在公共卫生事件、核电站事故应急、核恐怖袭击、边境核事件等核辐射突发事件发生后，产生的残留放射性核素以气溶胶的形式经呼吸系统进入体内，使大批量人群受到内照射，严重危害公众健康。因此，研究大批量人群体内辐射污染快速检测仪对保障公众核安全、应对核突发事故具有重大意义^[1-4]。

α核素和γ核素是主要内污染核辐射体，通常采用活体测量和排泄物测量两种方式实现剂量检测^[1]。国外的部分研究机构和学者对内污染检测技术已开展了相关研究，并取得一定成果。例如，Suzuki等^[5]研究了由10个不同类型的HPGe探测器组成的带有自动电冷却系统的全身计数器；Pelled等^[6]通过增加半平面型HPGe探测器数量提高沉积于肺部的放射性核素最低可探测活度；Anigstein等^[7]采用γ相机对肺部内污染放射性核素活度进行度量并获取了特定放射性核素的校准因子。为适应我国的实际情况和应对核突发事件，对沉积在人体呼吸系统的放射性核素进行综合评测和快速筛查，结合国家科技部重大科学仪器设备开发专项要求，研制了大批量人群核辐射体内污染快速检测一体机。

大批量人群核辐射体内污染快速检测仪用于测量鼻腔和肺内的放射性沉积物，由α放射性内污染鼻拭子检测子系统（以下简称α检测子系统）、肺部γ放射性内污染检测子系统（以下简称γ检测子系统）和上位机三部分组成。

空气中气溶胶粒子通过呼吸系统时，会在鼻腔内形成α核素沉积物。α检测子系统正是将处理后的受检者鼻拭子棉签样品，放入采用离子注入表面钝化硅半导体(Planar Implanted Passivated Silicon, PIPS)探测器的真空测量室中进行测量；探测器输出信号经过调理与放大后，进入数字化多道脉冲处理，最后将处理后的数据送入上位机进行谱线分析与显示。

对于双肺内的放射性沉积物，通过γ探测对体内的放射性核素进行评估。γ检测子系统选用两个NaI (Tl)探测器，以合适的探测距离，分别对受检者的左右肺进行现场γ放射性内污染测量，探测器输出信号经高速模数转换(Analog-to-digital Converter, ADC)后，送入现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)中运用数字化核能谱技术进行处理，处理后的数据经通用串行总线(Universal Serial Bus, USB)送入上位机分析处理。

上位机软件从下位机获取测量数据，完成能量刻度、谱数据分析与处理，实现图像信息采集、测量数据存储显示、数据报表等功能。

大批量人群核辐射体内污染快速检测仪如图 1所示。设备选用了带触摸屏的显示器，体积为400mm×300 mm×800 mm，正前方偏上处装有把手，底座上装有4个可锁定的万向轮。α探测子系统安装在机身正中；γ探测器外壳为2 cm厚的铅屏蔽罩，以降低测量本底，γ探测器固定在支架托盘上，支架托盘可根据受检者的体形通过电控系统上下左右调整。

图 1

图 1 一体机实物图 Figure 1 Photograph of integrated machine.

α检测子系统由真空测量室、鼻拭子样品支架、PIPS探测器、前置放大器、信号调理电路、多道脉冲幅度分析器(Multichannel Pulse Amplitude, MCA)、控制器组成^[8]，图 2为系统框图。

图 2

图 2 α检测子系统框图 Figure 2 Block diagram of α detection subsystem.

真空测量室（图 2）呈长方体结构，采用不锈钢材质，鼻拭子支架（图 3）安装于测量室正中，将测量室分为左右两个子测量室，鼻拭子支架上有开窗，使两个子测量室相互连通。在每个子测量室内，靠近鼻拭子样品两侧各装一个PIPS探测器，实现对样品的全方位测量，每个探测器连接一组能谱处理电路。

图 3

图 3 鼻拭子支架 Figure 3 Schematic plan of nose swab trestle.

