CN111060954A - 门禁检测系统及利用能谱识别算法的检测方法 - Google Patents
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Abstract
门禁检测系统及利用能谱识别算法的检测方法。当塑料闪烁体较长时，在离光收集点较远的入射离子所产生的光子到达收集点的光程较长，光信号的衰减严重，光收集效率降低，导致探测效率降低。本发明组成包括：塑料闪烁体，所述的塑料闪烁体的两端分别接有光电倍增管，所述的塑料闪烁体的两端分别与信号采集系统电连接用于信号采集，两路所述的信号采集系统的单道分析器通过符合计数器连接用于测量两路符合计数，所述的信号采集系统的单道分析器输出端通过加和计数器连接用于对两路信号加和。本发明用于门禁中碘‑125粒子的检测。
Description
技术领域：
本发明涉及一种门禁检测系统及利用能谱识别算法的检测方法。
背景技术：
近些年，随着核能与核技术的快速发展，放射性同位素已被普遍应用在工业、农业、医疗、科学研究等众多领域，但由此可能带来的放射性污染也成为了公众普遍关注和担心的焦点问题。随着核医学的快速发展，以及医用放射性核素的应用越来越广泛，碘-125粒子源的植入治疗应用更是每年以指数级别增长[1]。目前，部分医院在对碘-125粒子源的使用过程中，只注重植入患者体内的活度及治疗效果，而缺乏对植入后患者的剂量监管[2]。但是，碘-125粒子具有放射性，其带来医学利益的同时，若是操作不当，对其接触的人员，将造成不必要的低剂量电离辐射伤害。
电离辐射会对人体血液系统、神经系统、消化系统、内分泌系统、免疫系统和皮肤、眼晶状体等方面造成损伤效应[3]。因此需在医院核医学治疗室、大型会议活动的安保现场、海关进出口、边境、矿山、核电站、同位素应用机构等场合，增设对碘-125同位素的检测装置，以减少上述人为辐射事件的发生[4]。
随着医学的迅速发展，目前国内外进行放射性粒子疗法的人员量较大，因此，建立一套能够快速、准确地识别医用放射性粒子的方法显得非常必要。利用大面积塑料闪烁体增设核安保系统对于医用放射性粒子检测的研究具有较大的市场及商业价值，项目的复杂度和实用性较高，对于提升团队的创新能力具有较大的学术和实际研究价值。
碘-125粒子作为一种人工合成的同位素，属于低剂量率的单一微型放射源，持续释放低剂量的射线，针对肿瘤组织细胞无节制的增殖具有杀灭作用从而抑制肿瘤细胞的生长。与外放疗相比，碘-125粒子组织间植入治疗有其独特的优势；（1）剂量分布更适形于肿瘤的形状和大小。（2）碘-125粒子半衰期较长，持续照射时间长，有较高的放射生物效应。（3）持续低剂量放疗，比常规外放疗有效，更适宜治疗生长缓慢的前列腺癌。（4）术中植入粒子可缩小手术解剖范围有效扩大肿瘤治愈范围，减少了泌尿、肠道、和性功能的并发症，预防肿瘤复发和转移。（5）放射性粒子活度小，而且治疗距离短，易于防护。
碘-125的广泛应用也带来了相关的隐患，目前，使用医用粒子进行治疗越来越普遍，但体内有放射性粒子的人员，就如同一个行走的放射源，可通过间接电离作用对周围人群造成伤害，而造成在一定的安全隐患。所以，在大型公众场所，实验室进出口，地铁等重要场所，为了参加活动的全体人员的健康和安全考虑，能够准确地识别医用粒子的测试装置成为检测的一个重要的方向。而碘-125是目前最为普遍使用的一种医用放射性粒子，对其进行检测方法的研究，就对未来其他医用放射性粒子检测方法的研究提供了重要参考。
近年来大面积塑料闪烁探测器的应用越来越广泛。核电站等核设施大多已将大面积塑料闪烁体应用于出入口的人员放射性监测、洗衣房工作服污染监测、大型工具污染测量、车辆污染测量等重要检测环节中。国内外门禁式辐射检测系统也是基于大面积塑料闪烁体探测器，主要用于对经过通道的人员，车辆或其他对象进行可能存在的放射性检测，当对象进入检测区域时可自动启动测量，离开时结束测量，对被测量对象的个体信息进行存储，同时对测量结果进行自动存储与显示，并对超标状态进行报警。目前，放射性的检测对于一般的核仪器而言是没有太高难度的，但是对于医用粒子的检测，受到的关注仍较少。
