固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的校準(zhǔn)及應(yīng)用

何林鋒，唐方東，徐一鶴，陸小軍

（上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 201203）

0 引 言

放射性工作人員體表放射性污染是其受放射性暴露的重要指標(biāo)，長期以來一直受到關(guān)注[1-2]。固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置是一種在線監(jiān)測(cè)的放射性防護(hù)儀器，用于開放型放射性工作場所及核設(shè)施熱區(qū)工作人員放射性表面污染的監(jiān)測(cè)，其計(jì)量性能與輻射安全防護(hù)密切相關(guān)。現(xiàn)行的計(jì)量檢定規(guī)程JJG 478——1996《α、β和γ表面污染儀》是針對(duì)便攜式α、β表面污染測(cè)量（監(jiān)測(cè)）儀和γ表面污染測(cè)量（監(jiān)測(cè)）儀制定的[3]。盡管固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置和α、β表面污染儀采用的探測(cè)器類型及其技術(shù)原理基本相同或相似，但兩者結(jié)構(gòu)與工作方式完全不同。α、β表面污染儀用于對(duì)物體、衣物等表面污染的巡測(cè)，固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置采用若干個(gè)探測(cè)器的組合，對(duì)個(gè)人全身表面污染作監(jiān)測(cè)。JJG 478——1996《α、β 和 γ表面污染儀》的技術(shù)要求、檢定方法等不適用于固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置。

1 計(jì)量特性

作為輻射防護(hù)用的放射性監(jiān)測(cè)裝置，固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)對(duì)象是α、β放射性表面污染，用被探測(cè)表面的放射性活度或表面發(fā)射率來表示。表征監(jiān)測(cè)裝置探測(cè)能力的主要參數(shù)是其對(duì)α、β放射性的響應(yīng)，影響探測(cè)下限的主要因素還包括本底計(jì)數(shù)率及其統(tǒng)計(jì)漲落，本底越小、響應(yīng)越高則探測(cè)下限越低、靈敏度越好，當(dāng)電子學(xué)噪音充分抑制后，增益大則響應(yīng)與本底均高，增益小則響應(yīng)與本底均低，當(dāng)本底和響應(yīng)確定后，測(cè)量結(jié)果即可確定；固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置采用探測(cè)器大面積排布的方式進(jìn)行全身表面污染的監(jiān)測(cè)，探測(cè)面上各個(gè)位置響應(yīng)的一致性也是影響探測(cè)靈敏度的重要因素；相對(duì)固有誤差是測(cè)量儀器基本的計(jì)量性能，由儀器的響應(yīng)計(jì)算得到，反映了有效測(cè)量范圍內(nèi)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

測(cè)量儀器的校準(zhǔn)是量值溯源的一種方式，實(shí)際上是通過與測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)比較來確定儀器的計(jì)量性能參數(shù)及測(cè)量結(jié)果的不確定度，目的是實(shí)現(xiàn)量值的統(tǒng)一。固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)對(duì)象是α、β放射性表面污染，相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)是α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源。參考GB/T 5202——2008《輻射防護(hù)儀器α、β和α/β（β能量不大于60 keV）污染測(cè)量儀與監(jiān)測(cè)儀》和JJG 478——1996《α、β和γ表面污染儀》的相關(guān)規(guī)定，α、β 標(biāo)準(zhǔn)平面源的規(guī)格為（10×15）cm2，α 參考核素為241Am，239Pu，β 參考核素為204Tl，90Sr-90Y，表面發(fā)射率范圍≥104～106/min·2π·sr， 相對(duì)擴(kuò)展不確定度≤5%（k=2）[4-5]。

3 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置，測(cè)量的主要參數(shù)有本底計(jì)數(shù)率、響應(yīng)及其一致性、測(cè)量重復(fù)性和相對(duì)固有誤差。

3.1 本底計(jì)數(shù)率

裝置預(yù)熱后，在無放射源或其他監(jiān)測(cè)對(duì)象的條件下進(jìn)行α、β本底計(jì)數(shù)率測(cè)量，連續(xù)讀數(shù)。至少10次，取其算術(shù)平均值。

3.2 響 應(yīng)

固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的響應(yīng)用α、β系列標(biāo)準(zhǔn)平面源測(cè)量[3]。探測(cè)器對(duì)放射性活度的響應(yīng)與距離密切相關(guān)，α、β粒子在空氣中的射程有限，尤其α粒子的平均射程僅為4cm，校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)標(biāo)準(zhǔn)源距探測(cè)器窗表面宜≤10mm[2]。

分別將α、β系列標(biāo)準(zhǔn)源依次設(shè)置在固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置各個(gè)探測(cè)面上中心位置，平面源表面距探測(cè)面10mm進(jìn)行測(cè)量，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源重復(fù)讀數(shù)不少于5次，取平均值，按下式計(jì)算探測(cè)面對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源的響應(yīng)：

式中：Ri——探測(cè)面對(duì)α或β標(biāo)準(zhǔn)源的響應(yīng)；

Ni——探測(cè)面對(duì)第i個(gè)α或β標(biāo)準(zhǔn)源的讀數(shù)平均值，min-1；

Nb——探測(cè)面α或β道的本底計(jì)數(shù)率，min-1；

As——標(biāo)準(zhǔn)源α或β表面發(fā)射率，min-1。

α或β系列標(biāo)準(zhǔn)源至少包括3個(gè)相鄰量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)源，探測(cè)面對(duì)α或β放射性的響應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：R——探測(cè)面對(duì)α或β放射性的參考響應(yīng)；

n——測(cè)量α或β系列標(biāo)準(zhǔn)源的個(gè)數(shù)，n≥3。

3.3 響應(yīng)的一致性

以α、β標(biāo)準(zhǔn)源分別測(cè)量監(jiān)測(cè)裝置中間（正面）探測(cè)面上、下端處和3個(gè)探測(cè)面中心處的表面發(fā)射率響應(yīng)。在正面探測(cè)面中心垂直線上、下端處測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)源中心距上下兩端各10cm。以裝置正面探測(cè)面中心點(diǎn)的響應(yīng)為參考值，由各測(cè)量點(diǎn)的響應(yīng)值按下式計(jì)算響應(yīng)的一致性：

