便携式γ射线实时成像检测系统对露天农作物的放射性应急监测*

张　庆　李文红　张　京　周　强　拓　飞　徐翠华

便携式γ射线实时成像检测系统对露天农作物的放射性应急监测*

张庆①李文红①张京①周强①拓飞①徐翠华①

张庆,男,(1977- ),硕士，副研究员。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，从事辐射检测和核事故应急监测工作。

目的：探讨便携式γ射线实时成像检测系统监测露天农作物放射性污染的可行性，建立核事故向周围环境释放大量放射性核素时，随着大气运动、降水和自身重力等因素而降落到地面污染露天农作物的监测方法。方法：从便携式γ射线实时成像检测系统组成和工作原理出发，拓展其性能和功能，并利用国家二级标准实验室γ-刻度计检验其成像功能和剂量率测量值的准确性。结果：使用γ-刻度计中137Cs和60Co点源来检验便携式γ射线实时成像检测系统，所得成像清晰，能准确划分放射性污染范围，剂量率测量值最小相对偏差＜3%，最大相对偏差为30.6%。结论：便携式γ射线实时成像检测系统能够划分放射性污染范围，较为准确的剂量率定值，因此可应用于核事故情况下露天农作物的放射性应急监测。

便携式γ实时成像；农作物；放射性；应急监测

DOI∶ 10.3969/J.ISSN.1672-8270.2015.05.017

[First-author’s address] National Institute for Radiological Protection, China CDC, Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, Beijing 100088, China.

专题——关注放射诊疗设备质量控制与放射性污染应急监测

编者按：电离辐射在医学领域的应用与日俱增，目前已成为临床诊断和治疗不可或缺的重要手段与工具。基层医院低端放射诊疗设备的技术改造，大型医院高精尖放射诊疗设备的质量控制，对于提高影像质量、降低受检者剂量以及保障放射治疗质量极为重要。同时，对于放射性污染的应急监测也成为大家所关注的领域。本专题就荧光屏透视机改造成影像增强器透视机、二维矩阵用于加速器调强适形放射治疗质量控制检测，以及放射性污染应急监测等方面的新技术进行报道。

栏目主编：岳保荣

岳保荣，男，研究员，硕士研究生导师。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所原副所长，国际放射防护委员会(ICRP)委员，中华医学会放射医学与防护学分会主任委员，中国医学装备协会理事，北京医学会放射医学与防护专业委员会主任委员。长期从事辐射防护与质量控制研究工作，组织制订医用常规X射线设备、X射线计算机断层摄影装置(CT)、乳腺X射线摄影设备以及计算机X射线摄影(CR)设备等多项质量控制检测国家标准。主要研究方向：医用辐射防护与质量控制。

众所周知，切尔诺贝利核事故和日本福岛核事故均向周围环境释放了大量的放射性物质，这些放射性物质随着大气环流、降水以及自身重力等因素沉降到地面使露天的农作物遭受污染。由于沉降的不规律、不均匀使有些农作物被污染，有些未被污染，有的污染严重，有的则轻微污染[1-7]。如何快速准确地区分被污染的农作物并予以标定污染范围是核事故应急中急需解决的重要技术问题。虽然可以采用剂量率巡测仪大范围寻测或者大面积多采样点采集样品，利用γ能谱仪来完成这一工作，但消耗大量时间、财力和人力。此外，剂量率波动范围会导致污染界限划定不明确，抽样检测会存在漏测，因此需要一种能够快速直观的判定污染并准确划分污染范围的仪器[8-11]。γ射线实时成像检测系统能够实现这样的功能，并已被广泛应用于工业探伤和医疗等领域，而针对核事故放射性应急监测则更加需要便携式γ射线实时成像检测系统。本研究从便携式γ射线实时成像检测系统的构成、原理出发，阐述其功能，并检验其性能，证实其可以较好的运用于露天农作物放射性污染应急监测[12-16]。

