基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法与流程

本发明涉及放射性污染检测技术领域，特别是涉及一种基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法。

背景技术：

α表面污染是放射性污染的一种，其是指人或物体表面沾染了可释放α粒子的放射性核素。在核应急医学救援中，发生污染事故时，需对进出污染区的人和物体进行检测；人员受到污染时需进行洗消，每次洗消前后需进行检测，评价洗消效果。

α表面污染模拟中通过研制具有α表面污染特性、对人员和环境没有危害的模拟源，应用于α表面污染检测和洗消的模拟训练。现有技术中已经研发出了利用磁铁块、安全的液体喷雾和粉末制作的模拟源。但这些模拟源需与特定的真实α表面污染检测仪器配套使用，极大的限制了其使用范围。另外，现有技术中还提出采用发光二极管制作模拟源，或通过制作表面污染模拟衣，以模拟衣上的条形码作为模拟源；但发光二极管制作的模拟源体积大只能作为α辐射源，难以用于表面污染模拟；模拟衣上条形码模拟值固定，且难以模拟α表面污染洗消的变化过程；并且这两种模拟方法局限较大，无法有效模拟α表面污染。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法，其中制备了具有α表面污染特性、且对人员和环境无危害的模拟源，以便用于α表面污染模拟检测，实现在无辐射危害的环境下达到实源实训的效果。

本发明的技术方案如下：

一种基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法，其具体包括以下步骤；

s1：制备磁纳米颗粒模拟源以便用于α表面污染模拟检测：

所述磁纳米颗粒为钕铁硼磁粉，其在磁化磁场撤离后仍保持剩余磁感应强度；

s2：将s1中剩余磁感应强度的距离效应作为α粒子的距离效应的模拟；

预设空间中某点的磁感应强度为组成磁粉所有颗粒在该点的磁感应强度的矢量和；根据磁偶极子模型，将磁粉颗粒等效为一个圆电流环，磁偶极子轴向某点的磁感应强度值与该点到其中心的距离的立方成反比；

其轴向上某点的磁感应强度表达式为：

其中，为该点的磁感应强度、μ0为磁体所在空间磁导率、i为电流圆环的电流、s为电流圆环的面积、为圆环轴向单位向量、r为电流圆环中点到该点的距离；

s3：检测模拟源并进行验证：

将s1中所制备的磁粉胶体涂抹在无磁性的物体表面；通过模拟源检测装置进行定量测量以检测模拟源得到预设距离处的磁感应强度所对应的电压值；

确定模拟源检测电路装置中传感器与模拟源之间的距离是否发生变化，若二者之间的距离发生变化，则转入s4；若二者之间的距离不变，则转入s5：

s4：进行距离变化实验：

改变模拟源检测电路装置中传感器与模拟源的距离进行距离变化试验，分别记录传感器距离模拟源在各第一预设距离处的电压的输出值，此处的电压输出值为第一电压值；判定模拟源检测装置输出电压值是否符合下述公式的变化规律：

v为模拟源检测装置输出电压值，d为模拟源检测装置中传感器与模拟源的距离，a为受模拟源影响的常数，b为距离的修正值为常数，c为电压修正值为常数；

s5：进行模拟源擦除实验：

固定传感器与模拟源的距离至第二预设距离，进行模拟源擦除实验；逐渐擦除模拟源，记录各次擦除后的模拟检测装置的输出电压值，此处的输出电压值为第二电压值；判断模拟源检测装置电压值是否符合下述公式变化规律：

v＝k1·x+b1(2)

v为模拟源检测装置输出电压值，x为擦除的模拟源质量占模拟源质量的比例，k1、b1为常数；s6：

将第一电压值按照下述公式映射为该距离的α表面表面污染的测量值：

cps为在距离模拟源d位置测量到的α表面污染源的计数率，a为模拟α表面污染源的活度,为表面污染检测仪的探测效率，为α射线的射程，v为测量的电压值，a为受模拟源影响的常数，b为距离修正值为常数，c为电压修正值为常数,b为模拟源的表面磁感应强度，k为常数；

s7：将第二电压值按照下述公式映射为擦除预设量后的α表面表面污染的测量值：

cps＝k2v+b2(4)

