便攜式γ射線實時成像檢測系統對露天農作物的放射性應急監測*

張　慶　李文紅　張　京　周　強　拓　飛　徐翠華

便攜式γ射線實時成像檢測系統對露天農作物的放射性應急監測*

張慶①李文紅①張京①周強①拓飛①徐翠華①

張慶,男,(1977- ),碩士，副研究員。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室，從事輻射檢測和核事故應急監測工作。

目的：探討便攜式γ射線實時成像檢測系統監測露天農作物放射性污染的可行性，建立核事故向周圍環境釋放大量放射性核素時，隨著大氣運動、降水和自身重力等因素而降落到地面污染露天農作物的監測方法。方法：從便攜式γ射線實時成像檢測系統組成和工作原理出發，拓展其性能和功能，并利用國家二級標準實驗室γ-刻度計檢驗其成像功能和劑量率測量值的準確性。結果：使用γ-刻度計中137Cs和60Co點源來檢驗便攜式γ射線實時成像檢測系統，所得成像清晰，能準確劃分放射性污染范圍，劑量率測量值最小相對偏差＜3%，最大相對偏差為30.6%。結論：便攜式γ射線實時成像檢測系統能夠劃分放射性污染范圍，較為準確的劑量率定值，因此可應用于核事故情況下露天農作物的放射性應急監測。

便攜式γ實時成像；農作物；放射性；應急監測

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.05.017

[First-author’s address] National Institute for Radiological Protection, China CDC, Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, Beijing 100088, China.

專題——關注放射診療設備質量控制與放射性污染應急監測

編者按：電離輻射在醫學領域的應用與日俱增，目前已成為臨床診斷和治療不可或缺的重要手段與工具。基層醫院低端放射診療設備的技術改造，大型醫院高精尖放射診療設備的質量控制，對于提高影像質量、降低受檢者劑量以及保障放射治療質量極為重要。同時，對于放射性污染的應急監測也成為大家所關注的領域。本專題就熒光屏透視機改造成影像增強器透視機、二維矩陣用于加速器調強適形放射治療質量控制檢測，以及放射性污染應急監測等方面的新技術進行報道。

欄目主編：岳保榮

岳保榮，男，研究員，碩士研究生導師。中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所原副所長，國際放射防護委員會(ICRP)委員，中華醫學會放射醫學與防護學分會主任委員，中國醫學裝備協會理事，北京醫學會放射醫學與防護專業委員會主任委員。長期從事輻射防護與質量控制研究工作，組織制訂醫用常規X射線設備、X射線計算機斷層攝影裝置(CT)、乳腺X射線攝影設備以及計算機X射線攝影(CR)設備等多項質量控制檢測國家標準。主要研究方向：醫用輻射防護與質量控制。

眾所周知，切爾諾貝利核事故和日本福島核事故均向周圍環境釋放了大量的放射性物質，這些放射性物質隨著大氣環流、降水以及自身重力等因素沉降到地面使露天的農作物遭受污染。由于沉降的不規律、不均勻使有些農作物被污染，有些未被污染，有的污染嚴重，有的則輕微污染[1-7]。如何快速準確地區分被污染的農作物并予以標定污染范圍是核事故應急中急需解決的重要技術問題。雖然可以采用劑量率巡測儀大范圍尋測或者大面積多采樣點采集樣品，利用γ能譜儀來完成這一工作，但消耗大量時間、財力和人力。此外，劑量率波動范圍會導致污染界限劃定不明確，抽樣檢測會存在漏測，因此需要一種能夠快速直觀的判定污染并準確劃分污染范圍的儀器[8-11]。γ射線實時成像檢測系統能夠實現這樣的功能，并已被廣泛應用于工業探傷和醫療等領域，而針對核事故放射性應急監測則更加需要便攜式γ射線實時成像檢測系統。本研究從便攜式γ射線實時成像檢測系統的構成、原理出發，闡述其功能，并檢驗其性能，證實其可以較好的運用于露天農作物放射性污染應急監測[12-16]。

