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关键词: 时域有限差分;涂敷材料;雷达散射截面
中图分类号:O 441;TN 911 文献标志码:A 文章编号:1672-8513(2011)05-0412-05
Analysis of the Electromagnetic Scattering Properties of the Coating Target with the Finite-Difference Time-Domain Method
ZHENG Hongxing,LI Yajing
(Institute of Antenna and Microwave Techniques, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin 300222, China)
Abstract: In order to analyze electromagnetic scattering properties of a coating target in wide-band efficiently, one of computational electromagnetic methods, the finite-difference time-domain method has been used in this research. Some of the targets coated with lossy isotropic or anisotropic absorbing materials have been reviewed. The radar cross section (RCS) of these targets, which are affected by the thickness and impedance matching of the coated materials, has been investigated. Simulating results show that the absorbing properties for the electromagnetic wave are very good when parameters satisfy the matching condition, and therefore, the RCS of targets can be reduced significantly.
Key words: finite-difference time-domain; coating materials; radar cross section
雷达散射截面(RCS)是研究目标电磁散射特性的重要参数,在现代军事领域有重要应用.减小飞行器等目标的RCS,可以避开雷达的探测,实现所谓的“隐身”.很长一段时间,人们都在致力于寻找减小RCS的有效方法.目前主要有3种技术可供选择,分别是隐身外形技术、涂敷吸波材料技术以及阻抗加载技术.通常情况下,采用涂敷吸波材料的方法实现隐身[1].然而,由机等目标的结构非常复杂,它们与电磁波相互作用的分析和计算采用近似方法.伴随着计算机技术的发展,计算电磁学得到快速发展,为研究复杂目标散射提供了一种有效的工具.时域有限差分(FDTD)法[2]是计算电磁学的重要方法之一,在宽频带分析方面显示出独特的优越性.它应用于天线、微波电路设计、电磁兼容和生物电磁学等领域[3-7]的电磁建模与仿真,同时也能够用于目标电磁散射的计算[8-10].本文采用FDTD方法研究了单轴各向异性有耗媒质涂敷目标的散射特性,还分别以圆、矩形和椭圆截面的导体柱为例,计算了它们的RCS,与解析结果进行了对比.
1 FDTD公式及其准确建模
在同时具有电损耗和磁损耗的单轴各向异性媒质中,麦克斯韦方程组表示为
Δ×E=-μ0μr•Ht-σm•H,(1a)
Δ×H=ε0εr•Et+σe•E. (1b)
其中μ0和ε0分别为真空中的磁导率和介电常数,单轴各向异性媒质参数εr, μr, σe和σm分别表示相对介电常数、相对磁导率、电导率和导磁系数,它们均为对角矩阵, 统一表示为[a]3×3=[axx,ayy,azz]dia.采用Yee算法[2],场分量
fx,y,z,t=fiΔx,jΔy,kΔz,nΔt.(2)
电场E和磁场H的x分量FDTD表达式为
Exn+1i+1/2,j,k=c1Exni+1/2,j,k+c2yHzn+1/2i+1/2,j+1/2,k-Hzn+1/2i+1/2,j-1/2,kΔy-c2zHyn+1/2i+1/2,j,k+1/2-Hyn+1/2i+1/2,j,k-1/2Δz ,(3a)
Hxn+1/2i,j+1/2,k+1/2=d1Hxn-1/2i,j+1/2,k+1/2+d2yEzni,j+1,k+1/2-Ezni,j,k+1/2Δy-d2zEyni,j+1/2,k+1-Eyni,j+1/2,kΔz .(3b)
其中上标n与时间离散点序列相对应,下标i,j,k与空间离散点序列相对应.(3a)和(3b)中的系数与散射目标模型在空间坐标中的位置有关,分别为
c1=2ε0εr,xxi+1/2,j,k-Δtσe,xx2ε0εr,xxi+1/2,j,k+Δtσe,xxi+1/2,j,k ,(4a)
c2,p=2Δt2ε0εr,ppi+1/2,j,k+Δtσe,ppi+1/2,j,k, p=y,z(4b)
d1=2μ0μr,xxi,j+1/2,k+1/2-Δtσm,xxi,j+1/2,k+1/22μ0μr,xxi,j+1/2,k+1/2+Δtσm,xxi,j+1/2,k+1/2,(4c)
d2,q=-2Δt2μ0μr,qq+Δtσm,qqi,j+1/2,k+1/2, q=y,z(4d)
从(4a)~(4d)可以得到全部计算空间复杂结构目标的模型表达,其余分量有类似形式.这里可以看出,只需要建立复杂结构的几何模型,麦克斯韦方程组迭代公式(3a)和(3b)不需要修改,因此,FDTD方法特别适合复杂结构的电磁场计算.
值得注意的是,传统的Yee算法采用矩形网格剖分计算空间,弯曲目标表面建模时阶梯近似带来的计算误差不可避免.为了克服这种误差,本文采用媒质参数线性加权平均的方法[11]对弯曲表面进行精确建模.如图1所示,如果某个网格跨越2种媒质,考虑立方体网格的其中1个面位于yoz平面,在电磁场的采样点处,等效媒质参数为
εeffyi,j,k=[Δy2i,j,k•ε2+Δyi,j,k-Δy2i,j,k•ε1]Δyi,j,k, (5a)
εeffzi,j,k=[Δz2i,j,k•ε2+Δzi,j,k-Δz2i,j,k•ε1]Δzi,j,k. (5b)
媒质其他参数μr、σe和σm的各个分量具有类似形式.在进行FDTD计算时,按照这个原理对计算目标的数值模型表面进行预处理,即可得到相对精确的建模,从而克服阶梯近似带来的计算误差.
2 吸波材料对目标RCS的影响
涂敷吸波材料是减小目标RCS的一种具有实用价值的技术.吸波材料发挥作用,需要具备2个条件[12].一个条件是雷达波进入材料内部,其能量损耗尽可能大;另一个是吸波材料与空气界面的波阻抗相匹配,波在通过2种媒质的界面,不发生反射.
设各向同性媒质同时具有电损耗和磁损耗,考虑一般情况下的电磁参数为ε=ε′-jε″,μ=μ′-jμ″,则电磁波在媒质中传播系数
k=2πfcμε=k′-jk″.(6)
横电磁波进入到吸波材料内部,其能量损失为
Q(x)=E2m•k″/z•cos(φ)•e-2k″x.(7)
其中z=z0μ/ε为媒质中的波阻抗.由(7)式可知,当ε″和μ″很大时, k″才能很大,波的能量很快衰减.此时,材料能够有效吸收电磁波.
FDTD采用统一的计算公式求解麦克斯韦方程组,不需要专门讨论单轴各向异性媒质中非寻常波入射时的反射系数问题,对于寻常波入射,其规律与各向同性媒质相同.考虑波在2种媒质分界面的反射情况,当电磁波入射到阻抗分别为z1和z22种媒质的界面时,反射系数为
R=1-z2/z11+z2/z1,(8)
其中z2=μ2/ε2,z1=μ1/ε1 ,若不发生反射,则:
μ2/ε2=μ1/ε1 .(9)
对于涂敷材料的使用条件,媒质1是空气,即ε1=μ1=1.因此,为了满足上述条件,则ε2=μ2.而ε2=ε2′-jε2″,μ2=μ2′-jμ2″,则需要ε2′=μ2′,ε2″=μ2″, 于是得出
μ2″/μ2′=ε2″/ε2′.(10)
当材料的ε″和μ″很大,且满足μ″/μ′=ε″/ε′时,即阻抗匹配.吸波材料同时满足上述条件,涂覆在目标表面时,对雷达波的吸收效果比较好.