cps为擦除预设质量比例后测量到的α表面污染源的计数率，v为测量的电压值，k2、b2为常数；

s8：通过测量磁感应强度值能够得出相应的α活度值：

将测量电压映射为α表面污染活度值，从而实现α表面污染的模拟。优选地，s1中，模拟源制备的具体步骤如下：

步骤一：将按照预设的质量比为6:(20-40)的钕铁硼磁粉和胶体均匀混合，通过胶体与磁粉颗粒的表面张力抵消磁粉颗粒间的作用力避免磁粉颗粒聚集，同时增强附着力；

步骤二：待二者均匀混合后，在预设的充磁磁场的作用下，对步骤一中得到的混合物进行充磁，通过降低充磁磁场以减小剩余磁感应强度，从而减弱磁粉颗粒间的相互作用力磁感应强度，进一步减弱磁粉颗粒间的相互作用力；

步骤三：使用外部磁场矫正，将充磁后的磁粉胶体放入矫正磁场环境内进行磁场矫正，得到模拟源。

优选地，磁粉颗粒的磁场方向垂直于模拟源表面，磁粉空间的磁感应强度矢量和不为“0”。

优选地，所述充磁磁场为均匀磁场，所述充磁磁场的范围为300mt～350mt；所述矫正磁场的范围为40～60mt。

优选地，通过表面磁感应强度为110～140mt的磁铁块对磁粉胶体进行磁场矫正。

优选地，步骤一：将6g钕铁硼磁粉均匀混入20ml0.5％的琼脂糖胶体；

步骤二：在330mt的均匀磁场下充磁制备成磁粉胶体；

步骤三：应用表面磁感应强度磁感应强度为120mt的磁铁块对磁粉胶体进行磁场矫正，得到模拟源。

优选地，当模拟源不变时，在不同距离测量的电压值按照公式(3)能够映射为该距离真实α表面污染源的测量值；当测量距离不变时，在擦除预设量的模拟源的测量电压按照公式(4)能够映射为擦除相同比例的α表面污染源的测量值。

优选地，磁感应强度的测量是非接触式测量，其满足α表面污染模拟源关于测量方式的需求。

优选地，在制备模拟源时，利用矫正磁场将模拟源磁场方向矫正为与传感器测量方向平行。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法针对核应急医学救援人才培训中所涉及的α表面污染的训练提出了基于钕铁硼磁粉的模拟方法和模拟源的制备方法，通过安全、可靠的模拟源替代真实辐射源进行训练，解决了使用真实辐射源训练存在的安全隐患问题，通过实验验证了制备的模拟源能够满足模拟训练需求，可以应用于α表面污染检测和洗消的模拟训练。其中，模拟源具有真实辐射源相近的外观，应用磁场模拟辐射场，能够实现非接触方式测量同时磁场具有与辐射场相同的随测量距离的增大而减小的变换规律，按照一定的映射公式将磁场随距离的变化规律模拟为辐射场的变化规律。此外，模拟源使用的充磁后的磁粉，由于磁场的特殊性质，磁粉颗粒充磁后，其磁场相互作用会导致磁粉颗粒相互聚集，影响附着；同时伴随着磁场的相互作用，磁粉颗粒的磁场方向发生改变，致使磁粉空间中磁感应强度的矢量和为“0”，无法测得磁感应强度值。因此，本发明中提出了三种解决方法，共同应用于模拟源的制备，避免因磁场自身性质导致模拟源无法使用的问题；一是通过安全的胶体与磁粉混合，通过胶体与磁粉颗粒的表面张力抵消磁粉颗粒间的作用力，避免磁粉颗粒聚集，同时增强附着力；二是降低充磁磁场，减小剩余磁感应强度，从而减弱磁粉颗粒间的相互作用力；三是使用外部磁场矫正，使磁粉颗粒的磁场方向垂直于模拟源表面，避免磁粉空间的磁感应强度矢量和为“0”。

附图说明

本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法的流程图。

图2是根据本发明的基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法中模拟源制备的流程图。

图3是根据本发明的基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法的模拟源检测电路的原理图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1示出了根据本发明的基于磁纳米颗粒的α表面污染模拟方法的流程图，其具体包括以下步骤：

s1：制备具有α表面污染特性，对人员和环境无危害的模拟源，以便用于α表面污染检测；

优选地，所制备的用于α表面污染模拟的污染源需要满足如下要求：

(1)可附着在人或物体表面；(2)对人员和环境没有危害；(3)能够被定量检测；(4)测量方式为非接触式测量；(5)在消洗过程，例如，擦拭、冲洗的过程中，其测量值逐渐减小。

