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    2022年 第35卷 第4期    刊出日期:2022-08-20
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    核探测技术专栏
    脑专用PET显像探测器自由结构符合与初步实验测试
    文婧, 李英帼, 黄川, 张庆华, 裴昌旭, 何丽霞, 尹永智
    2022, 35(4):  233-241.  DOI: 10.7538/tws.2022.35.04.0233
    摘要 ( )   PDF (4698KB) ( )  
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    采用脑PET进行人脑功能的研究对生物医学起到至关重要的作用,为了显著提高脑PET显像质量,增加探测效率、实时显示图像,本文设计一种脑专用PET显像大面积平板型探测系统,该探测系统由两个大面积探头组成,每个大面积探头包含3×3阵列的位置灵敏光电倍增管和多个紧密排布的硅酸钇镥闪烁晶体(Ce:LYSO)阵列。并利用1 μCi的22Na点源对晶格大小为0.7 mm×0.7 mm等六种LYSO晶体阵列进行晶体性能测试,并选用两块晶格大小为1.5 mm×1.5 mm的LYSO晶体阵列进行一对一符合探测初步断层显像。结果显示,各种晶格大小的LYSO晶体阵列的位置区分轮廓的半高宽平均值在0.38~0.49 mm之间,平均能量分辨率(半高宽)在17.61%~30.40%之间;在对22Na点源的初步图像断层扫描实验测试中,通过滤波反投影算法获得重建图像的空间分辨率为1.5 mm,验证了大面积平板型探测系统的可行性。
    基于三维正交条形碲锌镉探测器的DOI-PET显像研究
    李英帼, 崔振存, 郭典, 刘美楼, 文婧, 张庆华, 裴昌旭, 黄川, 尹永智, 李公平
    2022, 35(4):  242-247.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.084
    摘要 ( )   PDF (2965KB) ( )  
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    为对511 keV伽马光子进行三维定位,提高PET显像性能,研制一种尺寸为16.4 mm×16.4 mm×5 mm正交条形碲锌镉(CZT)探测器,并测试其PET显像性能。在32个电极读出后均采用电荷灵敏前置放大器和滤波放大模块,输入高速模数转换器对数据进行采样,得到探测器中信号的全脉冲形状,并利用模拟数字转换器(ADC)内置可编程门列阵(FPGA)对信号进行在线处理,对信号完成寻峰、滤波等数字化处理。结果表明,该碲锌镉探测器对511 keV伽玛光子的能量分辨率为6.35%,通过对碲锌镉探测器的电极结构分析得出了一套伽马光子相互作用的三维位置坐标计算公式,可以达到亚毫米位置分辨率,实现了碲锌镉探测器三维显像功能。
    基于康普顿成像系统的碳离子治疗剂量监测研究
    黄川, 文婧, 裴昌旭, 张庆华, 李英帼, 徐治国, 尹永智, 彭海波
    2022, 35(4):  248-256.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.081
    摘要 ( )   PDF (9935KB) ( )  
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    为实现碳离子治疗的精准放疗,精确监测患者体内的三维剂量分布,本文设计一种双层康普顿成像系统和简单反投影算法,利用Geant4仿真软件优化探测系统的结构,评估探测系统的探测效率、成像性能,分析200 MeV/μ的碳离子束轰击有机玻璃(PMMA)靶的三维剂量分布。此外,还使用四对像素1.5 mm×1.5 mm×10.0 mm、12×12阵列型的硅酸钇镥(LYSO)晶体对直径约为3 mm的22Na点源进行康普顿成像实验,并对影响三维剂量监测精度因素进行分析。结果表明,对于0.847 MeV的γ点源,重建图像在横截面上半高宽(FWHM)增加至2.38 mm、冠状面上扩展至7.02 mm。康普顿成像系统通过探测碳离子束轰击PMMA靶产生的4.439 MeV瞬发γ射线,重建的三维剂量分布与真实三维剂量分布偏差为9.3%。利用LYSO康普顿成像系统样机的22Na点源成像实验,得到半高宽为4.05 mm的重建图像,验证了康普顿成像方法的实用性。
