放射性全身輻射檢測(cè)門(mén)禁報(bào)警系統(tǒng)

徐鵬程（上海欣科醫(yī)藥有限公司，上海 201108）

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放射性全身輻射檢測(cè)門(mén)禁報(bào)警系統(tǒng)

徐鵬程
（上海欣科醫(yī)藥有限公司，上海 201108）

摘 要：放射性物質(zhì)發(fā)出的α、β、γ等射線(xiàn)對(duì)正常的人體和周?chē)h(huán)境都是有害的，由于這些射線(xiàn)是看不見(jiàn)、摸不著的，為了切實(shí)保護(hù)從事放射性物質(zhì)的工作人員，如何對(duì)人體全身進(jìn)行檢測(cè)并能定性、定量地進(jìn)行分析、報(bào)警，實(shí)時(shí)給出輻射劑量水平值，指出污染部位，就是我們需要探討研究的課題，下面討論的放射性全身輻射檢測(cè)門(mén)禁報(bào)警系統(tǒng)就是為了完成我們的預(yù)期而設(shè)計(jì)的，其原理是先將放射性信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，之后進(jìn)行分析處理，最終顯示出測(cè)量結(jié)果。放射性全身輻射檢測(cè)門(mén)禁報(bào)警系統(tǒng)主要由光電脈沖信號(hào)產(chǎn)生電路、模擬信號(hào)放大電路、反符合甄別電路、數(shù)字處理器電路、聲光報(bào)警、遠(yuǎn)程控制電腦等組成。系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確、顯示直觀(guān)、使用方便。

關(guān)鍵詞：放射性檢測(cè)；碘-125；γ射線(xiàn)；反符合電路；高靈敏度

0 引言

碘125放射性同位素是軌道電子俘獲衰變的核素，半衰期為60.14天，發(fā)射的γ射線(xiàn)能量?jī)H為0.03548MeV，因其能量低，故人體本身對(duì)其輻射屏蔽的效果也非常明顯。如身體左側(cè)胳膊被污染，如果在人體右側(cè)進(jìn)行探測(cè)就可能探測(cè)不到。上海欣科醫(yī)藥有限公司的密封籽源生產(chǎn)車(chē)間，專(zhuān)門(mén)使用碘-125核素作為該產(chǎn)品的放射性同位素生產(chǎn)原料。實(shí)現(xiàn)工作人員在車(chē)間生產(chǎn)結(jié)束離開(kāi)生產(chǎn)區(qū)域時(shí)，進(jìn)行是否身體某處被污染或隨身攜帶了放射性物質(zhì)的判定，針對(duì)全身的放射性監(jiān)測(cè)顯得尤為重要。常規(guī)的區(qū)域監(jiān)測(cè)儀器，由于接觸面小、靈敏度低、能量響應(yīng)參差不齊等缺陷，很難以滿(mǎn)足其檢測(cè)要求，本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)輻射檢測(cè)儀器基礎(chǔ)上進(jìn)行了較大地改進(jìn)，讓全身輻射檢測(cè)儀擁有7塊塑閃晶體，擁有全方位的接觸面積，含有龐大的的晶體容量來(lái)提高靈敏度，采用更精準(zhǔn)的能量閾來(lái)適應(yīng)碘-125的能量響應(yīng)。

該系統(tǒng)主要用于車(chē)間的出口處γ射線(xiàn)的測(cè)量，配合門(mén)禁控制，確保員工不將自身沾染的或其他放射性物品帶出生產(chǎn)車(chē)間。

本文主要討論4個(gè)方面：塑閃探測(cè)體的選型、集零基線(xiàn)校準(zhǔn)電路、反符合甄別電路、動(dòng)態(tài)的報(bào)警閾值。反符合甄別電路是本文的重點(diǎn)，它采用雙比較器和雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，對(duì)特定的碘-125的射線(xiàn)的能量閾，進(jìn)行精準(zhǔn)雙閾值卡位設(shè)置，采用反符合原理，定向縮小甄別范圍，達(dá)到精準(zhǔn)高效的監(jiān)測(cè)目的。

