贾广

美国路易斯安那州立大学 物理与天文学系

诊断X光能用来除霾吗？
——X光在减少工业污染气体排放中的潜在应用

贾广

美国路易斯安那州立大学 物理与天文学系

栏目主编：贾广

贾广，河南安阳人。1997年毕业于兰州大学物理系，2006年获美国俄亥俄州立大学生物物理学博士学位。现为美国路易斯安娜州立大学物理和天文系的副教授，美国放射学委员会认证的诊断医学物理师。主要从事医学物理和癌症影像学的研究。他对肝癌的血流分布的区域不均匀性做出了开创性地描述，并首次提出将蛋白质磁共振成像方法应用于前列腺癌的探测。已在国内外学术期刊、会议上发表论文176篇，其中SCI收录28篇。

我国的雾霾污染近年来有加剧的现象，国家最近也特别重视，希望能从工业源头控制污染气体排放。我们提出利用X光的电离效应设计一种安装在工业烟囱出口的净化装置，可以有效控制工业污染气体排放。

雾霾；诊断X光；大气污染；空气净化；减排；电离效应

0 前言

我国的多个地区的雾霾污染越来越严重，雾霾出现的越来越频繁，在杂志上也常有报道。在雾霾出现的时候，行人戴上防霾口罩，减少户外活动，在家中安装空气净化，是目前比较常见的手段。可是这些手段都是被动防霾。从源头最大限度地减少污染排放才是根本。

工业污染和燃煤在雾霾污染源中占了近一半的比重。如何控制这些污染源，是一个比较急迫的任务，受到了国家的高度重视。如果采取限制企业生产的手段，只会影响国家的工业发展和人民群众的生活。有些城市的典型做法是将高污染排放的企业和热电厂清退出城，而这样只能延缓雾霾的传播时间，却加重了周边地区的污染状况，还额外增加了企业的搬迁和运输成本。如何能找到一种简便有效的工业除霾方法，在解决雾霾污染的难题面前，摆在了越来越重要的位置。

X光可以穿透人体，并部分通过反应被人体组织吸收。X光的这种穿透显影被伦琴发现于1895年，被用来设计X光照相术，乳房X线照相术，X线透视检查，计算机断层扫描，等等。这些技术已经成为医学影像学的重要手段，在疾病的诊断治疗上起着重要的作用。与之同时，X光源的设计也日渐成熟，在小型化和稳定性方面都有很大的保障[1]。

X光与人体组织的反应中有很大一部分属于电离效应，即将原子内的电子打出来，使原子带电，成为离子。X光的电离效应通常对人体有辐射危害，需要严格的控制。然而转换思路，这种电离效应或许可以应用到工业污染排放来除霾，譬如可以将X光源安装在工业烟囱内，让空气中的粒子带电成为离子，同时使用电极收集这些离子。当这些离子象河水一样流向电极的时候，会附着在污染微粒上，裹着污染颗粒一起被拉向电极，从而达到去除污染的目的（图1）。本文根据雾霾空气中PM2.5的成分计算不同能量X光的电离效应和衰减系数，并提出这种工业除霾设备的设计构想。

图1 使用诊断X光过滤工业烟囱的污染气体排放的示意图。

1 材料与方法

X光在雾霾气体中的电离效应和衰减系数：陈进生2013年发表的论文[2]中发布了厦门雾霾季节（2010年12月29日夜间）空气中PM2.5的化学组分，这些成分被输入到美国国家标准技术局（NIST）网站上的光子截面数据库（XCOM，http://www.nist.gov/pml/data/xcom/），得到不同能量X光穿越PM2.5过程中由于电离效应（光电吸收和康普顿散射）造成的质量衰减系数，并与纯净空气的质量衰减系数做了比较。

