放射性全身輻射檢測門禁報警系統

徐鵬程（上海欣科醫藥有限公司，上海 201108）

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放射性全身輻射檢測門禁報警系統

徐鵬程
（上海欣科醫藥有限公司，上海 201108）

摘 要：放射性物質發出的α、β、γ等射線對正常的人體和周圍環境都是有害的，由于這些射線是看不見、摸不著的，為了切實保護從事放射性物質的工作人員，如何對人體全身進行檢測并能定性、定量地進行分析、報警，實時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門禁報警系統就是為了完成我們的預期而設計的，其原理是先將放射性信號轉換成光信號，再將光信號轉換成電信號，之后進行分析處理，最終顯示出測量結果。放射性全身輻射檢測門禁報警系統主要由光電脈沖信號產生電路、模擬信號放大電路、反符合甄別電路、數字處理器電路、聲光報警、遠程控制電腦等組成。系統測量準確、顯示直觀、使用方便。

關鍵詞：放射性檢測；碘-125；γ射線；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，發射的γ射線能量僅為0.03548MeV，因其能量低，故人體本身對其輻射屏蔽的效果也非常明顯。如身體左側胳膊被污染，如果在人體右側進行探測就可能探測不到。上海欣科醫藥有限公司的密封籽源生產車間，專門使用碘-125核素作為該產品的放射性同位素生產原料。實現工作人員在車間生產結束離開生產區域時，進行是否身體某處被污染或隨身攜帶了放射性物質的判定，針對全身的放射性監測顯得尤為重要。常規的區域監測儀器，由于接觸面小、靈敏度低、能量響應參差不齊等缺陷，很難以滿足其檢測要求，本設計在傳統輻射檢測儀器基礎上進行了較大地改進，讓全身輻射檢測儀擁有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提高靈敏度，采用更精準的能量閾來適應碘-125的能量響應。

該系統主要用于車間的出口處γ射線的測量，配合門禁控制，確保員工不將自身沾染的或其他放射性物品帶出生產車間。

本文主要討論4個方面：塑閃探測體的選型、集零基線校準電路、反符合甄別電路、動態的報警閾值。反符合甄別電路是本文的重點，它采用雙比較器和雙穩態觸發器，對特定的碘-125的射線的能量閾，進行精準雙閾值卡位設置，采用反符合原理，定向縮小甄別范圍，達到精準高效的監測目的。

1 探頭設計

1.1 探頭布置要求

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

1.2 探測器性能與選型

針對碘125工作場所，如何在幾種常見的輻射探測體中選型，在此，進行分析和比較，最終選擇出合理、適用的探測體，主要考慮以下5個方面：

（1）能量響應：能滿足碘125的0.03548MeV的γ射線能量能響應。

（2）劑量響應線性：線性和真實性越靠近越好。

（3）響應時間：響應時間越短越好，控制在0.5s內為最佳。

（4）靈敏度：因需要檢測出量值微弱的放射性，探測體的體積越大，同一輻射值對應的CPS計數率越大，靈敏度越高。

（5）整體儀器的安裝環境：該車間對儀器功耗沒有要求，安裝方式適合于固定式安裝。

綜合參考五大因素，我們對各種探測器進行逐一分析選擇：

（1）NaI（TI）閃爍體的優點是密度大，原子序數高，對γ射線探測效率高。發光效率高，能量分辨率也較好。缺點是容易潮解，價格昂貴，不方便制成大面積的探測體。

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

（3）硫化鋅：ZnS（Ag）它對α粒子的發光效率高，對β、γ射線不靈敏，適合在強β、γ本底下探測重帶電粒子如：α射線，探測效率可達100%，射線種類不符。

圖1

（4）蓋格計數管，蓋革計數管可以用于探測γ射線，但由于蓋革管中的氣體密度通常較小，高能γ射線往往在未被探測到時就已經射出了蓋革管，因此其對高能γ射線的探測靈敏度較低。能量識別性差，不方便制成大面積的探測體，要達到大的探測面積和高的靈敏度，則必須使用多個計數管并聯使用，造成設計、安裝的難度加大，成本也有很大的提高，維護保養難度也增加了。

（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，而且價格低廉，對光產額要求相對較低。適合大體積的安裝，能量響應較好。

（6）還有諸如半導體類探測器，電離室型探測器等，也不適合用于I-125核素的放射性全身輻射檢測門禁報警系統要求。

綜上所述，塑閃晶體最能滿足我們的設計需求。當放射性射線打在塑閃晶體上時，晶體會產生光子，光電倍增管光陰極接收到光子后轉換為電脈沖信號，然后進行處理即可。

1.3 探頭電路設計

（1）放大器電路

如圖1所示，光電倍增管輸出電流信號很小，很微弱，需經過三級10倍放大，即放大1000倍輸出，為了修正因高計數率造成的放大器輸出信號基線的漂移，增加了基線恢復電路，用兩個恒流源，通過V1、V2鉗住放大輸出信號基線維持在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放大輸出信號進行區分，選擇I-125特征能量段信號，剔除其他核素與環境本底的能量信號，降低測量本底，提高設備的檢測分辨能力。

