CN115436987B - 空气中I-131的γ-β联合监测系统及监测方法 - Google Patents

空气中I-131的γ-β联合监测系统及监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气中I‑131的γ‑β联合监测系统及监测方法，监测系统包括取样器、流量控制单元、γ能谱测量单元、β计数测量单元和上位机；其中γ能谱测量单元用于输出取样器内待测气体中I‑131的γ能谱图；β计数测量单元用于输出取样器内待测气体中的β粒子计数；第一、第二数字多道脉冲幅度分析器均连接上位机。本发明即能充分利用β衰变分支比高，探测效率高的特点，还能通过γ能谱测量实现I‑131识别，降低其他被β衰变核素的干扰，既能准确识别I‑131核素，又能快速探测到β粒子数目，从而快速、准确的对空气中I‑131的浓度进行测量。与仅有γ能谱测量单元的监测系统相比，能大幅度提高检测效率，降低本底的影响。

Description

空气中I-131的γ-β联合监测系统及监测方法
技术领域
本发明涉及一种I-131浓度测量系统及方法，尤其涉及一种空气中I-131的γ-β联合监测系统及监测方法。
背景技术
随着社会经济和核技术的发展，医疗照射产生的电离辐射已经成为人类最大的人工电离辐射来源，其中核医学被越来越多的应用于临床放射诊疗，临床核医学既可用于诊断使用又可用于治疗疾病，但因为所使用的放射性药物的特殊物理性质，在核医学诊疗过程中对患者、公众及医护人员造成辐射照射，临床核医学应用中核医学科人均年有效剂量高于放射治疗科。在使用非密封型放射源进行核素治疗的各种程序中，90%以上的程序使用了I-131。I-131属于高毒性核素，具有易发挥性，在诊断和治疗过程中，容易对周围空气造成污染，从而对医务人员造成吸入性内污染。因此，实时快速监测特定场所空气中I-131浓度显得尤为重要。
目前，针对空气中I-131的监测主要使用“累积采样监测方法”。刘馨等人提出了应用于空气中I-131的连续动态监测方法，相对于“累积采样监测方法”免去定期更换碘盒或滤纸等维护操作，有助于实现无人值守连续监测和降低运维成本。彭玄等人将InSpector100便携式γ谱仪及其相应配套软件应用于放射工作人员甲状腺I-131活度的监测中，监测核医学科放射工作人员内照射剂量。陈彬等人提到雨水中I-131浓度可以直接在γ谱仪上测量，其分析方法为《用半导体γ谱仪分析低比活度γ放射性样品的标准方法》（GB11713-89），监测方法以I-131衰变释放γ作为测量对象，测量系统在无富集条件下探测效率较低。
目前，β计数测量单元可以快速探测到β粒子数目，并不能识别核素类别，不能判断是否为I-131；γ能谱测量单元可根据能谱进行核素识别，可判断是否为I-131，但探测效率低下。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，可直接测量空气I-131，提高监测效率，降低本底对测量腔浓度的影响的，空气中I-131的γ-β联合监测系统及监测方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种空气中I-131的γ-β联合监测系统，包括长方体形的取样器、流量控制单元和γ能谱测量单元，所述取样器外壁设有铅屏蔽层，相对两侧设有进气口、出气口，用于输入待测气体，所述流量控制单元用于向取样器充放气体，还包括β计数测量单元和上位机；
所述γ能谱测量单元包括依次连接的第一探测组件、第一信号读出电路、第一前置放大电路、第一数字多道脉冲幅度分析器，所述第一探测组件包括两个NaI(Tl)晶体，两个NaI(Tl)晶体分别设置在进气口和出气口，分别经一SiPM连接第一信号读出电路，所述γ能谱测量单元用于输出取样器内待测气体中I-131的γ能谱图；
