李 岩 张永寿 孟保文 田 军 邵亚辉 赵修义*

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0043-03 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

放射污染智能防护系统电离辐射传感装置的设计

李 岩①张永寿①孟保文①田 军②邵亚辉②赵修义②*

[文章编号] 1672-8270(2015)03-0043-03 [中图分类号] R197.324 [文献标识码] A

目的：针对应用单光子发射型电子计算机断层扫描仪(SPECT)造成环境污染这一状况，设计一套能够对放射污染进行智能防护的电离辐射传感装置， 以实现自动实时监测。方法：摒弃目前国内采用的放射性核素衰变技术对环境污染进行被动防护的弊端，借鉴国外放射污染防护的优点，创新性的设计了一种放射污染智能防护电离辐射传感装置，使其能够对放射性废水进行自动实时监测。结果：该装置由Nal(Tl)探测器、光电倍增管、高压电源、脉冲成形电路、频率计及智能控制电路组成，可以实现电离辐射的实时监测。结论：将放射污染智能防护系统电离辐射传感装置应用到对放射水源的检测系统中，可以控制放射性污水的合理排放。

电离辐射；闪烁探测器；光电倍增管；放射防护

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.03.014

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

随着人类的发展和工业化进程，环境污染问题日益严重，且正在威害着人们的健康，尤其是水的污染，严重威胁着人们的生命。因此，我国已经将环保问题上升到国家发展战略的高度。核医学作为一种常规诊疗手段，在疾病诊治的过程中会对公众环境造成放射性污染，而国内多数医院对核医学设备产生的放射性污水缺乏有效的控制技术和防护设备[1-3]。这其中关键的环节便是缺乏一种智能的主动的电离辐射传感装置，本研究所设计的针对应用单光子发射型电子计算机断层扫描仪(single-photon emission computed tomography，SPECT)造成环境污染的状况，可摒弃目前国内简单采用的放射性核素衰变技术对环境污染进行被动防护的弊端，借鉴国外放射污染防护的优点，创新性地设计出一种放射污染智能防护电离辐射传感装置，使其能够对放射性废水进行自动实时监测。

1 电离辐射传感装置的设计

装置由NaI(Tl)晶体探测器、光电倍增管、高压电源CC238、脉冲成形电路、频率计及智能控制电路组成，其框图如图1所示。

图1 电离辐射传感装置示图

2 电离辐射传感装置部件的选择

闪烁探测器是利用晶体的闪烁现象记录核辐射的装置，由晶体、光导物质及光电倍增管组成，这种装置在γ射线测量中得到了广泛应用[4-7]。经多年临床应用，闪烁探测器在测量γ射线方面具有良好的灵敏度和垂直分辨率。

2.1 NaI(Tl)晶体的选择

本设计利用NaI(Tl)作为闪烁体探测器的晶体进行放射污染废液的探测，这一选择是基于各种核反应均可产生γ射线，非战时民用放射性污水主要为医疗单位产生，以γ射线为主，由于NaI(Tl)对于γ射线污染具有最佳探测能力，因此作为原始级探测是第一选择[8-9]。

2.2 光电倍增管GDB-44的选择

光电倍增管是闪烁探测器重要部件，依据光电子发射、二次电子发射和电子光学的原理制成，透明真空壳体内装有特殊电极的器件。光阴极在光子作用下发射电子，这些电子被外电场(或磁场)加速，聚焦于第一次极。这些冲击次极的电子能使次极释放更多的电子，再被聚焦在第二次极，经过10次以上倍增，放大倍数可达到108～1010。然后在高电位的阳极收集到放大了的光电流，输出的电流与入射光子数成正比。整个过程需8～10 s。光电倍增管供电电源必须稳定并确保倍增系数和最小的暗电流，本项研究选用GDB-44光电倍增管，其工作波长为80～300 nm，输入光功率为1200 dBm，偏振相关增益为500 dB，能确保将俘获的较小γ射线强度倍增为较大的探测信号电流[10]。

2.3 高压电源CC238的选择

CC238是最新研发的管座式高压模块，其内部分压器设计为高线性分压器，其特性可使光电倍增管获取极高的直流输出线性，仅提供15 V电压调整便能获得0～1100 V高压，满足光电倍增管正常工作。采用CC238高压电源后，可以摒弃既往庞大繁杂的高压发生器，使整个探测器及其相关器件组件更为精巧，可靠性极大提高。