如圖3所示輸出特性圖，針對不同能量的射線，其轉換成電信號后，會產生對應其能量的同等峰值的脈沖信號，碘125車間需要檢測的射線是γ射線，其能量是0.03548MeV，經過校準后，標準碘125的信號峰值是2V，根據誤差理論給予±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，同時觸發上下兩道閾值，上道比較器在B點的下降沿，將在穩態觸發器會產生一個觸發脈沖，脈沖寬度由電容C3電阻R4乘積來定，下道比較器在D點的上升沿，在穩態觸發器會產生一個觸發脈沖，脈沖寬度由電容C5與電阻R10乘積來定，由于C3、 R4乘積遠遠大于C5、R10乘積，所以在D點產生的信號，將被B點產生的信號完全淹沒掉。

脈沖丙，既沒有高于上道閾值，又沒有高于下道閾值，故不會產生觸發信號。

脈沖乙，對應其閾值的脈沖，正好高于下道的閾值，又低于上道的閾值，通過精準定向卡位，準確卡住了探測碘125的能量，屏蔽掉其他能量的干擾射線，極大地提高了射線探測的效率和精準度。

2 輻射監測處理部分

將七路信號采集器的脈沖收集齊全后，送入計數器芯片，再進入單片機計數。單片機輔助其他外圍設備，搭建輻射檢測系統。

2.1 檢測和提示

（1）紅外監測

在通道門的3m遠處安裝遠程紅外，感應被測對象到來時，從本底數據更新模式進入預備測量模式。在檢測門底端放置腳印標識，在通道門的頂端和側端，安裝近程紅外，規范檢測者的位置，確保測量準確有效。

（2）語音播報和聲光指示

配備真人語音芯片，實時播報，提示測量操作。監測中通過紅黃綠三色指示燈指示正常、測量、報警和故障等狀態，檢測完畢后，通報監測狀態。

2.2 數據處理

劑量數據由處理器實時更新和處理，處理器將數據單向傳給控制器。控制器根據7個部位的劑量數據，對比本底數據，采用動態閾值的模式，判斷出污染的級別，和污染的身體某部位，同時給出門禁信號，禁止劑量超閾值者走出檢測門。

（1）動態閾值模式

采用動態閾值模式，當沒有被測對象時，不斷地更新環境本底數據，使環境本底更接近真實環境，避免由于緯度差異、氣候差異、天氣原因等外界因素的干擾，對滿足環境本底±3δ（δ為本底數據的平方根）的本底數據（置信度可達99.72%）記入新的環境本底緩沖區，動態閾值在其上下浮動，這種方式比固定閾值（一刀切模式）判別更科學有效。

（2）參數配置和數據傳輸

參數配置存儲在控制器，處理器通過485通信模式向控制器上傳內部參數和劑量數據，控制器通過命令協議來修改處理器的參數配置。

3 控制部分及遠程電腦控制

3.1 輻射控制器

控制器是處理器的延伸和擴展，配備大屏幕液晶進行顯示，鍵盤進行輸入，另外加載高分貝的報警燈，進行預警提示，通過網口將數據傳輸至遠程電腦。

控制器接受處理器過來的通信信號，通過網口將數據傳給后臺服務電腦。

3.2 遠程電腦控制

遠程電腦控制是控制器的網絡延伸，可以后方遠程來操作、監控。配置好IP參數后，控制器向遠程電腦實時傳輸各部位的劑量數據，遠程電腦可以修改控制器的參數，必要的時候可以軟重啟控制器。

結論

本文分析了傳統儀器的現狀，針對精度低，靈敏度低等問題，改進后具備以下成果：（1）采用大面積塑閃探測體，它具有快速響應、極低的噪聲、高靈敏度等特點。（2）光電倍增管輸出的光電信號經過三級的1000倍放大后，再進行基線校準和濾波，使溫度漂移、信號波動大的弊端得以抑制。（3）采用了反符合電路，通過精準的兩道閾值界定，只允許I-125能量段的射線經過，而阻止其他能量的射線通過，這樣既可以降低本底數據，又可以提高該核素的測量精確度。（4）報警閾值設置采用3δ的本底動態閾值，實時更新，測量更精確。（5）采用控制器和后臺遠程電腦控制，為以后系統升級提供足夠的空間。（6）采用標準源對研制的儀器進行測試，證明儀器的測量結果準確、性能優良。

參考文獻

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［2］王曉君，安國臣.MCS-51單片機原理及選型［M］.北京：電子工業出版社，2003.

中圖分類號：TP277

文獻標識碼：A