3 数值结果
由于采用了等效媒质参数建模,必须对上述算法的FDTD程序进行验证.这里考虑二维目标的RCS(散射宽度),定义为
σRCSf=10 lg2πrEsfEif2(dBm). (11)
其中Es 和Ei分别为散射和入射的电场分量.当正弦波入射时,以媒质圆柱的二维电磁散射为例,设圆柱半径r=2λ,εr=3.5计算参数取λ=0.5m,网格尺寸δ=λ/40,计算区域取150×150的网格空间,用Mur吸收边界截断计算区域,运行1200时间步.图2分别给出了横磁(TM)波和横电(TE)波φ=0°入射时,媒质圆柱的双站RCS,结果与解析解完全吻合,验证了上述方法以及程序的正确性.
当有耗媒质涂敷在截面为矩形的金属导体柱表面时,设导体柱的边长分别为a=2.2λ,b=λ,涂敷媒质的相对介电常数εr=2-j2.在下面的算例中,均定义c=λ/δ.计算时的入射波长λ=1m,网格尺寸δ=λ/40计算区域取100×100的网格空间.图3给出平面波φ=0°入射,涂层厚度分别为0.25c、0.15c和0.05c时矩形截面导体柱的双站RCS,而此时,目标柱的外表面尺寸保持不变.从图中同样可以看出,随着厚度的增加,RCS明显减小.
当吸波材料涂敷在金属目标表面,用FDTD方法分析它的电磁散射特性.设金属椭圆柱的长短半轴分别为a=λ,b=λ/5,涂敷媒质的相对介电常数εr=2-j2.平面波以0°入射, λ=1m,FDTD的网格参数δ=λ/40,计算区域取100×100的网格空间.图4给出了保持目标表面轮廓尺寸不变,涂层厚度分别为0.25c,0.15c和0.05c时, 椭圆柱的双站RCS.结果表明,随着涂层厚度的增加,RCS明显减小,与解析结果相一致.
根据前面讨论可知,当所加涂层的媒质参数满足匹配条件μ″/μ′=ε″/ε′时,可以得到很好的吸波性能.为了验证在匹配条件下,涂敷吸波材料的吸收效果,我们来计算媒质涂敷金属椭圆柱的RCS.涂层的厚度取0.15c,媒质参数取εr=ε′-j ε″=1.6+j0.4,μ=μ′-j μ″=3.2+j0.8,此时μ″/μ′=ε″/ε′=1/4.椭圆柱目标轮廓的半轴长分别为a=λ,b=λ/5.平面波以φ=0°入射, λ=1m,FDTD的网格参数δ=λ/40,计算区域取100×100的网格空间,运行1200时间步.图5给出电磁参数匹配的媒质涂敷椭圆柱的双站RCS,与电磁参数不匹配(εr=2-j 2,μr=1.0)时的结果相比较,从图中可以看出当涂敷材料的电磁参数满足匹配条件时对电磁波的吸波效果更好.
在验证了简单几何结构的散射目标后,我们考虑一个流线型结构的二维机翼模型,如图6所示[10].机翼模型沿x和y方向最大尺寸分别为24.0cm和2.16cm,前端涂敷媒质,沿x方向长度3.6cm,厚度1mm.TM波φ=0°入射(迎头),频率为8.5GHz.分别考虑涂层为各向同性和各向异性媒质两种情况,用FDTD计算它的双站RCS,结果如图7所示.各向同性媒质ε=19.86+j2.18ε0, μ=1.96+j2.50μ0;各向异性媒质εzz=2ε0,μxx=2+jμ0,μzz=2-j2μ0, εxx=εyy=ε0, μyy=μ0.FDTD网格尺寸δ=0.25mm,时间步为6000.作为对比,图中还给出了没有涂层时金属机翼的双站RCS.图7表明,TM波在机翼前方迎头入射时,由于表面波的作用,在机翼尾端附近的小范围内,各向同性媒质涂敷机翼的RCS比全金属机翼大5dB左右.但对于各向异性有耗涂层,在360o观察范围内,RCS都比全金属机翼小8dB左右,可见各向异性涂层对目标RCS有明显的缩减作用.
4 结语
本文讨论了FDTD方法计算有耗媒质涂敷目标的散射,通过研究圆柱、方柱和椭圆柱等二维目标表面有涂敷材料时的电磁散射,验证了程序的准确性.对一个局部涂敷吸波材料的流线型机翼模型的仿真结果显示,当涂敷材料的厚度适当且媒质参数满足某些条件时,可以非常有效地缩减目标的RCS.由于三维结构的计算需要占用较多的计算机资源,关于它的高效计算需要进一步研究.
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收稿日期:2011-05-30.
基金项目:国家自然科学基金(60871026);天津职业技术师范大学青年教师基金(K909011) .
医用诊断X线机的放射防护做为设备防护管理的日常工作,正在受到医院、计量部门以及公众的关心。随着医院管理质量的不断提高,放射科对病人的放射防护工作也应加强。为减少病人的X线照射量,保护病人免受X线损伤,必须规范放射防护管理,为病人提供良好的候诊环境,落实各项防护措施。这是我们的责任。笔者结合多年的放射科工作实践,就如何加强对病人的X线防护谈些看法和建议。
1.医用诊断X射线装置是医疗单位的重要诊断设备之一,为保障其在临床工作过程中的应用达到规定的质量要求,并使其工作时的辐射输出量符合规定,不对患者、工作人员造成过量辐射,有必要对其进行辐射输出的计量检定。
(1)计量参数的检定:由于计量技术的发展,计量设备也在不断更新。省级计量单位已配备上了专用的X线辐射计量装置。这一检测装置的基本构成包括:一台分析主机(通常是带有专业分析软件的笔记本电脑),多功能探头,钳表式mAs探头和带蓝牙技术的掌上电脑。
该检测系统可用于检测所有类型的X线辐射源,包括:普通摄片机、乳腺机、胃肠机、齿科拍片机及全景齿科拍片机。测量的主要参数有:X线管电压(kVp)、曝光时间(ms)、剂量(mGy)、剂量率(mGy/s)、毫安秒(mAs)、管电流(mA)、半值层(HVL)等。
(2)通常检测时将多功能探头置于光野的十字交叉点位置,取焦点到探头的距离为60cm;将钳形表夹在X线管阳极端的高压电缆上,并注意标记箭头指向高压发生器。通电后建立起多功能探头,钳形表和掌上电脑的无线通信,在掌上电脑中选择所测机型的参数,通常有kVp、ms、mGy、mGy/s、mAs、mA,以上都是实时的测量模式。对X线机分别选择常用的高、中、低三种曝光条件,测量辐射输出的质(kVp)和量(mAs),了解设备输出的准确性和重复性。
2.设置X线检查候检室。X线候检室应设在两部X线机控制台室之间(若只有一台机时,设在控制台室一侧),候检室面积大小应根据每天做X线检查的病人数而定,一般不小于30m 2 。候检室内应整洁干净,通风透气,每天晚上用紫外线消毒。室内设多张座位,安装小型广播喇叭,以便呼叫病人。
3.加固X线机房防护墙和防护门,加强X线机房防护门的管理。X线机房的墙应加厚,厚度应达40cm以上,达到能防护X射线为准。X线机房门应加贴0.3cm厚的铅板,铅板大小与门面积大小一致,防护门以能完全密封门口为度。工作时,工作人员要注意将防护门关上。
4.设置放射工作场所警示标识,按国家规定医院放射科必须在每个岗位上(每部X线机房外门口)设置放射工作场所警示标识,提醒病人在此范围内有X线辐射污染。
5.改造X线机房外走廊通道。X线机房外走廊不应设置座位,以免病人在坐或逗留时受到X线辐射影响。
1 效果
病人全集中在X线候检室内等候检查,不再聚集在X线机房门口或涌入X线机房内等候,也不再在X线机房外走廊等候。病人避免了不必要的X线照射,避免了摄入不必要的X线照射量。同时,也使检查工作顺利进行,X线工作者也不再因病人要求尽快检查和场所嘈杂而手忙脚乱,有效地减少差错的发生。
微波炉作为生活中常用的电器之一,常常遭到人们误解。那这些说法到底是真是假呢?
