診斷X光能用來(lái)除霾嗎？
——X光在減少工業(yè)污染氣體排放中的潛在應(yīng)用

賈廣

美國(guó)路易斯安那州立大學(xué) 物理與天文學(xué)系

診斷X光能用來(lái)除霾嗎？
——X光在減少工業(yè)污染氣體排放中的潛在應(yīng)用

賈廣

美國(guó)路易斯安那州立大學(xué) 物理與天文學(xué)系

欄目主編：賈廣

賈廣，河南安陽(yáng)人。1997年畢業(yè)于蘭州大學(xué)物理系，2006年獲美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)生物物理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為美國(guó)路易斯安娜州立大學(xué)物理和天文系的副教授，美國(guó)放射學(xué)委員會(huì)認(rèn)證的診斷醫(yī)學(xué)物理師。主要從事醫(yī)學(xué)物理和癌癥影像學(xué)的研究。他對(duì)肝癌的血流分布的區(qū)域不均勻性做出了開(kāi)創(chuàng)性地描述，并首次提出將蛋白質(zhì)磁共振成像方法應(yīng)用于前列腺癌的探測(cè)。已在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊、會(huì)議上發(fā)表論文176篇，其中SCI收錄28篇。

我國(guó)的霧霾污染近年來(lái)有加劇的現(xiàn)象，國(guó)家最近也特別重視，希望能從工業(yè)源頭控制污染氣體排放。我們提出利用X光的電離效應(yīng)設(shè)計(jì)一種安裝在工業(yè)煙囪出口的凈化裝置，可以有效控制工業(yè)污染氣體排放。

霧霾；診斷X光；大氣污染；空氣凈化；減排；電離效應(yīng)

0 前言

我國(guó)的多個(gè)地區(qū)的霧霾污染越來(lái)越嚴(yán)重，霧霾出現(xiàn)的越來(lái)越頻繁，在雜志上也常有報(bào)道。在霧霾出現(xiàn)的時(shí)候，行人戴上防霾口罩，減少戶外活動(dòng)，在家中安裝空氣凈化，是目前比較常見(jiàn)的手段。可是這些手段都是被動(dòng)防霾。從源頭最大限度地減少污染排放才是根本。

工業(yè)污染和燃煤在霧霾污染源中占了近一半的比重。如何控制這些污染源，是一個(gè)比較急迫的任務(wù)，受到了國(guó)家的高度重視。如果采取限制企業(yè)生產(chǎn)的手段，只會(huì)影響國(guó)家的工業(yè)發(fā)展和人民群眾的生活。有些城市的典型做法是將高污染排放的企業(yè)和熱電廠清退出城，而這樣只能延緩霧霾的傳播時(shí)間，卻加重了周邊地區(qū)的污染狀況，還額外增加了企業(yè)的搬遷和運(yùn)輸成本。如何能找到一種簡(jiǎn)便有效的工業(yè)除霾方法，在解決霧霾污染的難題面前，擺在了越來(lái)越重要的位置。

X光可以穿透人體，并部分通過(guò)反應(yīng)被人體組織吸收。X光的這種穿透顯影被倫琴發(fā)現(xiàn)于1895年，被用來(lái)設(shè)計(jì)X光照相術(shù)，乳房X線照相術(shù)，X線透視檢查，計(jì)算機(jī)斷層掃描，等等。這些技術(shù)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)影像學(xué)的重要手段，在疾病的診斷治療上起著重要的作用。與之同時(shí)，X光源的設(shè)計(jì)也日漸成熟，在小型化和穩(wěn)定性方面都有很大的保障[1]。

X光與人體組織的反應(yīng)中有很大一部分屬于電離效應(yīng)，即將原子內(nèi)的電子打出來(lái)，使原子帶電，成為離子。X光的電離效應(yīng)通常對(duì)人體有輻射危害，需要嚴(yán)格的控制。然而轉(zhuǎn)換思路，這種電離效應(yīng)或許可以應(yīng)用到工業(yè)污染排放來(lái)除霾，譬如可以將X光源安裝在工業(yè)煙囪內(nèi)，讓空氣中的粒子帶電成為離子，同時(shí)使用電極收集這些離子。當(dāng)這些離子象河水一樣流向電極的時(shí)候，會(huì)附著在污染微粒上，裹著污染顆粒一起被拉向電極，從而達(dá)到去除污染的目的（圖1）。本文根據(jù)霧霾空氣中PM2.5的成分計(jì)算不同能量X光的電離效應(yīng)和衰減系數(shù)，并提出這種工業(yè)除霾設(shè)備的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