    自由结构PET在束监测碳离子治疗剂量成像过程研究
    裴昌旭, 文婧, 刘美楼, 郭典, 张庆华, 黄川, 李英帼, 尹永智, 陈熙萌
    2022, 35(4):  257-265.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.085
    摘要 ( )   PDF (8309KB) ( )  
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    In-beam PET 成像为碳离子、质子等粒子放射治疗提供了一种非侵入式的实时剂量监测方法。本文设计自由结构的in-beam PET模型,包括环形、C型、双平板型和直角型PET,并在蒙特卡罗模拟平台GATE上仿真碳离子打靶的in-beam PET成像过程。该PET包含32个探测模块,通过自由组合的方式形成探测视野相近、适用于人体或小动物体不同部位的碳离子治疗剂量成像。每个探测模块由20×20的硅酸钇镥晶体阵列耦合硅光电倍增管构成。单个晶体大小为1.5 mm×1.5 mm×10 mm,像素为1.6 mm。在蒙特卡罗模拟平台GATE中仿真230 MeV/u的碳离子笔形束轰击聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)靶体和在束PET成像过程,得到正电子核素分布后通过MLEM算法得到PET断层图像。结果显示,图像峰位的变化反映了正电子活度峰位的移动,表明自由结构PET可用于在束监测碳离子治疗剂量分布。使用八探头平板型在束PET成像实验和仿真进行对比,其图像一维谱峰值均为27 mm,验证了自由结构PET模型用于在束监测碳离子治疗剂量成像可行。
    医用同位素微量热计性能研究
    罗老永, 漆明森, 张劲松, 杨杰, 许荩
    2022, 35(4):  266-273.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.111
    摘要 ( )   PDF (2627KB) ( )  
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    为实现医用同位素核纯度和放射性活度的准确测量,本工作根据量热法测量原理设计一套微量热装置,包括量热系统、温控系统以及测控软件,并对装置的性能进行测试和实验验证。结果表明,同位素量热计的基线电势稳定,复现性良好。最低探测限可至3.1 μW,能够实现医用同位素放射性活度测量的全覆盖。在10 μW~1 mW的测量范围内,当输入热功率<100 μW时,单次测量结果与输入热功率标准值之间的最大偏差<1.5%;当输入功率>100 μW时,测量结果和输入热功率偏差<0.5%。利用该装置成功实现了医用同位素14C样品的活度测量,测量结果与标准值在不确定度范围内相吻合,不产生放射性废物和化学废物,不破坏样品,操作简单方便。后期可通过研究测量预热和保温装置,进一步提高装置的适应能力和探测下限。
    γ全吸收型探测装置探测效率的实验与模拟
    栾广源, 任杰, 张奇玮, 阮锡超, 贺国珠, 程品晶, 郭明伟
    2022, 35(4):  273-280.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.064
    摘要 ( )   PDF (5964KB) ( )  
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    为精确测量keV能区中子俘获反应截面,中国原子能科学研究院核数据重点实验室基于中国散裂中子源反角白光中子源建成了国内首套γ全吸收型BaF2探测装置。为获得重要的实验参数装置对γ射线的探测效率曲线,对单个BaF2探测器模块能谱的测量数据与模拟结果进行比较。结果表明,测量137Cs和60Co源得到的实验结果与MCNP和GEANT4的模拟结果吻合较好,验证了模拟计算得到的探测效率曲线的可靠性,可用于中子俘获反应截面的在线测量。
    用于CSNS反角白光中子源的双屏栅电离室设计及性能研究
    何逾洋, 刘蕴韬, 刘毅娜, 王志强, 李春娟, 夏莉, 骆海龙