微波炉原理:让水分子起作用
要搞清这些问题是真是假,首先要明白微波炉的工作原理。
微波炉不仅在中国,在日本、美国等很多发达国家都在广泛使用。其工作原理是使水分子起作用。
微波炉是通过其产生的辐射电子形成有序的空间电子流,用磁场穿过电子流产生控制作用,在磁场控制和给定的几何环境下产生电子流的交变,再通过波导管使交变电子流进入食品加工区域,交变电子流会激发极化食物中的水分子产生交变运动从而发热,水再将产生的热传递给食物,将其烧熟。
微波炉的确会产生辐射,但对人体无害。由微波炉的工作原理得知,微波炉确实存在辐射。不过,微波炉中的电磁场只对食物中的水起作用,它在封闭环境下对外界的影响很小,正规厂家生产的、带有3C标志的微波炉都是安全的,不会对人体产生有害影响,更别说损伤大脑了。
微波炉加热不会使营养流失。相比其他加热方式,微波炉的加热效率是最高的,其热效率高达80%以上,加热速度很快,其他加热方式的热效率仅为30%-50%左右,因此微波对食物营养素的破坏反而小。也就是说,相比其他加热方式,用微波炉加热反而好。
微波加热的食物更不会产生癌物质。微波加热的主要介质是水,加热的原理是对食物中的水产生分子振荡,从而产生热。因此,它不可能产生新的东西。当然,如果用微波加热时把食物烧糊、烧焦,那是有可能产生有害物质的。不过这归咎于烧糊、烧焦,跟加热方式无关。
那么,正确使用微波炉的方法是什么呢?1.按照使用说明规范操作;2.微波炉运行时可与其保持半米以上的距离;3.在不使用时及时关闭电源;4.微波炉停止运行后再开门;5.尽管强行开门时微波炉会自动关闭微波发射,但也尽量不要这样做;6.保持炉内清洁,保证微波炉有良好的工作环境;7.不要过度或反复加热食物,避免因脱水过度造成食物焦干变质。
微波炉的常见产品问题
为了加强微波炉产品的质量监管,近些年国家质检总局数次组织开展了微波炉产品国家监督抽查工作。抽查中发现的主要问题包括:
1.产品存在锐边、毛刺和尖端。
由于微波炉都采用金属外壳,四周存在较多的通风口,工艺处理不当,很容易被刮伤。产品中的金属螺钉较多,一些自攻螺钉选用的长度不合理,造成尖端外露,在使用中容易被尖端刺伤。
2.电源线接地端子无防松措施。
电源线接地端子没有防松措施,在拆装端子的过程中,螺钉很容易出现滑牙的现象,导致接地端子无法拧紧或松脱,最后接地端子松脱。这样器具电击防护措施中就少了接地防护。如果其他的绝缘失效,金属外壳就可能带电,一旦这样的情况出现,产品就会有很大的安全隐患,消费者应该立即停止使用,并送到维修部给专业人员检查。
3.防触电问题。
微波炉腔体顶部的石英管没有任何防护罩,直接在外,使用时容易触及带电部件,影响安全。在选购带烧烤功能的微波炉时,要记得看看腔体内部的发热管是否有防护网罩,选择带有防护网罩的微波炉才是安全可靠的。
微波炉选木购注意事项
1.看标识和使用说明:⑴产品上是否有3C认证的标识。只有带3C认证标志的产品才是获得国家强制性认证的,才能够在市场上销售;⑵产品上是否有制造商名称、型号、规格的标识。这些有助于消费者了解产品,既方便上企业官方网站查询,又方便以后维修保养,同时也可以作为消费者维护合法权益的重要证据之一;⑶产品上是否有能效标识。能效标识是区分微波炉质量好坏的重要标志之一。消费者可以根据能效标识的参数选择效率高、耗能低的节能微波炉;⑷看说明书和保修卡是否配套齐全,如果配有烹调菜谱更好。消费者可以了解产品的使用方法,同时也作为消费者维修保养的重要证据之一。
提起X线,大家首先想到的肯定是医院。的确,X线在医学诊断和治疗上的应用十分广泛,是医生们的“好帮手”:发热、咳嗽了,可以拍张X线胸片,看看肺部有没有炎症;不慎摔伤,可以拍张片子,看看有没有骨折;B超发现肝脏有占位,可以做一次腹部CT,明确占位的性质;心绞痛频繁发作,可以做一次冠状动脉造影,了解冠状动脉的病变程度等。
不过,“看不见、摸不着”的X线对确实会对人体健康造成一定隐患,长时间、大剂量的X线辐射还会导致疲劳、食欲减退、骨髓抑制等放射性伤害,与某些癌症的发生也存在一定关系。
多少剂量的X线辐射会对人体造成危害?X线辐射与肿瘤的发生有关系吗?X线的辐射范围有多大,专门用于X线诊断和治疗的房间需要符合哪些要求?在接受放射诊断和治疗时,患者需要具备哪些放射防护意识,做好哪些防护工作,避免哪些误区?在日常生活中,如何减少辐射带来的伤害?让我们一起来听听专家的说法。
专家简介
刘士远
第二军医大学附属医院影像医学与核医学科主任、教授、主任医师、博士生导师,博士后,中华医学会放射学会副主任委员、心胸学组组长,上海医学会放射学会候任主任委员。从事医学影像临床工作26年,擅长胸部疾病,特别是肺癌的诊断与鉴别诊断、中晚期肺癌的综合介入治疗,以及功能影像学和分子影像学研究。
大众医学:X线的用途很广,尤其是医学领域。我们去医院拍片、做CT等,都需要接触到X射线。X射线会对人体健康产生哪些影响?
刘士远:X线是波长介于紫外线和γ射线间的电磁波,由德国物理学家W.K.伦琴于1895年发现,故又称伦琴射线。X线的用途很广,主要用于医用放射检查和治疗、民用消毒杀菌、工业探伤,以及胶片感光等。
从理论上说,X线对人体是轻度有害的。目前认为,当短时X线辐射量低于100毫西弗时,对人体健康没有危害;当短时X线辐射量超过100毫西弗时,就会对人体造成一定危害。比如,辐射量为100~500毫西弗时,没有疾病感觉,但血液中的白细胞数在减少;辐射量为1000~2000毫西弗时,会导致轻微的射线疾病,如疲劳、呕吐、食欲减退、暂时性脱发、红细胞减少等;辐射量达到2000~4000毫西弗时,骨髓和骨密度会遭到破坏,红细胞和白细胞数量极度减少,会出现内出血、呕吐等症状;辐射量大于4000毫西弗时,将危及生命。
值得注意的是,尽管辐射伤害是否会发生以及严重程度与辐射剂量、各人的耐受程度、对X线的敏感性,以及健康状况等多种因素有关,但从预防角度看,X线检查的次数还是越少越好。
问:常见的X线检查,如拍胸片、做CT等,辐射量大吗?
刘士远:在自然状态下,人每年接受的辐射量约为2.8毫西弗。其中,约85%为天然来源(如室内的氡衰变产物、宇宙射线等),14%为医疗照射(如X线检查、核医学检查),其他人工来源(如放射性粉尘、核工业排放物等)所占的比例不到1%。通常,一次标准的胸部X线摄影检查,患者接受的辐射量为0.01~0.02毫西弗,相当于人在10天左右的时间里受到的天然辐射量;做一次胸部CT检查接受的辐射量为1~8毫西弗,对人体健康的危害不大。
不过,由于X线辐射在短期内具有累积效应,即短期内连续接受多次照射,超过了人体细胞的修复速度时,辐射量会累积,容易导致放射性伤害。比如,偶尔做一次CT对健康没有影响,但如果在一个月内重复做好几次CT,就会发生辐射累积效应,危害人体健康。临床上,我们经常会碰到一些患者,辗转多家医院就医,往往去一家医院,就做一次CT,有的患者甚至在短短两三个月内做了数次CT和PET-CT,既浪费了医疗资源和金钱,也损害了自己的健康,实在令人感到惋惜。
在此提醒广大患者,尽量避免短期内重复照射,或短时间内高强度照射。
问:长期X线暴露与癌症,尤其是甲状腺癌的发生有关系吗?