所述β计数测量单元包括依次连接的第二探测组件、第二信号读出电路、第二前置放大电路、第二数字多道脉冲幅度分析器，所述第二探测组件包括四个塑料闪烁体，位于取样器内未设置进气口和出气口的四个内壁，且刚好覆盖四个内壁，每个塑料闪烁体前端设有铝箔，后端分别经一SiPM连接第二信号读出电路，所述β计数测量单元用于输出取样器内待测气体中的β粒子计数；
所述第一数字多道脉冲幅度分析器、第二数字多道脉冲幅度分析器均连接上位机。
作为优选：所述取样器内壁长×宽×厚=300mm×300mm×300mm，所述NaI(Tl)晶体为尺寸为3英寸，所述铅屏蔽层厚度为2mm。
一种空气中I-131的γ-β联合监测系统的监测方法，包括以下步骤；
（1）建立一空气中I-131的γ-β联合监测系统；
（2）在固定时间T内，测量环境本底，得到I-131全能峰下的本底计数P和β粒子本底计数R；
（3）建立I-131浓度与γ-β比值曲线；
选择n种I-131浓度为C1-Cn的空气样本，分别在固定时间T内测量其γ全能峰净计数和β净计数，计算γ-β比值=β净计数/γ全能峰净计数，标定I-131浓度与γ-β比值曲线；
（4）将待测气体注入取样器，在固定时间T内测量其γ全能峰净计数和β净计数，计算该待测气体浓度下，γ-β比值；
（5）将（4）得到的γ-β比值，带入（3）中I-131浓度与γ-β比值曲线，得到该待测气体中I-131的浓度。
作为优选：步骤（2）测量环境本底为：
（21）启动流量控制单元，抽取周围环境空气注入取样器，封闭进气口、出气口；
（22）在固定时间T内开始连续测量；
γ能谱测量单元工作，两个NaI(Tl)晶体连续测量取样器中I-131发射的能量为365KeV的特征γ射线，经SiPM、第一前置放大器、第一数字多道脉冲幅度输出I-131的γ能谱图，上位机从γ能谱图中计算此时的I-131全能峰计数，作为I-131全能峰下的本底计数P；
β计数测量单元工作，四个塑料闪烁体连连续测量取样器中I-131发射的β射线，经SiPM、第二前置放大器、第二数字多道脉冲幅度输出β粒子计数，作为β粒子本底计数R。
作为优选：步骤（3）具体为：
（31）选择n种I-131浓度为C1-Cn的空气样本；
（32）将浓度为C1的空气样本注入取样器，关闭进气口、出气口，在固定时间T内连续测量，得到C1浓度下I-131全能峰计数P1和β粒子计数R1，根据P1′= P1-P，R1′= R1-R，计算C1浓度下，I-131全能峰下的净计数P1′和β粒子净计数R1′；
（33）计算C2-Cn浓度下，I-131全能峰下的净计数P2′-Pn′，和β粒子净计数R2′-Rn′；
（34）根据Qi=Ri′/Pi′，计算Ci浓度下，γ-β比值Qi，i=1~n；
（35）建立I-131浓度与γ-β比值的关系曲线。
作为优选：步骤（4）具体为：
（41）设待测气体浓度为Cj，将其注入取样器，在固定时间T内连续测量，得到Cj浓度下对应的I-131全能峰计数Pj和β粒子计数Rj，
（42）计算Cj浓度下的I-131全能峰下的净计数Pj′、和β粒子净计数Rj′，Pj′= Pj-P，Rj′= Rj-R；
（43）根据Qj=Rj′/Pj′，计算Ci浓度下，γ-β比值Qj。
本发明思路为：通过γ能谱测量单元输出取样器内待测气体中I-131的γ能谱图，通过β计数测量单元输出取样器内待测气体中的β粒子计数。
先通过测量周围环境空气中的γ能谱图和β粒子计数，上位机从γ能谱图中计算此时的I-131全能峰计数，作为I-131全能峰下的本底计数，将此时的β粒子计数作为作为β粒子本底计数。
再建立I-131浓度与γ-β比值曲线；建立所述曲线时，要先得到不同浓度条件下γ-β比值，此时γ-β比值要用到β净计数和γ全能峰净计数，所以实测值都需要减去本底，这样操作后，可以有效降低本底对测量腔浓度的影响。