1　便携式γ射线实时成像检测系统

1.1成像检测系统的构成

便携式γ射线实时成像检测系统是集光学成像和γ射线成像于一体的便携式核事故应急监测设备，由探头、计算机、连接电缆及管理软件等部分组成。50-EM71267型便携式γ射线实时成像检测系统其探头为Φ80 mm×140 mm的圆柱形，钨合金屏蔽；探头内部包括光学镜头、准直器和γ探测器。光学镜头和准直器类型为双圆锥面、钨合金，针孔为0.25 mm，准直器为50o。γ射线探测器为4 mm厚的CsI(Tl)闪烁探测器，能响范围为50～1.5 MeV。性能指标660 keV处的灵敏范围：积分模式(高计数率模拟)情况下0.1～1 mGy/h，计数模式(低计数率模式)情况下1～10 μGy/h。空间分辨率：使用50o准直器、4 mm闪烁体，137Cs源为2.5o，60Co源为4.5o。

1.2成像检测系统的运行原理

便携式γ实时成像系统是基于“针孔成像”原理设计的，最后所成影像为光学影像(黑白)与γ射线影像(彩色)相叠加。

γ射线影像的获取过程为：γ射线直线传播，穿过针孔的γ射线被针孔后的探测器探测到，针孔的作用实际上是准直器。γ射线通过双圆锥面的准直器入射到CsI(Tl)闪烁探测器，经过第一个光导投射到微通道板上确定射线的位置，然后经过第二个光导在CCD上成像(如图1所示)。

图1　便携式γ射线实时成像系统γ射线成像示意图

1.3成像检测系统的判断依据

光学成像照片(黑白)与γ射线成像照片(彩色)经过便携式γ射线实时成像检测系统管理软件无视差叠加合成，若有明显颜色区域叠加在黑白的光学成像照片上，则表明该颜色所覆盖区域存在放射性物质，放射性物质形状不同，颜色区域也会呈现出相应形状，颜色区域边界标定放射性边界，物质中放射性的不均匀性也会通过所呈现的颜色区域不同颜色分层次显示出来，对照管理软件提供的剂量率颜色比例尺，可得出该放射性物质在探头处产生的剂量率。

1.4成像检测系统的性能检验

无论是切尔诺贝利核事故还是福岛核事故，均向环境释放了大量的长半衰期放射性核素137Cs[7-9]。因此，为了检验便携式γ实时成像检测系统能否应用于核事故中露天农作物的放射性监测，本研究利用中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所(以下简称辐射安全所)国家二级标准实验室中由BUCHLER公司生产，型号为OB34/1的γ-刻度计里的137Cs和60Co点源检验该系统的现场γ射线辐射剂量率测量的准确性、光学影像获取、γ射线影像获取以及光学影像和γ射线影像的叠加。方法是让便携式γ实时成像检测系统探头与γ-刻度计正对，选择1 m和4 m两个距离检测，此外在1 m和4 m处分别使探头偏转5o和10o进行测量，同时考虑点源的实际强弱有选择的进行测量，其详细参数见表1。

表1　辐射安全所国家二级标准实验室γ-刻度计(型号OB34/1)测量参数

2　便携式γ射线实时成像检测系统检测结果

2.1γ射线辐射剂量率测量准确性检测结果

调节便携式γ射线实时成像系统高度与γ-刻度计一致，移动探头与γ-刻度计之间距离为1 m，测量3个137Cs点源和1个60Co点源，其结果见表2。

表2　便携式γ射线实时成像检测系统剂量率测量结果(1 m处)

水平转动探头偏离探头与γ-刻度计连接线5o后测量1个137Cs点源，其结果见表3。

表3　便携式γ射线实时成像检测系统探头偏转5o后剂量率测量结果(1 m处)

水平移动探头使其与γ-刻度计之间距离为4 m，测量3个137Cs点源，其结果见表4。偏转探头10o后测量1个137Cs点源，其结果见表5。

表4　便携式γ射线实时成像检测系统剂量率测量结果(4 m处)