1 探頭設(shè)計(jì)

1.1 探頭布置要求

在系統(tǒng)通道門(mén)的四周即頂部、左臂、右臂、左腿、右腿、左腳和右腳方向布置探測(cè)器，從不同角度測(cè)量微弱放射性輻射劑量率。

1.2 探測(cè)器性能與選型

針對(duì)碘125工作場(chǎng)所，如何在幾種常見(jiàn)的輻射探測(cè)體中選型，在此，進(jìn)行分析和比較，最終選擇出合理、適用的探測(cè)體，主要考慮以下5個(gè)方面：

（1）能量響應(yīng)：能滿(mǎn)足碘125的0.03548MeV的γ射線(xiàn)能量能響應(yīng)。

（2）劑量響應(yīng)線(xiàn)性：線(xiàn)性和真實(shí)性越靠近越好。

（3）響應(yīng)時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間越短越好，控制在0.5s內(nèi)為最佳。

（4）靈敏度：因需要檢測(cè)出量值微弱的放射性，探測(cè)體的體積越大，同一輻射值對(duì)應(yīng)的CPS計(jì)數(shù)率越大，靈敏度越高。

（5）整體儀器的安裝環(huán)境：該車(chē)間對(duì)儀器功耗沒(méi)有要求，安裝方式適合于固定式安裝。

綜合參考五大因素，我們對(duì)各種探測(cè)器進(jìn)行逐一分析選擇：

（1）NaI（TI）閃爍體的優(yōu)點(diǎn)是密度大，原子序數(shù)高，對(duì)γ射線(xiàn)探測(cè)效率高。發(fā)光效率高，能量分辨率也較好。缺點(diǎn)是容易潮解，價(jià)格昂貴，不方便制成大面積的探測(cè)體。

（2）鍺酸鉍（BGO）有最大的效率和最好的信噪比。主要用于探測(cè)低能x射線(xiàn)、高能γ射線(xiàn)以及高能電子。在低能區(qū)（＜＜0.5MeV）的能量分辨率比碘化鈉的差，對(duì)于0.511MeV的γ射線(xiàn)，BGO的時(shí)間分辨為1.9ns，缺點(diǎn)還有折射率較高，尺寸大的BGO難以將光輸出去，價(jià)格高。

（3）硫化鋅：ZnS（Ag）它對(duì)α粒子的發(fā)光效率高，對(duì)β、γ射線(xiàn)不靈敏，適合在強(qiáng)β、γ本底下探測(cè)重帶電粒子如：α射線(xiàn)，探測(cè)效率可達(dá)100%，射線(xiàn)種類(lèi)不符。

圖1

（4）蓋格計(jì)數(shù)管，蓋革計(jì)數(shù)管可以用于探測(cè)γ射線(xiàn)，但由于蓋革管中的氣體密度通常較小，高能γ射線(xiàn)往往在未被探測(cè)到時(shí)就已經(jīng)射出了蓋革管，因此其對(duì)高能γ射線(xiàn)的探測(cè)靈敏度較低。能量識(shí)別性差，不方便制成大面積的探測(cè)體，要達(dá)到大的探測(cè)面積和高的靈敏度，則必須使用多個(gè)計(jì)數(shù)管并聯(lián)使用，造成設(shè)計(jì)、安裝的難度加大，成本也有很大的提高，維護(hù)保養(yǎng)難度也增加了。

（5）塑閃晶體，閃爍晶體不僅具有高密度（≥7g/cm）、快衰減（15～50ns）和高抗輻照（～1TeV）等特性外，而且價(jià)格低廉，對(duì)光產(chǎn)額要求相對(duì)較低。適合大體積的安裝，能量響應(yīng)較好。

（6）還有諸如半導(dǎo)體類(lèi)探測(cè)器，電離室型探測(cè)器等，也不適合用于I-125核素的放射性全身輻射檢測(cè)門(mén)禁報(bào)警系統(tǒng)要求。

