放射性全身辐射检测门禁报警系统

徐鹏程（上海欣科医药有限公司，上海 201108）



放射性全身辐射检测门禁报警系统

徐鹏程
（上海欣科医药有限公司，上海 201108）

摘 要：放射性物质发出的α、β、γ等射线对正常的人体和周围环境都是有害的，由于这些射线是看不见、摸不着的，为了切实保护从事放射性物质的工作人员，如何对人体全身进行检测并能定性、定量地进行分析、报警，实时给出辐射剂量水平值，指出污染部位，就是我们需要探讨研究的课题，下面讨论的放射性全身辐射检测门禁报警系统就是为了完成我们的预期而设计的，其原理是先将放射性信号转换成光信号，再将光信号转换成电信号，之后进行分析处理，最终显示出测量结果。放射性全身辐射检测门禁报警系统主要由光电脉冲信号产生电路、模拟信号放大电路、反符合甄别电路、数字处理器电路、声光报警、远程控制电脑等组成。系统测量准确、显示直观、使用方便。

关键词：放射性检测；碘-125；γ射线；反符合电路；高灵敏度

0 引言

碘125放射性同位素是轨道电子俘获衰变的核素，半衰期为60.14天，发射的γ射线能量仅为0.03548MeV，因其能量低，故人体本身对其辐射屏蔽的效果也非常明显。如身体左侧胳膊被污染，如果在人体右侧进行探测就可能探测不到。上海欣科医药有限公司的密封籽源生产车间，专门使用碘-125核素作为该产品的放射性同位素生产原料。实现工作人员在车间生产结束离开生产区域时，进行是否身体某处被污染或随身携带了放射性物质的判定，针对全身的放射性监测显得尤为重要。常规的区域监测仪器，由于接触面小、灵敏度低、能量响应参差不齐等缺陷，很难以满足其检测要求，本设计在传统辐射检测仪器基础上进行了较大地改进，让全身辐射检测仪拥有7块塑闪晶体，拥有全方位的接触面积，含有庞大的的晶体容量来提高灵敏度，采用更精准的能量阈来适应碘-125的能量响应。

该系统主要用于车间的出口处γ射线的测量，配合门禁控制，确保员工不将自身沾染的或其他放射性物品带出生产车间。

本文主要讨论4个方面：塑闪探测体的选型、集零基线校准电路、反符合甄别电路、动态的报警阈值。反符合甄别电路是本文的重点，它采用双比较器和双稳态触发器，对特定的碘-125的射线的能量阈，进行精准双阈值卡位设置，采用反符合原理，定向缩小甄别范围，达到精准高效的监测目的。

1 探头设计

1.1 探头布置要求

在系统通道门的四周即顶部、左臂、右臂、左腿、右腿、左脚和右脚方向布置探测器，从不同角度测量微弱放射性辐射剂量率。

1.2 探测器性能与选型

针对碘125工作场所，如何在几种常见的辐射探测体中选型，在此，进行分析和比较，最终选择出合理、适用的探测体，主要考虑以下5个方面：

（1）能量响应：能满足碘125的0.03548MeV的γ射线能量能响应。

（2）剂量响应线性：线性和真实性越靠近越好。

（3）响应时间：响应时间越短越好，控制在0.5s内为最佳。

（4）灵敏度：因需要检测出量值微弱的放射性，探测体的体积越大，同一辐射值对应的CPS计数率越大，灵敏度越高。

（5）整体仪器的安装环境：该车间对仪器功耗没有要求，安装方式适合于固定式安装。

综合参考五大因素，我们对各种探测器进行逐一分析选择：

（1）NaI（TI）闪烁体的优点是密度大，原子序数高，对γ射线探测效率高。发光效率高，能量分辨率也较好。缺点是容易潮解，价格昂贵，不方便制成大面积的探测体。

（2）锗酸铋（BGO）有最大的效率和最好的信噪比。主要用于探测低能x射线、高能γ射线以及高能电子。在低能区（＜＜0.5MeV）的能量分辨率比碘化钠的差，对于0.511MeV的γ射线，BGO的时间分辨为1.9ns，缺点还有折射率较高，尺寸大的BGO难以将光输出去，价格高。

（3）硫化锌：ZnS（Ag）它对α粒子的发光效率高，对β、γ射线不灵敏，适合在强β、γ本底下探测重带电粒子如：α射线，探测效率可达100%，射线种类不符。

图1

（4）盖格计数管，盖革计数管可以用于探测γ射线，但由于盖革管中的气体密度通常较小，高能γ射线往往在未被探测到时就已经射出了盖革管，因此其对高能γ射线的探测灵敏度较低。能量识别性差，不方便制成大面积的探测体，要达到大的探测面积和高的灵敏度，则必须使用多个计数管并联使用，造成设计、安装的难度加大，成本也有很大的提高，维护保养难度也增加了。

（5）塑闪晶体，闪烁晶体不仅具有高密度（≥7g/cm）、快衰减（15～50ns）和高抗辐照（～1TeV）等特性外，而且价格低廉，对光产额要求相对较低。适合大体积的安装，能量响应较好。

