垂直和水平方向，对准前后准直器的狭缝。信号与图像处理系统和控制系统安装在一辆由大型客车改装成的仪器车内。
本发明提供的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备的特点为：
本发明的集装箱检测设备将钴60γ射线源与碘化铯或钨酸镉阵列探测器集合于集装箱检测设备中，使该集装箱检测设备克服了用电子加速器作γ射线源和气体探测器存在的缺点，兼备了用钴60γ射线源和用碘化铯或钨酸镉阵列探测器的优点，使该检测设备性能优异稳定可靠，探测效率高，图像质量好、清晰；使用广泛、灵活、方便、安全；基本上不需要停机检修，运行和维修费用很低，每年维修费(约3万美元)为电子加速器型检测设备维护费用(80-128万美元)的1/25至1/40利用效率高；辐射强度低，易于屏蔽、防护，安全性好；造价低，售价仅为加速器型检测设备的1/3左右；占地面积小(1000米2)，仅为加速器型检测设备的1/5(5000米2)，建筑费用低，例如混凝土屏蔽墙的厚度仅为40厘米，而加速器型检测设备的屏蔽墙厚度为2-2.5米；设备制造容易，生产周期短，仅为6-8个月，而加速器型在美、英需18个月，钴60γ射线源的屏蔽容器用钨合金半球与铅半球制成，并设有铁制的γ射线快门，自动启闭灵活、方便、安全、可靠。由于钴60γ源屏蔽容器及射线快门和前准直器组成一个整体，后准直器、探测器和射线捕集器组成另一个整体，便于整体安装调试，并能保持最佳的工作状态，延长使用寿命。
本发明提供的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱测检设备的主要用途为：
安装在港口，陆路边界口岸，航空港，交通要道，火车站等地，主要检查大型集装箱，集装箱货车，列车车厢，航空集装箱，查找走私物品和非法贩运的武器和其它危险品。也可以安装在导弹和大型火箭的装配场地。用以检测导弹、火箭等大型客体的装料及装配中的异常情况。
本发明提供的检测设备也可以用于工业无损探伤领域，检测曲轴，锻件，铸件，缸体，翼片，机器零部件，火工品及其零部件，压力容器及其零部件等小型客体的内部情况，查找有无裂缝，夹渣，缩孔沙眼等缺陷。
【附图说明】
图1为本发明的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备结构示意剖视图。
图2为本发明的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备结构示意俯视图。
图3为钴60γ射线源的运输容器，屏蔽容器及其射线快门，前准直器的组合体示意图。
图4为后准直器、阵列探测器和射线捕集器组合体的示意正视、侧视图。
图5为用卷扬机钢丝绳牵引集装箱货车进行检测工作示意图。
图6为司机驾驶集装箱货车进行检测工作示意图。
图7为正在检测列车车厢的检测设备示意图。
图8为横截面为方形和圆形的后准直器示意图。
图9为带凹槽的后准直器示意图。
结合附图，对本发明进行详细描述
本发明提供的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱设备采用高比活度钴60γ射线源或高比活度铯137γ射线源1的屏蔽容器2及其射线快门2′和前准直器3固定在同一个机座上形成一个整体，放置于源室I内的水泥平台上。用驱动钢缆把钴60γ射线源1从运输源用的屏蔽容器12的中心送到工作时用的屏蔽容器2的中心。后准直器5，碘化铯或钨酸镉探测器6和射线捕集器7固定在同一个机座上形成一个整体，放置于探测器室III内。在源室I和探测器室III之间是集装箱检测通道II。通道内有一长条形地坑，钢轨及其承轨梁固定在坑底的混凝土地面上。当运载集装箱4的卡车8开上检测台车9并停稳后，卡车司机离开卡车。检测台车9按照自动控制系统11发来的指令，由变频调速电机驱动，以规定的速度匀速地沿轨道前进。在台车上面的集装箱和卡车匀速地通过检测通道II。当集装箱接近源和探测器之间的连线时，自动控制系统11发出指令，使射线快门2′自动开启，这时，钴60γ射线源或铯γ射线源1发出的γ射线通过快门2′和前准直器3的狭缝被准直成水平张角约0.1°，垂直张角约为65°的片状扇形γ射线束。