    2022, 35(4):  281-288.  DOI: 10.7538/tws.2022.youxian.013
    摘要 ( )   PDF (5762KB) ( )  
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    为测量中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)反角白光中子源150 keV以下能区飞行时间法中子能谱,研制基于10B(n, α)7Li和6Li(n, t)α核反应的双屏栅电离室,采用薄窗和薄底衬的结构设计。通过Garfield++、SRIM和Simcenter Magnet Electric程序对屏栅电离室的工作气体、极间距和电场分布等工作参数进行模拟设计,并采用α源及CF4、P10、90%Ar-10%CO2三种气体对电离室进行性能参数测试。结果表明,选定电子漂移速度快、扩散系数小,以及阻止本领大的CF4作为CSNS/Back-n束上测试工作气体,阴极-栅极和栅极-阳极间距分别为20 mm和5 mm。屏栅电离室收集区74 mm范围内是电场均匀区,场强的相对偏差≤0.03%;性能测试结果表明,工作气体为CF4时,电离室对239Pu/241Am/244Cm混合α面源具有很好的能量分辨,最佳能量分辨率为2.4%@5.48 MeV。对比平板型电离室和硅微条探测器的测量结果,验证了本工作研制的屏栅型电离室的能量分辨优势。
    一种用于Hp(3)测量的电离室性能评价
    张璇, 李德红, 张健, 郝艳梅, 赵瑞, 范富有
    2022, 35(4):  289-296.  DOI: 10.7538/tws.2022.35.04.0241
    摘要 ( )   PDF (2200KB) ( )  
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    人眼晶体易受辐照损伤,为直接测量人眼晶体的个人剂量当量Hp(3),通过自研的一种人体头颅模型,在眼球部位嵌入球形电离室,开展辐射环境中Hp(3)的准确性评价。首先在GB/T 12162.1标准中规定的S-Cs辐射质条件下对该仪器进行校准,再利用该校准因子在不同能量和入射角条件下测量,获得相应的能量和入射角修正因子k(E,α),同时对其本底电流和极化效应进行测量,最后探讨该电离室测量值准确性的影响因素。结果表明,Hp(3)电离室的校准因子NH=1.19 μSv/pC;在未进行能量和入射角修正情况下,测得其在33 keV~1.25 MeV能量范围内响应相对误差为-0.9%~12.6%,-60°~60°入射角范围内的响应相对误差为-7.9%~0%。通过不确定度评定,得到其校准因子的相对扩展不确定度为5.6%(k=2);能量和入射角已知、未知时,Hp(3)测量值的相对扩展不确定度分别为9.4%(k=2)和18%(k=2)。对于能量和入射角未知情况下的辐射场,在不确定度范围内可直接利用该电离室测量得到辐射场的Hp(3)。本研究可为眼晶体个人剂量当量的准确测量提供参考。
    能谱-剂量转换法用于环境辐射剂量测量
    曹蕾, 李德红, 杨扬, 黄建微, 张晓乐, 张璇, 成建波
    2022, 35(4):  297-303.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.094
    摘要 ( )   PDF (3609KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为准确测量环境水平剂量率,基于无卷积全谱转换法,通过测量X/γ能谱和剂量率,开展能谱-剂量转换系数求解并实现能谱-剂量的转换。结果表明,能谱-剂量法计算剂量率与实测剂量率的残差近似为0,证明该方法在能谱-剂量求解过程自洽;在137Cs、60Co标准参考辐射场下的剂量率线性测试结果与标准值的最大相对误差为±10%,表明无卷积全谱转换法用于能谱-剂量转换系数的求解可行。
    基于G(E)函数法的就地NaI谱仪剂量率测量
    陆建峰, 李斌, 黄凌欣, 甄赐达, 方剑青
    2022, 35(4):  304-310.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.077
    摘要 ( )   PDF (907KB) ( )  