（6）还有诸如半导体类探测器，电离室型探测器等，也不适合用于I-125核素的放射性全身辐射检测门禁报警系统要求。

综上所述，塑闪晶体最能满足我们的设计需求。当放射性射线打在塑闪晶体上时，晶体会产生光子，光电倍增管光阴极接收到光子后转换为电脉冲信号，然后进行处理即可。

1.3 探头电路设计

（1）放大器电路

如图1所示，光电倍增管输出电流信号很小，很微弱，需经过三级10倍放大，即放大1000倍输出，为了修正因高计数率造成的放大器输出信号基线的漂移，增加了基线恢复电路，用两个恒流源，通过V1、V2钳住放大输出信号基线维持在0电平位置。

图2

图3

（2）反符合甄别电路

如图2所示，反符合甄别电路主要是对放大输出信号进行区分，选择I-125特征能量段信号，剔除其他核素与环境本底的能量信号，降低测量本底，提高设备的检测分辨能力。

如图3所示输出特性图，针对不同能量的射线，其转换成电信号后，会产生对应其能量的同等峰值的脉冲信号，碘125车间需要检测的射线是γ射线，其能量是0.03548MeV，经过校准后，标准碘125的信号峰值是2V，根据误差理论给予±15%的裕度，那么上下两道的阈值分别是2.3V 和1.7V，高于2.3V峰值的脉冲甲，同时触发上下两道阈值，上道比较器在B点的下降沿，将在稳态触发器会产生一个触发脉冲，脉冲宽度由电容C3电阻R4乘积来定，下道比较器在D点的上升沿，在稳态触发器会产生一个触发脉冲，脉冲宽度由电容C5与电阻R10乘积来定，由于C3、 R4乘积远远大于C5、R10乘积，所以在D点产生的信号，将被B点产生的信号完全淹没掉。

脉冲丙，既没有高于上道阈值，又没有高于下道阈值，故不会产生触发信号。

脉冲乙，对应其阈值的脉冲，正好高于下道的阈值，又低于上道的阈值，通过精准定向卡位，准确卡住了探测碘125的能量，屏蔽掉其他能量的干扰射线，极大地提高了射线探测的效率和精准度。

2 辐射监测处理部分

将七路信号采集器的脉冲收集齐全后，送入计数器芯片，再进入单片机计数。单片机辅助其他外围设备，搭建辐射检测系统。

2.1 检测和提示

（1）红外监测

在通道门的3m远处安装远程红外，感应被测对象到来时，从本底数据更新模式进入预备测量模式。在检测门底端放置脚印标识，在通道门的顶端和侧端，安装近程红外，规范检测者的位置，确保测量准确有效。

（2）语音播报和声光指示

配备真人语音芯片，实时播报，提示测量操作。监测中通过红黄绿三色指示灯指示正常、测量、报警和故障等状态，检测完毕后，通报监测状态。

2.2 数据处理

剂量数据由处理器实时更新和处理，处理器将数据单向传给控制器。控制器根据7个部位的剂量数据，对比本底数据，采用动态阈值的模式，判断出污染的级别，和污染的身体某部位，同时给出门禁信号，禁止剂量超阈值者走出检测门。

（1）动态阈值模式

采用动态阈值模式，当没有被测对象时，不断地更新环境本底数据，使环境本底更接近真实环境，避免由于纬度差异、气候差异、天气原因等外界因素的干扰，对满足环境本底±3δ（δ为本底数据的平方根）的本底数据（置信度可达99.72%）记入新的环境本底缓冲区，动态阈值在其上下浮动，这种方式比固定阈值（一刀切模式）判别更科学有效。

（2）参数配置和数据传输

参数配置存储在控制器，处理器通过485通信模式向控制器上传内部参数和剂量数据，控制器通过命令协议来修改处理器的参数配置。

3 控制部分及远程电脑控制

3.1 辐射控制器

控制器是处理器的延伸和扩展，配备大屏幕液晶进行显示，键盘进行输入，另外加载高分贝的报警灯，进行预警提示，通过网口将数据传输至远程电脑。

控制器接受处理器过来的通信信号，通过网口将数据传给后台服务电脑。

3.2 远程电脑控制

远程电脑控制是控制器的网络延伸，可以后方远程来操作、监控。配置好IP参数后，控制器向远程电脑实时传输各部位的剂量数据，远程电脑可以修改控制器的参数，必要的时候可以软重启控制器。

结论

本文分析了传统仪器的现状，针对精度低，灵敏度低等问题，改进后具备以下成果：（1）采用大面积塑闪探测体，它具有快速响应、极低的噪声、高灵敏度等特点。（2）光电倍增管输出的光电信号经过三级的1000倍放大后，再进行基线校准和滤波，使温度漂移、信号波动大的弊端得以抑制。（3）采用了反符合电路，通过精准的两道阈值界定，只允许I-125能量段的射线经过，而阻止其他能量的射线通过，这样既可以降低本底数据，又可以提高该核素的测量精确度。（4）报警阈值设置采用3δ的本底动态阈值，实时更新，测量更精确。（5）采用控制器和后台远程电脑控制，为以后系统升级提供足够的空间。（6）采用标准源对研制的仪器进行测试，证明仪器的测量结果准确、性能优良。

参考文献

［1］ P.D.McFadden&M.M. TOOZHY. Application of Synchronous Averaging to Vibration Monitoring of Rolling Bearings. Mechanical Systems and Signal Processing， 2010 14（6）.

［2］王晓君，安国臣.MCS-51单片机原理及选型［M］.北京：电子工业出版社，2003.

中图分类号：TP277

文献标识码：A