放射污染智能防護(hù)系統(tǒng)電離輻射傳感裝置的設(shè)計(jì)

李 巖 張永壽 孟保文 田 軍 邵亞輝 趙修義*

[文章編號(hào)] 1672-8270(2015)03-0043-03 [中圖分類(lèi)號(hào)] R197.324 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

放射污染智能防護(hù)系統(tǒng)電離輻射傳感裝置的設(shè)計(jì)

李 巖①?gòu)堄缐邰倜媳Ｎ蘑偬?軍②邵亞輝②趙修義②*

[文章編號(hào)] 1672-8270(2015)03-0043-03 [中圖分類(lèi)號(hào)] R197.324 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A

目的：針對(duì)應(yīng)用單光子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀(SPECT)造成環(huán)境污染這一狀況，設(shè)計(jì)一套能夠?qū)Ψ派湮廴具M(jìn)行智能防護(hù)的電離輻射傳感裝置， 以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。方法：摒棄目前國(guó)內(nèi)采用的放射性核素衰變技術(shù)對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行被動(dòng)防護(hù)的弊端，借鑒國(guó)外放射污染防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)了一種放射污染智能防護(hù)電離輻射傳感裝置，使其能夠?qū)Ψ派湫詮U水進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)果：該裝置由Nal(Tl)探測(cè)器、光電倍增管、高壓電源、脈沖成形電路、頻率計(jì)及智能控制電路組成，可以實(shí)現(xiàn)電離輻射的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)論：將放射污染智能防護(hù)系統(tǒng)電離輻射傳感裝置應(yīng)用到對(duì)放射水源的檢測(cè)系統(tǒng)中，可以控制放射性污水的合理排放。

電離輻射；閃爍探測(cè)器；光電倍增管；放射防護(hù)

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.014

[First-author’s address] Jinan Military General Hospital, Jinan 250031, China.

隨著人類(lèi)的發(fā)展和工業(yè)化進(jìn)程，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，且正在威害著人們的健康，尤其是水的污染，嚴(yán)重威脅著人們的生命。因此，我國(guó)已經(jīng)將環(huán)保問(wèn)題上升到國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略的高度。核醫(yī)學(xué)作為一種常規(guī)診療手段，在疾病診治的過(guò)程中會(huì)對(duì)公眾環(huán)境造成放射性污染，而國(guó)內(nèi)多數(shù)醫(yī)院對(duì)核醫(yī)學(xué)設(shè)備產(chǎn)生的放射性污水缺乏有效的控制技術(shù)和防護(hù)設(shè)備[1-3]。這其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)便是缺乏一種智能的主動(dòng)的電離輻射傳感裝置，本研究所設(shè)計(jì)的針對(duì)應(yīng)用單光子發(fā)射型電子計(jì)算機(jī)斷層掃描儀(single-photon emission computed tomography，SPECT)造成環(huán)境污染的狀況，可摒棄目前國(guó)內(nèi)簡(jiǎn)單采用的放射性核素衰變技術(shù)對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行被動(dòng)防護(hù)的弊端，借鑒國(guó)外放射污染防護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)出一種放射污染智能防護(hù)電離輻射傳感裝置，使其能夠?qū)Ψ派湫詮U水進(jìn)行自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 電離輻射傳感裝置的設(shè)計(jì)

裝置由NaI(Tl)晶體探測(cè)器、光電倍增管、高壓電源CC238、脈沖成形電路、頻率計(jì)及智能控制電路組成，其框圖如圖1所示。

圖1 電離輻射傳感裝置示圖

2 電離輻射傳感裝置部件的選擇

閃爍探測(cè)器是利用晶體的閃爍現(xiàn)象記錄核輻射的裝置，由晶體、光導(dǎo)物質(zhì)及光電倍增管組成，這種裝置在γ射線測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用[4-7]。經(jīng)多年臨床應(yīng)用，閃爍探測(cè)器在測(cè)量γ射線方面具有良好的靈敏度和垂直分辨率。

2.1 NaI(Tl)晶體的選擇

本設(shè)計(jì)利用NaI(Tl)作為閃爍體探測(cè)器的晶體進(jìn)行放射污染廢液的探測(cè)，這一選擇是基于各種核反應(yīng)均可產(chǎn)生γ射線，非戰(zhàn)時(shí)民用放射性污水主要為醫(yī)療單位產(chǎn)生，以γ射線為主，由于NaI(Tl)對(duì)于γ射線污染具有最佳探測(cè)能力，因此作為原始級(jí)探測(cè)是第一選擇[8-9]。