在我国目前的核仪器行业中，突出的问题表现为国家资金投入不够，基础研究严重不足，技术能力有限。由于核仪器产品开发研发周期也比较长，在国家资金投入不充足的情况下，国内的核仪器制造商无法投入大量的人力和财力进行产品的开发，使得整个核仪器行业的发展缓慢滞后。核仪器行业的发展关系到仪器设备国产化进程的实现，是我国核电自主化成功实施的关键。国家对于工业，特别是对核电产业的积极推进，使得核仪器行业迎来了一个前所未有的良好的发展机遇。
近年来大面积塑料闪烁探测器的应用越来越广泛。核电站等大多已将大面积塑料闪烁体应用于出入口的人员放射性监测、车辆污染测量等重要监测环节中。在进行检测和使用放射性检测装置时，出现了由于放射性治疗而体内带有医用放射性粒子的人员，被当场检测出来的情况。但由于设备的局限性，只能检测出放射性超标，无法检测出是什么核素，何种原因造成的超标。所以，不仅能够实现放射性的检测，还能够在超标情况下，检测和识别出医用放射性粒子，就成为了一种新的趋势和应运而生的要求。
探测器一直以来的发展的方向始终都是时间响应快、探测器效率高、（脉冲幅度、能量）分辨率高等。每种探测器都存在各自的优点和缺点，其中大面积塑料闪烁体因具有响应时间快，探测效率高、价格便宜等优点而得到广泛使用。能够进行放射性检测并能够检测出医用放射性粒子的装置，目前还是行业内尚属空白，对于各种大型场所的核安保实际应用而言，这一点无疑是十分重要而且必要的。
应用塑料闪烁探测器探测γ射线的技术由于塑料闪烁体的价格低廉，容易加工成不同的大小形状，已经被广泛应用于辐射监测中，用来防止核材料被非法携带或转移，不仅可以检测通过的人员是否非法携带核材料或放射性物质，也可以应用于海关，对出入的乘客以及行李、包裹进行检查。对于有效控制核材料、防止核扩散方面起着重要作用。大面积塑料闪烁体因具有时间响应快、发光衰减时间短、透明度好、性能稳定、耐辐射性强、制作简单、价格便宜等优点而被广泛用于放射性同位素的检测与甄别中。
当射线进入探测器内，打到塑料闪烁晶体时，原子被激发，在恢复到稳定态时发光，光子穿过闪烁体、光导，一部分到达光电倍增管的光阴极，在光阴极上打出光电子，光电子经过光电倍增管的倍增，便产生一个电脉冲信号，信号经过放大以后，再经过单道分析器，将能量窗以外的信号甄别掉。通过单道分析器的信号再被转换成逻辑脉冲，然后被记录，其计数率与γ射线的强度直接相关。传统单路信号采集方法如图1所示。通过对脉冲信号计数，实时与预先设置的报警阈值进行比较，超过阈值则立即报警。
但是，当塑料闪烁体较长时，在离光收集点较远的入射离子所产生的光子到达收集点的光程较长，光信号的衰减严重，光收集效率降低，导致探测效率降低。
发明内容：
本发明的目的是解决塑料闪烁体较长时，在离光收集点较远的入射离子所产生的光子到达收集点的光程较长，光信号的衰减严重，光收集效率降低，导致探测效率降低的问题，提供一种采用大面积塑料闪烁体作为探测介质，与双路光电倍增管构成探测器，利用多路脉冲和符合计数相结合采集信号，对碘-125粒子进行检测的门禁检测系统及利用能谱识别算法的检测方法。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种门禁检测系统，其组成包括：塑料闪烁体，所述的塑料闪烁体的两端分别接有光电倍增管，所述的塑料闪烁体的两端分别与信号采集系统电连接用于信号采集，两路所述的信号采集系统的单道分析器通过符合计数器连接用于测量两路符合计数，所述的信号采集系统的单道分析器输出端通过加和计数器连接用于对两路信号加和。
所述的门禁检测系统，所述的信号采集系统包括依次连接的分压电路、放大器、单道分析器和定标器。
一种门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，该方法包括如下步骤：
（1）放大倍数和能量窗的下阈设计和宽度选择；
利用递推的形式，先设定好监测报警阈值和放大倍数，测量有源计数和本底的康谱顿曲线，作出这些量随单道的道下阈的变化曲线，选择出合适的放大倍数和能量窗的下阈和宽度；
（2）采用移动平均检测法进行阀值的测量；
（3）利用能谱识别算法，比较分析检测对象能谱与本底能谱作出报警判断，根据检测能谱形状的变化来判断该检测对象是否含有放射性核素。