X光除霾设备的实验设计：我们设想一个边长为1 m的立方盒子，里面充满了工业烟囱的直接排放气体，假设污染气体的总密度为纯净空气的密度（1.225×103g/cm3）。我们计算出X光在气体中的线性衰减系数µ和平均自由程（1/µ）；通过选取X光光管电压，让平均自由程尽量接近立方盒子的边长，这样既能高效发挥电离效应，还能最大限度避免辐射泄漏；假设X光源发射的为单一能量的X光，根据X光光管电压可以计算出X光子的能量；假设每一次电离反应要消耗33.85 eV才能产生一个离子对[3]，计算出单个X光子在平均自由程可以产生多少离子。

2 结果

诊断X光在雾霾气体PM2.5中的质量衰减系数随X光子能量增加而逐渐降低（图2）。当X光能量小于8.98 keV的时候，光电吸收占总衰减系数的100%的比重，康普顿散射完全可以忽略不计，从图2中也看出，总衰减曲线和光电吸收曲线完全重合。当X光能量是20 keV的时候，光电吸收仍占总衰减系数的94%，康普顿散射只占6%。当X光能量是50 keV的时候，光电吸收和康普顿散射各占总衰减系数的50%。当X光能量继续增加的时候，光电吸收的贡献迅速减少，在X光能量为150 keV的时候，光电吸收只占总衰减系数的5%。

图2 X光在雾霾PM2．5微粒中的电离效应。

X光在雾霾PM2.5微粒中的质量衰减系数在低能量是与纯净空气比较接近（图3）。在2.472 keV和2.822 keV的时候，X光在雾霾PM2.5微粒中的质量衰减系数与纯净空气的数值相比出现显著升高，这刚好对应于硫和氯的k壳层的结合能。这种差别在3 keV和50 keV区间一直显著存在。当X光能量继续升高的时候，这种差别逐渐减少并最终趋于消失。

图3 X光在雾霾PM2．5微粒和纯净空气中的质量衰减系数比较。

在边长为1 m的立方盒子中，X光子的平均自由程也为1 m，线形衰减系数为1m-1，质量衰减系数为816 cm2/g，在纯净空气中需要X光子的能量为1.716 keV，单个光子可以产生51个离子对；在雾霾PM2.5微粒中需要1.678 keV的X光，单个光子可以产生49个离子对。

3 讨论

3.1 颗粒收集电极板的设计构想

如果X光源短时间内产生出过多的带电颗粒，收集电极板不能尽快收集它们，离子对就会重新复合，影响除霾效果。我们假设立方盒子的对应两面为收集电极板，板间距为1 cm，典型的电压为100 V，带电颗粒的漂移速度如果为1 m/s，这意味着离子到达收集电极板的时间为10 ms[4]。① 假设在10 ms内所有的烟雾颗粒都被X光电离，并被全部收集，那么就不会出现复合。如果我们知道立方盒子里共有多少个污染微粒，就可以计算出收集速率，即盒子里的烟雾微粒除以10 ms。② 我们可以进一步模拟出离子如何附着在污染微粒上，使污染颗粒变为带电颗粒。若已知盒子中的总污染微粒数，就可以计算出共需要多少X光才能使所有的颗粒带电。③ 最后根据收集电极的收集速率，估算出X光源的光管电流。

与负离子空气净化器的比较：本文建议的X光电离空气的方法与负离子空气净化器有些类似。负离子空气净化器采用高压电极电离空气分子，并使用电极收集带电微粒，是一种常用空气净化的手段。负离子空气净化器使用的高压电极，作用的空间范围比较有限，很难覆盖工业烟囱这样的尺寸；如果将高压电极暴露于空气中，在各种恶劣天气环境下会出现许多安全使用和维护的问题。我们的方法将高压嵌入技术成熟的X光源，并把高压加速电子的能量转化为X光子，而不同能量的X光子有不同的平均自由程。我们可以根据工业烟囱的尺寸，调整优化X光能量，有效净化所有的污染排放气体（图4）。