优选地，所述模拟源包括磁纳米颗粒和胶体。更进一步地，所述磁纳米颗粒为钕铁硼磁粉，胶体为琼脂糖溶液。根据钕铁硼磁粉(以下简称磁粉)的磁滞现象，即磁粉在磁化磁场撤离后仍保持部分磁感应强度的现象，制备模拟源。其中所述部分磁感应强度为剩余磁感应强度。

优选地，模拟源制备流程如图2，其具体包括如下步骤：

步骤一：将按照预设的质量比为的磁粉和胶体均匀混合，通过胶体与磁粉颗粒的表面张力抵消磁粉颗粒间的作用力避免磁粉颗粒聚集，同时增强附着力；

优选地，所述磁粉和胶体的质量比为6：(20-40)。

步骤二：待二者均匀混合后，在充磁磁场，例如，弱充磁磁场的作用下，对混合物进行充磁，通过降低充磁磁场以减小剩余磁感应强度，从而减弱磁粉颗粒间的相互作用力，进一步减弱磁粉颗粒间的相互作用力；

优选地，所述磁场为充磁磁场为均匀磁场，所述充磁磁场的范围为300～350mt..；

步骤三：使用外部磁场矫正，将充磁后的磁粉胶体放入矫正磁场环境内进行磁场矫正，得到模拟源；

优选地，使磁粉颗粒的磁场方向垂直于模拟源表面，避免磁粉空间的磁感应强度矢量和为“0”同时便于测量；

优选地，所述矫正磁场的范围为40～60mt；

优选地，通过表面磁感应强度110～140mt的磁铁块对磁粉胶体进行磁场矫正。

具体地，模拟源的具体制备方法如下：

步骤一：将6g钕铁硼磁粉均匀混入20ml0.5％的琼脂糖胶体；

步骤二：在330mt的均匀磁场下充磁制备成磁粉胶体；

步骤三：应用表面磁感应强度为120mt的磁铁块对磁粉胶体进行磁场矫正，得到模拟源。

s2：根据磁偶极子模型，将磁粉颗粒等效为一个圆电流环，其轴向上某点的磁感应强度表达式为：

其中，为该点的磁感应强度、μ0为磁体所在空间磁导率、i为电流圆环的电流、s为电流圆环的面积、为圆环轴向单位向量、r为电流圆环中点到该点的距离；

由式(1)可知磁偶极子轴向某点的磁感应强度值与该点到其中心的距离的立方成反比；将磁感应强度的距离效应作为α粒子的距离效应的模拟，将磁感应强度值映射为α活度值，因此通过测量轴向某点的磁感应强度值即可得出相应的活度值。

具体地，模拟源剩余磁感应强度可通过传感器测量得到，将测量值映射为预设的α表面污染活度值，从而实现α表面污染模拟的方法。同时磁场是空间场，磁感应强度的测量是非接触式测量，其需要满足α表面污染模拟源关于测量方式的需求。

s3：将s1中所制备的磁粉胶体涂抹在无磁性的物体表面；通过模拟源检测装置，采用非接触方式进行定量测量以检测模拟源，在检测过程中传感器平行于地面、垂直于模拟源表面中心位置进行测量。

优选地，磁粉胶体的涂抹形状为1cm×1cm的正方形，用磁铁块进行磁场矫正制备成模拟源。具体地，涂抹的是磁粉胶体，还未制备成模拟源，涂抹后进行矫正才制备成模拟源。

优选地，模拟源检测装置采用磁阻传感器作为测量传感器，应用信号放大模块放大传感器输出信号，使用示波器读取测量结果。优选地，放大模块的放大倍数为1000。模拟源检测装置的检测电路原理图如图3所示。磁阻传感器的正负输出分别接在仪表放大器的正负输入端，仪表放大器通过外接的电阻器调节放大倍数，仪表放大的输出端接在第一个由运算放大器组成的电压跟随电路的输入端，第一个电压跟随电路的输出端接在示波器上，用示波器读取测量结果；使用电阻器构成的分压电路的输出端接在第二个由运算放大器组成的电压跟随单路的输入端得个电压跟随电路的输出端接在仪表放大器的参考端用于电路的静态调零。