1　便攜式γ射線實時成像檢測系統

1.1成像檢測系統的構成

便攜式γ射線實時成像檢測系統是集光學成像和γ射線成像于一體的便攜式核事故應急監測設備，由探頭、計算機、連接電纜及管理軟件等部分組成。50-EM71267型便攜式γ射線實時成像檢測系統其探頭為Φ80 mm×140 mm的圓柱形，鎢合金屏蔽；探頭內部包括光學鏡頭、準直器和γ探測器。光學鏡頭和準直器類型為雙圓錐面、鎢合金，針孔為0.25 mm，準直器為50o。γ射線探測器為4 mm厚的CsI(Tl)閃爍探測器，能響范圍為50～1.5 MeV。性能指標660 keV處的靈敏范圍：積分模式(高計數率模擬)情況下0.1～1 mGy/h，計數模式(低計數率模式)情況下1～10 μGy/h。空間分辨率：使用50o準直器、4 mm閃爍體，137Cs源為2.5o，60Co源為4.5o。

1.2成像檢測系統的運行原理

便攜式γ實時成像系統是基于“針孔成像”原理設計的，最后所成影像為光學影像(黑白)與γ射線影像(彩色)相疊加。

γ射線影像的獲取過程為：γ射線直線傳播，穿過針孔的γ射線被針孔后的探測器探測到，針孔的作用實際上是準直器。γ射線通過雙圓錐面的準直器入射到CsI(Tl)閃爍探測器，經過第一個光導投射到微通道板上確定射線的位置，然后經過第二個光導在CCD上成像(如圖1所示)。

圖1　便攜式γ射線實時成像系統γ射線成像示意圖

1.3成像檢測系統的判斷依據

光學成像照片(黑白)與γ射線成像照片(彩色)經過便攜式γ射線實時成像檢測系統管理軟件無視差疊加合成，若有明顯顏色區域疊加在黑白的光學成像照片上，則表明該顏色所覆蓋區域存在放射性物質，放射性物質形狀不同，顏色區域也會呈現出相應形狀，顏色區域邊界標定放射性邊界，物質中放射性的不均勻性也會通過所呈現的顏色區域不同顏色分層次顯示出來，對照管理軟件提供的劑量率顏色比例尺，可得出該放射性物質在探頭處產生的劑量率。

1.4成像檢測系統的性能檢驗

無論是切爾諾貝利核事故還是福島核事故，均向環境釋放了大量的長半衰期放射性核素137Cs[7-9]。因此，為了檢驗便攜式γ實時成像檢測系統能否應用于核事故中露天農作物的放射性監測，本研究利用中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所(以下簡稱輻射安全所)國家二級標準實驗室中由BUCHLER公司生產，型號為OB34/1的γ-刻度計里的137Cs和60Co點源檢驗該系統的現場γ射線輻射劑量率測量的準確性、光學影像獲取、γ射線影像獲取以及光學影像和γ射線影像的疊加。方法是讓便攜式γ實時成像檢測系統探頭與γ-刻度計正對，選擇1 m和4 m兩個距離檢測，此外在1 m和4 m處分別使探頭偏轉5o和10o進行測量，同時考慮點源的實際強弱有選擇的進行測量，其詳細參數見表1。

表1　輻射安全所國家二級標準實驗室γ-刻度計(型號OB34/1)測量參數

2　便攜式γ射線實時成像檢測系統檢測結果

2.1γ射線輻射劑量率測量準確性檢測結果

調節便攜式γ射線實時成像系統高度與γ-刻度計一致，移動探頭與γ-刻度計之間距離為1 m，測量3個137Cs點源和1個60Co點源，其結果見表2。

表2　便攜式γ射線實時成像檢測系統劑量率測量結果(1 m處)

水平轉動探頭偏離探頭與γ-刻度計連接線5o后測量1個137Cs點源，其結果見表3。

表3　便攜式γ射線實時成像檢測系統探頭偏轉5o后劑量率測量結果(1 m處)

水平移動探頭使其與γ-刻度計之間距離為4 m，測量3個137Cs點源，其結果見表4。偏轉探頭10o后測量1個137Cs點源，其結果見表5。

表4　便攜式γ射線實時成像檢測系統劑量率測量結果(4 m處)