表5 便携式γ射线实时成像检测系统探头偏转10o后剂量率测量结果(4 m处)

2.2光学成像与γ射线成像以及两者叠加检测结果

便携式γ射线实时成像检测系统探头距离γ-刻度计1 m处测量所获得的光学成像和γ射线成像由管理软件无视差叠加合成的图片如图2所示。

图2　便携式γ射线实时成像检测系统测量137Cs点源成像图(1 m处)

2.3成像检测系统的应用

发生放射性物质泄漏的核事故后，放射性物质随着大气运动、降水和自身重力等因素降落到地面露天的农作物上(如即将成熟收割的麦田)，放射性物质的释放和沉降极不规律且不均匀，利用便携式γ射线实时成像检测系统能够轻易地监测出污染区域并划分污染轻重范围，便携式γ射线实时成像检测系统监测麦田放射性污染的对比如图3所示。

图3　便携式γ射线实时成像检测系统监测麦田放射性污染对比图

图3(b)显示，检测系统能够标记出污染的边界以及污染区域内的污染轻重程度，浅黄色区域表示该部分麦子已被放射性物质污染，其中的浅红色和红色区域表示该区域的麦子被放射性物质污染较重。准确的、可视化的边界极大方便了麦田收割工作的分类。

3　结论

本研究表明，核素137Cs的活度依次降低10倍(见表2、表4)，1 m处和4 m处测得的剂量率也依次降低10倍左右，证明该便携式γ射线实时成像检测系统的线性良好。对比辐射安全所国家二级标准实验室提供的不同活度137Cs在该点的剂量率值，最大相对偏差为-15.3%，最小为-2.8%。表3中1 m处偏转探头5o后测量的剂量率值相对偏差达到-30.6%，表5中4 m处偏转探头10o后测量的相对偏差达到-21.4%。最小的相对偏差不到3%，最大的相对偏差在30%左右，可认为该便携式γ射线实时成像检测系统能够较为准确的测量γ射线辐射剂量率。图2中的彩色颜色区域能够明显标识出该区域有放射性物质，其中图2(b)是同心环，中心剂量率强，周边逐渐减弱，符合点源的特征。

便携式γ射线实时成像检测系统可为核事故处理的决策者提供科学的依据，尤其是能够准确地提供可视化的放射性污染边界，非常方便收集被污染的农作物以单独处理，剩下未被污染的可按正常使用，不必担心存在放射性污染，对于平定广大人民群众的恐惧心理以及维护社会安定具有重要的社会意义。

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The radioactive emergency monitoring of crops in the open air by portable gamma-rayreal-time imaging system

ZHANG Qing, LI Wen-hong, ZHANG Jing, et al
China Medical Equipment,2015,12(5)∶55-58.

Objective∶ To quickly monitor radioactive contamination of open crops. It is necessary to study the feasibility of monitoring radioactive contamination of open crops by gamma-ray realtime imaging system. Methods∶ To introduce the composition and working principle of portable gamma-ray real-time imaging system, and to expand its performance and functionality, and to test its imaging capabilities and dose rate measurement accuracy by using the γ-calibration gauge of national secondary standard laboratory. Results∶ The results of testing portable gamma-ray realtime imaging system by137Cs and60Co point source of γ-calibration gauge show clear image and distinguish the bound of radioactive pollution Accurately, and the dose rate measured at the minimum relative deviation of less than 3%, maximum relative deviation of 30.6%. Conclusion∶Portable gamma-ray real-time imaging system can distinguish the bound of radioactive pollution accurately and measure dose rate accurately. So it can be well applied to the monitoring of open crops in nuclear accident.

Portable gamma-ray real-time imaging system; Crop; Radioactive; Emergency monitoring

1672-8270(2015)05-0055-04

R144

A

国家科技支撑计划(2013BAK03B05)“核事故健康风险评估与卫生应急处置技术研究”

①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088

2015-02-06