图4 X光跟污染气体作用形成带正电和负电的微粒并被电极板收集。负离子空气净化器采用高压电极产生电子并与微粒结合，形成负电微粒，然后被电极板收集。

3.2 与诊断X光源的比较

这个方法采用了类似诊断X光源的光管电压产生X光，如乳房X线照相术（Mammography）使用的是30 kV，荧光透视（fluoroscopy）为80 kV，电子计算机X射线断层扫描技术（CT）为80～120 kV。我们可以借鉴或直接使用这些医学诊断设备的X光源，采用类似的变压器，安装到工业烟囱上。医学影像诊断设备通常需要变频器来产生极小的电压纹波，以保证稳定的X光源和高质量图像。为了节省成本，我们可以去掉变频器等环节，只使用变压器和整流器就能使X光源仍维持较高的工作效率。

3.3 收集电极的设计

收集电极板之间的电压高低、距离长短和电极的形状设计，都取决于工业排放的化学组分和X光的电离效率。设计思路可借鉴医学工程中的自由空气电离室的电极，譬如每厘米的电压为100～200 V[4]。最优化的设计才能保证带电微粒的快速收集过滤。如果同时能够避免使用高压，安全性就可以得到充分的保证。收集电极的集霾效率可以通过电极的电流得到适时体现，如果电极电流出现显著下降，说明除霾效率很低，需要进行调整或修理。譬如X光源发射窗口需要清理，电极需要清理，或者X光能量需要调节，可以通过调节电压或调整射线滤波片来实现。收集到的微粒粉末如何安全地存储并加以利用，以防止出现二度污染，需要进一步的研究。

3.4 根据污染排放实时调整工作状态

可以建立收集电流和X光源的正反馈机制，使整个装置始终处于最佳工作状态，以最高的效率去处烟囱的污染排放。收集的电流可以被补充到X光源，用于X光的产生，有一定的节能效益。当烟囱没有排放或只有少量排放的时候，可以关掉X光源或调低X光发射，可以最大限度地降低辐射危害。

3.5 潜在的辐射危害

由于X光会产生带电微粒及次生微粒，如臭氧，如果被人吸入肺部，进入血液循环系统，会对人体健康造成危害。所以只推荐工厂内使用，不推荐社区室内安装使用。除了用于放射诊断的低能X光，用于公共场所（如幼儿园和医院）的紫外光，也可以基于类似的原理用来电离污染微粒。紫外光的安全性比X光要高，但是有效电离半径会大大缩小，可能会影响除霾效率，并不适用于工业烟囱。

3.6 辐射防护

2004年出版的美国国家辐射防护与测量委员会 147号报告[5]对于医用X光影像设备的场所结构防护给出了指导意见和一些具体实例。这些都可以用于指导烟囱雾霾过滤装置的设计，安装和维护。在考虑辐射对人群的影响中，可分为厂外人群和厂内人群，估算每周暴露在可能辐射区域的时间。测量烟囱顶端到工厂车间的最近距离和烟囱到厂外的最近距离，依据平方反比定律，计算可能受到的辐射，同时依据人群所能接受的辐射水平上限，设计烟囱雾霾过滤装置的辐射防护，如铅板的厚度等等。同时需要医学物理师或医学工程师对整个安装过程进行监督。在完成安装和调试后，需要医学物理师或医学工程师检查辐射防护效果，才能完成接收工作。最后还需要医学物理或工程师对除霾装置进行每季度或每年的常规辐射检查，将辐射危害降至最低水平。

4 总结

本文研究了医学诊断X光在雾霾气体中的电离效应，并利用这种电离效应设计了一种工业烟囱除霾的设备，希望能在控制工业污染排放中起到关键作用。

致谢：

非常感谢路易斯安那大学医学物理组的Wei-Hsung Wang教授和KennethMatthews II教授，以及Pennington生物医学研究中心的Steven Heymsfield教授。他们提出了非常宝贵的建议，对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

作者邮箱：gjia@lsu.edu