表5 便攜式γ射線實時成像檢測系統探頭偏轉10o后劑量率測量結果(4 m處)

2.2光學成像與γ射線成像以及兩者疊加檢測結果

便攜式γ射線實時成像檢測系統探頭距離γ-刻度計1 m處測量所獲得的光學成像和γ射線成像由管理軟件無視差疊加合成的圖片如圖2所示。

圖2　便攜式γ射線實時成像檢測系統測量137Cs點源成像圖(1 m處)

2.3成像檢測系統的應用

發生放射性物質泄漏的核事故后，放射性物質隨著大氣運動、降水和自身重力等因素降落到地面露天的農作物上(如即將成熟收割的麥田)，放射性物質的釋放和沉降極不規律且不均勻，利用便攜式γ射線實時成像檢測系統能夠輕易地監測出污染區域并劃分污染輕重范圍，便攜式γ射線實時成像檢測系統監測麥田放射性污染的對比如圖3所示。

圖3　便攜式γ射線實時成像檢測系統監測麥田放射性污染對比圖

圖3(b)顯示，檢測系統能夠標記出污染的邊界以及污染區域內的污染輕重程度，淺黃色區域表示該部分麥子已被放射性物質污染，其中的淺紅色和紅色區域表示該區域的麥子被放射性物質污染較重。準確的、可視化的邊界極大方便了麥田收割工作的分類。

3　結論

本研究表明，核素137Cs的活度依次降低10倍(見表2、表4)，1 m處和4 m處測得的劑量率也依次降低10倍左右，證明該便攜式γ射線實時成像檢測系統的線性良好。對比輻射安全所國家二級標準實驗室提供的不同活度137Cs在該點的劑量率值，最大相對偏差為-15.3%，最小為-2.8%。表3中1 m處偏轉探頭5o后測量的劑量率值相對偏差達到-30.6%，表5中4 m處偏轉探頭10o后測量的相對偏差達到-21.4%。最小的相對偏差不到3%，最大的相對偏差在30%左右，可認為該便攜式γ射線實時成像檢測系統能夠較為準確的測量γ射線輻射劑量率。圖2中的彩色顏色區域能夠明顯標識出該區域有放射性物質，其中圖2(b)是同心環，中心劑量率強，周邊逐漸減弱，符合點源的特征。

便攜式γ射線實時成像檢測系統可為核事故處理的決策者提供科學的依據，尤其是能夠準確地提供可視化的放射性污染邊界，非常方便收集被污染的農作物以單獨處理，剩下未被污染的可按正常使用，不必擔心存在放射性污染，對于平定廣大人民群眾的恐懼心理以及維護社會安定具有重要的社會意義。

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The radioactive emergency monitoring of crops in the open air by portable gamma-rayreal-time imaging system

ZHANG Qing, LI Wen-hong, ZHANG Jing, et al
China Medical Equipment,2015,12(5)∶55-58.

Objective∶ To quickly monitor radioactive contamination of open crops. It is necessary to study the feasibility of monitoring radioactive contamination of open crops by gamma-ray realtime imaging system. Methods∶ To introduce the composition and working principle of portable gamma-ray real-time imaging system, and to expand its performance and functionality, and to test its imaging capabilities and dose rate measurement accuracy by using the γ-calibration gauge of national secondary standard laboratory. Results∶ The results of testing portable gamma-ray realtime imaging system by137Cs and60Co point source of γ-calibration gauge show clear image and distinguish the bound of radioactive pollution Accurately, and the dose rate measured at the minimum relative deviation of less than 3%, maximum relative deviation of 30.6%. Conclusion∶Portable gamma-ray real-time imaging system can distinguish the bound of radioactive pollution accurately and measure dose rate accurately. So it can be well applied to the monitoring of open crops in nuclear accident.

Portable gamma-ray real-time imaging system; Crop; Radioactive; Emergency monitoring

1672-8270(2015)05-0055-04

R144

A

國家科技支撐計劃(2013BAK03B05)“核事故健康風險評估與衛生應急處置技術研究”

①中國疾病預防控制中心輻射防護與核安全醫學所 輻射防護與核應急中國疾病預防控制中心重點實驗室 北京 100088

2015-02-06