核事故时，外泄的放射性物质会被工作人员或公众直接吸入或食入，引起内照射。尤其是放射性碘等物质会在甲状腺沉积，持续照射身体器官。因此，核事故后需要首先关注和处理的问题是监测内照射^[1-2]。当前监测内照射的方法主要有三种：体外直接测量、排泄物或其他生物样品分析、空气采样分析。对于¹³¹I、¹²⁵I等，采用半导体或闪烁体实现体外局部直接测量，可准确快速地发现受污染个体并评估其受照剂量。当前，国家的核事故医学应急准备和响应安全导则及相关研究中明确建议对甲状腺进行测量，快速确定污染水平并进行相应处理。分析我国的核应急响应建设的现场处置技术现状可发现^[3-4]，通常应急响应情况下是使用便携式γ谱仪测量现场放射性污染核素。理论上，利用谱仪可获得关于放射性核素的滞留量，但在实际中现场处置人员还需要了解放射性核素的摄入量、特定器官的待积剂量当量和待积有效剂量当量。另外，平常在医院使用的甲状腺监测设备大多是固定式，无法方便地移动到事故现场。国内外开展过一些关于应急情况下甲状腺剂量监测的工作^[5-7]，但目前仍没有一款合适的设备可满足上述要求。因此，非常有必要研制一种便携式的甲状腺监测仪，以应用于突发事件时现场应急监测和评估甲状腺内照射水平或平时对人员的内照射监测。

1 材料和方法 1.1 探测器的设计

甲状腺测量仪的探测器选型多用闪烁体探测器或半导体探测器。半导体探测器常用HPGe和CZT探测器。HPGe探测器成本较高，且需要制冷，在现场应用中受限制；而CZT探测器体积较小，探测效率较低，难以满足快速测量的要求。因此，本文研究选用NaI晶体作为探测器^[8-9]。

在应急响应时，单次测量所需时间应尽可能短，因此需要提高设备探测灵敏度并降低其探测下限。设备研制时，在满足重量和体积的限制条件下，应选择更高探测效率的探测器，并增加屏蔽体，降低环境本底对测量的影响。本文通过Monte-Carlo(简称MC)模拟方法，计算了不同条件时探测器的探测效率，作为优化探测器设计的依据^[10-11]。

本文MC模拟计算采用的是Geant4软件包。Geant4(GEometryANd Tracking，几何和跟踪)是由CERN(欧洲核子研究中心)基于C++开发的MC应用软件包，用于模拟粒子在物质中输运的物理过程，程序计算的结果业内普遍认可。本文参考ANSIN13.44标准，按照甲状腺体模和NaI探测器的几何模型建立计算模型，见图 1。源项设置为在甲状腺位置均匀分布。本文在计算时，通过改变探测器入射端面到体模表面的距离来模拟实际探测情况，统计入射粒子在探测器内的能量沉积，得到¹³¹I和¹²⁵I的沉积能谱。总粒子数为10⁶。

模拟计算结果见图 2。图中分别是3英寸和2英寸的NaI(Tl)探测器端面距离体模表面1~5 cm情况下的¹³¹I和¹²⁵I沉积能谱。

模拟计算得出不同尺寸(所取两种尺寸)的NaI(Tl)探测器在不同间距时对¹³¹I和¹²⁵I的探测效率，统计结果见表 1。

根据计算结果可知，3英寸NaI探测器的效率约为2英寸探测器的两倍。综合考虑探测效率与探测器重量、屏蔽体重量、体积等因素，在满足便携式要求的基础上应优选考虑更高的探测效率。因此，本文的研制选择了效率更高的3英寸NaI(Tl)探测器。

1.2 便携式设计

本文研制的设备是用于核事故应急状态下的快速响应。应急状态下选取探测设备时，除了探测性能，还需考虑其可达性和机动性：探测设备需能够快速地被安装部署，且易于运输。考虑到甲状腺测量设备的使用要求，如必须配置支架等，本文对便携式性能指标进行了专门的考量和设计。本文研制的设备采用了探头、支撑杆和脚架分离的设计。探头由NaI探测器(包括晶体、PMT、底座式多道分析器)、屏蔽体和外壳构成。支撑杆采用多段碳纤维材质，可灵活调节高度。支撑杆顶端有一个可以调节水平角度和俯仰角度的云台，通过快拆实现与探头部分的快速拼装。脚架采用高强度铝合金材质，通过螺钉和支撑杆固定。设备拆开后，可放置于带缓冲垫的运输箱内。运输箱带有拖杆和滚轮，方便移动。

