一种紧凑型、平台无关的水下放射性检测系统

《Journal of Environmental Radioactivity》：A compact, platform-agnostic system for underwater radioactivity detection

　　

本文介绍了一种名为Mini KATERINA的紧凑型水下放射性检测系统的开发与评估，该系统旨在集成到平台无关的移动机器人车辆中，在受控水生环境中运行以识别放射源。该系统使用一个2″?×?2″的NaI(Tl)闪烁晶体（掺杂铊的碘化钠闪烁晶体）耦合硅光电倍增管（SiPM），实现了尺寸、重量和功耗的降低。研究人员在实验室条件下使用校准过的参考点源和专用模拟源（体源）对系统进行了表征，从而能够训练和验证可疑物体的识别。初始性能评估在水箱中进行，以研究探测能力，并在能量、能量分辨率和全能峰效率方面进行校准。计算得到的系统在源与探测器表面距离分别为4.5、8.5和12.5 cm时的效率分别为0.0038、0.0016和0.00051。在662 keV能量下，源与探测器表面距离分别为4.5、8.5和12.5 cm时的检测限（LD）分别为8、17和54 Bq（贝克勒尔）。随后，在海洋环境中进行了现场测试，使用一个置于专用外壳中的已知放射性模拟源来评估点源的检测限。在该现场配置下，海洋环境中系统与¹³⁷Cs（铯-137）点源距离为6 cm时的点源检测限（LD）为43 Bq。结果表明，该系统在水下辐射监测方面具有有效性，并且具有集成到多种移动水下平台中的潜力。

## 论文解读：一种紧凑型、平台无关的水下放射性检测系统

### 研究背景与问题

水下环境中的放射性同位素监测对于环境安全、核事故早期预警以及地质学、地震学、海洋学等多学科研究至关重要。海洋生态系统中的环境放射性测量是评估天然本底放射性和潜在污染（来自工业天然放射性核素及核设施、事故释放、常规排放等人为源）的必要组成部分。传统的固定监测站在空间覆盖和操作灵活性方面存在局限，尤其对于大型或偏远海域。为弥补这些不足，研究人员致力于开发能够在恶劣海洋环境中可靠运行的自主移动检测解决方案。

近年来，将辐射探测仪器与无人海洋平台（如无人水面艇和自主水下航行器）相结合，成为扩展监测能力的有效策略。然而，大多数现有系统设计为固定监测站或大型浮标装置，限制了其在动态事件（如事故释放或间歇性羽流运动）中的响应速度和空间覆盖范围。此外，小型化、低功耗、鲁棒信号处理以及经过验证的定量方法的挑战，仍是开发适合与海洋无人机集成的移动放射性检测单元的关键研究前沿——尤其是当采用小体积晶体时，其伽马射线能谱统计量低，快速识别潜在放射性威胁或物体仍悬而未决。本研究正是为了应对这一挑战，提出并实现了一种专为轻松集成到平台无关的移动平台（如海洋无人机）而优化的紧凑型放射性检测系统。

### 研究内容与结论

研究人员开发并评估了名为Mini KATERINA的紧凑型水下放射性检测系统。该系统采用2″?×?2″的NaI(Tl)闪烁晶体耦合硅光电倍增管（SiPM），显著减小了尺寸、重量和功耗。系统在实验室条件下使用校准点源和专用模拟源（体源）进行了表征，实现了对可疑物体识别的训练与验证。随后在水箱中进行了初始性能评估，获得了能量、能量分辨率和全能峰效率的校准数据。计算结果显示，在源与探测器表面距离4.5、8.5、12.5 cm时，系统效率分别为0.0038、0.0016、0.00051；在662 keV能量下的检测限（LD）分别为8、17、54 Bq。最后，在海洋环境中进行现场测试，使用置于专用外壳中的已知¹³⁷Cs点源进行评估，当系统与源距离6 cm时，点源检测限为43 Bq。结果表明，该系统在水下辐射监测中具有有效性，并具备集成到多种移动水下平台的潜力。该论文发表在《Journal of Environmental Radioactivity》。

### 关键技术方法

研究人员采用了以下主要技术方法：（1）基于NaI(Tl)闪烁晶体（2″?×?2″）与硅光电倍增管（SiPM）耦合的伽马射线探测模块，实现小型化与低功耗；（2）实验室条件下使用校准参考点源和专用体源进行系统表征与训练，构建自动识别算法所需的参考值；（3）水箱实验中进行能量、能量分辨率和全能峰效率校准，获取系统响应函数；（4）海洋环境现场测试，使用封装于专用外壳的¹³⁷Cs点源评估检测限。所有测量均基于时间戳数据采集与单板计算机Raspberry Pi（RPi）的控制与通信。未涉及特定试剂或质粒操作，亦无样本队列来源需注明。

### 研究结果

**Radioactivity system**
通过开发由NaI(Tl)晶体、SiPM和相关电子单元（信号处理、采集、存储）组成的放射性检测系统，实现了紧凑设计与低功耗。系统输出连接到Raspberry Pi（RPi）单板计算机，用于通信与控制，数据以时间戳保存。

**Experimental set up for method analysis**
在实验室水箱（1 m3）和海洋环境中进行测量。水箱中探测器完全浸没于固定深度，采集本底辐射谱以建立无源情况下的参考水平。现场测试中，使用已知活度的¹³⁷Cs点源置于专用外壳内，在距探测器表面6 cm处评估系统响应。

**Discussion**
讨论指出，该伽马射线能谱检测系统具有紧凑尺寸、低重量（使用小尺寸NaI(Tl)晶体和SiPM）以及集成RPi进行自动识别与源分类等优势，使其适合集成到小型海洋无人机和自主固定监测平台中。

**Summary – perspectives**
研究开发了一种经过鲁棒标定的水下伽马射线能谱检测系统，能够提供可调能量范围内的检测。系统获取的伽马射线能谱带有时间戳，可在检测后提取。系统设定用于检测水生环境中的放射源。通过研究系统随时间的检测限性能，开发了放射性“威胁”识别方法。

### 讨论与结论

讨论部分强调，该系统的主要优势在于紧凑的体积和低重量（得益于2″×2″ NaI(Tl)晶体与SiPM的组合）以及集成Raspberry Pi实现自动识别和源分类。这一选择显著减小了系统尺寸，同时保持了检测效能，使得系统能够轻松集成到小型海洋无人机和自主固定监测平台中。研究人员还指出，系统在实验室和海洋环境中均完成了校准，检测限已被计算，已准备好用于现场放射源检测与识别。

**研究结论部分翻译：**
开发了一种鲁棒标定的水下伽马射线能谱检测系统，能够提供可调能量范围内的检测。获取的伽马射线能谱带有时间戳，可在检测后提取。该系统设定用于检测水生环境中的放射源。通过研究系统随时间的检测限性能，开发了放射性“威胁”识别方法。