神奇的白色小药片:热释光剂量仪拆解参观
虎哥2024/07/29原创 核技术与核仪器拆机鉴赏 IP:北京

下面两种情况,使用常见的电子剂量仪较为困难。

(1)短促脉冲辐射。例如医用X光摄影,安检机,或者科学实验中出现的脉冲辐射。测这种辐射需要仪器有极快的响应和极大的量程。除非特殊设计,盖革计数器、闪烁计数器、半导体探测器等都无能为力。某些宽度为微秒或更短的辐射,即使强到致命,也只会在仪器上产生一次计数。

(2)需要监测的点位或者人数太多,用电子辐射计成本太高或不易管理。

胶片、核乳胶、热释光、热释电、光释光等“终极大法”,更适合这些场景,对脉冲辐射尤其有效。其中,以热释光最为简单方便,应用最广。

下图是热释光“剂量计”,其实是“无源传感器”。它的尺寸只有硬币大小,体积最大的部分是夹子。

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把片匣从夹子中取出。

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片匣中有一个塑料支架,这个白色小药片,就是热释光敏感元件,也是整个“传感器”的有效部分。

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然后,就没有然后了,这个剂量计并没有显示屏。

上面这一套(一种颜色),价格大约20元。热释光片常见的型号(对γ敏感)价格6.8元一片。一个夹子里面最多可以放4片,通常放两片。热释光药片有许多不同的种类,具有不同的用途和灵敏度。记录中子的药片最贵,需要同时用两片,一片含有6Li用于检测,一片含有7Li用于扣除非中子,一套大约300多元。这些剂量片都怕水,如果需要防水,可以用玻璃管封装的,价格贵一些。至于为什么是这个价格,可能是因为江湖规矩吧。

按照我国法规的规定,对于职业剂量监测而言,剂量的读出需要找卫生部门指定的剂量监测技术服务机构,也就是说必须由第三方机构监测。这个的业务模式是一家“第三方”机构同时帮许多家客户管理员工的剂量,按人数收费每年每人两百元左右。一般每1~3个月将剂量计送去检测机构一次,可以准备两个剂量计交替使用。当然,自己买设备来研究是可以的,只是国家不认可。

读取装置的原理,简单说来是在暗室中用电炉丝或者别的什么方法加热热释光剂量计的药片,加热后药片发光,用光电倍增管对发出的光子进行计数,根据计数换算剂量。根据药片种类不同,有的可以读取完成后继续升温退火(只需要很短时间);有的药片不耐热,只能在读取温度下用更长的时间来退火,会占用仪器,因此通常是将药片取出,放在专门的退火炉中保温退火。退火相当于清除药片中残存的能量,药片即可重复使用。

下图是一种读出装置,大约是2012年生产的。近年的新仪器有外观和交互方面的改进,但内核万年不变。

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装置具有一个安放药片的抽屉,抽屉中有加热装置和测温装置(未拆,仅为猜测)。将抽屉推入后,药片对准光电倍增管,在药片和光电倍增管之间有一个滤光片,可能是为了滤掉加热产生的红外辐射。

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拆开内部防护罩,可以看到加热用的电源

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上面这些就是关键硬件了,其余图片是辅助电路。采集卡和控制盒看起来比较脆弱,为避免损坏就没有拆开,其实原理不会比闪烁探测器复杂。

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把装置翻转,可以看到底部还有一些电源模块

20240726_231247.jpg

装置本质上只能数药片发出的光子数,如果要得到剂量,需要进行标定。从理论上讲,标定是很复杂的,需要测试若干吸收了不同剂量的药片,然后拟合一条曲线。由于药片对不同能量的响应可能不同,说起来还应该让药片分次吸收不同能量的射线,做多条曲线,评估能量响应,或者在实测时根据射线能量不同而选取不同的曲线。

但这台装置似乎没有这么复杂,它只能进行两点校准,一个点是本底,也就是把刚刚退火的药片放进去测一次,记录一个计数量,以后测试时都减去这个数。然后,把吸收了已知剂量的药片放进去测,得到另一个计数。用已知剂量除以计数,就得到每个计数代表的剂量。

我用的办法是用经过校准的电子剂量仪去测负离子粉,测的时候用支架固定好位置,调整距离负离子粉的远近,使读数为5μSv/h。然后,把药片放在与电子剂量仪敏感体积相当的位置,经过20个小时。把经过上述“特殊处理”的药片放进读出装置,输入已知剂量(100μSv),让装置自动标定。

当然,由于手持电子剂量仪的准确度等级往往比热释光低,所以这种标定并不严谨,只是把电子剂量仪的准确度传递给了读取装置。一般来说需要用高压电离室这样的物理基准来标定X光机,再用X光机来传递量值,不过我这里没有这个条件。

下图是读出装置的测量界面

20240726_125149.jpg

下面是标定之后,测试另一个经过“特殊处理”的剂量片的情况,跟计算的有一定差异,但不算离谱。

20240726_131402.mp4 点击下载

测试完成后,必须对药片进行退火处理,否则即使立即再测一次,也还能读到很大的残余剂量。这种最普通的药片需要在240℃下退火10分钟,需要用到退火炉。

长下面这样:

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把药片洒在上面

20240727_010033.jpg 20240727_010023.jpg

其实就算完全退火,再拿去读,每个药片的计数也不同,会有几到几十的差别。如果用其中一个作为本底样本,其余的就可能多扣或少扣。

可见热释光不适合小剂量的测量,比如在低于几μSv的剂量下,误差可能很大。一般来说从10μSv起步比较好。

热释光剂量计可以测定巨大的剂量,通常达10Sv。选用特制的药片,调低读取装置灵敏度,可达500Gy,且与辐射的时域波形无关。热释光剂量计是科研和试验的好帮手,并不一定都用于个人剂量监测。由于它只能测量积累剂量,最多根据积累的时间长度换算得到平均剂量,故不能及时发出报警。在可能存在较强辐射危险的地方,仍需要使用电子剂量仪来实时监测。

[剧终]

[修改于 3个月26天前 - 2024/07/29 01:23:20]

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~~空空如也
Nich
3个月26天前 IP:浙江
934678

神奇,好奇药片的成分是什么,剂量累积原理是不是类似于辐照盐热分解发光

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沃尔玛购物袋
3个月26天前 IP:浙江
934684

虎哥怎么最近经常熬夜(关注点错误)

话说该药片退火的原理是什么。

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m24h
3个月25天前 IP:上海
934689
引用Nich发表于1楼的内容
神奇,好奇药片的成分是什么,剂量累积原理是不是类似于辐照盐热分解发光

估计是辐射打出晶格缺陷 然后加热归位时候发光

剂量够大的话 氯化钠都可以

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巨大橘子
3个月25天前 IP:上海
934692

IMG_20240506_234558.jpg

苏联的小玩意儿(ID-11),主要成分是掺银磷酸盐玻璃,受到辐射后在紫外下可以激发发光,重复使用也是要退火的,原理大差不差

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5free
3个月25天前 修改于 3个月25天前 IP:江苏
934713

我公司用的辐射片,晃动里面有沙沙声,估计是多个颗粒。

我过机场安检的时候,安检人员不认得这东西。

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量子隧道
3个月24天前 IP:广东
934753
引用m24h发表于3楼的内容
估计是辐射打出晶格缺陷 然后加热归位时候发光剂量够大的话 氯化钠都可以

感觉也就晶格缺陷或分子的各种构型之间的转换,能够“锁死”能量,等待归位释放了。电子在原子分子内跃迁不太可以,迟豫时间太短。

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