该射线束穿过集装箱4后再通过后准直器5的狭缝射入正好对准狭缝的碘化铯或钨酸镉阵列探测6的各个探测器元的灵敏体积，碘化铯闪烁体发光，大约50％的γ射线被探测器吸收并产生电信号，经过电子线路成形、放大后输出，输出信号的大小与其所在位置接收到的γ射线的强度成正比，而此处的γ射线的强度又与γ射线穿行路径上集装箱内的物体对γ射线的吸收能力(即质量厚度)有关，把各路探测器元输出的信号经过电缆送入主控与图像处理室III内的信号与图像处理系统10。收集、处理、按顺序排列、显示出来，在计算机监视器屏幕上显示出一条反映片状射线束所穿过的一片集装箱内物质密度分布状况的图像扫描线。随着集装箱的匀速向前移动，片状γ射线束从集装箱的前部向后部一片挨着一片地扫过箱内的物体，反映每一片物体的质量分布的扫描线一条挨着一条地显示在计算机屏幕上，当片状γ射线束扫完整个集装箱后，在监视器屏幕上就呈现出一幅集装箱内物体的完整二维辐射投影图像。应用计算机图像处理系统，可对图像进行局部放大，边缘增强，灰度窗和伪彩窗调节，ZOOM和漫游窗等处理，从而对图像的不同层次组行细致的观察，若有走私和违禁物品以及与集装箱申报单不相符的物品，就可以查找出来。穿出阵列探测器6的直射γ射线和来自集装箱4及其它地方的散射γ射线被射线捕集器7和II～III间的混凝土屏蔽墙所吸收。确保主控与图像处理室III内辐射计量在国家辐射防护标准限值以下。
实施例
本发明提供的钴60γ射线源—碘化铯或钨酸镉探测器集装箱检测设备
采用活度为11.1TBq(300Ci>的高比活度钴60γ射线源1，活性区线度为6毫米。屏蔽容器2由钨合金和铅制成。射线快门2′和前准直器3由铁制成，它们的狭缝将源发出的γ射线准直成水平张角为0.1°，垂直方向张角为65°的片状扇形射线束。探测器6选用碘化铯探测器，像素尺寸＜50毫米2，碘化铯闪烁体加硅光电二极管以及相应的电子线路组成阵列探测器6，对钴60γ射线源的γ射线探测效率达50％以上。源的屏蔽容器2、射线快门2′和前准直器3固定在同一个机座上，形成一个完整的组合体(以下简称源组合体>，长度≤1.5米，宽度≤0.7米，高度≤1.1米，重约1吨。源组合体放置在源室I内的水泥平台上，其位置可以前后移动，以便改变源探距，从而改善图像质量和延长钴60γ射线源的使用时间。后准直器5，碘化铯探测器6和射线捕集器7固定在同一个机座上，形成一个完整的组合体(以下称探测器组合体)，高约6.5米，截面面积700×700毫米2。后准直器和射线捕集器用铁制成。
集装箱拖动系统由60t电动检测台车9及其变频调速电机驱动与控制系统和轨道及其承轨梁组成。检测台车9长18米，宽3米，三档匀速行驶：6米/分；12米/分和18米/分。检测台车沿地坑内的轨道往复行驶，集装箱货车8开上并停稳在台车上，由台车承载匀速通过片状扇形γ射线束，完成检测工作。检测台车平面与地面相平，便于集装箱货车的上下。台车的行驶，停靠和返回等由主控制系统进行自动控制
自动控制系统由主计算机(PC)，可编程逻辑控制器<PLC>，剂量监测及位置、温度、湿度等传感器组成，另配有闭路电视监视。控制的主要对象是射线快门，集装箱拖车，源室和探测器室的门，检测通道的大门，探测器及成像系统的启动及停止以及一些辅助设备的工作状态等。控制系统能按规定程序、条件给出这些设备的动作控制信号，并能检测、显示这些设备的工作状态。
信号与图像处理系统采用数字化电路和高档微型计算机，被放置在远离钴60源室和辐射通道的主控与图像处理室内。四个工作站供海关工作人员显示图像，检查、分析、判断集装箱中的物品使用。配有图像存贮、输出设备。图像处理系统的主要功能有：局域窗放大，边缘增强，灰度窗和伪彩窗调节，ZOOM漫游窗，贮存，再现，留档，输出，比较，打印检测报告等。
本实施例所能达到的检测性能指标是：①能发现放在100mm厚铁板后面的直径为2.5mm的铁丝或0.7mm厚的铁片，即IQI＝2.5％，CI＝0.7％；②能发现放在230mm厚铁板后面的铅块(或其它全吸收客体)，即穿透钢的本领SP＝230mm(铁>；③每小时检测集装箱的最大数量：20个(40英尺长的标准集装箱>；④最大检测剂量≤16μGY。这些指标完全能满足海关缉私的需要。