刘士远:近年来,甲状腺癌的发病率逐年上升,病因尚不完全明了。目前认为,甲状腺癌的发生与放射性损伤、碘过量或缺碘、性激素、家族遗传等因素有关。甲状腺对X线较敏感,长期X线暴露与甲状腺癌的发生存在一定关系。据报道,70%~80%的儿童甲状腺癌,均有早年因颈部淋巴结炎、扁桃体炎或胸腺疾病而接受过放射治疗的历史。动物实验亦表明,小剂量放射照射足以使甲状腺细胞代谢发生变化,数年内不能恢复;大剂量的放射线照射会损伤,甚至破坏甲状腺细胞,导致甲状腺细胞异常分裂,或导致促甲状腺素(TSH)分泌增多,促进甲状腺细胞癌变。
当然,尽管X线辐射被认为是恶性肿瘤的诱发因素之一,但辐射量必须达到一定程度,才会对人体造成损伤。由于甲状腺、性腺等器官对X射线更敏感,故与其他组织器官相比,可能在更低剂量、更少时间地照射下,较早地发生癌变。日常生活中接受的自然辐射,或者一年中接受2~3次正常的放射性医学检查,并不会诱发白血病或恶性肿瘤,大家不必过分担心。从事辐射工作的人员由于所处工作环境中的基础辐射值较高,则应做好辐射防护工作,并定期接受辐射剂量测定和体检。
问:X线辐射和核辐射是一回事吗?
刘士远:不是一回事。X线主要由X射线管产生,作用时间短,射线品种单一,辐射能量较低,易于防护。核辐射是原子核从一种结构或一种能量状态转变为另一种结构或另一种能量状态过程中所释放出来的微观粒子流,包含阿尔法、贝塔、伽马等射线,辐射剂量较大,辐射时间较长(与放射性同位素半衰期有关)。不过,两者统称为电离辐射。
问:我国对医用X线设备的使用有哪些规定?使用X线设备的机房或手术室需要做好哪些特殊防护措施?
刘士远:应该说,我国对X线放射设备的监管还是很严格的。比如,放射科的大型X线设备都必须经过质监部门的检测;使用X线设备的机房或实施介入治疗的导管室必须有特殊的屏蔽措施,并经环保局评估达到放射防护要求,取得放射防护许可证。此外,卫生监督部门还会对X线设备的辐射量、安全性,放射标识是否完善,防护用具是否齐全等进行检查。简而言之,医用X线设备必须“三证齐全”,即拿到环保评估证明、放射防护许可证和设备使用许可证,方能开展工作。但在实际工作中,尤其是非放射专业的医生在使用移动X线设备时,往往缺乏必要的放射防护意识,他们不知道使用X线设备的房间需要防护,自身需要防护,病人也需要防护。
根据国家卫生行政部门的规定,介入治疗所用到的放射设备为Ⅱ类辐射装置,骨科手术中所用到的小型C型臂X线设备属于Ⅲ类辐射装置。使用这些设备的手术室除了要具备常规手术室必须有的净化层流系统外,还必须对手术室进行电离辐射屏蔽的施工,以及辐射防护用品的配备。比如,房间墙壁、上下楼板中应置入厚度不小于2毫米的铅板或按要求在建筑材料中加入硫酸钡,手术室的门应为铅门,并贴有电离辐射标识;医护人员和患者应配备铅防护用具,如铅帽、铅围脖、铅衣等;X线设备工作时,医护人员应注意尽量远离受照射部位,减少照射时间。
问:患者在医院接受X线检查或介入治疗时,应做好哪些防护措施?
刘士远:近年来,放射防护越来越受到重视。医院为X线受检者提供的防护措施包括:①配备经环保部门和卫生监督部门检测合格的X线设备和专用机房;②机房门口张贴电离辐射检查相关注意事项的告知书;③配备铅围脖、铅帽、三角巾、铅围栏等常规铅防护用品,对受检者的非检查部位,尤其是性腺、甲状腺等敏感部位,予以适当防护;④对陪护人员进行适当防护;⑤检查时尽量使用低剂量的投照方式,并尽量减少有效曝光时间;⑥发现有辐射超标或超剂量检查的患者,及时启动辐射安全应急预案,记录曝光条件,及时进行医学检查和观察,或给予及时治疗和处理,并将事件上报至上级卫生主管部门。
问:在儿童的放射防护问题上,有哪些注意事项?
刘士远:儿童的体表面积和器官体积都相对较小,组织细胞相对幼稚,故与成年人相比,电离辐射对儿童的负面影响会呈几何级数的上升。因此,儿童应尽量避免放射检查。若必须检查,应尽量降低照射剂量、缩短曝光时间,并对非检查部位予以重点防护。
需要补充的是,由于胚胎对辐射的影响更为敏感,故妊娠期妇女应避免放射性检查和治疗。研究表明:妊娠头三个月为胚胎形成期,接受辐射可能会导致流产,也可能造成胎儿肢体缺损或畸形;妊娠4~5个月为胎儿成形期,接受辐射可能会损伤胎儿的中枢神经系统,导致婴儿智力低下;妊娠6~10个月为胎儿成长期,接受辐射可能会导致婴儿免疫力低下。
问:由于胸透的X线辐射量较大,故儿童和青少年不宜做胸透,是这样吗?
刘士远:胸透的放射线量在X线检查中是最大的,做一次胸透相当于拍10次X线胸片。不过,胸透检查的时间一般为数十秒,对人体的危害十分有限。一般地说,成年人偶尔做一次胸透,对健康几乎没有明显危害。不过,儿童和青少年还是应该慎做胸透。因为儿童和青少年正处于生长发育高峰期,细胞分裂活跃,其组织细胞对放射线的敏感性比成年人高得多,且年龄越小越敏感,越容易导致放射损伤。因此,我国和国际的儿童放射卫生防护标准均有明确规定:不能把胸透作为幼儿和青少年的常规检查(如体检)项目。儿童和青少年应尽量用“拍片”代替“胸透”。
实际上,目前我国的许多大医院都已经取消了胸透检查。因为胸透时所采用的电压、电流都大大弱于拍片,经过人体的时间相对更长,被人体吸收的剂量更多,清晰度、准确性也不如拍片好,且无法留档(没有片子),日后无从对比。
问:日常生活中也有很多辐射源,比如家用电器、建筑材料等,这些辐射对人体健康有影响吗?该如何正确防护?