与现有技术相比，本发明的优点在于：提出了一种新的空气中I-131的γ-β联合监测系统及监测方法。I-131 为β衰变核素，其中89.6%概率发生β衰变，能量为606keV，然后以81.5%再次发生γ衰变，能量为365keV。因此，采用β，γ联合测量，即可以充分利用β衰变分支比高，探测效率高的特点，还可以通过γ能谱测量实现I-131识别，降低其他被β衰变核素的干扰。
本发明在γ-β联合监测时，根据NaI探测器获得的γ能谱，能够看出被测空气中是否含有其他核素的干扰，并可通过NaI(Tl)全能峰计数与塑料闪烁体计数的线性关系，扣除其他放射性核素对塑闪计数的干扰，根据365keV特征全能峰可以监测被测空气中是否含有I-131；同时依靠β粒子被探测速度较快，塑闪探测器具有对β粒子探测效率较高的本身特性，可快速探测到I-131释放的β粒子。并根据NaI(Tl)全能峰计数与塑料闪烁体计数的线性关系得到γ-β比值曲线，建立I-131浓度与γ-β比值曲线，对应待测I-131浓度的气体，只需要得到其γ-β比值，就可以得到该气体中I-131的浓度。具有既能准确识别I-131核素，又能快速探测到β粒子数目，从而快速、准确的对空气中I-131的浓度进行测量的优点。
基于本发明结构和方法，无需提前利用滤纸或滤盒富集空气I-131再测量，可直接测量空气I-131，具有实时监测的能力，更好地降低本底对测量腔浓度的影响。本发明与只有γ能谱测量单元的监测系统相比，更好地提高监测系统的检测效率，更好地降低本底对测量腔浓度的影响。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为塑料闪烁体设置的结构示意图；
图3为本发明电路原理图；
图4a为50Bq/m3浓度的I-131γ能谱图；
图4b为100Bq/m3浓度的I-131γ能谱图；
图4c为150Bq/m3浓度的I-131γ能谱图；
图4d为200Bq/m3浓度的I-131γ能谱图；
图4e为250Bq/m3浓度的I-131γ能谱图；
图4f为300Bq/m3浓度的I-131γ能谱；
图5为实施例2中I-131全能峰下的本底计数示意图；
图6为NaI(Tl)计数与塑料闪烁体计数的线性关系示意图；
图7为I-131浓度与γ-β比值曲线的示意图。
图中：1、取样器；2、铅屏蔽层；3、进气口；4、出气口；5、NaI(Tl)晶体；6、SiPM；7、塑料闪烁体；8、铝箔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1-图3，一种空气中I-131的γ-β联合监测系统，包括长方体形的取样器1、流量控制单元和γ能谱测量单元，所述取样器1外壁设有铅屏蔽层2，相对两侧设有进气口3、出气口4，用于输入待测气体，所述流量控制单元用于向取样器1充放气体，还包括β计数测量单元和上位机；
所述γ能谱测量单元包括依次连接的第一探测组件、第一信号读出电路、第一前置放大电路、第一数字多道脉冲幅度分析器，所述第一探测组件包括两个NaI(Tl)晶体5，两个NaI(Tl)晶体5分别设置在进气口3和出气口4，分别经一SiPM6连接第一信号读出电路，所述γ能谱测量单元用于输出取样器1内待测气体中I-131的γ能谱图；
所述β计数测量单元包括依次连接的第二探测组件、第二信号读出电路、第二前置放大电路、第二数字多道脉冲幅度分析器，所述第二探测组件包括四个塑料闪烁体7，位于取样器1内未设置进气口3和出气口4的四个内壁，且刚好覆盖四个内壁，每个塑料闪烁体7前端设有铝箔8，后端分别经一SiPM6连接第二信号读出电路，所述β计数测量单元用于输出取样器1内待测气体中的β粒子计数；
所述第一数字多道脉冲幅度分析器、第二数字多道脉冲幅度分析器均连接上位机。
所述取样器1内壁长×宽×厚=300mm×300mm×300mm，所述NaI(Tl)晶体5为尺寸为3英寸，所述铅屏蔽层2厚度为2mm。
其中，铝箔8用来屏蔽气体中Rn-222的α粒子，避免对本发明测量结果的干扰和影响。
