王守军 汪新凯 王晶 刘欣侠 史建峰 李志国 林枫

王守军 ¹ 汪新凯 ^{2 *} 王 晶 ¹ 刘欣侠 ¹ 史建峰 ¹ 李志国 ³ 林 枫 ²

摘 要 本研究基于当前海关核辐射监测工作现状，针对以碘化钠和塑料闪烁体为代表的探测器的实际应用，以及现有核素识别技术应用效果，探索构建基于塑料闪烁体实现核素识别的核辐射智能监管系统，通过创新数据采集方法与先进算法，提高塑料闪烁体核素识别能力，并构建了一个集智能识别、风险研判、处置方案实时推送与多源数据联动于一体的综合智能监管平台。本研究可为海关提升口岸核辐射监管效能提供技术路径与应用参考。

关键词 塑料闪烁体；核素识别；智能监管；核辐射监测；应急处置

Design and Application of an Intelligent Nuclear Radiation Monitoring System for Nuclide Identification Based on Plastic Scintillators

WANG Shou-Jun¹ WANG Xin-Kai^2* WANG Jing¹

LIU Xin-Xia¹ SHI Jian-Feng¹ LI Zhi-Guo³ LIN Feng²

Abstract In response to the current demands of customs nuclear-radiation monitoring, this study focused on the practical applications of detectors represented by sodium iodide and plastic scintillators, as well as the application efficacy of existing nuclide identification technologies. It explored the construction of an intelligent nuclear radiation monitoring system for nuclide identification based on plastic scintillators. By innovating data acquisition methods and adopting advanced algorithms, the study improved the nuclide identification capability of plastic scintillators, and established an integrated intelligent monitoring platform integrating functions of intelligent identification, risk assessment, real-time disposal scheme delivery, and multi-source data linkage. This study can provide technical approaches and application references for customs authorities to enhance the efficiency of nuclear radiation monitoring at ports.

Keywords plastic scintillator; nuclide identification; intelligent supervision; nuclear radiation monitoring; emergency response

基金项目：海关总署科研项目（2025HK073）

第一作者：王守军（1972—），男，汉族，江苏宿迁人，硕士，主要从事管理和监管技术研究工作，E-mail: afan311@163.com

通信作者：汪新凯（1982—），男，汉族，江苏徐州人，本科，主要从事监管技术研究工作，E-mail: LOGAMINE@163.com

1. 中国海关管理干部学院 秦皇岛 066004

2. 连云港海关 连云港 222042

3. 北京鑫晟恒远科技有限公司 北京 100025

1. Chinese Academy of Customs Administration, Qinhuangdao 066004

2. Lianyungang Customs, Lianyungang 222042

3. Beijing Xinsheng Hengyuan Technology Co., Ltd., Beijing 100025

海关肩负着防范放射性物质非法进出境、维护国际贸易供应链安全、及时发现和控制口岸核辐射涉恐事件的重要职责^[1]。海关在口岸部署的固定式核辐射监测设备，对保障口岸核与辐射安全起到了重要作用。从行业领域来看，主流且具备核素识别能力的碘化钠探测器成本较高、易潮解、中子探测能力弱^[2]；而成本更优、稳定性更好的塑料闪烁体探测器尚不具备核素识别功能^[3]。因此，探索一种能够兼顾成本、稳定性与识别能力的新型技术方案，并构建一个从探测报警到智能处置的闭环管理系统，成为提升核辐射监管效能的关键。本研究旨在从海关监管需求出发，设计一套基于塑料闪烁体实现核素识别的智能监管系统，为提升监管效能提供可行支持。

1 海关核辐射监测现状

为实现对入境区域的全面覆盖，海关在口岸现场部署了具备γ射线和中子探测能力的固定式核辐射监测设备。目前口岸主流在用设备中，约30%使用碘化钠晶体作为探测体，具备辐射剂量率报警、中子计数以及核素识别等功能，而其余约70%的设备则采用塑料闪烁体作为探测体，具备辐射剂量率报警、中子计数等功能。尽管碘化钠探测器在核素识别方面有所应用，但因大体积、高分辨率的碘化钠晶体制备工艺复杂，导致设备成本较高，另外碘化钠晶体具有较强的吸湿性（易潮解），一旦封装不严或破损，维护成本高，环境适应性不强。

