CN116184483A - 便携式中子剂量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及核应急救援技术领域,提供一种便携式中子剂量仪,包括用于盛放血液样品的试管、用于测试试管内血液样品的中子剂量的探测单元和屏蔽壳体;探测单元包括探测晶体模块和设置在探测晶体模块下方的光电转换模块;在探测晶体模块的中间设置有用于容置试管的深阱部;探测单元和试管设置在屏蔽壳体的屏蔽腔室中;本发明实现了简单快捷地通过测量人体血液感生钠‑24放射性活度进行中子剂量评估,达到了提高探测效率,减少环境辐射本底的干扰的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及核应急救援技术领域,涉及一种便携式中子剂量仪。
背景技术
当人员意外受到中子照射后,人体会受到辐射损伤,其辐射损伤程度与人员受到的中子剂量大小密切相关。中子剂量评估是利用测量方法来量化评估人员受到的中子剂量,能够为核应急医学救援提供重要参考和依据。
当人员受到中子照射时,中子会与人体内的钠-23元素发生辐射俘获反应而产生钠-24:
钠-24为放射性核素,会发生β- 衰变并产生特征伽马射线,最强的两条特征伽马射线能量为1369 keV和2754 keV。人体血液遍布全身并不断循环流动与其他体液进行钠元素交换,因此血液中的钠可视为均匀分布,血液中钠-24的活度与人体受到的中子外照射剂量正相关,所以通过对受照射人员血液取样并测量血液样品的钠-24活度,可以对中子外照射剂量进行评估。
现有技术中,通过对受照射人员的少量血液取样并测量血液样品的钠-24活度存在以下弊端:为了保证获得足够的钠-24特征伽马射线计数,往往需要测量1小时以上;但是,过长的测量时间又会引入环境辐射本底计数的干扰,对中子剂量的探测下限只能达到100 mGy数量级,不能满足对人员进行快速中子剂量评估的需求。
因此,亟需一种测量效率高的中子剂量仪。
发明内容
本发明提供一种便携式中子剂量仪,满足对人员进行快速中子剂量评估的需求。
为实现上述目的,本发明提供的一种便携式中子剂量仪,包括用于盛放血液样品的试管、用于测试试管内血液样品的中子剂量的探测单元和屏蔽壳体;其中,
探测单元包括探测晶体模块和设置在探测晶体模块下方的光电转换模块;在探测晶体模块的中间设置有用于容置试管的深阱部;
探测单元和试管设置在屏蔽壳体的屏蔽腔室中。
进一步,优选的,屏蔽壳体包括内屏蔽层和外屏蔽层,外屏蔽层包裹设置在内屏蔽层的外侧。
进一步,优选的,内屏蔽层为电解铜件。
进一步,优选的,外屏蔽层为老铅件。
进一步,优选的,探测晶体模块为圆柱形的NaI(Tl)晶体,深阱部为自NaI(Tl)晶体的顶面中心挖设形成的圆柱形深阱。
进一步,优选的, 深阱部的直径为18 mm,深为45mm -65 mm。
进一步,优选的,试管为聚苯乙烯件。
进一步,优选的,试管的长为80 mm,外直径为16mm-26 mm,壁厚为1 mm,底部为半球形,盛放血液样品体积为10 mL。
进一步,优选的,内屏蔽层为外直径12 cm,外高31 cm,厚度1cm-2 cm的圆柱形壳体。
进一步,优选的,外屏蔽层为外直径16 cm,外高35 cm,厚度2 cm-3cm的圆柱形壳体。
本发明的便携式中子剂量仪,是一种通过测量人体血液感生钠-24放射性活度进行中子剂量评估的便携式中子剂量仪,提高了对血液钠-24的探测效率,缩短了测量时间;降低到达辐射探测器的环境本底辐射,减少环境辐射本底对测量结果的干扰,并减少了屏蔽材料本身放射性对测量的干扰,进而达到提高中子剂量测量精度的技术效果。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的便携式中子剂量仪的结构示意图;
图2为图1的俯视图;
其中, 101、试管;102、探测晶体模块;103、内屏蔽层;104、外屏蔽层;105、光电转换模块。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例,参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
实施例1
便携式中子剂量仪包括用于盛放血液样品的试管、用于测试试管内血液样品的中子剂量的探测单元和屏蔽壳体;探测单元包括探测晶体模块和设置在探测晶体模块下方的光电转换模块;在探测晶体模块的中间设置有用于容置试管的深阱部;探测单元和所述试管设置在屏蔽壳体的屏蔽腔室中。屏蔽壳体为包裹设置在探测单元和试管的外侧的壳体。在具体的实施过程中,探测晶体模块可以为碘化钠(铊激活)单晶体、即Nal(TI),碘化铯(铊激活)单晶体、即Csl(TI),溴化镧(铈激活)单晶体、即LaBr3(Ce),锗酸铋单晶体、即BGO,硅酸钇镥单晶体、即LYSO中的任一种,在此不做具体的限定。另外,探测晶体模块可以为圆柱体、六棱柱形和方柱形中的任一种。深阱部为自探测晶体模块的顶面中心挖设形成的圆柱形深阱。