刘士远:日常生活中的辐射源可分为电离辐射和电磁辐射两类。一类是自然界中的放射性微粒、太阳黑子,以及大理石等材料产生的电离辐射;另一类是手机、电脑、微波炉等家用电器在工作过程中产生的电磁辐射。研究发现,在辐射源集中的环境中工作、学习和生活的人,容易出现失眠多梦、记忆力减退、体虚乏力、免疫力低下等问题。当然,不同的人或同一人在不同年龄段对辐射的承受能力是不一样的,即使在辐射超标环境中,也并非所有人都会得病,大家不必对辐射“草木皆兵”。
当然,对于广大民众而言,掌握一些科学、实用的辐射防护措施,尽量降低辐射对健康的危害,还是非常有必要的。具体措施包括:①使用电器时,尽量保持一定的安全距离,并尽量缩短与电器近距离接触的时间;②电器不用时,关闭电源,不要将许多电器设备集中放置在一处;③在进行家庭装潢时,尽量少用或避免使用大理石等含有辐射物质的材料;④房间内放置仙人球等绿色植物,以利于环境中辐射物质的吸收;⑤多吃胡萝卜、番茄、海带、瘦肉、动物肝脏等富含维生素A、C和蛋白质的食物;⑥增强体育锻炼,增强机体免疫力;⑦由于高空存在较多的宇宙辐射,故乘飞机时最好选择靠走道的座位,回家以后应立即洗澡,清除身上的辐射物质;⑧尽量避免长时间使用电脑,用完电脑后应及时用洗面奶清洗脸部。
延伸阅读:X线受检者须知
1. 怀孕妇女,尤其是怀孕头三个月的妇女应尽量避免放射影像学检查。
2. 受检者在接受医疗照射时,应对邻近照射野的敏感器官和组织进行屏蔽防护,如甲状腺、性腺等。
3. 非受检者禁止进入操作现场,若受检者需要陪护,陪检者必须做好防护措施,如穿上铅衣、戴上铅帽和铅围脖。
4. 放射机房红灯亮起时,说明房间内正在进行X线检查,等候人员不要在机房门口逗留,尤其不要从门缝处向内张望。
关键词:锅炉压力容器;检验;事故;预防
在我国工业化水平不断提升下,工业生产发展应用了越来越多的科学技术,这些技术的应用是一把双刃剑,在便利化工业发展的同时也带来了一些安全事故,限制了工业稳定发展。锅炉压力容器基于自身特殊的结构形式和操作条件要求,是一种特殊设备,在应用的过程中对温度、环境具有很高要求。一旦操作不当就会带来非常严重的后果,为此需要有关人员加强对锅炉压力容器检验工作中事故的预防。
1锅炉压力容器检验工作中的常见事故分析
1.1设备设置的强度、刚度和总体稳定性能较差
锅炉压力器应用常见的问题一般体现在设备的强度、刚度以及设备自身稳定性等方面。在现阶段的工业生产中,常常因为设备强度不够、稳定性能差等问题引发一系列的工业事故,对工业发展和人们身体安全带来了影响。
1.2电磁辐射带来的安全事故
电磁辐射直接会带来触电、爆炸等严重的后果,如果电磁辐射发生,能够和锅炉中的化学物质发生一系列反应,加大锅炉生产的压力。受电磁辐射的影响,一些工作人员在工作的过程中会触电,引发安全事故。
1.3粉尘、有毒物质带来的危险
锅炉压力器在热水中运行以及受到煤炭、粉尘、油污的影响会导致锅炉压力容器检测工作出现安全事故。这些污染物质的存在对锅炉具有腐蚀的作用,同时也会给工作人员带来呼吸道感染,危害工作人员的身体健康。
1.4人为因素
锅炉压力容器检验工作出现安全事故的一个重要原因是人为因素,一些锅炉压力容器的检验工作人员不具备较高的工作素质,体现在听力不好、视力不好、患有各种疾病,尤其是心理疾病,严重影响了他们的工作效率,一旦出现工作失误的问题就会带来重大的财产和人员伤亡损失。
1.5环境因素
环境因素引起的锅炉压力容器安全事故问题主要表现在施工作业环境的恶劣、施工设备容器内不空间不充足、施工通风系统设计的不合理以及施工通讯系统运行方式的不规范等。这些环境因素对锅炉压力容器应用带来的制约不仅表现在对锅炉容器自身带来的损害,而且表现在对施工人员带来的人身伤害。
2锅炉压力容器检验工作中的事故预防策略
2.1对锅炉压力容器设备设施缺陷问题的预防
对锅炉压力容器设备设施缺陷问题的预防需要有关人员认真检查设备设施应用中的安装部件,保证安装部件使用的安全稳定。另外,还要对相关设备的连接管道和阀门等进行仔细的系统化检查,保证相关设备应用的安全有效,在最大程度上避免设备泄漏的现象,提升设备设施应用安全质量。
2.2对电磁辐射问题的预防
第一,电磁辐射的预防需要有关人员加强对警戒区和作业区标识的识别,在日常的工作管理中应用一些明显性的警示标识。第二,工作人员在具体的工作期间需要加强对设备作业时间的监督管理,不能让和工作现场无关的人员进入到工作现场。第三,操作人员在进行工作的时候需要保证防辐射产品的隐藏紧密,并要严格遵照相关要求进行操作。
2.3粉尘、有毒物质问题的预防
对于粉尘对锅炉压力容器带来的危害,一般需要加强对施工作业现场各种沉降物的清扫,且要求以人工的方式来进行粉尘的清扫,不能一味地应用机械化进行简单的清扫。另外,工作人员在进行设备设施检验的时候,需要佩戴好相应的防护工具,尤其是防毒面具。
2.4人为因素问题的预防
针对人为因素对锅炉压力容器检验工作带来的伤害需要从以下几个方面来进行预防:第一,加强对工作人员体能的重视,定期对他们开展身体检查,选择身体健康的人员进行施工操作。第二,保证施工人员的劳逸结合,不能让他们在缺乏足够休息的情况下进行工作。
2.5环境因素问题的预防
第一,在应用机械通风设施的时候需要明确通过的方式,不能用氧气瓶来直接进行增加氧气。第二,进一步加强内部和外部监控联络人员的安排设置。第三,对内部检验系统状态标识进行科学的安排设置,从而根据不同的工作实施状态和要求确立处具有区别性的标识。
3结语
综上所述,在科学技术的快速发展下,科学技术对很多领域的发展起到了重要的作用,很多设备被引入到各个领域中。作为工业化生产的必然设备——锅炉压力容器,这种爆炸性危险较强的特种设备在工业生产发展中发挥了重要的作用,对工业化未来的发展产生了关键的影响。锅炉压力容器的用途各不相同,设计制造形状各异,包括数千立方米的球形容器,也包括数十米高的电站锅炉,这些锅炉都要承受高温、高压以及强腐蚀介质的侵损。因此,为了其使用的安全性,需要有关人员进一步加强对工业锅炉压力容器检验工作的重视,在了解事故发生原因的同时提升工业化发展的总体水平。
参考文献:
[1]贺亮.锅炉压力容器检验工作中的事故预防策略[J].科技传播,2012,21:140-141.
[2]陈学东,崔军,章小浒,关卫和,寿比南,谢铁军.我国压力容器设计、制造和维护十年回顾与展望[J].压力容器,2012,12:1-23.