綜上所述，塑閃晶體最能滿(mǎn)足我們的設(shè)計(jì)需求。當(dāng)放射性射線(xiàn)打在塑閃晶體上時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生光子，光電倍增管光陰極接收到光子后轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，然后進(jìn)行處理即可。

1.3 探頭電路設(shè)計(jì)

（1）放大器電路

如圖1所示，光電倍增管輸出電流信號(hào)很小，很微弱，需經(jīng)過(guò)三級(jí)10倍放大，即放大1000倍輸出，為了修正因高計(jì)數(shù)率造成的放大器輸出信號(hào)基線(xiàn)的漂移，增加了基線(xiàn)恢復(fù)電路，用兩個(gè)恒流源，通過(guò)V1、V2鉗住放大輸出信號(hào)基線(xiàn)維持在0電平位置。

圖2

圖3

（2）反符合甄別電路

如圖2所示，反符合甄別電路主要是對(duì)放大輸出信號(hào)進(jìn)行區(qū)分，選擇I-125特征能量段信號(hào)，剔除其他核素與環(huán)境本底的能量信號(hào)，降低測(cè)量本底，提高設(shè)備的檢測(cè)分辨能力。

如圖3所示輸出特性圖，針對(duì)不同能量的射線(xiàn)，其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)其能量的同等峰值的脈沖信號(hào)，碘125車(chē)間需要檢測(cè)的射線(xiàn)是γ射線(xiàn)，其能量是0.03548MeV，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，標(biāo)準(zhǔn)碘125的信號(hào)峰值是2V，根據(jù)誤差理論給予±15%的裕度，那么上下兩道的閾值分別是2.3V 和1.7V，高于2.3V峰值的脈沖甲，同時(shí)觸發(fā)上下兩道閾值，上道比較器在B點(diǎn)的下降沿，將在穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，脈沖寬度由電容C3電阻R4乘積來(lái)定，下道比較器在D點(diǎn)的上升沿，在穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，脈沖寬度由電容C5與電阻R10乘積來(lái)定，由于C3、 R4乘積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于C5、R10乘積，所以在D點(diǎn)產(chǎn)生的信號(hào)，將被B點(diǎn)產(chǎn)生的信號(hào)完全淹沒(méi)掉。

脈沖丙，既沒(méi)有高于上道閾值，又沒(méi)有高于下道閾值，故不會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。

脈沖乙，對(duì)應(yīng)其閾值的脈沖，正好高于下道的閾值，又低于上道的閾值，通過(guò)精準(zhǔn)定向卡位，準(zhǔn)確卡住了探測(cè)碘125的能量，屏蔽掉其他能量的干擾射線(xiàn)，極大地提高了射線(xiàn)探測(cè)的效率和精準(zhǔn)度。

2 輻射監(jiān)測(cè)處理部分

將七路信號(hào)采集器的脈沖收集齊全后，送入計(jì)數(shù)器芯片，再進(jìn)入單片機(jī)計(jì)數(shù)。單片機(jī)輔助其他外圍設(shè)備，搭建輻射檢測(cè)系統(tǒng)。

2.1 檢測(cè)和提示

（1）紅外監(jiān)測(cè)

在通道門(mén)的3m遠(yuǎn)處安裝遠(yuǎn)程紅外，感應(yīng)被測(cè)對(duì)象到來(lái)時(shí)，從本底數(shù)據(jù)更新模式進(jìn)入預(yù)備測(cè)量模式。在檢測(cè)門(mén)底端放置腳印標(biāo)識(shí)，在通道門(mén)的頂端和側(cè)端，安裝近程紅外，規(guī)范檢測(cè)者的位置，確保測(cè)量準(zhǔn)確有效。

（2）語(yǔ)音播報(bào)和聲光指示

配備真人語(yǔ)音芯片，實(shí)時(shí)播報(bào)，提示測(cè)量操作。監(jiān)測(cè)中通過(guò)紅黃綠三色指示燈指示正常、測(cè)量、報(bào)警和故障等狀態(tài)，檢測(cè)完畢后，通報(bào)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