圖1 使用診斷X光過(guò)濾工業(yè)煙囪的污染氣體排放的示意圖。

1 材料與方法

X光在霧霾氣體中的電離效應(yīng)和衰減系數(shù)：陳進(jìn)生2013年發(fā)表的論文[2]中發(fā)布了廈門霧霾季節(jié)（2010年12月29日夜間）空氣中PM2.5的化學(xué)組分，這些成分被輸入到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局（NIST）網(wǎng)站上的光子截面數(shù)據(jù)庫(kù)（XCOM，http://www.nist.gov/pml/data/xcom/），得到不同能量X光穿越PM2.5過(guò)程中由于電離效應(yīng)（光電吸收和康普頓散射）造成的質(zhì)量衰減系數(shù)，并與純凈空氣的質(zhì)量衰減系數(shù)做了比較。

X光除霾設(shè)備的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：我們?cè)O(shè)想一個(gè)邊長(zhǎng)為1 m的立方盒子，里面充滿了工業(yè)煙囪的直接排放氣體，假設(shè)污染氣體的總密度為純凈空氣的密度（1.225×103g/cm3）。我們計(jì)算出X光在氣體中的線性衰減系數(shù)μ和平均自由程（1/μ）；通過(guò)選取X光光管電壓，讓平均自由程盡量接近立方盒子的邊長(zhǎng)，這樣既能高效發(fā)揮電離效應(yīng)，還能最大限度避免輻射泄漏；假設(shè)X光源發(fā)射的為單一能量的X光，根據(jù)X光光管電壓可以計(jì)算出X光子的能量；假設(shè)每一次電離反應(yīng)要消耗33.85 eV才能產(chǎn)生一個(gè)離子對(duì)[3]，計(jì)算出單個(gè)X光子在平均自由程可以產(chǎn)生多少離子。

2 結(jié)果

診斷X光在霧霾氣體PM2.5中的質(zhì)量衰減系數(shù)隨X光子能量增加而逐漸降低（圖2）。當(dāng)X光能量小于8.98 keV的時(shí)候，光電吸收占總衰減系數(shù)的100%的比重，康普頓散射完全可以忽略不計(jì)，從圖2中也看出，總衰減曲線和光電吸收曲線完全重合。當(dāng)X光能量是20 keV的時(shí)候，光電吸收仍占總衰減系數(shù)的94%，康普頓散射只占6%。當(dāng)X光能量是50 keV的時(shí)候，光電吸收和康普頓散射各占總衰減系數(shù)的50%。當(dāng)X光能量繼續(xù)增加的時(shí)候，光電吸收的貢獻(xiàn)迅速減少，在X光能量為150 keV的時(shí)候，光電吸收只占總衰減系數(shù)的5%。

圖2 X光在霧霾PM2．5微粒中的電離效應(yīng)。

X光在霧霾PM2.5微粒中的質(zhì)量衰減系數(shù)在低能量是與純凈空氣比較接近（圖3）。在2.472 keV和2.822 keV的時(shí)候，X光在霧霾PM2.5微粒中的質(zhì)量衰減系數(shù)與純凈空氣的數(shù)值相比出現(xiàn)顯著升高，這剛好對(duì)應(yīng)于硫和氯的k殼層的結(jié)合能。這種差別在3 keV和50 keV區(qū)間一直顯著存在。當(dāng)X光能量繼續(xù)升高的時(shí)候，這種差別逐漸減少并最終趨于消失。

圖3 X光在霧霾PM2．5微粒和純凈空氣中的質(zhì)量衰減系數(shù)比較。

在邊長(zhǎng)為1 m的立方盒子中，X光子的平均自由程也為1 m，線形衰減系數(shù)為1m-1，質(zhì)量衰減系數(shù)為816 cm2/g，在純凈空氣中需要X光子的能量為1.716 keV，單個(gè)光子可以產(chǎn)生51個(gè)離子對(duì)；在霧霾PM2.5微粒中需要1.678 keV的X光，單個(gè)光子可以產(chǎn)生49個(gè)離子對(duì)。