射线进入晶体后,会使晶体产生荧光,荧光光子被光电转换模块接收,将光信号转换为电信号。一般来说,探测晶体通常会被加工成圆柱形,因为与晶体配合的光电转换模块通常是圆形的,所以传统的晶体封装结构也是基于圆柱形晶体的封装。近年来,随着新型光电转换模块的涌现(比如方形光电倍增管或SiPM),探测晶体的外形已不再局限于圆柱形,比如会设计成方柱形、六棱柱形等各种特殊形状。
实施例2
图1和图2对便携式中子剂量仪的结构进行了整体描述;其中,图1为本发明一实施例提供的便携式中子剂量仪的结构示意图;图2为图1的俯视图。
如图1和图2所示,包括用于盛放血液样品的试管101、用于测试试管101内血液样品的中子剂量的探测单元和屏蔽壳体;探测单元包括探测晶体模块102和设置在探测晶体模块102下方的光电转换模块105;在探测晶体模块102的中间设置有用于容置试管101的深阱部;探测单元和试管101设置在屏蔽壳体的屏蔽腔室中。屏蔽壳体包括内屏蔽层103和外屏蔽层104,外屏蔽层104包裹设置在内屏蔽层103的外侧。
为提高对血液样品钠-24特征伽马射线的探测效率,使用阱形探测器进行血液样品的放射性测量,即将盛放血液样品的试管插入探测器晶体中心的深阱中。探测晶体模块为圆柱形的NaI(Tl)晶体,所述深阱部为自所述NaI(Tl)晶体的顶面中心挖设形成的圆柱形深阱。由于方柱形、六棱柱形等各种特殊形状的探测晶体加工结构不够精细,为了保证测量的准确度,本实施例将探测晶体设置为圆柱体。
理论上探测晶体模块的晶体越厚,对伽马射线的吸收越多,探测效率越高;血液样品越薄,血液中的伽马射线越不可能被血液自身屏蔽,可以出射到外面的伽马射线越多,这也称为自屏蔽效应。实际测量中,同样容纳相同容量的血液,试管越细则需要试管长度越长,而探测器晶体生长难度随体积增大成几何倍数增长,在本实施例中,试管101的长为80mm,外直径为18 mm,壁厚为1 mm,底部为半球形,盛放血液样品体积为10 mL。晶体阱深、试管外直径与3英寸NaI(Tl)阱形探测器探测效率的关系如表1所示。
表1 晶体阱深、试管外直径与3英寸NaI(Tl)阱形探测器探测效率的关系
通过观察表1 可见,随着试管101的外直径和晶体阱深增加,3英寸NaI(Tl)阱形探测器对血液钠-24特征伽马射线的探测效率大体上呈现先增加后减小的趋势,在试管外直径16 mm-26mm(试管壁厚1mm),晶体阱深45 mm-65 mm时,探测效率均达到了5%以上。优选的,在试管外直径18 mm(试管壁厚1mm),晶体阱深65 mm时,探测效率最高,达到了6.74%,而试管紧贴3英寸NaI(Tl)探测器上的探测效率仅为2.32%,探测效率提高了190%。
因此,对辐射探测单元及用于盛放血液样品的试管101的几何设计如下:用于盛放血液样品的试管材质为聚苯乙烯,聚苯乙烯密度1.05 g/cm3,比传统玻璃试管更轻,对血液钠-24特征伽马射线的屏蔽作用更弱,可以使更多钠-24特征伽马射线从血液中出射。即试管101的长为80 mm,外直径为18 mm,壁厚为1 mm,底部为半球形,盛放血液样品体积为10mL。探测单元的探测晶体模块102为直径为75 mm,高为75 mm的圆柱形NaI(Tl)晶体,探测晶体模块的圆面中心挖开一圆柱形深阱,深阱直径为18 mm,深为65 mm,用来插入试管。
作为本实施例的改进,内屏蔽层103为电解铜件。外屏蔽层104为老铅件。也就是说,为减少环境辐射本底对测量结果的干扰,在探测单元外包裹铅层进行辐射屏蔽,但铅中含有微量212Pb、214Pb、212Bi、214Bi、208Tl等放射性核素,例如208Tl衰变产生的特征伽马射线2615 keV会对钠-24的2754 keV特征伽马射线造成干扰,因此在铅层内增加一层电解铜,一方面可以继续屏蔽环境本底辐射,一方面屏蔽铅层带来的辐射干扰。在屏蔽设计时主要考虑环境中40K(1461 keV)和208Tl(2615 keV)对钠-24特征伽马射线(1369 keV和27549 keV)的干扰。铅厚度与环境辐射本底屏蔽效果的关系如表2所示,铅厚度与铅本征放射性对测量结果影响的关系如表3所示。
表2 铅厚度与环境辐射本底屏蔽效果的关系
表3 铅厚度与铅本征放射性对测量结果影响的关系
通过观察表2 和表3发现,随着铅厚度的增加,外界环境辐射本底屏蔽效果越好,但铅本身放射性对结果的影响却越来越大,综合考虑单位厚度铅层的屏蔽效率与铅本征放射性随厚度的增加速度,可选择2 cm-3 cm厚的铅层进行环境辐射本底屏蔽;最佳的,选择2cm厚的铅层进行环境辐射本底屏蔽选择,此时辐射探测器测量的环境本底40K(1461 keV)减少为未作屏蔽时的25.11%,铅带来的208Tl(2615 keV)相对1 cm厚时增加52.83%。
在铅层内增加一层电解铜屏蔽层,一方面可以继续屏蔽环境本底辐射,一方面屏蔽铅层带来的辐射干扰。铜厚度与环境辐射本底屏蔽效果的关系如表4所示。
