一种气载碘-131产出率时间函数的测量系统和测量方法与流程

本发明涉及核辐射安全监测领域。更具体地说，涉及一种可测量气载碘-131制备装置产出率随时间变化关系的系统和方法。

背景技术：

作为一种放射性核素，¹³¹i(即碘-131)衰变释放的γ射线可致辐射剂量，威胁人体健康。且¹³¹i易于富集在人体甲状腺，这一特性可放大¹³¹i所致健康风险。¹³¹i是核反应堆裂变反应的产物之一，在切尔诺贝利核事故、福岛核事故中，公众辐射剂量主要来自于¹³¹i与¹³⁷cs两大放射性核素。¹³¹i同样是核医学常用的一种诊疗用放射性核素，事故情况下，挥发的¹³¹i对医疗场所的污染也不容忽视。气载¹³¹i监测方法、防护措施以及沉积、迁徙等行为研究对于公众辐射安全具有重要意义。

以气载¹³¹i制备装置为核心的气载¹³¹i测试平台是开展气载¹³¹i监测方法与防护措施研发工作的基础。气载¹³¹i制备装置的产出率以及制备所需时间是测试平台的关键参数。现有的方法是在一定时间段内将气载¹³¹i制备装置产出的气载¹³¹i用溶液吸收后，转移至马林杯，定容至标准体积后，用高纯锗γ谱仪测量吸收液中¹³¹i活度，从而计算产出该时间段内¹³¹i的产出率。该方法不仅操作复杂，花费时间长，而且只能获得产出特定时间段对应的¹³¹i产出率，单次实验获取的信息非常有限。

因此，研发一种气载碘-131产出率时间函数的测量系统，一次性测量气载碘-131制备装置整个制备周期的产出率变化函数，可大大提高气载¹³¹i制备装置的评估效率。对于保障核电产业的健康发展，维护核安全具有一定社会意义与实用价值。

技术实现要素：

以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种气载碘-131产出率时间函数的测量系统和方法，可以一次性测量得特定气载碘-131制备装置整个制备周期的产出率变化函数，从而评估该装置的优劣，指导该装置的优化。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种气载碘-131产出率时间函数的测量系统，系统包括一台γ能谱仪、谱仪配套计算机系统、至少一个气载碘-131吸收瓶以及气体导管与接头；

其中：

气载碘-131吸收瓶用于将气载碘-131制备装置产出的气载碘-131收集固定；

气体导管与接头用于连接被测量的气载碘-131制备装置与气载碘-131吸收瓶；

γ能谱仪用于监测气载碘-131吸收瓶中的¹³¹i释放的γ射线，输出测量谱至谱仪配套计算机系统；

谱仪配套计算机系统与γ能谱仪建立数据连接，用于抓取γ能谱仪的测量谱，根据测量谱计算对应¹³¹i活度，从而获得气载碘-131吸收瓶内的¹³¹i活度随时间变化的数据序列。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例，测量系统还包括用于固定系统中各个部件的空间位置的固定用支架。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例，测量系统还包括另一γ能谱仪，用于监测被测量的气载碘-131制备装置的反应容器中的¹³¹i释放的γ射线，该另一γ能谱仪输出测量谱至谱仪配套计算机系统以获得反应容器中的¹³¹i活度随时间变化的数据序列。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例，反应容器对于监测气载碘-131吸收瓶的γ能谱仪是干扰区域，谱仪配套计算机系统安装用于扣除干扰影响的计算机程序，所述计算机程序配置为：

根据每台γ能谱仪对每个区域探测效率建立以下线性方程组，反解线性方程组扣除区域间干扰：

其中si是第i台γ能谱仪接收的信号强度，εij第i台γ能谱仪对第j个区域¹³¹i的探测效率，aj是第j个区域的¹³¹i活度；

对上述线性方程组求解，可得每个区域¹³¹i活度值a1～an。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例，测量系统还包括辐射屏蔽件，用于屏蔽反应容器中的¹³¹i对于监测气载碘-131吸收瓶的γ能谱仪的影响。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例，谱仪配套计算机系统还配置数据可视化显示模块和数据分析处理模块。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例，气载碘-131吸收瓶根据气载碘-131制备装置产出的气载碘-131形态的不同，有不同的选择，包括但不限于：对于单质碘蒸汽，选用装有硫代硫酸钠溶液的鼓泡瓶；对于碘代甲烷，选用置于冰水浴中的装有丙酮的鼓泡瓶。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例，多个气载碘-131吸收瓶之间相互串联。

本发明还揭示了一种气载碘-131产出率时间函数的测量方法，在如上所述的测量系统上实施，所述方法包括：

将气载碘-131制备装置与气载碘-131吸收瓶用气体导管与接头连接成气路，气路连接完成后启动气载碘-131制备装置，制备的气载碘-131随组成气载碘-131制备装置的气泵驱动的气流沿气体导管进入气载碘-131吸收瓶，被气载碘-131吸收瓶吸收；