PIPS探测器输出信号的幅度与入射α射线能量成正比，由于信号极其微弱，需采用模拟放大电路对其进行调理，完成信号的成形、放大、滤波等处理，然后送入后级的多道分析模块。

如图 4所示，MCA由甄别电路、门控电路和微控制器(Micro Control Unit, MCU)三部分组成。甄别电路用以获取脉冲过峰信号；门控电路根据过峰信号触发ADC转换，记录脉冲幅度；MCU选用集成了2×10⁵s^-1、10位逐次逼近型ADC的C8051F340单片机实现幅度分析，并通过串口与上位机进行了通信。

图 4

图 4 多道脉冲幅度分析器原理框图 Figure 4 Block diagram of MCA.

γ检测子系统由探测单元、信号调理电路、高速ADC转换、FPGA数字脉冲处理单元、控制器等组成，系统框图如图 5所示。

图 5

图 5 γ检测子系统框图 Figure 5 Block diagram of γ detection subsystem.

系统采用⌀7.62 cm×7.62 cm NaI (Tl)探测器，经前置放大器输出的脉冲信号宽度约为2 μs。为得到适合ADC采样的核信号，需通过信号调理电路对该信号的相位、极零点、幅值等参数进行调理。信号调理电路采用三级线性放大电路设计，第一级反向放大，第二级为数字偏置设置的反向放大，第三级反向程控放大。信号调理前后的实测核脉冲信号如图 6所示。

图 6

图 6 信号调理前后的核信号 Figure 6 Nuclear impulse signal before and after signal conditioning.

为减少外界干扰和噪声影响，将调理后的信号经高速ADC转换为数字信号，然后送入FPGA进行后续处理。ADC芯片选用2×10⁷s^-1 10位高速流水线型数模转换器ADC9204，实现对调理后信号的快速数字采样。FPGA选用Xilinx的XC3S500E，实现数据采集控制、数字滤波、脉冲成形、幅值提取、数据存储、数据传输等功能；MCU选用片上集成了USB协议的STM32F103处理器；FPGA的工作时钟由外部48 MHz晶振提供，采用锁相回路(Phase Locked Loop, PLL)为高速ADC芯片和STM32F103提供20 MHz与8 MHz的时钟。FPGA通过SPI (Serial Peripheral Interface)与MCU进行9MHz的通信，MCU对数字偏置和程控增益进行控制；上位机与γ测量子系统通过USB通信，实现数据与控制命令传输^[9-10]。

上位机软件在Visual C++ 6.0平台上开发，主要包括信息采集、数据传输、文件操作、谱图处理、能量刻度、参数设置、系统报表等功能。信息采集部分用于采集受检者的姓名、性别、身高、体重照片等信息；数据传输部分采用串口和USB接口，实现对下位机的命令传送与测量数据采集；参数设置部分用于设置α和γ探头的通讯接口、放大倍数、偏置电压、测量时间等参数。

软件采用窗口拆分技术实现α、γ谱线的显示，显示分区见图 7，谱线与测量数据分为7个显示区，两条γ谱线（分别对应左右肺探头）在Ⅰ和Ⅱ区显示，两条α谱线在Ⅲ和Ⅳ区显示；第Ⅴ区显示核素的计数率和计算得到的γ总辐射剂量（放射性活度）；Ⅵ区为历史测量记录区，方便用户查看；Ⅶ区位于状态栏，可显示测量时间、道址、能量、计数等数据，通过在谱线区域移动光标，可在状态栏中查看道址对应的能量和计数值。

图 7

图 7 上位机软件界面 Figure 7 User interface of host computer software.