表4 铜厚度与环境辐射本底屏蔽效果的关系
通过观察表4可见,考虑单位厚度铜层的屏蔽效率,可选择1 cm -2 cm厚的铜层进行环境辐射本底屏蔽;最佳的,选择2 cm厚的铜层进行环境辐射本底屏蔽,此时辐射探测器测量的环境本底40K(1461 keV)减少为未作屏蔽时的9.81%,是2 cm铅屏蔽后的39.05%。另计算得到,增加2 cm铜层后,铅本征放射性对测量结果的影响减弱了27.98%。
因此,屏蔽壳体分为两层,外屏蔽层104材料为铅,内屏蔽层103的材料为铜。作为本实施例的改进,外屏蔽层材料为老铅,即1945年以前开采的铅。1945年以前人类还没有大规模从事放射性相关的活动,环境中的放射性本底比1945年以后低,铅制品中的放射性也较弱,且随着时间增加,铅中的本征放射性会进一步降低,因此老铅中的放射性水平更低。内屏蔽层104为电解铜,保证铜中不掺杂钾元素,防止40K放射性污染。
具体地说,作为最佳实施例,屏蔽壳体中的外屏蔽层104为外直径为16 cm,外高为35 cm,厚度为2 cm的圆柱形老铅壳。内屏蔽层103为外直径为12 cm,外高为31 cm,厚度为2cm的圆柱形电解铜壳。
需要说明的是,对探测单元的探测晶体模块102、屏蔽壳体中的外屏蔽层104和内屏蔽层103的各个结构的尺寸并不唯一,可以达到精确测量辐射剂量的目的即可,在此不做具体限定。但是,在实验过程中,通过模拟计算试管的尺寸和阱形探测晶体的形状,优化了探测晶体与血液样品的测量几何,探测单元对血液钠-24的探测效率提高了190%,缩短了测量时间;通过设置外老铅内铜的屏蔽结构,使得到达探测单元的环境本底辐射降低至无屏蔽时的9.81%,减少环境辐射本底对测量结果的干扰,并减少了屏蔽材料本身放射性对测量的干扰,提高测量精度。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种便携式中子剂量仪,其特征在于,包括用于盛放血液样品的试管、用于测试所述试管内血液样品的中子剂量的探测单元和屏蔽壳体;其中,
所述探测单元包括探测晶体模块和设置在所述探测晶体模块下方的光电转换模块;在所述探测晶体模块的中间设置有用于容置所述试管的深阱部;
所述探测单元和所述试管设置在所述屏蔽壳体的屏蔽腔室中。
2.如权利要求1所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述屏蔽壳体包括内屏蔽层和外屏蔽层,所述外屏蔽层包裹设置在所述内屏蔽层的外侧。
3.如权利要求2所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述内屏蔽层为电解铜件。
4.如权利要求2所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述外屏蔽层为老铅件。
5.如权利要求1所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述探测晶体模块为圆柱形的NaI(Tl)晶体,所述深阱部为自所述NaI(Tl)晶体的顶面中心挖设形成的圆柱形深阱。
6.如权利要求5所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述深阱部的直径为18 mm,深为45mm -65 mm。
7.如权利要求1所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述试管为聚苯乙烯件。
8.如权利要求7所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述试管的长为80 mm,外直径为16 mm-26mm,壁厚为1 mm,底部为半球形,盛放血液样品体积为10 mL。
9.如权利要求3所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,
所述内屏蔽层为外直径12 cm、外高31 cm、厚度1cm-2 cm的圆柱形壳体。
10.如权利要求4所述的便携式中子剂量仪,其特征在于,所述外屏蔽层为外直径16cm、外高35 cm、厚度2 cm-3cm的圆柱形壳体。
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2024
- 2024-02-07 CN CN202410173144.0A patent/CN117930322A/zh active Pending
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN117930322A (zh) | 2024-04-26 |
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