一种空气中I-131的γ-β联合监测系统的监测方法，包括以下步骤；
（1）建立一空气中I-131的γ-β联合监测系统；
（2）在固定时间T内，测量环境本底，得到I-131全能峰下的本底计数P和β粒子本底计数R；
（3）建立I-131浓度与γ-β比值曲线；
选择n种I-131浓度为C1-Cn的空气样本，分别在固定时间T内测量其γ全能峰净计数和β净计数，计算γ-β比值=β净计数/γ全能峰净计数，标定I-131浓度与γ-β比值曲线；
（4）将待测气体注入取样器1，在固定时间T内测量其γ全能峰净计数和β净计数，计算该待测气体浓度下，γ-β比值；
（5）将（4）得到的γ-β比值，带入（3）中I-131浓度与γ-β比值曲线，得到该待测气体中I-131的浓度。
步骤（2）测量环境本底为：
（21）启动流量控制单元，抽取周围环境空气注入取样器1，封闭进气口3、出气口4；
（22）在固定时间T内开始连续测量；
γ能谱测量单元工作，两个NaI(Tl)晶体5连续测量取样器1中I-131发射的能量为365KeV的特征γ射线，经SiPM6、第一前置放大器、第一数字多道脉冲幅度输出I-131的γ能谱图，上位机从γ能谱图中计算此时的I-131全能峰计数，作为I-131全能峰下的本底计数P；
β计数测量单元工作，四个塑料闪烁体7连连续测量取样器1中I-131发射的β射线，经SiPM6、第二前置放大器、第二数字多道脉冲幅度输出β粒子计数，作为β粒子本底计数R。
步骤（3）具体为：
（31）选择n种I-131浓度为C1-Cn的空气样本；
（32）将浓度为C1的空气样本注入取样器1，关闭进气口3、出气口4，在固定时间T内连续测量，得到C1浓度下I-131全能峰计数P1和β粒子计数R1，根据P1′= P1-P，R1′= R1-R，计算C1浓度下，I-131全能峰下的净计数P1′和β粒子净计数R1′；
（33）计算C2-Cn浓度下，I-131全能峰下的净计数P2′-Pn′，和β粒子净计数R2′-Rn′；
（34）根据Qi=Ri′/Pi′，计算Ci浓度下，γ-β比值Qi，i=1~n；
（35）建立I-131浓度与γ-β比值的关系曲线。
步骤（4）具体为：
（41）设待测气体浓度为Cj，将其注入取样器1，在固定时间T内连续测量，得到Cj浓度下对应的I-131全能峰计数Pj和β粒子计数Rj，
（42）计算Cj浓度下的I-131全能峰下的净计数Pj′、和β粒子净计数Rj′，Pj′= Pj-P，Rj′= Rj-R；
（43）根据Qj=Rj′/Pj′，计算Ci浓度下，γ-β比值Qj。
NaI(Tl)晶体5与其对相连的SiPM6构成NaI（Tl）探测器，塑料闪烁体7与其对相连的SiPM6构成塑料闪烁体7探测器。
γ能谱测量单元的工作原理为：NaI(Tl)探测器连续测量取样器1中I-131发射的能量为365KeV的特征γ射线，输出核脉冲信号经第一前置放大器、第一数字多道脉冲幅度分析器后送至上位机；2个NaI(Tl)探测器的数据是叠加的。
同理，β计数测量单元中，四个塑料闪烁体7探测器连续测量取样器1中I-131发射的β射线，经第二前置放大器、第二数字多道脉冲幅度分析器输出β粒子计数，4个塑料闪烁体7探测器的数据是叠加的。
本发明在对任何气体进行测量时，均使用清洁的取样器1，避免数据干扰。
实施例2：根据图4-图7，基于实施例1的监测系统的监测方法，我们验证该测量系统能够在屏蔽本底的影响下可获得明显的I-131特征峰，使用该测量系统获得了同体积不同浓度的I-131γ能谱图，分别测量是50Bq/m3、100Bq/m3、150Bq/m3、200Bq/m3、250Bq/m3、300Bq/m3参见图4a-图4f。从图4a-图4f中可以明显看出随着I-131浓度的增加，全能峰计数会明显增加；同时浓度最低为50Bq/m3，也能很明显地看出I-131全能峰，进一步反映出2cm的铅有更好的屏蔽效果。
