大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測校準方法

容俏敏 白春星 劉本德 劉 丹 丁長立

(中國人民解放軍96401部隊80分隊，寶雞 721006)

0 引言

在核能應(yīng)用、國防工業(yè)等領(lǐng)域，使用大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備對工作人員手、腳及全身污染進行監(jiān)測，這是現(xiàn)階段評價工作人員在輻射場所中所受a 、β和g 個人表面污染程度的主要技術(shù)手段。監(jiān)測設(shè)備各項參數(shù)指標的檢測結(jié)果是否準確可靠，將直接關(guān)系到廣大工作人員的輻射防護安全。例如，監(jiān)測設(shè)備報警閾值設(shè)置過高可能會引起放射性污染物的擴散，報警閾值過低則會導致頻繁報警[1]，引起人員恐慌，妨礙正常工作。因此，表面污染監(jiān)測設(shè)備的精確校準及報警閾值的準確設(shè)置是及早發(fā)現(xiàn)放射性污染、減小人員受照劑量和避免污染向控制區(qū)外擴散的關(guān)鍵。而目前，國內(nèi)還鮮有針對這類大面積、多探頭個人表面污染監(jiān)測設(shè)備的校準測試技術(shù)手段和方法。

為了解決大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備的校準測試技術(shù)難題，確保廣大輻射防護工作人員個人表面污染監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確可靠，研制大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備測試系統(tǒng)并開展校準技術(shù)研究，是非常迫切和必要的。

1 大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備校準測試中存在的問題

大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備主要包括：手腳a 、β表面污染監(jiān)測儀，全身a 、β表面污染監(jiān)測儀，全身a 、β和g 表面污染監(jiān)測儀等。其a 、β量程通常為0～106計數(shù)/分，對不同核素的探測效率通常在1%～50%之間，在其整個有效測量范圍內(nèi)基本誤差應(yīng)不超過±25%(不包括標準源活度的不確定度)。

這類大面積多探頭輻射監(jiān)測設(shè)備的探測器窗口面積遠遠大于150cm2，按照國家相關(guān)計量法規(guī)要求，對表面污染監(jiān)測設(shè)備進行測試時使用的校準參考源活性區(qū)面積應(yīng)等于或大于探測器窗口的面積[2]。而目前，國內(nèi)外的放射源制作工藝和技術(shù)還無法制作出均勻性指標達到國家要求的面積大于150cm2的標準放射源，因此，使用現(xiàn)有標準放射源和校準測試方法，無法滿足大面積多探頭輻射監(jiān)測設(shè)備的校準測試要求?，F(xiàn)有滯后的校準測試手段和方法已經(jīng)成為開展大面積多探頭輻射監(jiān)測設(shè)備校準測試的瓶頸。

2 大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備的校準測試技術(shù)研究

2.1 “多點法”校準測試技術(shù)

在對長期計量檢定工作實踐經(jīng)驗全面總結(jié)的基礎(chǔ)上，依據(jù)國家相關(guān)規(guī)程的要求，結(jié)合現(xiàn)代電離輻射計量測試新技術(shù)，我們探索出采用“多點法”，用小面積參考源替代大面積參考源來完成大面積探測器校準的方案。在“多點法”校準過程中，針對不同形狀和面積的探測器，選取不同的校準點數(shù)量與布點方案。IEC61098:2003國際標準建議手部探測器(15cm×10cm)的校準選取24個點，腳部探測器(30cm×10cm)選取44個點[3]。

利用“多點法”對多探頭輻射監(jiān)測設(shè)備校準測試，探測器面積越大校準時間越長，為了提高校準效率，對于150cm2以上更大面積的探測器，采用以下多種布點方案和數(shù)值積分方法，以減少需要測量的點數(shù)，縮短校準測試時間，提高校準效率。

2.1.1 圓形探測器“多點法”布點方案

對于圓形探測器，其平均探測效率的實驗布點方案示意如圖1(a)所示。設(shè)x處的探測效率為C(x)，則對于半徑為r、探測面積為A的探測器，其平均探測效率為

(1)

確定該探測器的探測效率，只需用一個對于探測器的探測面積足夠小的“點”源，做出如圖1(b)的曲線，并按曲線下的面積求和，就可得到平均探測效率。

圖1 圓形探測器的平均探測效率計算示意圖

2.1.2 矩形探測器“多點法”布點方案

對于矩形探測器，其平均探測效率的實驗布點方案示意圖如圖2所示。

圖2 矩形探測器的平均探測效率計算示意圖

探測器的平均探測效率是建立在數(shù)值積分的高斯求積公式基礎(chǔ)上的[4]。取高斯求積公式中的插值點數(shù)為4，并令N1=f(x1,y1)，N2=f(x2,y1)，N3=f(x3,y1)…N15=f(x3,y4)，N16=f(x4,y4)，即N1，N2，N3…N15和N16是各插值點的函數(shù)，重復運用高斯求積公式進行二重積分，可得探測器的平均探測效率為