2 基于塑料闪烁体的核素识别智能监管系统设计

本研究设计了一套核辐射智能监管系统，在控制硬件成本的前提下，通过技术融合与软件算法创新，提高塑料闪烁体探测器的核素识别能力^[4-5]，并构建后台“智能中枢”，实现从感知到决策的全流程智能化。

2.1 基于塑料闪烁体的核素识别的关键技术

让塑料闪烁体实现核素识别的关键在于提高其能量分辨率^[6-7]。本研究基于康普顿效应采集不同核素能谱特征，进行数据梳理分析，并通过模型计算实现核素识别。

2.1.1 核素能谱特征分析

伽马射线与物质作用过程中，发生光电效应、康普顿效应、电子对效应，均产生次级电子，能引起探测器中物质原子的电离与激发，受激发的原子在退激过程中能释放光子，光子被光电倍增管收集后转换为电荷脉冲供后续电路分析记录。塑料闪烁体主要由轻元素C、H、O和N组成，故其产生光电效应的概率很低，主要是康普顿效应，基本没有能量分辨能力。本研究以塑料闪烁体1200×300×50行人通道放射性监测设备为例，将同位素源（以Am²⁴¹、Ba¹³³、Cs¹³⁷、Co⁶⁰为例）置于塑料闪烁体中心位置测量其能谱图。可以看出，几种核素计数基本落在低能量端，且无核素光电峰，单能谱线形状计数分布跟核素平均能量的不同仍存在明显差异（图1），且测试点位置不同，谱线形状仍然保持一致（图2）。因此，不同核素光子计数具有一定可分辨的特征，且与距离无关。

2.1.2 核素识别算法设计

根据上述得出的结论，基于塑料闪烁体的核素识别方法主要从系统初始化、核素库构建与核素识别^[5]3个阶段及后续优化系统来实现。

（1）系统初始化阶段。首先对探测装置通电预热T₁时长完成初始化，随后采集环境本底谱。设ADC总道数为n，在时长T₂内采集得到本底谱矩阵B = {b₁,b₂,...,b_n}。系统通过比对实际更新时长T₃与预设阈值T₃₀来决定是否更新本底谱：当T₃≥T₃₀时重新采集获得更新矩阵B'。

（2）标准核素库构建阶段。对预设库中每个已知核素，在时长T₄内采集谱矩阵A = {a₁,a₂,...,a_n}，通过扣除本底计算标准纯核素谱：A_a = A/T₄－B/T₂。

（3）核素识别阶段。对待测样品在时长T₅内采集谱矩阵C = {c₁,c₂,...,c_n}，计算待测纯核素谱：C_a = C/T₅－B/T₂。随后，通过最小二乘法拟合计算待测谱C_a与各已知核素标准谱A_a的相关系数。设已知核素谱为y，待测谱为x，拟合直线y = kx+b，相关系数按以下公式计算：

将r_j与预设阈值r₀比对进行判定：当r_j≥r₀时认定核素种类匹配。

（4）系统优化机制。根据识别结果持续优化环境更新策略，通过历史数据验证优化有效性以调整更新参数，形成闭环优化体系。

塑料闪烁体的核素识别方法通过精确的本底扣除和相关系数计算，在塑料闪烁体能量分辨率有限的条件下实现了有效的核素识别，其计算核心在于基于计数率归一化的谱线纯化与相关系数匹配算法。

2.2 系统总体架构

该系统采用“云—边—端”协同的架构^[6]，共分为3个层次。

2.2.1 终端感知层

基于原有塑料闪烁体通道产品基础上，增加采用模块化设计的核素识别模块，直接采集从原通道光电倍增管输出放大后的信号，包括信号衰减器模块、ADC多道脉冲幅度分析模块、MCU数据处理器模块、电源管理模块、RS485通信以及RJ45网口通信模块，如图3所示。这种组合在成本上远低于碘化钠系统，同时兼顾塑料闪烁体稳定、不潮解的优点。