劑量數(shù)據(jù)由處理器實(shí)時(shí)更新和處理，處理器將數(shù)據(jù)單向傳給控制器?？刂破鞲鶕?jù)7個(gè)部位的劑量數(shù)據(jù)，對(duì)比本底數(shù)據(jù)，采用動(dòng)態(tài)閾值的模式，判斷出污染的級(jí)別，和污染的身體某部位，同時(shí)給出門(mén)禁信號(hào)，禁止劑量超閾值者走出檢測(cè)門(mén)。

（1）動(dòng)態(tài)閾值模式

采用動(dòng)態(tài)閾值模式，當(dāng)沒(méi)有被測(cè)對(duì)象時(shí)，不斷地更新環(huán)境本底數(shù)據(jù)，使環(huán)境本底更接近真實(shí)環(huán)境，避免由于緯度差異、氣候差異、天氣原因等外界因素的干擾，對(duì)滿(mǎn)足環(huán)境本底±3δ（δ為本底數(shù)據(jù)的平方根）的本底數(shù)據(jù)（置信度可達(dá)99.72%）記入新的環(huán)境本底緩沖區(qū)，動(dòng)態(tài)閾值在其上下浮動(dòng)，這種方式比固定閾值（一刀切模式）判別更科學(xué)有效。

（2）參數(shù)配置和數(shù)據(jù)傳輸

參數(shù)配置存儲(chǔ)在控制器，處理器通過(guò)485通信模式向控制器上傳內(nèi)部參數(shù)和劑量數(shù)據(jù)，控制器通過(guò)命令協(xié)議來(lái)修改處理器的參數(shù)配置。

3 控制部分及遠(yuǎn)程電腦控制

3.1 輻射控制器

控制器是處理器的延伸和擴(kuò)展，配備大屏幕液晶進(jìn)行顯示，鍵盤(pán)進(jìn)行輸入，另外加載高分貝的報(bào)警燈，進(jìn)行預(yù)警提示，通過(guò)網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程電腦。

控制器接受處理器過(guò)來(lái)的通信信號(hào)，通過(guò)網(wǎng)口將數(shù)據(jù)傳給后臺(tái)服務(wù)電腦。

3.2 遠(yuǎn)程電腦控制

遠(yuǎn)程電腦控制是控制器的網(wǎng)絡(luò)延伸，可以后方遠(yuǎn)程來(lái)操作、監(jiān)控。配置好IP參數(shù)后，控制器向遠(yuǎn)程電腦實(shí)時(shí)傳輸各部位的劑量數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程電腦可以修改控制器的參數(shù)，必要的時(shí)候可以軟重啟控制器。

結(jié)論

本文分析了傳統(tǒng)儀器的現(xiàn)狀，針對(duì)精度低，靈敏度低等問(wèn)題，改進(jìn)后具備以下成果：（1）采用大面積塑閃探測(cè)體，它具有快速響應(yīng)、極低的噪聲、高靈敏度等特點(diǎn)。（2）光電倍增管輸出的光電信號(hào)經(jīng)過(guò)三級(jí)的1000倍放大后，再進(jìn)行基線(xiàn)校準(zhǔn)和濾波，使溫度漂移、信號(hào)波動(dòng)大的弊端得以抑制。（3）采用了反符合電路，通過(guò)精準(zhǔn)的兩道閾值界定，只允許I-125能量段的射線(xiàn)經(jīng)過(guò)，而阻止其他能量的射線(xiàn)通過(guò)，這樣既可以降低本底數(shù)據(jù)，又可以提高該核素的測(cè)量精確度。（4）報(bào)警閾值設(shè)置采用3δ的本底動(dòng)態(tài)閾值，實(shí)時(shí)更新，測(cè)量更精確。（5）采用控制器和后臺(tái)遠(yuǎn)程電腦控制，為以后系統(tǒng)升級(jí)提供足夠的空間。（6）采用標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)研制的儀器進(jìn)行測(cè)試，證明儀器的測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、性能優(yōu)良。

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中圖分類(lèi)號(hào)：TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A