所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，所述的步骤（1）的具体过程为：先设定好监测报警阈值和放大倍数，通过改变单道分析器的道阈值及道宽，测量有源计数和本底的康谱顿曲线。根据本底计数和有源计数计算出源的净计数，再算出净计数与本底平方根之比值，并分别作出这些量随单道的道下阈的变化曲线。通过这些曲线的分析，便可选择出合适的放大倍数和能量窗的下阈和宽度，
设定报警阈值为：
其中
为环境平均本底，B为影响因子；
通过实验精度进行验证，约为2-5，利用有源净计数与本底的平方根之比进行判断，比值越大测量精度越高。
所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，所述的步骤（2）的具体过程为：通常在进行检测时被检测人员以较慢的速度通过检测区，由于检测过程中人员在运动，在不同位置、不同时刻，所探测到的计数率不同，为了获得高的探测灵敏度和低的误报警率以及尽量减少检测时间；
采用移动平均法进行检测时，每隔一个很短的时间
便读取一次计数
而将最近读取的4个计数的平均值
作为移动平均实时计数值，当经过一个
时间，读取一个新的计数
时，便以
取代
，这时移动平均的实时计数值则为
，报警判别是用最新的
与最新设置的报警阈值
相比较，只要
则认为通过人员携带核材料，便发出报警，否则继续进行检查。
所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，所述的步骤（3）的具体过程为：核素能谱与本底能谱的计数存在差异区间，即特征区间，根据核素能谱计数增加区间，建立放射性核素
主要特征区间，根据检测能谱特征，得到各核素的特征区间计算公式：
通过建立不同核素的主要特征区域，检测能谱在本底情况下和探测情况下特征区低能部分脉冲计数与高能特征脉冲计数,利用公式(4)进行判断对比：
其中，
为检测能谱特征区低能脉冲计数；
在正常状态下,N非常接近于0，当含有辐射源时，通过能谱识别和脉冲计数的形式探测得到的N将不趋近于0。
有益效果：
1.本发明在塑料闪烁体的每端接一个光电倍增管，进行双路信号采集，使用加和器对两路信号加和，提高不同位置的入射射线的探测效率，避免远距离点探测效率过低。
本发明利用移动平均检测法既能探测到最高计数率进行报警判别，又能减小统计涨落的影响，从而提高探测灵敏度。
本发明通过选取特征区间，对能谱公式设定报警阈值，可以将能谱和计数算法相结合以提高探测效率，减少误报率和漏报率。
本发明的大面积塑料闪烁体因具有响应时间快，探测效率高、价格便宜等优点而得到广泛使用。能够进行放射性检测并能够检测出医用放射性粒子。
附图说明：
附图1是本发明的原理图；
附图2是单路计数和加和器计数比较曲线图；
附图3是几种放射性核素NaI闪烁体能谱测量结果图；
附图4是几种放射性核素塑料闪烁体能谱测量结果图；
附图5是放射性核素60Co的能谱与本底能谱的对比图；
附图6是放射性核素60Co特征区间曲线图；
具体实施方式：
实施例1：
一种门禁检测系统，其组成包括：塑料闪烁体，所述的塑料闪烁体的两端分别接有光电倍增管，所述的塑料闪烁体的两端分别与信号采集系统电连接用于信号采集，两路所述的信号采集系统的单道分析器通过符合计数器连接用于测量两路符合计数，所述的信号采集系统的单道分析器输出端通过加和计数器连接用于对两路信号加和。
分别单独测量单道1计数N1和单道2计数N2，然后测量两路符合计数Ncoin(即重复
计数部分)。用两路计数相加再扣除符合计数可得到其真计数Nr，如公式(1)所示。
| Nr=N<sub>1</sub>+N<sub>2</sub>-Ncoin |
把Nr与Ns进行比较，如果这两个结果能很好的吻合，则说明使用加和器对两路信号进行采集的方法可行。
利用能谱识别算法，对医用放射性药物碘-125粒子源进行核素放射性检测，采用多路脉冲计数及符合计数相结合进行核素含量测量，对人体随身携带的医用粒子及时检测
实施例2：
根据实施例1所述的门禁检测系统，所述的信号采集系统包括依次连接的分压电路、放大器、单道分析器和定标器。