关键词:电磁辐射 电磁炉 电磁场理论
中图分类号:T L 7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)12(c)-0-01
电磁波辐射就是将电场与磁场二者互相作用所形成的波动,以辐射形式向空间传播出去。事实上,由于医疗器械、家用电器等的使用,使人体无时不刻处在电磁波的辐射之中,电磁波辐射对环境及人体健康的影响日益受到研究者的关注。国家环保局推荐的《500 kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》(HJ/T24-1998)标准规定暴露磁感应强度的安全值为1高斯(即1 Gs=1000mGs=100 μT,微特斯拉)。1995年美国国家辐射防护委员会(NCRP)提出电磁场暴露导则,在居民区的工频磁感应强度安全标准为2 mGs(即0.2 μT,微特斯拉)。两者相差500倍。电磁炉是一种使用安全、清洁卫生、操作简便灵活的炉具。但在使用过程中,人们对它产生的电磁辐射给人体的影响存有疑虑。以往人们对电磁炉的辐射也有过不少讨论,但从科学观点出发进行严密的计算仍较少见。该文基于电磁场理论的安培定律,将电磁炉的核心部分即电磁体,看成是一个磁偶极子的辐射源,产生电磁振荡辐射到空间。电磁体由圆形导磁盘及在其上单层螺旋绕制的线圈组成。线圈输入30~50 kHz的高频电流I。线圈的平面面积S与电流I的乘积,Mm=IS 称为磁矩。该文推导出一个距离辐射源的空间某点上接受到的以磁感应强度表示的辐射量的计算公式,该文给出的公式正是以磁矩作为基本的计算数据。
1 电磁体产生电磁辐射的机理
图1为单匝平面线圈在距离R的观测点G产生的磁感应强度B的机理图。线圈平面与G均处在X―Y坐标平面上,线圈平面法线与Z轴重合,R与X轴夹角为θ,与Y轴夹角为Ф。线圈回路电流为I,反时针方向,回路半径为ρ。回路上取无限短的一段长度dl,电流元在G上产生的磁感应强度为。d为微分算符,为向量。电磁场理论中的安培定律的微分形式为
2 计算实例
设某电磁炉的参数如下:工作电压220 V,功率1~2000 W可调,设计时未加屏蔽或防辐射措施,所用烹锅底面足够大,大于设计规定的12 cm,且放置在与线圈导磁盘完全对应的位置上(即没有放歪);电磁炉盘式线圈最外圈直径17.5 cm,最内圈直径4 cm,共32圈;线圈总面积S为各圈面积之和;取最大功率档1800W计算;取功率因数Cosф=0.75。求得电流 I=1800/220・0.75=10.91 A。θ角取法如下:求公式(1)右端括号内的函数对θ的最大值,可得θ=45 °,得Sinθ=Cosθ= 0.707。当磁感应强度单位用高斯制即以Gs为单位、电流用MKS制即安培单位时,给出的电流值应除以10后才代入计算。磁导率μ取高斯制单位时,其值为4π×10-3GsA/m。r从电磁盘中心点到观测点G距离变化时,计算结果如表1。结果分析:表中第8点的数据表明,当人体离开电磁炉中心距离0.5 m时,其电磁辐射为2毫高斯(0.002 Gs),即可达到美国NCRP的标准。但如以国家HJ/T241998的1Gs为标准,即使将手放在炉板上也是十分安全的。
3 结语
未加屏蔽的电磁炉在使用中确实存在电磁辐射,并在一定程度上对人体产生影响。影响大小视电磁体线圈电流的大小和人体到电磁炉的距离而定。应该指出,电磁辐射对人体的伤害主要是短波、超短波,而工频电的波长为10000 m,况且人们使用电磁炉是短时和间歇的,因此,即使有影响也是微小的。近年来市场上出现带电磁辐射屏蔽装置的电磁炉产品。不过,其防辐射效果如何还有待研究。
参考文献
食品辐照杀菌保鲜
食品辐照是20世纪50年代问世并迅速发展起来的一种灭菌保鲜技术。它通过运用x射线、y射线或高速电子束等电离辐射产生的高能射线,对食品进行加工处理,达到杀虫、杀菌、保持营养品质及风味的目的,被广泛用于粮、蔬、果、肉、调味品、中药等领域。据中国核农学会的调查,2005年我国辐照食品产量就已达到14.5万吨,占世界辐照食品总量的36%。
辐射的杀菌机理,分为直接作用和间接作用。直接作用是射线直接破坏微生物的核酸、蛋白质和酶等与生命有关的物质,致使微生物死亡。间接作用则是射线首先对微生物分子周围的物质产生作用并释放出自由基,自由基再作用于核酸、蛋白质和酶,促使微生物死亡。无论是哪种方式,食品在灭菌过程中只是获得射线的能量,并不直接接触放射源,不会出现“放射性残留”。
与传统方法比较,辐射处理食品操作的安全性好、效率高,能有效杀灭微生物,防止病虫危害,改善品质和卫生条件,延长食品和农产品的保存时间。经过辐射消毒的食品,在外形和品质上与新鲜食品几乎没有差别。某些辐照处理过的食品即使不冷冻也能保持新鲜状态达数月或数年之久。
截止到目前,世界上有42个国家正式批准了240多种辐照食品的标准。1988年12月,联合国粮农组织、世界卫生组织、国际原子能机构和国际贸易中心,在日内瓦联合召开了“辐照食品适用于贸易会议”,旨在进一步推广这种技术。我国自1986年开始,陆续了粮食、蔬菜、水果、肉及肉制品、干果果脯、调味品等6大类允许辐照食品名录及剂量标准。
辐射育种结出硕果
辐射育种是近年来发展起来的一种新奇的种植技术。它利用x射线、Y射线等照射农作物的种子、植株或某些器官和组织,促使它们产生各种变异。然后,再从中选择需要的可遗传变异,培育成新的优良品种。
射线具有很高能量和极强穿透力,在照射种子之后,可以使细胞内的染色体断裂,位置、结构和基因分子发生变化。而农作物的各种特性,都是由染色体的基因分子决定的。所以,射线照射使种子细胞染色体基因发生变化,最终导致生物体的特性发生变化。另一方面,射线还可以引起与细胞质有关的遗传性核外变异。两种作用的汇聚,促使辐射育种产生奇异特性,使农作物变异率比自然变异高出几百倍至上千倍,不仅如此,产生的变异特性还是多种多样的,范围非常广泛。实践证实,经过这样的技术种植,青椒重量可以达到500克,玉米能够结出7个棒,黄瓜可以长到半米高。美丽的花卉也会神话般地发生变异,“串红”本是一串串地开花,经过辐射处理可以满株开花,如同一座小塔。“万寿菊”本是单层的四瓣花,也变成多层的六瓣花。“矮牵牛”由原本开红色的小花,经过辐射培育,不仅花朵增大,而且一株可以开出红、白、粉等多种颜色的花朵。
辐射育种能够改变农作物品种单一的不良性,克服原有品种的缺点,还可以使发生的变异特性很快稳定,大大缩短育种过程。通过辐射培育还可以生成许多新的品种。例如,用射线照射过的蓖麻,生长期可以由原来的270天缩短到120天,形成生长期短的新品种。此外,辐射育种操作简便,只要把种子或植株放在射线源的附近进行照射,就可以达到预期的效果,既可以单独使用也可以和其他育种技术相结合,取得更好的效果。
人们除了利用产生射线的装置对种子进行辐射之外,还充分利用太空中强烈的宇宙射线和其他太空物理条件进行种子诱变,使辐射育种有了新的发展。科研人员利用航天飞机等飞行器,将种子送上太空。植物种子经过宇宙射线的辐射并受微重力的影响会加速培育过程,能够产生在常规育种条件下没有可能出现的变种。不仅能够提高农作物的产量,而且,所含的蛋白质、维生素也都有大幅度的提高。
辐照产品安全与否
如同转基因食品引起的争论一样,辐照食品对人类的健康是否有影响在世界上是有争议的。因为目前研究人员只能用动物或者离体细胞做实验,所以到底辐照食品对人体有什么样的影响,研究起来还很困难。因此,尽管世界上有42个国家正式批准了240多种辐照食品的标准,但也有一些国家是明令禁止的。在批准过辐照食品的国家中,也有像日本一样,只批准了辐照土豆抑制其发芽,而没有批准过其他食品的辐照处理。
另外,欧盟虽然允许被辐照的产品进口,但同时也规定了被辐照的产品必须在获得许可的辐照设施内进行加工,而我国尚没有一个辐照设施通过欧盟的注册和批准,也就是说,这些产品是被“非法辐照”而非“合法辐照”。事实表明,辐照设施所造成的安全隐患远比辐照食品为过,比如杞县的这次“钴60”事件。据统计,放射事故发生率美国每年每万枚放射源约为0.25次,而我国约为5.6次,要比美国高出20倍。
尤其应该关注的是辐照的不当和超量使用。由于辐照具有很好的灭菌效果,加大剂量的话微生物含量可以减至0,且操作简便,无需打开包装即可进行,速度快,成本低,很多企业甚至放松了对中间过程的卫生控制,反正细菌、病毒严重超标的产品辐照一下照样能够“达标”,辐照的剂量也远远超过国际标准。但是这种方法使用不当可能会产生辐解产物,要么造成食物营养素的破坏,要么造成药物的有效成分破坏,抗病毒能力降低。比如,辐照过的青霉素钾会引起摄用的小白鼠罹患癌症,所以美国已经严禁辐照技术应用于液体药物。
所以说,辐照产品不是错,严格控制是关键。
相关链接
辐照食品会有“放射性残留”吗?