N4+N13+N16)+0.1063233(N6+N7+N10+

N11)+0.0567129(N2+N3+N5+N8+N9+

N12+N14+N15)

(2)

因此，當探測器的探測面積外形為正方形時，要確定該儀器的探測效率，只需用一個對于探測器的探測面積足夠小的“點”源，在上述16個位置處測得各點的探測效率N1，N2，N3…N15和N16，然后代入式(2)，就可得到該探測器的平均探測效率。對于長和寬分別為a和b的長方形，則其插值點的數(shù)值只需分別乘以a和b，而插值點的相對位置保持不變，式(2)仍然適用。

2.2 異形探測器的校準測試方法

對于個人表面污染監(jiān)測設(shè)備上的手部探測器(15cm×10cm)和腳部探測器(30cm×10cm)等異形探測器的校準，采用15cm×10cm=150cm2的參考源，結(jié)合專用校準器具可實現(xiàn)其快速校準。

3 大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備校準測試系統(tǒng)設(shè)計方案

在對“多點法”校準測試技術(shù)深入研究的基礎(chǔ)上，針對不同形狀和面積的探測器，確定校準點的數(shù)量與布點方案，設(shè)計由系列校準放射源、空心人體軀干模型、實心人體軀干模型和專用系列校準器具等部分組成的校準測試系統(tǒng)，以實現(xiàn)大面積多探頭a 、β和g 個人表面污染監(jiān)測設(shè)備的校準測試與檢定。

3.1 a 、β和g 系列參考源

IEC61098:2003國際標準推薦的a 參考源是241Am，β參考源應(yīng)確保在以下三個能區(qū)(小于200keV，200keV～500keV，大于500keV能區(qū))內(nèi)至少各有一個參考源?？紤]射線能量、核素半衰期、可獲取性等因素，擬選擇的放射性核素如表1所示。

表1 擬采用的a 、β和g 參考源

參考源的表面發(fā)射率應(yīng)覆蓋污染監(jiān)測設(shè)備的有效量程0～106min-1，為方便手部探測器(15cm×10cm)和腳部探測器(30cm×10cm)的校準需要，優(yōu)先選擇150cm2的大面積參考源，為了“多點法”應(yīng)用于大面積探測器校準的研究需要，還應(yīng)選擇10cm2的小面積參考源。參考源的單位面積活度值不確定度不超過10%，均勻性好于10%。參考源的單位面積活度值的確定由國家計量院或國防放射性計量一級站完成，均勻性檢驗自行采用小面積探測器以逐點掃描的方法或采用膠片感光的方法完成。

3.2 空心人體軀干模型和實心人體軀干模型

通過研究污染監(jiān)測設(shè)備響應(yīng)隨各種影響量(如距離、位置、測量時間、干擾輻射等)的變化規(guī)律和功能性驗證方法及被校準設(shè)備圍繞人體表面不同位置的放射源水平響應(yīng)規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)，與專門針對某一特定型號監(jiān)測裝置的校準需要而研制的校準梯相比，采用人軀干模體的方案具有更普遍的適用性。其中，對應(yīng)于β和g 污染監(jiān)測設(shè)備的人軀干模體分別是空心和實心人軀干模體。

3.3 專用系列校準器具

針對大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備研制的手部a 、β污染監(jiān)測裝置的校準器具、搜尋探測器的校準器具和包含6個g 平面源(100mm×100mm)的校準梯示意圖如圖3所示。

圖3 專用系列校準器具示意圖

其中，手部a 、β污染監(jiān)測裝置的校準器具由契形手模體和其上安裝的不同核素平面參考源組成，平面參考源可根據(jù)需要安裝在手模體的一面或兩面上；搜尋用a 、β探測器通常是手腳污染監(jiān)測報警裝置上的輔助探測器，用于衣物表面的a 、β污染監(jiān)測和對手腳污染監(jiān)測結(jié)果的驗證，實現(xiàn)其現(xiàn)場的快速校準；針對特定型號的具有g(shù) 污染監(jiān)測能力的全身污染監(jiān)測設(shè)備的校準/測試目的，研制由多個g 平面源構(gòu)成的校準梯。根據(jù)被校準設(shè)備的類型，可采用不同尺寸、不同活度和不同核素的平面參考源。