参见图5，图5为取样器1内容积为300mm×300mm×300mm，测量1小时获得的本底谱，可以看出2cm厚的铅能够起到很好的屏蔽作用，更好地减少了本底对I-131γ能谱的影响。
参见图6，当取样器1内容积为300mm×300mm×300mm确定时，NaI（T1）全能峰计数与塑料闪烁体7计数呈线性关系，通过二者线性关系，可以扣除其他放射性核素对塑闪计数的干扰，计算出塑闪计数与全能峰计数的比值。塑闪计数与全能峰计数的比值和I-131浓度呈非线性关系，参见图7。通过浓度—比值拟合曲线图，也就是图7，测量出该场所的I-131浓度。
在本发明中，优势更体现在低浓度的I-131测量中，要想在低浓度I-131获得γ能谱图，以NaI探测器较低的探测效率来讲，需要大约1小时的时间；参见图4a和图4f，图4a为50Bq/m3浓度下测量1小时的γ能谱图，图4f为300Bq/m3浓度下测量1小时的γ能谱图，那么也可将图4a看作为50Bq/m3浓度下测量1小时的γ能谱图，图4f为50Bq/m3浓度下测量6小时的γ能谱图，即本发明可以在I-131低浓度下，实现对I-131浓度的测量，本发明比之前的方法速度提高6倍之多，无需花费很多时间获得γ能谱，只需测量几分钟得到β计数和全能峰计数，根据全能峰判断β粒子是否是I-131释放的，即判断被测空气中是否存在I-131，再根据二者的比值与I-131浓度的曲线关系，即可快速得到I-131浓度。
实施例3：参见图1到图3，用本发明系统及方法，对摄入放射性核素导致的待积年有效剂量超过1mSv的工作人员需要进行内照射监测。假设工作人员的待积年有效剂量完全由吸入I-131造成，那么依据GB18871—2002《电离辐射防护与辐射源安全基本标准》和GB/T16148—2009《放射性核素摄入量及内照射剂量估算规范》，可以算出工作人员在空气中I-131活度浓度为38.50 Bq/m3的环境中工作1年即可造成1mSv的待积年有效剂量。
对于低水平放射性测量而言，需尽可能降低仪器的探测限，通常采用最小可探测活度浓度来表征仪器的测量水平，它表示一定时间内探测器能探测到的最小活度浓度。在本测量系统中，
NaI（Tl）探测器与塑料闪烁体7探测器的最小活度浓度如下式（1）（2）计算：
γ能谱测量单元最小活度浓度：
           （1）
式中：ε1：全能峰探测效率；
B：感兴趣区下I-131全能峰下的本底计数，单位：个；能量区间350-380KeV之间的本底计数为25；
T：测量时间，单位s，取值为3600s；
P1：I-131的365keVγ衰变分支比 ，取值为0.811；
V：样器容积，单位m3，其对应的长宽高为0.3×0.3×0.3=0.027。
β计数测量单元最小活度浓度：
         （2）
式中，ε2：β粒子探测效率；
N：T时间内β粒子本底计数；
P2：I-131的β衰变分支比，取值为0.9722。
在该测量系统中，NaI探测单元的最小可探测活度浓度为20.81Bq/m3，塑料闪烁体7探测单元为7.93Bq/m3，能够满足对空气中131I的最低监测要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种空气中I-131的γ-β联合监测系统，包括长方体形的取样器、流量控制单元和γ能谱测量单元，所述取样器外壁设有铅屏蔽层，相对两侧设有进气口、出气口，用于输入待测气体，所述流量控制单元用于向取样器充放气体，其特征在于：还包括β计数测量单元和上位机；
所述γ能谱测量单元包括依次连接的第一探测组件、第一信号读出电路、第一前置放大电路、第一数字多道脉冲幅度分析器，所述第一探测组件包括两个NaI(Tl)晶体，两个NaI(Tl)晶体分别设置在进气口和出气口，分别经一SiPM连接第一信号读出电路，所述γ能谱测量单元用于输出取样器内待测气体中I-131的γ能谱图；