图3 核素识别模块硬件结构框图

Fig.3 Hardware block diagram of the nuclide identification module

2.2.2 边缘计算层

在监测设备内部或现场工控机中嵌入边缘计算模块。该模块内置核素识别算法模型，通过核素识别模块采集的原始数据，进行预处理和特征提取，并实时运行算法，快速给出核素识别结果。这种边缘处理模式降低了数据传输压力，保证了报警响应的实时性。

2.2.3 云端智能平台

建设集所有终端设备的报警信息、剂量率数据、核素识别结果、自动触发的现场视频截图和指挥调度于一体的智能平台^[7]。该平台具备以下核心功能：

（1）核素信息库与风险研判引擎。内置包含每种核素的半衰期、辐射类型、常见用途、潜在风险等级等核素信息数据库。一旦识别出核素，引擎自动关联其可能存在的物质形态，并综合活度数据，动态划分报警级别，如低级、中级、高级、危急。

（2）智能处置方案生成与推送。基于识别出的核素和报警级别，系统从预案库中智能匹配并生成标准操作程序，包括防护措施（如防护装备、保持特定距离）、应急处置步骤、人员疏散范围以及需联系的专业部门等内容，可通过移动终端实时推送给现场关员。

（3）大数据分析与联动指挥。对所有报警事件进行记录、统计和分析，可视化展示风险分布图^[8]。同时，可与行李X光机图像、旅客通关信息、货物报关单数据等关联，为指挥决策提供支持。

2.3 智能处置流程设计

构建核辐射智能监管系统，确保应急处置的及时性、科学性和安全性^[5]，如图4所示。

图4 核辐射智能监管系统流程图

Fig.4 Flowchart of the intelligent nuclear radiation monitoring and management system

该系统构建了一个完整的“感知—研判—处置”闭环流程：当塑料闪烁体探测器监测到γ剂量率或中子计数超标时，会立即触发报警；系统随即自动采集数据，并通过边缘计算模块在秒级时间内完成核素识别，将结果上传至智能平台。平台接收到核素信息、剂量、位置等数据后，由风险研判引擎调用数据库，自动判定核素属性与风险，并设定报警级别。随后，平台根据研判结果，从预案库中智能组装成定制化的处置防护预案（包含核素类型、防护建议、处置要求等），通过专用App实时推送至现场关员与指挥中心，指导现场关员据以规范处置、闭环管理，进而持续优化算法与预案。

3 系统应用优势与展望

系统的设计方案旨在为海关核辐射监测工作带来成本、技术、监管效能等方面的预期优势。

3.1 控制成本

系统设计基于对现有塑料闪烁体设备进行升级改造，或选用性价比更高的复合探测器方案，有望在控制投入的前提下实现功能提升，达到“低投入、高智能”的设计目标。

3.2 提升技术性能

该系统设计方案在保留塑料闪烁体环境适应性强、中子探测效率高等优点的同时，重点提升其核素识别能力。系统结构设计注重稳定性，并力求降低后续维护成本。

3.3 预期提高监管效能

系统设计推动监测模式从判断“有无辐射”向识别“何种辐射”转变，以期提升风险甄别的准确性。通过嵌入专家知识库与处置逻辑，系统致力于为现场人员提供技术支持，助力规范操作，降低处置风险，并提升应急响应的及时性与规范性。

未来，随着算法持续优化和核素数据库不断完善，系统在识别准确率与核素覆盖范围上有望进一步提升，并借此探索特定核素类型与X 光机检图像的人工智能自动关联识别研究，为关员提供更直观的辅助线索。

4 结论

本研究设计的核辐射智能监管系统，通过将机器学习算法与智能处置平台相结合，可提高当前以塑料闪烁体为主流的监测设备对核素的识别能力。该系统方案兼具技术可行性、经济合理性与应用前瞻性，可为提升海关对口岸核辐射监测的自动化、智能化水平和应急响应能力提供技术支撑。

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图1 4种同位素能谱图

Fig.1 Energy spectra of four isotopes

图2 Am²⁴¹不同测试点能谱图

Fig.2 Energy spectra of Am²⁴¹ at different measurement points