为了减小环境本底对测量数据的影响，测量应在屏蔽室内进行；由于没有屏蔽室，测量时将本设备置于本底辐射水平小于0.1 μGy·h^-1环境中代替。对鼻拭子的α核素放射性测量在真空测量室(60kPa)内进行，减小α射线的损失。在进行性能测试前，需对α和γ检测子系统进行环境本底测量，用于自动本底扣除。各项测试均在温度为25 ℃实验室内进行，单次测量时间为300 s。

分别采用²³⁹Pu和¹³⁷Cs源进行连续24 h稳定性测试，共得到288组数据，α和γ计数率统计分析结果如图 8所示。α测量结果平均值μ=42.55，标准差σ=0.21，落在μ±σ范围数据为69.10%，μ±2σ为95.83%，μ±3σ为100%；γ测量结果μ=694.08，σ=1.51，落在μ±σ范围数据为68.75%，μ±2σ为95.83%，μ±3σ为100%。

图 8

图 8 α (a)和γ (b)检测子系统计数率分布 Figure 8 Counting rate distributions of the α (a) and γ (b) detection subsystem.

能量分辨率采用全能峰处的半高宽(Full width at half maximum, FWHM)与峰位能量的比值来表征。实际测量时常用全能峰最大高度一半处所对应的道数宽度（即相对半高宽）与峰顶处所在道址的比值来表征。

式中：E_L和E_R分别表示全能峰的左右边界；E_O为峰位处能量或其所在道址。

利用²³⁹Pu源对α检测子系统进行能量分辨率测试，测量结果图 9所示。特征峰5156 keV处对应的道址为661，即E_O=661、E_R=674、E_L=634，计算得到能量分辨率为6.1%。

图 9

图 9 239Pu谱图 Figure 9 Spectrum of 239Pu.

γ检测子系统选用¹³⁷Cs、⁶⁰Co源进行测试，测量结果如图 10所示。特征峰661 keV、1 173 keV、1132 keV可被明显识别。将661 keV全能峰峰位和左右边界对应道址代入式(1)，计算得到左右肺对应探测器对特征峰的能量分辨率分别为6.90%、6.89%，与NaI探测器的标称值相符。

图 10

图 10 60Co和137Cs混合γ谱 Figure 10 γ spectra of 60Co and 137Cs.

最低可探测活度A_{m, d} (Minimum Detective Activity, MDA)是探测系统的重要指标之一，王磊^[11]在本项目的前期工作中，已经对本设备所用的⌀7.62cm×7.62cm NaI (Tl)探测器进行了最小可探测活度研究，计算公式如下：

式中：B为感兴趣区(Region of Interest, ROI)的本底计数率，s^-1；ε为探测效率；t_C为测量时间，s；P_γ为能量分支比。

在测量时间为300 s、探测器距胸壁1 cm条件下，通过式(2)计算可得A_{m, d}=2.59×10² Bq (¹³⁷Cs@662 keV)。满足仪器设计指标中内污染活度检测限在1 mSv剂量处对应的检测活度要求。

测量方法：调整左右γ探头分别位于距离受检者胸部正前方1 cm处，用两条鼻拭子分别取左右鼻腔分泌物，置于真空条件下的α测量室内测量。抽取30名受检者进行现场实验。图 11为1号受检者肺部和环境本底的γ放射性测量能谱。由图 11可以看出，两条谱线基本一致，未见异常能量峰，说明该测量对象未受到γ辐射体内污染。因第Ⅴ显示区（图 7）中的测量数据已经扣除了本底，所有受检者对γ核素的计数率和活度为零。在α核素测量数据中，每名成员的总计数均小于10，未发现α辐射体。综合分析所有测量数据和谱线，30名受检者均未受到内照射。

图 11

图 11 1号受检者肺部(a)和环境本底(b)的γ测量谱线 Figure 11 γ spectrum of person's lungs (a) and environmental background (b).

本文设计的大批量人群核辐射体内污染快速检测仪，采用数字化核信号处理技术，同时将α与γ核素的测量集成到同一台设备中。测试结果表明，仪器对²³⁹Pu（α核素）的能量分辨率为6.1%，对¹³⁷Cs（γ核素）的能量分辨率为6.9%，A_{m, d}为2.59×10²Bq (¹³⁷Cs@662 keV)，性能指标达到设计要求。结合合作研究单位建立的参考人体模型、数据库，可在各类核突发事件中对人群进行速率大于等于每小时10人次的快速筛查，实现对受检者的内污染伤情快速分类，为后续诊断提供可靠依据。