1.3 评价方法

得到测量结果后，需要利用活体测量数据和本底数据对感兴趣核素的滞留量、摄入量和待积当量剂量进行计算评价。摄入量计算模型和待积当量剂量评价模型主要参考ICRP 78号出版物以及《EJ/T 511—1991碘-131内照射剂量估算及评价方法》(下面简称EJ/T 511—1991)。EJ/T 511—1991中给出了单次食入、单次吸入AMAD为1 μm的¹³¹I摄入滞留函数。本文进一步完善了甲状腺内照射评价方法，计算不同条件下的摄入滞留函数^[12]。其中包括：1)考虑到对于公众、儿童和成人在评价方法上可能存在差异，给出不同人群甲状腺内照射的评价方法。从测量得到的滞留量评估待积有效剂量的方法用年龄区分。2)给出不同形态的¹³¹I在不同的摄入方式下的摄入滞留函数。¹³¹I和¹²⁵I存在单质碘、甲基碘、气溶胶碘等多种元素形态。不同的元素形态和摄入方式(食入、吸入)对应的滞留分数也不一样，但《EJ/T 511—1991》在此并没有给出完善的滞留分数参考，有必要进行区分。3)给出¹²⁵I内照射评价方法及其摄入滞留函数。考虑到事故条件下的源项，增加了¹²⁵I的活体测量和评价，包括其评价方法和摄入滞留函数。

评价主要针对四种情况，分别是工作人员的吸入、食入和公众的吸入、食入。摄入模式分为：急性、连续均匀、非均匀。每种情况对应的评价数据均不一样。滞留量到待积有效剂量的具体转换系数参考《EJ/T 511—1991》。

2 结果 2.1 设备性能

本文首先对研制的设备进行能量刻度和效率刻度，然后在不同环境下对其进行实地测试验证了其稳定性和可靠性。通过在室内进行多次测量得到设备的主要性能参数见表 2。

本文采用国家疾控中心提供的标准源溶液和刻度体模，在探测器端面和体模距离2 cm时，进行现场刻度，得到测量能谱见图 3。

根据测量结果计算，设备对¹³¹I和¹²⁵I源峰探测效率分别为4.5%和4.9%，与仿真结果(4.6%和5.1%，表 1)吻合较好。

2.2 探测下限

探测下限L_D是反映某种测量(包括仪器、方法、操作等)所能发现的最小期望放射性水平(可探测净计数)，也就是反映了一种测量的检测能力。探测下限的物理意义是指在样品中没有放射性被误判为有放射性的概率α(也称为犯第一类错误的概率)确定的前提下，有把握发现样品中存在的最小期望放射性水平，其把握程度为(1-β)。当α=β=0.05时，本底计数期望值未知情况下，可通过公式(1)估算最小可探测计数^[13]。

$L_{D}=2 \sqrt{2} \mu_{0.05} \sqrt{N_{b}}+\mu_{0.05}^{2}=4.65 \sqrt{N_{b}}+2.71 $

(1)

式中L_D表示的是最小探测计数，μ_0.05为高斯分布分位数，置信度为99.5%时μ_0.05=1.645，N_b为峰区的本底总计数。

由公式(1)可知，确定了感兴趣核素的峰区范围后，通过统计本底在对应峰区的计数率就能求出对应的探测下限。本文在广州地区，按照没有屏蔽体、5 mm铅屏蔽和10 mm铅屏蔽三种条件，测量了环境中的本底数据，得到¹³¹I峰区范围内的本底计数并计算得到探测下限见表 3。

由测量结果对比可知，增加屏蔽后，本底计数率下降，探测下限降低。使用10 mm的铅屏蔽体，在测量时间为2 min时探测下限可达到小于20 Bq。如果需要进一步降低探测下限，可以考虑优化屏蔽设计、增加测量时间，以及减小探测器和被测人员的距离。本文研制的设备最后通过设计屏蔽环(10 mmPb+2 mm Cu+1 mm聚四氟乙烯)，实现了在广州的探测下限小于15 Bq。

3 讨论

目前甲状腺监测设备的研究工作^[4-6]，主要侧重对甲状腺监测设备的研制，尤其是医院内甲状腺功能测定的设备，缺少对甲状腺监测和剂量评价一体化的剂量率仪，特别是适合核应急工作的便携式剂量率仪。为满足应急响应监测工作的需要，本文研制设备的监测对象包括了¹³¹I、¹²⁵I等。本文通过蒙特卡洛方法模拟计算得到不同尺寸的NaI(Tl)晶体的探测效率，并据此结果选用了大尺寸的探测晶体以满足高探测效率的要求。同时监测甲状腺¹³¹I、¹²⁵I的滞留量可得到更准确的甲状腺剂量评估结果。另外，本文在现有方法的基础上，对甲状腺的剂量评估系统做了进一步完善，根据不同条件(包括年龄、人群、摄入方式、元素形态)计算了摄入滞留函数，从而得到更准确的甲状腺剂量评估结果。

本文研制的甲状腺监测仪在晶体选择、便携式设计、评估方法上都充分考虑了应急状态的实际功能需求，实现了人机界面友好、操作简单、快速响应时拆装迅速、测量稳定可靠。该设备可应用于核事故现场处置时，卫生应急队伍对受影响人群的甲状腺内照射进行快速筛查和评估；还可应用于核医学医护人员或放射性工作人员的日常内照射监测。实际应用中，该设备得到了一些针对应急情况的设计改进意见，比如支架设计的稳定性问题、设备防沾污设计、移动电源配置等。此外，探测器本底噪声抑制、评价方法改进等都还需在后续开展进一步的工作。