3 討論

3.1 顆粒收集電極板的設(shè)計(jì)構(gòu)想

如果X光源短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生出過(guò)多的帶電顆粒，收集電極板不能盡快收集它們，離子對(duì)就會(huì)重新復(fù)合，影響除霾效果。我們假設(shè)立方盒子的對(duì)應(yīng)兩面為收集電極板，板間距為1 cm，典型的電壓為100 V，帶電顆粒的漂移速度如果為1 m/s，這意味著離子到達(dá)收集電極板的時(shí)間為10 ms[4]。① 假設(shè)在10 ms內(nèi)所有的煙霧顆粒都被X光電離，并被全部收集，那么就不會(huì)出現(xiàn)復(fù)合。如果我們知道立方盒子里共有多少個(gè)污染微粒，就可以計(jì)算出收集速率，即盒子里的煙霧微粒除以10 ms。② 我們可以進(jìn)一步模擬出離子如何附著在污染微粒上，使污染顆粒變?yōu)閹щ婎w粒。若已知盒子中的總污染微粒數(shù)，就可以計(jì)算出共需要多少X光才能使所有的顆粒帶電。③ 最后根據(jù)收集電極的收集速率，估算出X光源的光管電流。

與負(fù)離子空氣凈化器的比較：本文建議的X光電離空氣的方法與負(fù)離子空氣凈化器有些類似。負(fù)離子空氣凈化器采用高壓電極電離空氣分子，并使用電極收集帶電微粒，是一種常用空氣凈化的手段。負(fù)離子空氣凈化器使用的高壓電極，作用的空間范圍比較有限，很難覆蓋工業(yè)煙囪這樣的尺寸；如果將高壓電極暴露于空氣中，在各種惡劣天氣環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)許多安全使用和維護(hù)的問(wèn)題。我們的方法將高壓嵌入技術(shù)成熟的X光源，并把高壓加速電子的能量轉(zhuǎn)化為X光子，而不同能量的X光子有不同的平均自由程。我們可以根據(jù)工業(yè)煙囪的尺寸，調(diào)整優(yōu)化X光能量，有效凈化所有的污染排放氣體（圖4）。

圖4 X光跟污染氣體作用形成帶正電和負(fù)電的微粒并被電極板收集。負(fù)離子空氣凈化器采用高壓電極產(chǎn)生電子并與微粒結(jié)合，形成負(fù)電微粒，然后被電極板收集。

3.2 與診斷X光源的比較

這個(gè)方法采用了類似診斷X光源的光管電壓產(chǎn)生X光，如乳房X線照相術(shù)（Mammography）使用的是30 kV，熒光透視（fluoroscopy）為80 kV，電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)（CT）為80～120 kV。我們可以借鑒或直接使用這些醫(yī)學(xué)診斷設(shè)備的X光源，采用類似的變壓器，安裝到工業(yè)煙囪上。醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備通常需要變頻器來(lái)產(chǎn)生極小的電壓紋波，以保證穩(wěn)定的X光源和高質(zhì)量圖像。為了節(jié)省成本，我們可以去掉變頻器等環(huán)節(jié)，只使用變壓器和整流器就能使X光源仍維持較高的工作效率。

3.3 收集電極的設(shè)計(jì)

收集電極板之間的電壓高低、距離長(zhǎng)短和電極的形狀設(shè)計(jì)，都取決于工業(yè)排放的化學(xué)組分和X光的電離效率。設(shè)計(jì)思路可借鑒醫(yī)學(xué)工程中的自由空氣電離室的電極，譬如每厘米的電壓為100～200 V[4]。最優(yōu)化的設(shè)計(jì)才能保證帶電微粒的快速收集過(guò)濾。如果同時(shí)能夠避免使用高壓，安全性就可以得到充分的保證。收集電極的集霾效率可以通過(guò)電極的電流得到適時(shí)體現(xiàn)，如果電極電流出現(xiàn)顯著下降，說(shuō)明除霾效率很低，需要進(jìn)行調(diào)整或修理。譬如X光源發(fā)射窗口需要清理，電極需要清理，或者X光能量需要調(diào)節(jié)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓或調(diào)整射線濾波片來(lái)實(shí)現(xiàn)。收集到的微粒粉末如何安全地存儲(chǔ)并加以利用，以防止出現(xiàn)二度污染，需要進(jìn)一步的研究。

3.4 根據(jù)污染排放實(shí)時(shí)調(diào)整工作狀態(tài)

可以建立收集電流和X光源的正反饋機(jī)制，使整個(gè)裝置始終處于最佳工作狀態(tài)，以最高的效率去處煙囪的污染排放。收集的電流可以被補(bǔ)充到X光源，用于X光的產(chǎn)生，有一定的節(jié)能效益。當(dāng)煙囪沒(méi)有排放或只有少量排放的時(shí)候，可以關(guān)掉X光源或調(diào)低X光發(fā)射，可以最大限度地降低輻射危害。