專用校準器具應(yīng)用于a 、β和g 污染監(jiān)測設(shè)備的校準工作中，其優(yōu)點在于：

1)可準確控制參考源與被校準探測器之間的距離；

2)大大縮短了現(xiàn)場校準工作的準備時間；

3)盡量避免操作人員與放射源的直接接觸。

4 系統(tǒng)主要技術(shù)指標與性能測試分析

4.1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標

校準系統(tǒng)的主要技術(shù)指標滿足以下要求：

a 參考源能量：5486 keV；

β參考源能量范圍：66～2274keV；

g 參考源能量范圍：66～2274keV；

參考源表面發(fā)射率：0～106min-1；

單位面積活度值的不確定度小于10%；

參考源的均勻性小于10%(150cm2)；

空心人軀干模體：材料密度為1g/cm3，壁厚大于0.5cm，高度為50～100cm，斷面周長為95cm，長軸為35cm的橢圓體(用于β水平響應(yīng)測試)；

實心人軀干模體：材料密度為1g/cm3，高度為50～100cm，斷面周長為95cm，長軸為35cm的橢圓體(用于g 水平響應(yīng)測試)。

4.2 不確定度分析

本測試系統(tǒng)，不確定度分量由以下幾部分構(gòu)成：

1)單位面積活度值的不確定度u1<10%。

2)參考源的不均勻性引起的不確定度u2<10%。

3)表面發(fā)射率與單位面積活度值的轉(zhuǎn)換系數(shù)的不確定度u3<15%。

4)重復性引起的不確定度[5]u4<5%。

5)校準距離偏差[6]引起的不確定度u5<5%。

由以上各不確定度分量，得出測試系統(tǒng)測量合成標準不確定度[7]uc：

(3)

經(jīng)計算驗證，系統(tǒng)測量合成不確定度uc<22%，滿足要求。

4.3 重復性分析

5 技術(shù)創(chuàng)新點

5.1 采用“多點法”校準測試技術(shù)，實現(xiàn)大面積多探頭探測器的高精度校準測試

根據(jù)國家計量法規(guī)要求，用于表面污染監(jiān)測儀校準測試工作的參考源，其活性區(qū)面積應(yīng)等于或大于探測器窗口的面積。由于受均勻性指標的限制，目前國內(nèi)外標準源的面積不大于150cm2。因而，大面積探測器的校準測試工作，無法采用常規(guī)的表面污染監(jiān)測儀的校準測試方法進行檢定。本方案通過采用“多點法”校準測試技術(shù)，在大面積探測器的有效探測范圍內(nèi)合理選取多個測量點，利用小面積標準源，對選取的點位分別進行測試，對所有測量點的數(shù)據(jù)綜合分析處理后給出校準測試結(jié)果。

5.2 通過建立人體軀干模型，為研究探測器響應(yīng)隨各種影響量的變化規(guī)律提供了科學的測試研究模式

在大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備使用過程中，被測對象的位置變化、距離遠近、測量時間以及干擾輻射等因素都會影響探測器的響應(yīng)和測量數(shù)據(jù)。通過建立人體軀干模型，為研究探測器響應(yīng)隨各種影響量的變化規(guī)律提供了科學的測試研究模式。本方案研究了探測器響應(yīng)隨各種影響量的變化規(guī)律，建立了功能性驗證的方法，最終確定被校準設(shè)備圍繞人體表面不同位置的放射源水平響應(yīng)規(guī)律。

5.3 通過研制系列專用校準器具，實現(xiàn)不同面積和不同形狀探測器的快速校準測試

由于大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備的探測器形狀各異，探測面積大小不一，校準測試設(shè)備如何布置和固定是開展校準測試工作必須面臨和解決的難題，比如，標準放射源如何準確定位在距探測器符合規(guī)定要求的距離位置上等問題。本文根據(jù)現(xiàn)有大面積多探頭表面污染監(jiān)測設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能特點，按照國家計量法規(guī)和規(guī)程的技術(shù)要求，研制適用于各種形狀和不同面積探測器的專用系列校準器具，可實現(xiàn)不同面積和異形探測器的快速校準測試。

6 結(jié)論

本文深入研究大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備測試校準技術(shù)，并研制由系列校準放射源、空心人體軀干模型、實心人體軀干模型和專用系列校準器具等部分組成的校準測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用“多點法”校準測試技術(shù)，針對不同形狀和面積的探測器，確定校準點的數(shù)量與布點方案，實現(xiàn)了大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備的校準測試與檢定，解決了該類監(jiān)測設(shè)備計量檢定面臨的難題。該校準測試技術(shù)的應(yīng)用，將有效提高輻射防護領(lǐng)域該類大面積多探頭a 、β、g 輻射監(jiān)測設(shè)備的受檢率，確保輻射監(jiān)測設(shè)備量值傳遞準確可靠，可有效保障工作人員的輻射防護安全。

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