辐照与冷冻、油炸、微波等处理工艺其实是一样的。生肉不能吃,炖了以后,就很香,因为分子结构发生了改变,而辐射源产生的伽玛射线对食品辐照的原理与此类似。我们知道,微波加工过的食品并不会有“微波残留”,同样,辐照过的食品也不会有放射性物质“沾染”或“放射性残留”。
【关键词】多层螺旋CT;骶髂关节;低剂量;CTDI(受检者剂量指数);DLP(CT剂量指数长度积分);Pitch(螺距)
【中图分类号】R816.8 【文献标识码】A 【文章编号】1004-7484(2012)13-0571-02
低剂量CT扫描最早是在1990年由Naidich[1]等提出的胸部低剂量CT扫描技术,并在临床上有所应用。但由于受CT设备成像质量的影响,在发现病灶及定性诊断上均不能替代常规剂量扫描。后来低剂量CT最多应用于肺部检查,李真林[2]等使用的低剂量CT扫描程序,已能从120 mAs下降至10 mAs;此时单次扫描的CT剂量指数从14.88 mGy下降至1.37 mGy,下降幅度高达90%以上。随着新技术的发展,低剂量CT能更广泛地应用于临床。对于如何表述CT检查所致受检者的剂量,目前仍在不断完善中。欧共体和国际电工委员会(IEC)1997年提出了受检者剂量指数CTDI(CTDlw)和CT剂量指数长度积分(DLP)。其中,前者反映了整个受照部位的剂量分布特性,后者则与受照部位的器官剂量和有效剂量有关[3]。
当然影响CT检查放射剂量的因素很多,大体主要有两个方面(1)CT机自身设置情况。(2)扫描参数(如管电压、管电流、层厚,螺距等的设置情况)辐射剂量随管电压、管电流、扫描时间和扫描范围增加而增大,随螺距增加而减少。降低管电压使辐射剂量下降的同时也使X线质量降低,其后果是射线的穿透力降低,吸收的辐射比例增加,导致患者接受辐射量和图像质量之间的关系破坏,改变影像质量。因此,在CT低剂量扫描方面,用降低管电压方法可行性差。增加螺距(Pitch) 其他扫描条件不变时,Pitch增加患者接受辐射剂量降低。但Pitch加大,层面敏感性曲线增宽,使影像在z轴的空间分辨力下降,故增加螺距来降低辐射剂量可行性方面也受到限制。所以现在大多数报道以降低mAs来作为低剂量扫描的一种行之有效的方法。目前国内外学者对胸部、颅脑,副鼻窦、急腹症及儿童的低剂量扫描进行了一系列既保证图像质量又能降低辐射剂量的研究,但骶髂关节低剂量扫描研究较少。骶髂关节周围有很多射线敏感器官如:生殖器、软组织腺体、骨骼组织等,因此应合理控制被检者辐射剂量是检查的前提条件,本研究主要对比降低管电流对辐射剂量的影响。在受检者剂量评估方面,采用CTDlw表达扫描区域内组织或器官的吸收剂量。CTDlw可在CT机显示屏上直接显示,采用此方法评价受检者的器官吸收剂量简便、快捷。
1 资料与方法
1.1 一般资料:
从我院2011―10~2012―10期间因腰腿痛行骶髂关节CT检查的成年患者共2300余例,在其中选取50例应用常规固定管电流300mAs进行容积扫描的患者和150例应用低剂量技术进行容积扫描的患者(分为A、B两组)。这200例中男120例,女80例,年龄20~72岁.平均54岁,体重指数BMI(body mass index)18.9~29.8,平均23.9,腹围66.5~95.1cm,平均83.2cm,所选人群符合标准人体体重分布。
【关键字】核元素仪表 核 安全
中图分类号:P634.3+6 文献标识码:A
1.前言
本世纪五十年代以来,随着核物理、核反应堆工程及核武器工业发展起来的放射性同位素与核辐射检测技术大量应用于工业,发展成为经济效益显著的工业技术领域—工业核辐射检测、分析与控制仪表,简称“工业核仪表”(也叫“同位素仪表”)。
2.核仪表简介
工业核仪表不同于其它工业仪表,它是利用辐射与物质相互作用时发生的吸收、散射、电离、激发等效应取得有关物质的微观、宏观信息的,因而具备一些突出的优点: (1)不接触被测对象,是一种非破坏性的检测工具。(2)检测灵敏度高、响应速度快、性能稳定可靠。(3)可在一些恶劣的现场条件下,如高温、高压、腐蚀或毒性等情况下对物料进行检测、分析与控制。
核仪表采用核元素做测量仪表,通过探测有、无待测物时粒子注量的变化或探测粒子与物质相互作用所产生的次级粒子的注量来检测有关量。分为透射式仪表、反散射式仪表。一般用于石油化工装置的核料位计和核密度计多为透射式仪表,由放置有密封放射源的容器(简称“源容器”)和检测仪表(简称“检测器”)两部分组成,其中检测器内置传感元件,接收射线强度信号并转换为电信号,电信号经信号处理器转换为物料料位高度或核密度。源容器安装于容器或管道的一侧,检测器安装于相对的另一侧。根据其检测原理基本分为以下:(1)核密度计属于反散射式仪表,它的放射源和探测器在被测物同一测,主要用于不便于射线穿透式测量密度的场合。
(2)核料位计:也称之为核物位计、放射性料位计,它是利用核射线穿透各种物质时受到不同程度的强弱衰减的原理而制成的。根据容器内物料的装料多少不同,而对射线吸收程度的不同而确定容器中的物料,诸如液体、颗粒和碎屑等的料位高度。
由二十冶承建巴新瑞木镍钴项目冶炼厂项目,在整个工艺流程中一些如高温、高压、腐蚀严重、介质粘度过高等特殊部位,常规检测仪表不能满足生产和工艺要求。而核仪表有非接触测量、低维护、并在恶劣条件下使用精确稳定可靠等特点,该项目关键部位设计采用核仪表检查和测量解决了其他仪表无法完成的测量难题。
3.工艺流程
瑞木镍钴项目冶炼厂主体工艺为矿浆中和、高压酸浸,、CCD逆流洗涤、高压酸浸给料矿浆浓缩、循环浸出及矿浆中和、中和除铁铝、浓密分离、除铁铝渣洗涤过滤,、尾渣中和等,工艺流程为矿浆经远距离的输送管道进入矿浆储存处理罐,为二十冶施工起点,经高压酸浸给料矿浆浓缩,进入高压酸浸低温预热泵至中温预热泵至高温预热泵,然后进入高压釜,经高压釜送至循环浸出及矿浆中和,部分矿浆经尾渣中和送入深海填埋至大海,矿浆中和后的矿浆送入逆流洗涤,1#CCD混合槽的矿浆自高到低溢流到7#CCD混合槽,送入除铁铝渣洗涤过滤,后经尾渣中和送入大海深海填埋至大海,经贫液过滤后的矿浆送入氢氧化镍及氢氧化钴溶液制备站,成品即为氢氧化镍及氢氧化钴。
根据工艺特点要求,冶炼厂的设计采用核仪表的核源产生的工作射线为射线——电磁射线,具有穿透性,以光速传播并传递能量,且被照射物体没有粒子残留,射线的辐射和灯泡发光类似,但它不可见,而且存在危险。自然界中放射物质很多,该厂使用的放射性仪表的射源采用Cs-137和Co-60。 射源是随着时间而逐渐衰减的,Cs-137 半衰期大约是30年;Co-60 半衰期大约是5年;放射源的活度是逐年减少的,就是辐射能量在减少,元素从不稳定状态向稳定状态蜕变。
放射性仪表采用 OHMART/VEGA 和 E+H 两家公司的产品。其中E+H——高压釜给料泵进料和排料缓冲罐,每系列每罐2套射源1套接收器,用于液位测量,共24台放射源。
OHMART/VEGA——冶炼厂除上述外的其他核仪表,用于液位测量及报警、密度测量,共80台放射源。
4.核源选型及分类
4.1其中矿浆处理、循环浸出及矿浆中和CCD逆流洗涤、高压酸浸给料矿浆浓缩等系统采用放射性浓度计,核源类型Cs-137。
高压酸浸系统采用放射性液位变送器,核源类型Co-60。
