α放射性内污染鼻拭子检测系统探测效率的优化设计研究

摘要

在核辐射突发事件情况下，如何在事发现场快速准确地对可能受到放射性核素内污染的大批量人群进行筛查分类，对于保障人民生命健康，有效利用医疗资源，维护社会稳定和国家安全具有重大意义。
　　吸入体内的放射性气溶胶首先沉积在人体呼吸系统，并逐渐向其他组织或器官转移。滞留体内的放射性核素将长期对人体产生照射，最终可能导致组织损坏或引发癌症。对于α核素而言（241Am、239Pu、235U和238U等），其体内污染检测尽管可利用适于低能X/γ射线的体外直接测量方法，但该方法对测量环境本底和探测效率刻度要求较高，目前只能在少数实验室开展。而生物样品分析通常具有化学特异性，流程耗时较长（几天至几周），无法快速给出结果，也难以重获完全相同的样品。所以在核辐射突发事件现场，如何快速准确地对可能存在的α核素吸入污染进行检测，一直是医学救援的难点。
　　课题组在调研国内外研究现状的基础上，依托科技部重大科学仪器设备开发专项-α放射性内污染鼻拭子检测子系统（项目编号:2012YQ18011802），自主研制开发了一套基于金硅面垒探测器的鼻拭子α内污染检测系统。该系统对核辐射突发事件现场可能存在的α核素吸入污染进行检测并估算内照射剂量。依据救援现场医学诊断剂量分类标准，对大批量人群内污染伤情进行快速分类，指导后续医疗救治。但对如何提高鼻拭子α内污染检测系统的探测效率，目前有学者已经做过距离和真空度影响因素的实验研究，但对其他可能的影响因素并未做相关的说明，论文主要针对可能影响仪器探测效率的四个因素（测量舱内压强，场强强度，探测几何，空气湿度），通过蒙特卡罗软件Geant4建立其蒙卡几何模型，分别进行了单因素和多因素影响的模拟仿真。最后，通过对这四个影响因素模拟数据的获取，建立了基于偏最小二乘回归算法模型，得到这四个影响因素分别对仪器探测效率的贡献权重关系。从而找出了影响仪器性能的特征因子，获得仪器的最佳探测条件。为以后类此系统的设计提供了借鉴。
　　论文的主要研究内容及成果如下:
　　1)对常温条件下的不同压强、不同能量α粒子的射程模拟通过蒙特卡罗仿真软件Geant4模拟了常温下不同大气压强、不同能量的α粒子射程，对模拟仿真获取的数据进行拟合，由此构造了一个与能量E1.73成正比，与压强P成反比关系的α射程拟合公式，为论文后续的研究工作提供了参考数据。
　　2)系统开展了鼻拭子α内污染检测系统探测效率的模拟仿真关键影响因素特征研究对影响鼻拭子α内污染检测系统响探测效率的关键因素进行了模拟仿真的研究，通过蒙特卡罗软件Geant4对可能影响系统探测效率的测量舱内压强、电场强度、探测几何、空气湿度等因素进行了模拟仿真的实验，查明了影响系统探测效率的特征因子。
　　3)探测效率的单因素及双因素共同影响特性的研究分别研究了单因素作用和双因素共同作用对测量系统的探测效率影响特性，采用合理的数学拟合方法，分别建立了在既定条件下舱内压强、电场强度、探测几何、空气湿度等对系统的探测效率影响特征方程。
　　4)探测效率的偏最小二乘回归算法模型的建立通过对前期关键因素影响特性的模拟研究基础上，将这些影响因素中的每个影响因素均作为一个单独的影响因子，建立偏最小二乘回归分析方程数学模型。该模型通过偏最小二乘思想对模拟数据进行预处理，提取最大解释变量，结果表明，电场场强在解释探测效率的回归方程中起到了主导作用，其次是距离和压强。
　　本文的创新点主要有以下2点:
　　1)对影响鼻拭子检测系统探测效率的四个因素（测量舱内压强、电场强度、探测几何、空气相对湿度）分别进行了单因素影响特性研究和双因素影响特性研究，并建了相应的数学拟合方程。
　　2)提出偏最小二乘回归分析方法(PLSR)，得到影响仪器探测效率的四个因素的贡献权重关系。从而找出了影响仪器性能的特征因子，获得仪器的最佳探测条件。
　　论文从蒙特卡罗思想和α粒子输运理论出发，对影响鼻拭子α内污染检测系统探测效率的四个因素:测量舱内压强，电场强度，测量距离，空气相对湿度等进行了系统的研究，获得了大量宝贵数据。提出了基于偏最小二乘回归的分析方法来建立影响因素与探测效率的权重关系回归方程，从而获得仪器的最佳探测参数。为我国放射性核素内污染检测技术以及其他相关核仪器的设计和测量领域提供了较详细的数据参数。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 概述

1．2 国内外研究情况

1．3 主要内容及成果

1．4 主要创新点

1．5 研究目的及意义

第2章 基本理论

2．1 α离子基础理论

2．1．1 α射线概况

2．1．2 α粒子与物质的相互作用

2．2 气溶胶特性

2．2．1 气溶胶的物理特性

2．2．2 气溶胶的化学组成

2．3 湿度

第3章 蒙特卡罗方法及探测系统建模

3．1 蒙特卡罗方法介绍

3．2 蒙特卡罗软件选择

3．3 实验模拟环境

3．3．1 模拟所用源

3．3．2 模拟放射性气溶胶环境

3．4 α放射性内污染鼻拭子检测系统

3．5 鼻拭子检测系统的蒙卡模型

3．6 放射性气溶胶的蒙卡模型

第4章 α粒子射程的蒙卡模拟

4．1 α离子的射程模拟

4．2 α粒子能量损失

第5章 影响因素的数据模拟及分析

5．1 单一因素的模拟影响研究

5．1．1 舱内压强的影响特性研究

5．1．2 电场强度的影响特性研究

5．1．3 空气湿度的影响特性研究

5．1．4 距离影响特性研究

5．1．5 小结

5．2 双因素的模拟影响研究

5．2．1 舱内压强和距离双因素作用的影响特性研究

5．2．2 舱内压强和场强双因素作用的影响特性研究

5．2．3 舱内压强和湿度双因素作用的影响特性研究

5．2．4 距离和湿度双因素作用的影响特性研究

5．2．5 距离和场强双因素作用的影响特性研究

5．2．6 湿度和场强双因素作用的影响特性研究

5．2．7 小结

第6章 数据的PLSR回归分析

6．1 偏最小二乘回归介绍

6．2 数据回归分析

6．3 小结

第7章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录