所述β计数测量单元包括依次连接的第二探测组件、第二信号读出电路、第二前置放大电路、第二数字多道脉冲幅度分析器，所述第二探测组件包括四个塑料闪烁体，位于取样器内未设置进气口和出气口的四个内壁，且刚好覆盖四个内壁，每个塑料闪烁体前端设有铝箔，后端分别经一SiPM连接第二信号读出电路，所述β计数测量单元用于输出取样器内待测气体中的β粒子计数；
所述第一数字多道脉冲幅度分析器、第二数字多道脉冲幅度分析器均连接上位机。
2.根据权利要求1所述的空气中I-131的γ-β联合监测系统，其特征在于：所述取样器内壁长×宽×厚=300mm×300mm×300mm，所述NaI(Tl)晶体为尺寸为3英寸，所述铅屏蔽层厚度为2mm。
3.根据权利要求1所述的空气中I-131的γ-β联合监测系统的监测方法，其特征在于：包括以下步骤；
（1）建立一空气中I-131的γ-β联合监测系统；
（2）在固定时间T内，测量环境本底，得到I-131全能峰下的本底计数P和β粒子本底计数R；
（3）建立I-131浓度与γ-β比值曲线；
选择n种I-131浓度为C1-Cn的空气样本，分别在固定时间T内测量其γ全能峰净计数和β净计数，计算γ-β比值=β净计数/γ全能峰净计数，标定I-131浓度与γ-β比值曲线；
（4）将待测气体注入取样器，在固定时间T内测量其γ全能峰净计数和β净计数，计算该待测气体浓度下，γ-β比值；
（5）将（4）得到的γ-β比值，带入（3）中I-131浓度与γ-β比值曲线，得到该待测气体中I-131的浓度。
4.根据权利要求3所述的空气中I-131的γ-β联合监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（2）测量环境本底为：
（21）启动流量控制单元，抽取周围环境空气注入取样器，封闭进气口、出气口；
（22）在固定时间T内开始连续测量；
γ能谱测量单元工作，两个NaI(Tl)晶体连续测量取样器中I-131发射的能量为365KeV的特征γ射线，经SiPM、第一前置放大器、第一数字多道脉冲幅度输出I-131的γ能谱图，上位机从γ能谱图中计算此时的I-131全能峰计数，作为I-131全能峰下的本底计数P；
β计数测量单元工作，四个塑料闪烁体连连续测量取样器中I-131发射的β射线，经SiPM、第二前置放大器、第二数字多道脉冲幅度输出β粒子计数，作为β粒子本底计数R。
5.根据权利要求4所述的空气中I-131的γ-β联合监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（3）具体为：
（31）选择n种I-131浓度为C1-Cn的空气样本；
（32）将浓度为C1的空气样本注入取样器，关闭进气口、出气口，在固定时间T内连续测量，得到C1浓度下I-131全能峰计数P1和β粒子计数R1，根据P1′= P1-P，R1′= R1-R，计算C1浓度下，I-131全能峰下的净计数P1′和β粒子净计数R1′；
（33）计算C2-Cn浓度下，I-131全能峰下的净计数P2′-Pn′，和β粒子净计数R2′-Rn′；
（34）根据Qi=Ri′/Pi′，计算Ci浓度下，γ-β比值Qi，i=1~n；
（35）建立I-131浓度与γ-β比值的关系曲线。
6.根据权利要求5所述的空气中I-131的γ-β联合监测系统的监测方法，其特征在于：步骤（4）具体为：
（41）设待测气体浓度为Cj，将其注入取样器，在固定时间T内连续测量，得到Cj浓度下对应的I-131全能峰计数Pj和β粒子计数Rj，
（42）计算Cj浓度下的I-131全能峰下的净计数Pj′、和β粒子净计数Rj′，Pj′= Pj-P，Rj′=Rj-R；
（43）根据Qj=Rj′/Pj′，计算Ci浓度下，γ-β比值Qj。
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