診斷X光能用來除霾嗎？
——X光在減少工業污染氣體排放中的潛在應用

賈廣

美國路易斯安那州立大學 物理與天文學系

診斷X光能用來除霾嗎？
——X光在減少工業污染氣體排放中的潛在應用

賈廣

美國路易斯安那州立大學 物理與天文學系

欄目主編：賈廣

賈廣，河南安陽人。1997年畢業于蘭州大學物理系，2006年獲美國俄亥俄州立大學生物物理學博士學位?，F為美國路易斯安娜州立大學物理和天文系的副教授，美國放射學委員會認證的診斷醫學物理師。主要從事醫學物理和癌癥影像學的研究。他對肝癌的血流分布的區域不均勻性做出了開創性地描述，并首次提出將蛋白質磁共振成像方法應用于前列腺癌的探測。已在國內外學術期刊、會議上發表論文176篇，其中SCI收錄28篇。

我國的霧霾污染近年來有加劇的現象，國家最近也特別重視，希望能從工業源頭控制污染氣體排放。我們提出利用X光的電離效應設計一種安裝在工業煙囪出口的凈化裝置，可以有效控制工業污染氣體排放。

霧霾；診斷X光；大氣污染；空氣凈化；減排；電離效應

0 前言

我國的多個地區的霧霾污染越來越嚴重，霧霾出現的越來越頻繁，在雜志上也常有報道。在霧霾出現的時候，行人戴上防霾口罩，減少戶外活動，在家中安裝空氣凈化，是目前比較常見的手段?？墒沁@些手段都是被動防霾。從源頭最大限度地減少污染排放才是根本。

工業污染和燃煤在霧霾污染源中占了近一半的比重。如何控制這些污染源，是一個比較急迫的任務，受到了國家的高度重視。如果采取限制企業生產的手段，只會影響國家的工業發展和人民群眾的生活。有些城市的典型做法是將高污染排放的企業和熱電廠清退出城，而這樣只能延緩霧霾的傳播時間，卻加重了周邊地區的污染狀況，還額外增加了企業的搬遷和運輸成本。如何能找到一種簡便有效的工業除霾方法，在解決霧霾污染的難題面前，擺在了越來越重要的位置。

X光可以穿透人體，并部分通過反應被人體組織吸收。X光的這種穿透顯影被倫琴發現于1895年，被用來設計X光照相術，乳房X線照相術，X線透視檢查，計算機斷層掃描，等等。這些技術已經成為醫學影像學的重要手段，在疾病的診斷治療上起著重要的作用。與之同時，X光源的設計也日漸成熟，在小型化和穩定性方面都有很大的保障[1]。

X光與人體組織的反應中有很大一部分屬于電離效應，即將原子內的電子打出來，使原子帶電，成為離子。X光的電離效應通常對人體有輻射危害，需要嚴格的控制。然而轉換思路，這種電離效應或許可以應用到工業污染排放來除霾，譬如可以將X光源安裝在工業煙囪內，讓空氣中的粒子帶電成為離子，同時使用電極收集這些離子。當這些離子象河水一樣流向電極的時候，會附著在污染微粒上，裹著污染顆粒一起被拉向電極，從而達到去除污染的目的（圖1）。本文根據霧霾空氣中PM2.5的成分計算不同能量X光的電離效應和衰減系數，并提出這種工業除霾設備的設計構想。

圖1 使用診斷X光過濾工業煙囪的污染氣體排放的示意圖。

1 材料與方法

X光在霧霾氣體中的電離效應和衰減系數：陳進生2013年發表的論文[2]中發布了廈門霧霾季節（2010年12月29日夜間）空氣中PM2.5的化學組分，這些成分被輸入到美國國家標準技術局（NIST）網站上的光子截面數據庫（XCOM，http://www.nist.gov/pml/data/xcom/），得到不同能量X光穿越PM2.5過程中由于電離效應（光電吸收和康普頓散射）造成的質量衰減系數，并與純凈空氣的質量衰減系數做了比較。

X光除霾設備的實驗設計：我們設想一個邊長為1 m的立方盒子，里面充滿了工業煙囪的直接排放氣體，假設污染氣體的總密度為純凈空氣的密度（1.225×103g/cm3）。我們計算出X光在氣體中的線性衰減系數μ和平均自由程（1/μ）；通過選取X光光管電壓，讓平均自由程盡量接近立方盒子的邊長，這樣既能高效發揮電離效應，還能最大限度避免輻射泄漏；假設X光源發射的為單一能量的X光，根據X光光管電壓可以計算出X光子的能量；假設每一次電離反應要消耗33.85 eV才能產生一個離子對[3]，計算出單個X光子在平均自由程可以產生多少離子。