γ能谱仪监测气载碘-131吸收瓶中的¹³¹i释放的γ射线，输出测量谱至谱仪配套计算机系统；

谱仪配套计算机系统基于测量谱计算对应¹³¹i活度，从而获得气载碘-131吸收瓶内的¹³¹i活度随时间变化的数据序列。

根据本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量方法的一实施例，在开始测量前降低非关注区域对关注区域的干扰，其中降低干扰的处理包括但不限于屏蔽干扰、远离干扰源或者算法扣除干扰，关注区域为气载碘-131吸收瓶内的吸收液，非关注区域为组成气载碘-131制备装置的反应容器；

其中算法扣除干扰的处理包括：

首先，测定多台γ能谱仪分别对各自监测区域的探测效率，这些监测区域分为关注区域和非关注区域；

然后，根据每台γ能谱仪对每个区域探测效率建立以下线性方程组，反解线性方程组扣除区域间干扰：

其中si是第i台γ能谱仪接收的信号强度，εij第i台γ能谱仪对第j个区域¹³¹i的探测效率，aj是第j个区域的¹³¹i活度；

对上述线性方程组求解，可得每个区域¹³¹i活度值a1～an。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明基于γ能谱仪探测技术，设计了一套气载碘-131产出率时间函数的测量系统，突破已有方法只能测量特定时间段对应的¹³¹i产出率，无法测量气载碘-131产出率随时间变化过程的局面。此外，本发明针对实时将测量谱转化为¹³¹i活度的需求，开发对应计算机软件。本发明还提出了在测量实施过程中，非关注区域对关注区域干扰的解决办法。

附图说明

在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。

图1示出了本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例的原理图。

图2示出了本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量方法的一实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。

图1示出了本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量系统的一实施例的原理。请参见图1，本实施例的测量系统由一台γ能谱仪11、谱仪配套计算机系统2、气载碘-131吸收瓶3及其它辅助设备(包括固定用支架、气体导管与接头5等)构成，用于实时测量气载碘-131制备装置6(制备装置6通常由反应容器61与气泵62组成)的气载碘-131产出率。

气体导管与接头5连接被测量的气载碘-131制备装置6与气载碘-131吸收瓶3。气载碘-131吸收瓶3将气载碘-131制备装置产出的气载碘-131收集固定，以便γ能谱仪测量。根据产出的气载碘-131形态的不同，气载碘-131吸收瓶3可有不同的选择，例如对于单质碘蒸汽，可选用装有硫代硫酸钠溶液的鼓泡瓶；对于碘代甲烷，可选用置于冰水浴中的装有丙酮的鼓泡瓶。一般要求气载碘-131吸收瓶的吸收效率在99％以上，以保证测量结果的准确性，并避免产出的气载碘-131外泄到环境中，造成放射性污染。单瓶气载碘-131吸收瓶3难以达到该要求的，可以通过串联多个吸收瓶以满足准确测量与环境保护的目的。图1所示实例采用了两个串联而成的气载碘-131吸收瓶3来保证整体吸收效率。

辅助设备根据实际情况选用。固定用支架可将系统中每个部件固定，使得部件之间的空间位置相对固定，进而确保γ能谱仪对¹³¹i探测效率的一致性，也避免了吸收瓶倾倒、玻璃部件碰撞等风险事故。

γ能谱仪11是整套系统的核心，用于实时监测气载碘-131吸收瓶3中的¹³¹i释放的γ射线，获得指示吸收瓶内的¹³¹i活度的测量谱。

谱仪配套计算机系统2用于实时抓取γ能谱仪11输出的测量谱，根据测量谱计算对应¹³¹i活度，从而获得特定区域¹³¹i活度随时间变化的数据序列。在此基础上，谱仪配套计算机系统2还配置为数据可视化显示、数据分析处理等模块。

以上是实现本发明的第一实施例。

由于组成制备装置6的反应容器61会对气载碘-131吸收瓶3的测量造成影响，可以采用增加反应容器61和γ能谱仪11之间的距离。也可以设计辐射屏蔽件4，用于屏蔽非关注区域¹³¹i对γ能谱仪的影响，也可降低操作者的辐射剂量。较佳的，也可以如图1所示，系统增加另一台γ能谱仪12同时监测反应容器61内的¹³¹i释放的γ射线，以获得指示¹³¹i活度的测量谱。谱仪配套计算机系统2安装用于扣除干扰影响的计算机程序，计算机程序配置为：

根据事先测定的每台γ能谱仪对每个区域探测效率建立以下线性方程组，反解线性方程组扣除区域间干扰：

其中si是第i台γ能谱仪接收的信号强度，εij第i台γ能谱仪对第j个区域¹³¹i的探测效率，aj是第j个区域的¹³¹i活度；

对上述线性方程组求解，可得每个区域¹³¹i活度值a1～an。

系统的测量过程如图2所示，也是本发明的气载碘-131产出率时间函数的测量方法的一实施例的实现流程。

首先，将气载碘-131制备装置6与气载碘-131吸收瓶3用气体导管及连接件5串联，并保证连接处气密性。一般建议如图1所示实例，将整个气路连成回路，但不是必须。气路连接完成后，启动气载碘-131制备装置6，制备的气载碘-131随气泵62驱动的气流沿气体导管进入气载碘-131吸收瓶3，被吸收瓶3吸收。在测量过程中，反应容器61内的¹³¹i活度随时间下降，气载碘-131吸收瓶3内¹³¹i活度随时间增加。