2.2 光電倍增管GDB-44的選擇

光電倍增管是閃爍探測(cè)器重要部件，依據(jù)光電子發(fā)射、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)的原理制成，透明真空殼體內(nèi)裝有特殊電極的器件。光陰極在光子作用下發(fā)射電子，這些電子被外電場(chǎng)(或磁場(chǎng))加速，聚焦于第一次極。這些沖擊次極的電子能使次極釋放更多的電子，再被聚焦在第二次極，經(jīng)過(guò)10次以上倍增，放大倍數(shù)可達(dá)到108～1010。然后在高電位的陽(yáng)極收集到放大了的光電流，輸出的電流與入射光子數(shù)成正比。整個(gè)過(guò)程需8～10 s。光電倍增管供電電源必須穩(wěn)定并確保倍增系數(shù)和最小的暗電流，本項(xiàng)研究選用GDB-44光電倍增管，其工作波長(zhǎng)為80～300 nm，輸入光功率為1200 dBm，偏振相關(guān)增益為500 dB，能確保將俘獲的較小γ射線強(qiáng)度倍增為較大的探測(cè)信號(hào)電流[10]。

2.3 高壓電源CC238的選擇

CC238是最新研發(fā)的管座式高壓模塊，其內(nèi)部分壓器設(shè)計(jì)為高線性分壓器，其特性可使光電倍增管獲取極高的直流輸出線性，僅提供15 V電壓調(diào)整便能獲得0～1100 V高壓，滿足光電倍增管正常工作。采用CC238高壓電源后，可以摒棄既往龐大繁雜的高壓發(fā)生器，使整個(gè)探測(cè)器及其相關(guān)器件組件更為精巧，可靠性極大提高。

2.4 脈沖成形電路的設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確實(shí)施信號(hào)幅度分析和能譜測(cè)量，必須要整合放大器頻帶寬度、噪聲、輸入阻抗、抗計(jì)數(shù)過(guò)載、放大器的穩(wěn)定性以及功耗等諸多因素，確保與HB962頻率計(jì)相兼容。由于α脈沖信號(hào)通過(guò)整形后脈沖寬度為1～2 μs，核污染液體γ射線衰變信號(hào)通過(guò)整形后脈沖寬度為3～5 μs，這就需要運(yùn)算放大器要有迅速的轉(zhuǎn)換速度。本系統(tǒng)脈沖成形電路設(shè)計(jì)運(yùn)算選用CA3140放大器，能夠適應(yīng)這一要求。CA3140高輸入阻抗運(yùn)算放大器是美國(guó)無(wú)線電公司研制開(kāi)發(fā)的一種BiMOS高電壓集成在一片芯片上的運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器的功能是保護(hù)MOSFET的柵極(PMOS上)中的晶體管輸入電路，提供非常高的輸入阻抗，并具有極低輸入電流和高速性能。操作電源電壓為4～36 V(單電源或雙電源)，結(jié)合了壓電PMOS晶體管工藝和高電壓雙授晶體管的優(yōu)點(diǎn)(互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)金屬氧化物半導(dǎo)體)卓越性能的運(yùn)放，其內(nèi)部電路如圖2所示，圖中引腳功能見(jiàn)表1[11]。

表1 引腳功能表

2.5 頻率計(jì)HB962的采用

利用頻率計(jì)HB962反映γ射線輻照水平的特征。HB962頻率計(jì)動(dòng)態(tài)范圍大、檢測(cè)敏感度高，通常用于工業(yè)上對(duì)設(shè)備轉(zhuǎn)速和頻率的測(cè)量。放射污染智能防護(hù)系統(tǒng)前級(jí)探測(cè)器探測(cè)到的γ射線衰變次數(shù)，經(jīng)放大整形電路變換為不同的頻率的脈沖信號(hào)，這一系列不同頻率的脈沖信號(hào)恰好在HB962頻率計(jì)的測(cè)定范圍。放射污染智能防護(hù)系統(tǒng)所測(cè)算的放射衰變頻度與實(shí)際測(cè)量值是一致的，由于HB962頻率計(jì)具備智能運(yùn)算功能，能夠?qū)⒎派渌プ冾l度(頻率脈沖)按照HB962頻率計(jì)所規(guī)定的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的貝克或居里單位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)放射污染的計(jì)算。