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    在核应急监测中常用NaI谱仪实现剂量率的监测和γ放射性核素识别。本研究利用G(E)函数法对一款3″×3″的NaI谱仪进行能谱-剂量直接转换的刻度。利用152Eu、133Ba、241Am、137Cs、60Co标准点源获得不同能量下的标准能谱数据,并采用Geant4程序计算其他能量下的能谱数据,实现能谱信息与空气吸收剂量率的转换。结果表明,在一定的剂量率范围内,采用G(E)函数法实现能谱信息与剂量率的转换结果可以接受,满足应急监测要求。
    15 keV~1.5 MeV单能光子及窄谱系列H*(10)/Kα转换系数的蒙特卡罗模拟
    徐阳, 高飞, 赵瑞, 林敏, 倪宁, 韦凯迪
    2022, 35(4):  311-316.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.093
    摘要 ( )   PDF (1640KB) ( )  
    参考文献 | 相关文章 | 计量指标
    为克服由于不同标准实验室内X、γ射线照射装置所用X射线管型号及整体结构不相同,导致转换系数产生一定偏差的问题,本研究采用MCNP5程序建立照射装置模型,计算15 keV~1.5 MeV单能光子及N-40~N-200窄谱系列对应的H*(10)/Kα转换系数;利用自主研制的H*(10)次级标准电离室测量辐射场参考点处周围剂量当量率并作为参考值,与转换系数法进行对比以验证转换系数法计算结果的正确性。结果表明,蒙特卡罗模拟转换系数与ISO 4037-3推荐值的相对偏差在±4%以内,转换系数法与次级标准电离室法测量结果的相对偏差在3%以内,证明利用蒙特卡罗方法计算H*(10)/Kα转换系数可行,对于“非匹配参考辐射场”,可使用此方法进行周围剂量当量定值。
    量程至MGy的石英剂量计性能研究
    陈义珍, 崔莹, 张卫东, 罗瑞, 林敏, 夏文, 陈克胜
    2022, 35(4):  317-323.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.066
    摘要 ( )   PDF (663KB) ( )  
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    为建立剂量可至MGy超高剂量范围的新型剂量计,本研究以石英为敏感材料,利用电子自旋共振(ESR)方法测量样品经γ射线或电子束辐照后产生的信号强度,开展石英种类选择、辐照后的线性、稳定性研究。结果表明,高纯石英适合作为超高剂量范畴的工作剂量计原材料。石英样品辐照后经15 min、300 ℃的热处理,信号强度在一年内能保持较好的稳定性,变化<3% ,且其吸收剂量与石英E′信号强度在10~103 kGy剂量范围内成一定的函数关系,两者之间的拟合系数>0.99,相比于未经热处理的高纯石英样品,稳定性及拟合函数R2均得到明显提升。以上结果表明,石英剂量计适合作为超高剂量范畴的工作剂量计。
    放射性同位素及应用技术
    模拟吸附放射性同位素137Cs和90Sr的Cd-MOFs材料合成及评价
    洪业, 张华, 王浩
    2022, 35(4):  324-333.  DOI: 10.7538/tws.2022.35.04.0324
    摘要 ( )   PDF (4292KB) ( )  
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    为吸附后处理产生的高放废液玻璃固化过程中大量的放射性同位素90Sr和137Cs,采用溶剂热法合成阴离子型金属有机骨架[DMA]2[Cd3(FDC)4]·2H2O,并评价其对锶、铯离子的吸附能力。采用粉末X-射线衍射、傅里叶红外和热重等方法确认Cd-MOFs的结构。扫描电子显微镜结果显示,在吸附Cs和Sr元素后,Cd-MOFs形貌没有发生明显变化。同时荧光发射光谱证实,Cd-MOFs吸附铕离子后,能够很好敏化铕离子,使材料发射出红色荧光。对锶、铯离子吸附实验结果显示,对锶、铯离子在前50 min即可完成超过50%的吸附,对铯离子的最大吸附量为63.94 mg/g,对锶离子的最大吸附量为53.06 mg/g。通过吸附动力学研究发现,Cd-MOFs对Cs和Sr离子的吸附均符合准二级动力学模型,证明对Cs和Sr离子的速率决策步为化学吸附。推测水合离子半径、有机骨架螺旋链间螺距等因素均对吸附效果有影响。