实施例3：
一种门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，该方法包括如下步骤：
（1）放大倍数和能量窗的下阈设计和宽度选择；
利用递推的形式，先设定好监测报警阈值和放大倍数，测量有源计数和本底的康谱顿曲线，作出这些量随单道的道下阈的变化曲线，选择出合适的放大倍数和能量窗的下阈和宽度；
（2）采用移动平均检测法进行阀值的测量；
（3）利用能谱识别算法，比较分析检测对象能谱与本底能谱作出报警判断，根据检测能谱形状的变化来判断该检测对象是否含有放射性核素。
实施例4：
根据实施例3所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，所述的步骤（1）的具体过程为：先设定好监测报警阈值和放大倍数，通过改变单道分析器的道阈值及道宽，测量有源计数和本底的康谱顿曲线。根据本底计数和有源计数计算出源的净计数，再算出净计数与本底平方根之比值，并分别作出这些量随单道的道下阈的变化曲线。通过这些曲线的分析，便可选择出合适的放大倍数和能量窗的下阈和宽度，
设定报警阈值为：
其中
为环境平均本底，B为影响因子；
通过实验精度进行验证，约为2-5，利用有源净计数与本底的平方根之比进行判断，比值越大测量精度越高。
实施例5：
根据实施例3所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，所述的步骤（2）的具体过程为：通常在进行检测时被检测人员以较慢的速度通过检测区，由于检测过程中人员在运动，在不同位置、不同时刻，所探测到的计数率不同，为了获得高的探测灵敏度和低的误报警率以及尽量减少检测时间；
采用移动平均法进行检测时，每隔一个很短的时间
便读取一次计数
而将最近读取的4个计数的平均值
作为移动平均实时计数值，当经过一个
时间，读取一个新的计数
时，便以
取代
，这时移动平均的实时计数值则为
，报警判别是用最新的
与最新设置的报警阈值
相比较，只要
则认为通过人员携带核材料，便发出报警，否则继续进行检查。
实施例6：
根据实施例3所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，所述的步骤（3）的具体过程为：
目前门禁式辐射监测系统以大面积塑料闪烁体作为探测器，由于塑料闪烁体能谱分辨率差，无法通过全能峰判断检测对象存在何种核素，所以一般不采取测量能谱的方式进行检测，但是由于核素衰变射线能量各不相同，使得每种放射性核素都有不同于本底能谱的特征区间，如图3和图4所示。因此使用大面积塑料闪烁体检测不同核素的能谱形状也会有所不同[18]。这一能谱特性使得该算法具备一定的操作性。
由于能谱算法对于某些源能提高操作灵敏度减少误报率和漏报率，通过把全能谱分成高低窗，不同窗中的计数率形成比率，通过比率来区分不同的源。
前期实验对放射性核素60Co进行了能谱测量。主要用到的实验仪器包括大面积塑料闪烁体、光电倍增管、高压电源、NIM标准核电子学插件等。图5为放射性核素60Co的能谱与本底能谱的对比图。
从图5中可以清楚的看出由于放射性核素能量的衰变，核素能谱与本底能谱的计数存在差异区间，即特征区间，根据核素能谱计数增加区间，建立放射性核素
主要特征区间，根据检测能谱特征，得到各核素的特征区间计算公式：
在图6放射性核素
特征区间曲线图中，
在1000道之前，M（E）值随着道址的增加而增加显著，在这里将1000道作为
特征区间的截止道址，低能区间以上的部分，作为高能区间，就可以得到表1中放射性核素
的特征区间；
通过建立不同核素的主要特征区域，检测能谱在本底情况下和探测情况下特征区低能部分脉冲计数与高能特征脉冲计数,利用公式(4)进行判断对比：
其中，
为检测能谱特征区低能脉冲计数；
在正常状态下,N非常接近于0，当含有辐射源时，通过能谱识别和脉冲计数的形式探测得到的N将不趋近于0。
前期开发的试验样机已经在实验室进行了调试和测量，为提高探测效率，我们在塑料闪烁体的每端接一个光电倍增管，进行双路信号采集，使用加和器对两路信号加和，提高探测效率和测量灵敏度。双路测量的实验结果如表2和图2所示：