γ能谱仪监测气载碘-131吸收瓶中的¹³¹i释放的γ射线，输出测量谱至谱仪配套计算机系统。

配套计算机系统2基于测量谱计算对应¹³¹i活度，从而获得气载碘-131吸收瓶内的¹³¹i活度随时间变化的数据序列。具体过程为经本底扣除、能谱与活度换算、干扰扣除等步骤后获得吸收瓶内¹³¹i活度随时间变化，除以初始时刻加入气载碘-131制备装置的¹³¹i活度，即获得气载碘-131制备装置产出率随时间变化关系，也即气载碘-131产出率时间函数。

较佳的，在测量前，需要降低非关注区域对关注区域的干扰，其中降低干扰的处理包括但不限于屏蔽干扰、远离干扰源或者算法扣除干扰，其中关注区域为气载碘-131吸收瓶内的吸收液，非关注区域为组成气载碘-131制备装置的反应容器。降低非关注区域干扰的处理是主要有三类办法：

1)屏蔽干扰：在非关注区域和γ能谱仪11间增加辐射屏蔽材料(如铅砖、铅玻璃块、钨板等)，阻止非关注区域¹³¹i发射的γ射线到达γ能谱仪11的探头，该方法最为简单直接，但在缺乏屏蔽材料的情况下无法实施；

2)远离干扰源：尽量拉远非关注区域与γ能谱仪11之间的距离(同时保证关注区域与γ能谱仪11之间的距离)，降低干扰，该方法不需要额外的材料，但是受限于气路长度，如果气路过长，气载碘可能在气路内沉积，导致产出率的低估。

3)算法扣除干扰。首先需要测定γ能谱仪分别对关注区域(通常为气载碘-131吸收瓶3内吸收液)及非关注区域(通常为反应容器61)的探测效率。前者是由一台γ能谱仪11直接测量结果推算关注区域¹³¹i活度的关键参数，后者由另一台γ能谱仪12的测量结果作为受干扰程度，应尽可能降低。

对于这种方案的处理过程如下。

首先，测定多台γ能谱仪分别对各自监测区域的探测效率，这些监测区域分为关注区域和非关注区域；

然后，配套计算机系统2中根据每台γ能谱仪对每个区域探测效率建立以下线性方程组，反解线性方程组扣除区域间干扰：

其中si是第i台γ能谱仪接收的信号强度，εij第i台γ能谱仪对第j个区域¹³¹i的探测效率，aj是第j个区域的¹³¹i活度；

对上述线性方程组求解，可得每个区域¹³¹i活度值a1～an。

算法可以扣除非关注区域¹³¹i引入的系统误差，但非关注区域的干扰仍会带来随机误差，无法用算法降低，因此须结合前两种方法使用。

三种方法各有其优劣与限制条件，可根据实际情况搭配使用。

尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本发明的范围。

结合本文所公开的实施例描述的各种解说性逻辑板块、模块、和电路可用通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或其它可编程逻辑器件、分立的门或晶体管逻辑、分立的硬件组件、或其设计成执行本文所描述功能的任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在替换方案中，该处理器可以是任何常规的处理器、控制器、微控制器、或状态机。处理器还可以被实现为计算设备的组合，例如dsp与微处理器的组合、多个微处理器、与dsp核心协作的一个或多个微处理器、或任何其他此类配置。

结合本文中公开的实施例描述的方法或算法的步骤可直接在硬件中、在由处理器执行的软件模块中、或在这两者的组合中体现。软件模块可驻留在ram存储器、闪存、rom存储器、eprom存储器、eeprom存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、cd-rom、或本领域中所知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器以使得该处理器能从/向该存储介质读取和写入信息。在替换方案中，存储介质可以被整合到处理器。处理器和存储介质可驻留在asic中。asic可驻留在用户终端中。在替换方案中，处理器和存储介质可作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性实施例中，所描述的功能可在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。如果在软件中实现为计算机程序产品，则各功能可以作为一条或更多条指令或代码存储在计算机可读介质上或藉其进行传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质两者，其包括促成计算机程序从一地向另一地转移的任何介质。存储介质可以是能被计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限定，这样的计算机可读介质可包括ram、rom、eeprom、cd-rom或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁存储设备、或能被用来携带或存储指令或数据结构形式的合意程序代码且能被计算机访问的任何其它介质。任何连接也被正当地称为计算机可读介质。例如，如果软件是使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字订户线(dsl)、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术从web网站、服务器、或其它远程源传送而来，则该同轴电缆、光纤电缆、双绞线、dsl、或诸如红外、无线电、以及微波之类的无线技术就被包括在介质的定义之中。如本文中所使用的盘(disk)和碟(disc)包括压缩碟(cd)、激光碟、光碟、数字多用碟(dvd)、软盘和蓝光碟，其中盘(disk)往往以磁的方式再现数据，而碟(disc)用激光以光学方式再现数据。上述的组合也应被包括在计算机可读介质的范围内。

提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。