4.2核源检测的基本工作原理
放射源Cs-137/Co-60的放射物质呈粉状,放于双层密封的源罐中,开锁后由核源产生的射线通过窗口对准器放出,由传感器&变送器检测放射剂量并转换成电信号送入控制系统。
装有放射源罐和检测器分别装在被测容器的两侧,一束射线从源罐射向检测器,容器内没有物料时,能量全部通过,检测器输出最大信号。容器内充满物料时,检测器检测到最小信号,检测器的输出和料位成反比。
4.3仪表辐射防护概述
核辐射对人造成的伤害和以下几个方面有关:
辐射剂量、辐射时间、距离、屏蔽物体种类(如铅、钢、水泥等),危害程度和辐射时间、剂量成正比,和距离成反比。
由以上可以看出安装及维护核仪表及在核辐射区域内工作时,先用核剂量检测设备检测区域内的辐射剂量是否在安全许可范围,尽量缩短工作时间并避免正面接触射线射出位置,在条件允许情况下尽量关闭核源。
5.施工准备及安装
5.1 安装工序
严格做好技术交底,确认顺序,先安装放射仪表支架及传感器、敷设电缆接线,核仪表安装顺序定位支架、保温层、传感器、电气线路配管配线再核源安装。
最后再根据工程进度和工艺要求安装核源。根据到货的资料和仪表安装技术要求安装仪表,现场安装定位需要设计人员定位及提供中文版的安装资料和技术要求。
在具体安装过程中,必须对核仪表的安装支架及仪表安装位置等由设计代表定位保证放射源、探头的方向及设计图纸及产品技术要求一致
5.2 安全操作要求
因为安装工人没有接触过核源及检测仪表,心里有恐慌,拒绝安装,项目部协同管理公司请来专业人员讲解,对作业人员培训核仪表的专业知识,做好心理辅导及安全操作注意事项。
所有参加安装、调试人员只有经过核仪表专业人员书面培训合格的人员方可执行拆箱、安装、维护、移位、修理、测试等操作,严格按照核仪表安装和安全要求施工,开工作业前提供作业人员名单备案,严格按照技术交底及安全交底开展工作,穿好防护服,并随身佩带经过安全检测合格的辐射计数仪,每天做好安装过程中核辐射受体的计量统计并备案。
工作中,要严肃认真,一丝不苟,精益求精。
5.3 安全操作要领
依据核仪表到场技术资料要求、安装调试说明书施工。
5.3.1开箱前首先需要用辐射计数仪对集装箱周围施工区域检测,确认是否安全。同时需要对施工区域进行安全隔离,并做好安全隔离标识。
5.3.2 从存放核仪表的集装箱内核对装箱单找出所需安装仪表。
选择相对干净干燥的地点,由经过培训人员开箱。核源开箱前检查完整程度、检查包装;查看包装是否有损伤;若存在包装损伤情况,须要求设备及物流方详细报告损伤情况并在30天内与生产厂家取得联系。
核对装箱单开箱,要求操作时要轻拿轻放,避免撞击仪表以免引起变形或者泄露等。
5.3.3 核源开箱后,首先检查每个源罐的开关手柄指向off位置,若发现手柄为on立即将其置off。
大部分源罐是设计可以上锁的,如果发现源罐不带锁,锁不够牢固,或者锁不上等情况立即与设备厂代联系。
5.3.4根据各工艺段的调试进度和现场安全条件满足的情况在安装核源。
核仪表安装前需要对施工区域进行安全隔离,并做好安全隔离标识。
5.3.5 需要用辐射计数仪对施工区域进行全程监控,核源开箱、从存放地点到安装地点的运输及安装过程中做到轻拿轻放,尽量避免震动、碰撞、击打等容易对核源造成损害泄露的情况发生,做到安全施工。
5.3.6 指定专门车辆运输,运输时要用绳子绑扎固定牢靠,随车人员监控。
5.3.7 核源安装、调试时需要厂代现场指导。
5.3.8 核源安装完毕周围应同时设立好安全警示标示、安全区域划定及防盗防丢失装置。
5.3.9在核源开箱、运输、安装、调试及处理应急情况时必须配备防护服和辐射计数仪。
使用辐射计数仪测量时施工区域应满足下列标准:
检测仪表的使用场所 距边界外下列距离处的剂量
当量率H控制值,μSv/h
5cm 100cm
对人员的活动范围不限制 H
在距源容器的1m区域内很少有人停留 2.5≤H
在距源容器外表面3m的区域内不可能有人进人,或放射工作场所划出了监督区和非限制区 25≤H
只能在特定的放射工作场所使用,并按控制区、监督区、非限制区分区管理 250≤H
6.定位安装
6.1核仪表安装的安全要求。
超过两米以上高空作业时,作业人员要戴好安全带,使用梯子时要有专人把扶,核源安装需有牢固措施,区域周围设立警戒标示,无关人员禁止入内,用吊链作业吊装时要根据核源的重量选用合适的吊具及绳索。如有需要做移动安全平台。
用吊车高空安装核源吊装作业时,区域周围设立警戒标示,无关人员禁止入内,吊装时要根据核源的重量选用合适的吊具及绳索。
6.1核仪表的安装方法
料位计的安装请遵循以下三点原则:
料位位计安装示意图
6.1.1在侧视图上,放射源的中心位置与100%料位持平,接收器蓝色外壳部分的底端与100%料位持平。
6.1.2在俯视图上,若设备内无搅拌器等阻碍,则放射源与接收器安装在设备中线180度相对位置。
6.1.3若设备外壁有保温层,则放射源与保温层保持50mm的间隔,接收器的蓝色外壳部分同样与保温层保持50mm间隔,最大不超过100mm。(如设备无保温层,则与设备外壁保持同样要求的距离)
6.2液位开关的安装方法。
液位开关安装示意图
6.2.1在侧视图上,放射源与接收器需安装在同一水平线上(即报警位置)。但需要注意的是,对于SR2型号的放射源,接收器需向下移动51mm,如下图所示。
6.2.2在俯视图上,若设备内无搅拌器等阻碍,则放射源与接收器安装在设备中线180度相对位置。
6.2.3若设备外壁有保温层,则放射源与接收器都需要与保温层保持50mm间隔,最大不超过100mm。
6.3密度计的安装原则
密度计采用管卡式的安装,但安装位置要求安装在竖管上,且管道中物料的流动方向是由下至上的。
6.4放射源及仪表的安装
设备主体就位,保温层完成后,
根据既定原则准备安装支架,将放射源及仪表螺栓固定在安装支架上(安装螺栓已提供,核源安装委托厂家专业技术人员安装)。
6.5仪表标定条件
6.5.1 要求所有设备空罐,用于标定零点。;
6.5.2高压釜的液位计,要求设备可进水用于量程标定。
6.5.3密度计所有管道可充满水或被测介质的密度已知,用于量程标定。
标定完成后,所有设备可加温加压至正常工作状态。
6.5.5核源安装好后要及时做好“三叶”辐射警示标示及文字标示和安全距离等表示。禁止无关人员靠近。
6.5.6核源设备工作状态时需检修或者处理问题时,应先关掉放射源并派专人看管。
无关人员严禁进入施工现场,严禁触摸和核源有关的一切按钮、开关等。
7. 安全应急
整个施工过程需建立完善的应急领导小组,并设专人负责。要求在运输或者安装过程中轻拿轻放,严禁击打碰撞核源以免发生变形或者造成泄露。若发生放射源泄露,作业人员应立即撤离到安全地带,用警戒标示做好隔离并专人看管,同时报告安全主管及上级主管部门。立即拨打电话向当地急救中心取得联系,应详细说明事故地点、伤害种类和程度及本部门的联系电话,并派人到路口接应。同时立即向应急抢险领导小组汇报事故发生情况并寻求支持。
综上所述只要认真掌握核元素的安全知识,依据核仪表的操作安装规程施工,施工中切忌麻痹大意,做好安全防护措施,就会让核元素这个“洪水猛兽”在工业企业中得到最大的、最安全的应用。