    锝[99mTc]亚甲基二膦酸盐注射液细菌内毒素定量检测
    冀红, 杨旭
    2022, 35(4):  334-340.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.088
    摘要 ( )   PDF (1476KB) ( )  
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    为使用FC/ET型酶标分析仪对锝[99mTc]亚甲基二膦酸盐注射液(99mTc-MDP)的细菌内毒素含量进行定量检测,建立99mTc-MDP的光度动态显色方法,本研究对不同衰变时间细菌内毒素检测结果的影响进行分析,对不同浓度的99mTc-MDP供试品溶液进行细菌内毒素与鲎试剂之间光度反应的干扰实验。结果显示,供试品溶液稀释30倍后对光度法反应无干扰,细菌内毒素含量<0.600 EU/mL,符合2020版《中国药典》规定内毒素的含量<15 EU/mL;不同活度的99mTc-MDP与衰变后溶液的细菌内毒素检测结果无变化。建立的99mTc-MDP细菌内毒素定量检测法操作简单、重复性好、方法可靠,可用于99mTc-MDP注射液的细菌内毒素定量检查。
    串联式放射性废水衰变池优化设计
    刘颖, 苏晓书, 冀东, 乔宇洁
    2022, 35(4):  341-347.  DOI: 10.7538/tws.2020.youxian.083
    摘要 ( )   PDF (6271KB) ( )  
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    为解决某医院核医学科放射性废水串联式衰变池结构不合理、死水区较大、不能使放射性核素有效停留衰变而导致放射性废水不能达标排放的问题,开展串联式衰变池的研究。利用三维流体模拟软件对串联式衰变池内部的水体流动规律、131I核素浓度分布、死水区体积等进行模拟研究,提出一种优化的串联式衰变池结构型式。结果表明,通过对串联式衰变池采取对角排水、增加折流板和折流板开孔、池底设置不同角度的倒角等结构优化措施,可使串联式衰变池排放口的放射性废水活度浓度低于10 Bq/L,最终实现达标排放。本研究结果可为后续放射性废水的处理提供参考。
    稳定同位素及应用技术
    以二氧化碳为介质扩散分离碳同位素的可行性研究
    李俊杰, 潘建雄, 周明胜, 姜东君
    2022, 35(4):  348-355.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.043
    摘要 ( )   PDF (855KB) ( )  
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    为进一步提高气体扩散法分离13C同位素的效率,在前期初步实验的基础上,开展单级扩散分离参数优化实验研究,并进行高丰度13C同位素制备的级联方案初步设计。在相对优化的实验参数条件下,气体扩散分离二氧化碳的基本全分离系数可以达到1.01以上。对单级分离实验数据进行计算,初步拟合出供料流量与膜前后压强的函数关系。采用多元分离理论对扩散分离二氧化碳进行级联分析计算,以天然二氧化碳为原料,可通过两次级联分离获得高丰度13C同位素。第一次阶梯级联分离的重馏分13C同位素丰度大于42%,并将其作为第二次阶梯级联分离的供料,第二次阶梯级联分离的轻馏分13C同位素丰度大于90%。
    分离设备清理的优化方法
    杨坤
    2022, 35(4):  356-360.  DOI: 10.7538/tws.2021.youxian.091
    摘要 ( )   PDF (1720KB) ( )  
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    分离设备在运行过程中会持续产生少量固体沉积物,需要定期清理。目前常规的清理方法是采用区段单级清理模式,将多个分离设备并联。针对该方法原料用量大、总用时长的缺点,本文提出级联模式清理方法,并通过计算进行单级清理与级联清理方法优化比较。以10级的级联清理为例,优化结果表明,相比常规清理方法,原料使用量节省75.9%,清洗时间节省89.3%。因此,采用级联模式清理可以大幅减少原料使用量,有效缩短清理总时长,显著优于单级模式清理。