圖2 內(nèi)部電路示意圖

3 電離輻射傳感裝置的數(shù)據(jù)輸出及采集

頻率計(jì)HB962可反映實(shí)際γ射線輻照水平，與微電腦時(shí)間計(jì)數(shù)器結(jié)合，無(wú)需人工操作，可設(shè)定系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。HB962頻率計(jì)只需設(shè)定開(kāi)關(guān)量、輸入電平脈沖信號(hào)兼容參數(shù)值、設(shè)置兩組繼電器工作模式、掉電不丟失設(shè)定值，并有多種繼電器工作模式。電離輻射傳感裝置檢測(cè)的γ射線衰變次數(shù)信號(hào)的同時(shí)，HB962時(shí)基信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生計(jì)數(shù)閘門(mén)信號(hào)，當(dāng)輸入的γ射線衰變次數(shù)信號(hào)通過(guò)閘門(mén)進(jìn)入計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，即可與閘門(mén)頻率進(jìn)行比對(duì)，閘門(mén)頻率可以按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定，即可確定核污水安全排放的閾值及飲用水閘門(mén)開(kāi)關(guān)閾值[12]。

4 電離輻射傳感裝置的應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，電離輻射傳感裝置的運(yùn)行無(wú)需人工監(jiān)視或干預(yù)，可對(duì)醫(yī)院核醫(yī)學(xué)放射性污染實(shí)時(shí)防護(hù)[13-15]。在發(fā)現(xiàn)廢水達(dá)到預(yù)先設(shè)定的放射性下限值時(shí)會(huì)自動(dòng)發(fā)出動(dòng)作指令，后續(xù)便可根據(jù)相應(yīng)的動(dòng)作指令控制電動(dòng)閥門(mén)和排液泵工作，能夠保證排入外界環(huán)境的廢水放射性濃度低于國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局規(guī)定的放射性廢水濃度范圍的下限值3.7×102Bq/L[16-17]。

電離輻射傳感裝置較國(guó)外產(chǎn)品成本價(jià)格降低50%以上，且環(huán)境適應(yīng)性好，安裝簡(jiǎn)單，無(wú)特殊環(huán)境要求，裝配到監(jiān)測(cè)放射污染系統(tǒng)上便能夠在戰(zhàn)時(shí)事件發(fā)生即刻預(yù)警，有效地保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)人員，尤其是在可疑污染區(qū)域應(yīng)用價(jià)值更高，是很好的核戰(zhàn)戰(zhàn)略防御措施。非戰(zhàn)時(shí)能夠有效控制民用放射性污水的排放，減少公共環(huán)境污染。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)處于防護(hù)理論的研究和防護(hù)方法的初步探索階段，對(duì)水源放射性污染智能防護(hù)的研究尚屬空白，研究一種智能化放射污染防護(hù)系統(tǒng)電離輻射傳感裝置，對(duì)平時(shí)及戰(zhàn)時(shí)核事件后公眾水源進(jìn)行預(yù)警保護(hù)，控制放射性污水合理排放，是在構(gòu)建和諧社會(huì)中保護(hù)生態(tài)環(huán)境的必然選擇。

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The design of ionizing radiation sensing device in intelligent protection system for radioactive contamination

LI Yan, ZHANG Yong-shou, MENG Bao-wen, et al// China Medical Equipment,2015,12(3)∶43-45.

Objective∶ For the situation of environmental pollution caused the application of SPECT, designing a smart protection of radioactive contamination of ionizing radiation sensing device. Methods∶ Abandons the current domestic radio nuclides decay using a simple technique for passive protection against environmental pollution drawbacks, and learns the advantages of foreign radioactive contamination protection. It can be automatically realtime monitoring the radioactive waste. Results∶ This device consists of Nal(Tl) detector, photomultiplier tubes, high voltage power supply, pulse shaping circuit, frequency meter and intelligent control circuit, can achieve real-time monitoring of ionizing radiation. Conclusion∶ This device can apply to the water for radiation detection system; it can control the discharge of radioactive effluent reasonable.

Ionizing radiation; Scintillation detector; Photomultiplier tubes; Radiological protection

李巖,女,(1970- ),本科學(xué)歷，副主任技師。濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，從事醫(yī)療設(shè)備質(zhì)量控制管理工作。

2014-03-06

①濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科 山東 濟(jì)南 250031

②濟(jì)南軍區(qū)總醫(yī)院核醫(yī)學(xué)科 山東 濟(jì)南 250031

*通訊作者：yzjfchen@sohu.com