Claims (6)
1.一种门禁检测系统，其组成包括：塑料闪烁体，其特征是：所述的塑料闪烁体的两端分别接有光电倍增管，所述的塑料闪烁体的两端分别与信号采集系统电连接用于信号采集，两路所述的信号采集系统的单道分析器通过符合计数器连接用于测量两路符合计数，所述的信号采集系统的单道分析器输出端通过加和计数器连接用于对两路信号加和。
2.根据权利要求1所述的门禁检测系统，其特征是：所述的信号采集系统包括依次连接的分压电路、放大器、单道分析器和定标器。
3.一种门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
（1）放大倍数和能量窗的下阈设计和宽度选择；
利用递推的形式，先设定好监测报警阈值和放大倍数，测量有源计数和本底的康谱顿曲线，作出这些量随单道的道下阈的变化曲线，选择出合适的放大倍数和能量窗的下阈和宽度；
（2）采用移动平均检测法进行阀值的测量；
（3）利用能谱识别算法，比较分析检测对象能谱与本底能谱作出报警判断，根据检测能谱形状的变化来判断该检测对象是否含有放射性核素。
4.根据权利要求3所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，其特征是：所述的步骤（1）的具体过程为：先设定好监测报警阈值和放大倍数，通过改变单道分析器的道阈值及道宽，测量有源计数和本底的康谱顿曲线。根据本底计数和有源计数计算出源的净计数，再算出净计数与本底平方根之比值，并分别作出这些量随单道的道下阈的变化曲线。通过这些曲线的分析，便可选择出合适的放大倍数和能量窗的下阈和宽度，
设定报警阈值为：
其中
为环境平均本底，B为影响因子；
通过实验精度进行验证，约为2-5，利用有源净计数与本底的平方根之比进行判断，比值越大测量精度越高。
5.根据权利要求3所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，其特征是：所述的步骤（2）的具体过程为：通常在进行检测时被检测人员以较慢的速度通过检测区，由于检测过程中人员在运动，在不同位置、不同时刻，所探测到的计数率不同，为了获得高的探测灵敏度和低的误报警率以及尽量减少检测时间；
采用移动平均法进行检测时，每隔一个很短的时间
便读取一次计数
而将最近读取的4个计数的平均值
作为移动平均实时计数值，当经过一个
时间，读取一个新的计数
时，便以
取代
，这时移动平均的实时计数值则为
，报警判别是用最新的
与最新设置的报警阈值
相比较，只要
则认为通过人员携带核材料，便发出报警，否则继续进行检查。
6.根据权利要求3所述的门禁检测系统的利用能谱识别算法的检测方法，其特征是：所述的步骤（3）的具体过程为：核素能谱与本底能谱的计数存在差异区间，即特征区间，根据核素能谱计数增加区间，建立放射性核素
主要特征区间，根据检测能谱特征，得到各核素的特征区间计算公式：
通过建立不同核素的主要特征区域，检测能谱在本底情况下和探测情况下特征区低能部分脉冲计数与高能特征脉冲计数,利用公式(4)进行判断对比：
其中，
为检测能谱特征区低能脉冲计数；
在正常状态下,N非常接近于0，当含有辐射源时，通过能谱识别和脉冲计数的形式探测得到的N将不趋近于0。
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| CN105549063A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-05-04 | 黑龙江省中贝技术有限公司 | 一种采用塑料闪烁体探测器实现的探测方法 |
| US20180284296A1 (en) * | 2014-11-19 | 2018-10-04 | Korea Institute Of Nuclear Safety | Method and apparatus for distinguishing radionuclide by using plastic scintillator |
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