将磁感应强度转换为差分输出的电压值，经放大模块放大后使用示波器读取测量结果。

优选地，所述磁阻传感器为单轴磁阻传感器；例如，hmc1021z单轴磁阻传感器。

s4：改变模拟源检测电路装置中传感器与模拟源的距离进行距离变化试验，分别记录传感器距离模拟源在各第一预设距离处，电压的输出值；输出电压值符合下述公式的变化规律：

v为模拟源检测装置输出电压值，d为模拟源检测装置中传感器与模拟源的距离，a为受模拟源影响的常数，b为距离的修正值为常数，c为电压修正值为常数；

进行重复多次测量，取多次测量的电压值的均值作为输出电压值，消除因人为读取测量电压值造成的误差。

优选地，记录传感器与模拟源的距离在3cm、2.5cm、2cm、1.5cm、1cm、0.5cm时输出电压值，重复测量5次。不同距离测量模拟源的输出电压如表1所示。

s5：固定传感器与模拟源的距离至第二预设距离，进行模拟源擦除实验；逐渐擦除模拟源，记录各次擦除后的传感器输出的电压值；电压值符合下述公式的变化规律：

v＝k1·x+b1(3)

v为模拟源检测装置输出电压值，x为擦除的模拟源质量占模拟源质量的比例，k1、b1为常数；

进行重复多次测量，取多次测量的电压值的均值作为输出电压值，消除因人为读取测量电压值造成的误差。

优选地，将传感器与模拟源的距离固定为0.5cm，逐渐擦除模拟源，记录模拟源擦除约1/4、1/2、3/4及全部擦除时输出电压值。重复测量5次。擦除不同比例的模拟源的输出电压如表2所示。

s6：将s4中得到的电压值设定为第一电压值，将第一电压值按照下述公式映射为该距离的α表面表面污染的测量值：

cps为在距离模拟源d位置测量到的α表面污染源的计数率，a为模拟α表面污染源的活度,为表面污染检测仪的探测效率，为α射线的射程，v为测量的电压值，a为受模拟源影响的常数，b为距离修正值为常数，c为电压修正值为常数，b为模拟源的表面磁感应强度，k为常数；

s7：将s5中得到的电压值设定为第二电压值，将第二电压值按照下述公式映射为擦除一定量后的α表面表面污染的测量值：

cps＝k2v+b2(5)

cps为擦除一定量后测量到的α表面污染源的计数率，v为测量的电压值，k2、b2为常数。

优选地，磁阻传感器按照惠斯顿电桥配置将磁场转换为差分输出电压；由于电桥电阻的不匹配使传感器静态输出电压不为零，且检测电路中未设计偏置电路，即将静态输出调整为零，导致检测电路静态输出电压较高，该电压为2.59～2.61v。为使实验获得良好的结果，在制备模拟源时，利用矫正磁场将模拟源磁场方向矫正为与传感器测量方向相反。当被测磁感应强度增大时，输出电压减小。

表1不同距离测量模拟源的输出电压(均值±标准差)

如表1所示，使用静态输出电压减去测得的输出电压电压，得到的测量电压与距离的拟合函数为拟合系数r＞0.99。模拟源测量所得测量电压与距离的变化符合式(2)的变化规律。由此可以说明制备的模拟源能够按照式(4)将测量电压值映射为α表面污染活度值，能够应用于α表面污染检测的模拟训练。

表2模拟源擦除实验结果(均值±标准差)

如表2所示，使用静态输出电压减去测得的输出电压电压，得到的测量电压与擦除比例的拟合函数为y＝-0.91x+1.03，拟合系数r＞0.99。当测量距离固定时，测量电压与擦除比例呈线性关系，符合真实α表面污染源洗消时测量的活度值与擦除比例呈线性关系的变化规律。由此可以说明制备的模拟源能够按照式(5)将测量电压值映射为α表面污染活度值，能够应用于α表面污染洗消的模拟训练。

由表1和表2的结果可以说明利用磁粉按照本发明的方法制备的模拟源符合α表面污染模拟源需求，能够应用于α表面污染检测和洗消的模拟训练。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“至少三个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。