2.4 脉冲成形电路的设计

为准确实施信号幅度分析和能谱测量，必须要整合放大器频带宽度、噪声、输入阻抗、抗计数过载、放大器的稳定性以及功耗等诸多因素，确保与HB962频率计相兼容。由于α脉冲信号通过整形后脉冲宽度为1～2 µs，核污染液体γ射线衰变信号通过整形后脉冲宽度为3～5 µs，这就需要运算放大器要有迅速的转换速度。本系统脉冲成形电路设计运算选用CA3140放大器，能够适应这一要求。CA3140高输入阻抗运算放大器是美国无线电公司研制开发的一种BiMOS高电压集成在一片芯片上的运算放大器，该运算放大器的功能是保护MOSFET的栅极(PMOS上)中的晶体管输入电路，提供非常高的输入阻抗，并具有极低输入电流和高速性能。操作电源电压为4～36 V(单电源或双电源)，结合了压电PMOS晶体管工艺和高电压双授晶体管的优点(互补对称金属氧化物半导体)卓越性能的运放，其内部电路如图2所示，图中引脚功能见表1[11]。

表1 引脚功能表

2.5 频率计HB962的采用

利用频率计HB962反映γ射线辐照水平的特征。HB962频率计动态范围大、检测敏感度高，通常用于工业上对设备转速和频率的测量。放射污染智能防护系统前级探测器探测到的γ射线衰变次数，经放大整形电路变换为不同的频率的脉冲信号，这一系列不同频率的脉冲信号恰好在HB962频率计的测定范围。放射污染智能防护系统所测算的放射衰变频度与实际测量值是一致的，由于HB962频率计具备智能运算功能，能够将放射衰变频度(频率脉冲)按照HB962频率计所规定的数学模型转化为相应的贝克或居里单位，以实现对放射污染的计算。

图2 内部电路示意图

3 电离辐射传感装置的数据输出及采集

频率计HB962可反映实际γ射线辐照水平，与微电脑时间计数器结合，无需人工操作，可设定系统自动运行。HB962频率计只需设定开关量、输入电平脉冲信号兼容参数值、设置两组继电器工作模式、掉电不丢失设定值，并有多种继电器工作模式。电离辐射传感装置检测的γ射线衰变次数信号的同时，HB962时基信号发生器产生计数闸门信号，当输入的γ射线衰变次数信号通过闸门进入计数器计数，即可与闸门频率进行比对，闸门频率可以按照国家标准进行标定，即可确定核污水安全排放的阈值及饮用水闸门开关阈值[12]。

4 电离辐射传感装置的应用效果

经过实验，电离辐射传感装置的运行无需人工监视或干预，可对医院核医学放射性污染实时防护[13-15]。在发现废水达到预先设定的放射性下限值时会自动发出动作指令，后续便可根据相应的动作指令控制电动阀门和排液泵工作，能够保证排入外界环境的废水放射性浓度低于国家环境保护总局规定的放射性废水浓度范围的下限值3.7×102Bq/L[16-17]。

电离辐射传感装置较国外产品成本价格降低50%以上，且环境适应性好，安装简单，无特殊环境要求，装配到监测放射污染系统上便能够在战时事件发生即刻预警，有效地保护现场人员，尤其是在可疑污染区域应用价值更高，是很好的核战战略防御措施。非战时能够有效控制民用放射性污水的排放，减少公共环境污染。

5 结语

目前，国内处于防护理论的研究和防护方法的初步探索阶段，对水源放射性污染智能防护的研究尚属空白，研究一种智能化放射污染防护系统电离辐射传感装置，对平时及战时核事件后公众水源进行预警保护，控制放射性污水合理排放，是在构建和谐社会中保护生态环境的必然选择。

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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

李岩,女,(1970- ),本科学历，副主任技师。济南军区总医院医学工程科，从事医疗设备质量控制管理工作。

2014-03-06

①济南军区总医院医学工程科 山东 济南 250031

②济南军区总医院核医学科 山东 济南 250031

*通讯作者：yzjfchen@sohu.com