3.5 潛在的輻射危害

由于X光會(huì)產(chǎn)生帶電微粒及次生微粒，如臭氧，如果被人吸入肺部，進(jìn)入血液循環(huán)系統(tǒng)，會(huì)對(duì)人體健康造成危害。所以只推薦工廠內(nèi)使用，不推薦社區(qū)室內(nèi)安裝使用。除了用于放射診斷的低能X光，用于公共場(chǎng)所（如幼兒園和醫(yī)院）的紫外光，也可以基于類似的原理用來(lái)電離污染微粒。紫外光的安全性比X光要高，但是有效電離半徑會(huì)大大縮小，可能會(huì)影響除霾效率，并不適用于工業(yè)煙囪。

3.6 輻射防護(hù)

2004年出版的美國(guó)國(guó)家輻射防護(hù)與測(cè)量委員會(huì) 147號(hào)報(bào)告[5]對(duì)于醫(yī)用X光影像設(shè)備的場(chǎng)所結(jié)構(gòu)防護(hù)給出了指導(dǎo)意見(jiàn)和一些具體實(shí)例。這些都可以用于指導(dǎo)煙囪霧霾過(guò)濾裝置的設(shè)計(jì)，安裝和維護(hù)。在考慮輻射對(duì)人群的影響中，可分為廠外人群和廠內(nèi)人群，估算每周暴露在可能輻射區(qū)域的時(shí)間。測(cè)量煙囪頂端到工廠車間的最近距離和煙囪到廠外的最近距離，依據(jù)平方反比定律，計(jì)算可能受到的輻射，同時(shí)依據(jù)人群所能接受的輻射水平上限，設(shè)計(jì)煙囪霧霾過(guò)濾裝置的輻射防護(hù)，如鉛板的厚度等等。同時(shí)需要醫(yī)學(xué)物理師或醫(yī)學(xué)工程師對(duì)整個(gè)安裝過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督。在完成安裝和調(diào)試后，需要醫(yī)學(xué)物理師或醫(yī)學(xué)工程師檢查輻射防護(hù)效果，才能完成接收工作。最后還需要醫(yī)學(xué)物理或工程師對(duì)除霾裝置進(jìn)行每季度或每年的常規(guī)輻射檢查，將輻射危害降至最低水平。

4 總結(jié)

本文研究了醫(yī)學(xué)診斷X光在霧霾氣體中的電離效應(yīng)，并利用這種電離效應(yīng)設(shè)計(jì)了一種工業(yè)煙囪除霾的設(shè)備，希望能在控制工業(yè)污染排放中起到關(guān)鍵作用。

致謝：

非常感謝路易斯安那大學(xué)醫(yī)學(xué)物理組的Wei-Hsung Wang教授和KennethMatthews II教授，以及Pennington生物醫(yī)學(xué)研究中心的Steven Heymsfield教授。他們提出了非常寶貴的建議，對(duì)本文的完成起了重要的作用。

[1] Jerrold T．Bushberg,J．Anthony Seibert,Edwin M．Leidholdt Jr．, John M．Boone．The Essential Physics of Medical Imaging,Third Edition．Lippincott Williams & Wilkins:2011．

[2] Fuwang Zhang,Jinsheng Chen,Tianxue Qiu,Liqian Yin,Xiaoqiu Chen,Jianshuan Yu．F．Zhang,J．Chen,T．Qiu,L．Yin,X．Chen and J．Yu,"Pollution Characteristics of PM2．5 during a Typical Haze Episode in Xiamen,China,"Atmospheric and Climate Sciences,Vol．3 No．4,2013,pp．427-439．

[3] William R．Hendee,Russell Ritenour．Medical Imaging Physics, Fourth Edition．Wiley-Liss:2002．

[4] Knoll,Gleen F．Radiation Detection and Measurement,Third Edition．John Wiley & Sons,Inc:2000．

[5] NCRP Report No．147,Structual Shielding Design for Medical X-Ray Imaging Facilities,National Council on Radiation Protection & Measurements．

Potential Applications of Diagnostic X-rays in Filtering Air Pollutants

JIA Guang
Department of Physics and Astronomy, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA

Air pollution and haze in China have reached intolerable levels. It is important to make significant progress in controlling air pollution. We proposed a novel type of air purifier, which is based on ionizing interaction of X-rays with air pollutants. The device is composed of two components: X-ray tubes and collecting plates. The X-rays generated by X-ray tubes are used to ionize air pollutants in order to charge airborne particles. The collecting plates are used to collect those charged air pollutants. Our device can be installed as a filter on top of every industrial chimney that can efficiently remove air pollutants.

haze; diagnostic X-rays; air pollution; air purification; reduction of pollution emission; ionization effect

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.04.001

1674-1633(2014)04-0001-03

2014-02-15

作者郵箱：gjia@lsu.edu