式中：C——裝置對(duì)α或β放射性響應(yīng)的一致性，%；

Rk——第k個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)α或β放射性的響應(yīng)；

Rc——裝置正面探測(cè)面中心點(diǎn)對(duì)α或β放射性的響應(yīng)。

3.4 重復(fù)性

以表面發(fā)射率較低的α、β標(biāo)準(zhǔn)源分別在固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置正面探測(cè)面中心進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，重復(fù)測(cè)量10次，按貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差。

3.5 相對(duì)固有誤差

輻射防護(hù)儀器的相對(duì)固有誤差就是最大相對(duì)示值誤差[3-5]，可按下式計(jì)算：

由于固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)對(duì)象是α、β，射程小，易被吸收，導(dǎo)致響應(yīng)因子較小，不作修正時(shí)相對(duì)固有誤差可達(dá)50%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)常規(guī)輻射防護(hù)儀器相對(duì)固有誤差不超過20%的要求。因此，一般情況下α、β表面污染監(jiān)測(cè)儀器或裝置的相對(duì)固有誤差，需對(duì)測(cè)量值作響應(yīng)因子修正后，按下式計(jì)算：

4 校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度評(píng)定

由式（1）分析，固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置對(duì)α、β放射性的響應(yīng)測(cè)量結(jié)果的不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)源量值的不確定度、裝置本底計(jì)數(shù)率和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的讀數(shù)引入的不確定度。在確定的測(cè)量條件下，本底計(jì)數(shù)率引入的不確定度主要由本底計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落所獲得，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的讀數(shù)引入的不確定度主要包含兩個(gè)部分：一是計(jì)數(shù)平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，二是標(biāo)準(zhǔn)源與探測(cè)器表面距離的誤差導(dǎo)致的計(jì)數(shù)率誤差。標(biāo)準(zhǔn)源量值的不確定度可根據(jù)溯源證書上的信息，按A類不確定度評(píng)定方法評(píng)定；裝置本底計(jì)數(shù)率和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的讀數(shù)引入的不確定度均可通過實(shí)驗(yàn)，采用B類不確定度評(píng)定方法評(píng)定。

5 校準(zhǔn)結(jié)果的應(yīng)用

標(biāo)準(zhǔn)平面源α、β表面發(fā)射率除以板源效率可得到相應(yīng)的活度值，α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)結(jié)果通常以活度值表示。當(dāng)監(jiān)測(cè)的測(cè)量條件與校準(zhǔn)的測(cè)量條件相同或相似時(shí)，固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的計(jì)數(shù)率除以響應(yīng)因子與板源效率的乘積，即可近似得到監(jiān)測(cè)對(duì)象以活度表示的表面污染水平：

式中：A——以活度表示的表面污染水平，Bq；

N——裝置的計(jì)數(shù)率，s-1；

Nb——裝置的本底計(jì)數(shù)率，s-1；

R——裝置的表面發(fā)射率響應(yīng)；

ε——板源效率。

固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的探測(cè)下限與裝置的響應(yīng)、本底計(jì)數(shù)率的統(tǒng)計(jì)漲落相關(guān)，裝置的響應(yīng)與被探測(cè)粒子及其能量相關(guān)。當(dāng)監(jiān)測(cè)的測(cè)量條件、探測(cè)對(duì)象與校準(zhǔn)測(cè)量相同或相似時(shí)，固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的探測(cè)下限可按下式粗略估算：

式中：AT——以表面發(fā)射率表示的探測(cè)下限，s-1；

σ——裝置本底計(jì)數(shù)率的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差，s-1；

k——實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的包含因子；

R——裝置的表面發(fā)射率響應(yīng)。

當(dāng)裝置本底計(jì)數(shù)率通過多次重復(fù)測(cè)量獲得，認(rèn)為近似符合正態(tài)分布，k=3時(shí)，置信概率接近于99%，則通常取k=4來估算AT。固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置經(jīng)校準(zhǔn)后，在正常工作狀態(tài)下，監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差應(yīng)在其相對(duì)固有誤差的范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

在參考現(xiàn)有國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)所提供的方法基礎(chǔ)上，通過對(duì)固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置的本底計(jì)數(shù)率、響應(yīng)及其一致性、測(cè)量重復(fù)性、相對(duì)固有誤差等主要計(jì)量性能的校準(zhǔn)，可以完全滿足固定式α、β個(gè)人表面污染監(jiān)測(cè)裝置量值溯源的需要，對(duì)各性能指標(biāo)的計(jì)算以及不確定度的評(píng)定可以確保裝置監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

[1] Dunster H J.Surface contamination measurements as an index of control of radioactive materials[J].Health Physics，1962，8（4）：353-356.

[2]Insinger III R H，Rodemann A H.Personal alpha contamination simulator and detector:U S，4，500，295[P].1985-2-19.

[3] JJG 478—1996 α、β和γ表面污染儀檢定規(guī)程[S].北京：中國計(jì)量出版社，1996.

[4] GB/T 5202—2008輻射防護(hù)儀器 α、β 和 α/β（β 能量大于60keV）污染測(cè)量儀與監(jiān)測(cè)儀[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5] GB/T 8997—2008，α、β表面污染測(cè)量儀與監(jiān)測(cè)儀的校準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.