2 結果

診斷X光在霧霾氣體PM2.5中的質量衰減系數隨X光子能量增加而逐漸降低（圖2）。當X光能量小于8.98 keV的時候，光電吸收占總衰減系數的100%的比重，康普頓散射完全可以忽略不計，從圖2中也看出，總衰減曲線和光電吸收曲線完全重合。當X光能量是20 keV的時候，光電吸收仍占總衰減系數的94%，康普頓散射只占6%。當X光能量是50 keV的時候，光電吸收和康普頓散射各占總衰減系數的50%。當X光能量繼續增加的時候，光電吸收的貢獻迅速減少，在X光能量為150 keV的時候，光電吸收只占總衰減系數的5%。

圖2 X光在霧霾PM2．5微粒中的電離效應。

X光在霧霾PM2.5微粒中的質量衰減系數在低能量是與純凈空氣比較接近（圖3）。在2.472 keV和2.822 keV的時候，X光在霧霾PM2.5微粒中的質量衰減系數與純凈空氣的數值相比出現顯著升高，這剛好對應于硫和氯的k殼層的結合能。這種差別在3 keV和50 keV區間一直顯著存在。當X光能量繼續升高的時候，這種差別逐漸減少并最終趨于消失。

圖3 X光在霧霾PM2．5微粒和純凈空氣中的質量衰減系數比較。

在邊長為1 m的立方盒子中，X光子的平均自由程也為1 m，線形衰減系數為1m-1，質量衰減系數為816 cm2/g，在純凈空氣中需要X光子的能量為1.716 keV，單個光子可以產生51個離子對；在霧霾PM2.5微粒中需要1.678 keV的X光，單個光子可以產生49個離子對。

3 討論

3.1 顆粒收集電極板的設計構想

如果X光源短時間內產生出過多的帶電顆粒，收集電極板不能盡快收集它們，離子對就會重新復合，影響除霾效果。我們假設立方盒子的對應兩面為收集電極板，板間距為1 cm，典型的電壓為100 V，帶電顆粒的漂移速度如果為1 m/s，這意味著離子到達收集電極板的時間為10 ms[4]。① 假設在10 ms內所有的煙霧顆粒都被X光電離，并被全部收集，那么就不會出現復合。如果我們知道立方盒子里共有多少個污染微粒，就可以計算出收集速率，即盒子里的煙霧微粒除以10 ms。② 我們可以進一步模擬出離子如何附著在污染微粒上，使污染顆粒變為帶電顆粒。若已知盒子中的總污染微粒數，就可以計算出共需要多少X光才能使所有的顆粒帶電。③ 最后根據收集電極的收集速率，估算出X光源的光管電流。

與負離子空氣凈化器的比較：本文建議的X光電離空氣的方法與負離子空氣凈化器有些類似。負離子空氣凈化器采用高壓電極電離空氣分子，并使用電極收集帶電微粒，是一種常用空氣凈化的手段。負離子空氣凈化器使用的高壓電極，作用的空間范圍比較有限，很難覆蓋工業煙囪這樣的尺寸；如果將高壓電極暴露于空氣中，在各種惡劣天氣環境下會出現許多安全使用和維護的問題。我們的方法將高壓嵌入技術成熟的X光源，并把高壓加速電子的能量轉化為X光子，而不同能量的X光子有不同的平均自由程。我們可以根據工業煙囪的尺寸，調整優化X光能量，有效凈化所有的污染排放氣體（圖4）。

圖4 X光跟污染氣體作用形成帶正電和負電的微粒并被電極板收集。負離子空氣凈化器采用高壓電極產生電子并與微粒結合，形成負電微粒，然后被電極板收集。

3.2 與診斷X光源的比較

這個方法采用了類似診斷X光源的光管電壓產生X光，如乳房X線照相術（Mammography）使用的是30 kV，熒光透視（fluoroscopy）為80 kV，電子計算機X射線斷層掃描技術（CT）為80～120 kV。我們可以借鑒或直接使用這些醫學診斷設備的X光源，采用類似的變壓器，安裝到工業煙囪上。醫學影像診斷設備通常需要變頻器來產生極小的電壓紋波，以保證穩定的X光源和高質量圖像。為了節省成本，我們可以去掉變頻器等環節，只使用變壓器和整流器就能使X光源仍維持較高的工作效率。

3.3 收集電極的設計

收集電極板之間的電壓高低、距離長短和電極的形狀設計，都取決于工業排放的化學組分和X光的電離效率。設計思路可借鑒醫學工程中的自由空氣電離室的電極，譬如每厘米的電壓為100～200 V[4]。最優化的設計才能保證帶電微粒的快速收集過濾。如果同時能夠避免使用高壓，安全性就可以得到充分的保證。收集電極的集霾效率可以通過電極的電流得到適時體現，如果電極電流出現顯著下降，說明除霾效率很低，需要進行調整或修理。譬如X光源發射窗口需要清理，電極需要清理，或者X光能量需要調節，可以通過調節電壓或調整射線濾波片來實現。收集到的微粒粉末如何安全地存儲并加以利用，以防止出現二度污染，需要進一步的研究。

