兰州大学稀有同位素前沿科学中心成功研制高精度量热计 为医用同位素活度测量提供自主技术方案

近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心、核科学与技术学院陈熙萌教授、陈林教授团队在医用同位素活度精准测量领域取得重要进展，成功自主研制出高性能量热计及其智能测控系统。该成果有效解决了α/β放射性核素活度测量中长期存在的无损、快速、高精度计量难题，为核医学临床安全用药及辐射防护提供了坚实的技术支撑。

放射性同位素已广泛应用于肿瘤、神经系统等重大疾病的诊断与治疗，其中约30种α/β核素（如³H、¹⁴C、¹³¹I、²¹¹At、²²³Ra、²²⁵Ac等）因射线穿透力弱、能量易被吸收，传统电离室或闪烁体测量方法存在取样复杂、自吸收干扰等局限。量热法通过探测核素衰变释放的微量热量反推活度，属于绝对测量技术，具有无需取样、无视自吸收、探测效率与射线能量无关、不产生二次废物等突出优势，已成为当前国际医用同位素计量研究的前沿方向。然而，实现微瓦级热量的精准捕捉，对测量环境的恒温稳定性与热平衡速度提出了极高要求。

图1：量热计实物图（a）与结构图（b）

图2：PID控温精度（左）与量热计背景波动水平（右）

团队历时攻关，从热学底层机理出发，对绝热层、水浴层与PID控温层进行了全流程热输运仿真与结构参数系统优化。研究发现：第二、第三绝热层（EPS‑II、EPS‑III）厚度取5mm可显著缩短热平衡时间，而第一绝热层（EPS‑I）取30mm则能有效隔离外界温度扰动；单独依靠水浴层（控温精度±0.05℃）时量热室存在约0.1℃温度漂移，通过精细调节控温层加热功率（4.577-5.423W）可将波动抑制至仅0.0001℃；同时证实EPS‑II与EPS‑III对维持量热室温度均匀性（最大温差≤0.002℃）不可或缺。三层协同设计使整机控温精度实测达到±0.0005℃，为微量热测量构筑了极致稳定的热学基础。

基于上述方案制成的量热计在实测中表现优异：测量范围覆盖4μW至100mW，灵敏度系数恒定于0.297 V/W，输出热电势与输入功率呈优异线性关系；连续本底测量显示背景信号标准偏差仅0.145±0.011 μV，最低可检测热功率低至1.6 μW；经30小时连续控温监测，控温精度稳定在±0.0005℃。尤为突出的是，该装置在微瓦级热功率范围内仅需15分钟即可达到热平衡，毫瓦级范围约30分钟，相较传统量热计大幅缩短了测量等待时间，可有效满足多种医用同位素现场快速检测的实际需求。

图3：热电势输出曲线与功率校准曲线：曲线(a)和(b)代表微瓦级数据，而曲线(c)和(d)对应毫瓦级数据

目前，该量热计已成功部署于医用同位素生产现场，运行状态良好，切实服务于活度快速、准确测量工作。团队表示，未来将围绕进一步提升测量精度、缩短平衡时间持续开展深入研究，不断推进我国医用同位素计量技术自主化进程，助力核医学事业高质量发展。

此项成果以“A microwatt calorimeter for medical radioisotopes”为题发表于核仪器与方法领域权威期刊《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A》；同时获授权国家发明专利《一种用于快速测量和高精度恒温的放射性微量热装置》（ZL202411129730.1）及计算机软件著作权《微量热计测控系统V1.0》（2024SR0930639）。该工作得到了兰州大学稀有同位素前沿科学中心、国家自然科学基金等项目的支持。