3.4 根據污染排放實時調整工作狀態

可以建立收集電流和X光源的正反饋機制，使整個裝置始終處于最佳工作狀態，以最高的效率去處煙囪的污染排放。收集的電流可以被補充到X光源，用于X光的產生，有一定的節能效益。當煙囪沒有排放或只有少量排放的時候，可以關掉X光源或調低X光發射，可以最大限度地降低輻射危害。

3.5 潛在的輻射危害

由于X光會產生帶電微粒及次生微粒，如臭氧，如果被人吸入肺部，進入血液循環系統，會對人體健康造成危害。所以只推薦工廠內使用，不推薦社區室內安裝使用。除了用于放射診斷的低能X光，用于公共場所（如幼兒園和醫院）的紫外光，也可以基于類似的原理用來電離污染微粒。紫外光的安全性比X光要高，但是有效電離半徑會大大縮小，可能會影響除霾效率，并不適用于工業煙囪。

3.6 輻射防護

2004年出版的美國國家輻射防護與測量委員會 147號報告[5]對于醫用X光影像設備的場所結構防護給出了指導意見和一些具體實例。這些都可以用于指導煙囪霧霾過濾裝置的設計，安裝和維護。在考慮輻射對人群的影響中，可分為廠外人群和廠內人群，估算每周暴露在可能輻射區域的時間。測量煙囪頂端到工廠車間的最近距離和煙囪到廠外的最近距離，依據平方反比定律，計算可能受到的輻射，同時依據人群所能接受的輻射水平上限，設計煙囪霧霾過濾裝置的輻射防護，如鉛板的厚度等等。同時需要醫學物理師或醫學工程師對整個安裝過程進行監督。在完成安裝和調試后，需要醫學物理師或醫學工程師檢查輻射防護效果，才能完成接收工作。最后還需要醫學物理或工程師對除霾裝置進行每季度或每年的常規輻射檢查，將輻射危害降至最低水平。

4 總結

本文研究了醫學診斷X光在霧霾氣體中的電離效應，并利用這種電離效應設計了一種工業煙囪除霾的設備，希望能在控制工業污染排放中起到關鍵作用。

致謝：

非常感謝路易斯安那大學醫學物理組的Wei-Hsung Wang教授和KennethMatthews II教授，以及Pennington生物醫學研究中心的Steven Heymsfield教授。他們提出了非常寶貴的建議，對本文的完成起了重要的作用。

[1] Jerrold T．Bushberg,J．Anthony Seibert,Edwin M．Leidholdt Jr．, John M．Boone．The Essential Physics of Medical Imaging,Third Edition．Lippincott Williams & Wilkins:2011．

[2] Fuwang Zhang,Jinsheng Chen,Tianxue Qiu,Liqian Yin,Xiaoqiu Chen,Jianshuan Yu．F．Zhang,J．Chen,T．Qiu,L．Yin,X．Chen and J．Yu,"Pollution Characteristics of PM2．5 during a Typical Haze Episode in Xiamen,China,"Atmospheric and Climate Sciences,Vol．3 No．4,2013,pp．427-439．

[3] William R．Hendee,Russell Ritenour．Medical Imaging Physics, Fourth Edition．Wiley-Liss:2002．

[4] Knoll,Gleen F．Radiation Detection and Measurement,Third Edition．John Wiley & Sons,Inc:2000．

[5] NCRP Report No．147,Structual Shielding Design for Medical X-Ray Imaging Facilities,National Council on Radiation Protection & Measurements．

Potential Applications of Diagnostic X-rays in Filtering Air Pollutants

JIA Guang
Department of Physics and Astronomy, Louisiana State University, Baton Rouge, LA 70803, USA

Air pollution and haze in China have reached intolerable levels. It is important to make significant progress in controlling air pollution. We proposed a novel type of air purifier, which is based on ionizing interaction of X-rays with air pollutants. The device is composed of two components: X-ray tubes and collecting plates. The X-rays generated by X-ray tubes are used to ionize air pollutants in order to charge airborne particles. The collecting plates are used to collect those charged air pollutants. Our device can be installed as a filter on top of every industrial chimney that can efficiently remove air pollutants.

haze; diagnostic X-rays; air pollution; air purification; reduction of pollution emission; ionization effect

TH774

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.04.001

1674-1633(2014)04-0001-03

2014-02-15

作者郵箱：gjia@lsu.edu