GM計數(shù)管輻射特性與能量補償研究

徐 陽, 高 飛, 趙 瑞, 倪 寧,黃少鵬, 王菲菲, 林 敏

(1.中國原子能科學研究院 計量與校準技術重點實驗室,北京 102413；2.中國計量科學研究院,北京 100029)

1 引 言

在核反應堆、加速器、核與放射醫(yī)學設施和放射性實驗室等場所中使用的環(huán)境級與防護級X、γ輻射劑量監(jiān)測設備主要有高氣壓電離室、GM計數(shù)管、硅光二極管及NaI晶體探測器等[1～10]。GM計數(shù)管因具有輸出信號幅度大、前置電路簡單、環(huán)境適應性強、價格低廉等優(yōu)點而得到了廣泛應用。本文擬研制一款選取GM計數(shù)管作為探測器的個人劑量儀,其前提是需對所選用的GM計數(shù)管的輻射特性(包括坪曲線、線性曲線)進行實驗測定。

未采取能量補償措施的GM計數(shù)管在低能段(約200 keV以下)存在響應偏高的缺點,本工作擬利用重金屬包裹計數(shù)管靈敏區(qū)的方法進行能量補償以改善其低能光子的過響應。利用中國原子能科學研究院國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站X、γ射線參考輻射場開展GM計數(shù)管輻射劑量特性研究[11～16],結(jié)合中國計量科學研究院CT成像系統(tǒng)[17～19],精確測量計數(shù)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸,對計數(shù)管靈敏區(qū)進行能量補償研究。

2 GM計數(shù)管的結(jié)構(gòu)及工作原理

目前常見的X、γ輻射個人劑量儀所選用的探測器通常為GM計數(shù)管或半導體,相比于半導體,GM計數(shù)管信噪比高、抗干擾能力強且靈敏度高,本研究選取GM計數(shù)管作為個人劑量儀的探測器。某廠家生產(chǎn)的j613r型GM計數(shù)管主要結(jié)構(gòu)如圖1所示,關鍵技術參數(shù)如表1所示。

圖1 某廠家生產(chǎn)的j613r型GM計數(shù)管示意圖

表1 GM計數(shù)管參數(shù)

GM計數(shù)管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理是:在一個密封的玻璃管內(nèi),中心張緊一根鎢絲作為陽極,緊貼玻璃管的內(nèi)表面設置一個金屬圓筒作為陰極,陽極與陰極后端分別連接有用于信號輸出的導線,管內(nèi)充有惰性氣體(如氬氣或氖氣)。工作時,當高速粒子射入管內(nèi),使管內(nèi)氣體電離導電,在陽極絲與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象,從而輸出脈沖信號,達到探測電離輻射的效果。

3 GM計數(shù)管輻射特性研究

本工作中GM計數(shù)管輻射特性研究主要包括坪曲線與劑量率線性研究。

3.1 坪曲線實驗

坪曲線實驗在國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站內(nèi)的中能X射線參考輻射場中進行,該輻射場由320 kV X光機、高壓發(fā)生器、屏蔽系統(tǒng)、附加過濾等幾部分構(gòu)成,光管型號為HILIPS公司MCN 321型,靶角為22°,管電壓調(diào)節(jié)范圍為(16～320)kV。

GM計數(shù)管被焊接在自制的測試電路板上,且固定在一個30 cm×30 cm×15 cm的ISO標準板模體表面幾何中心處,如圖2所示?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)高壓模塊上的旋鈕改變GM計數(shù)管的外加偏置電壓值,輸出計數(shù)信號(每秒計數(shù),cps)由外部讀取軟件獲得。

圖2 坪曲線實驗實物圖

圖3 坪曲線實驗測量結(jié)果

由圖3可知,GM計數(shù)管在外加偏置電壓大于350 V時基本進入坪區(qū),在350～450 V范圍內(nèi),坪斜率約為0.05%/V；在350～625 V范圍內(nèi),坪斜率約為0.08%/V。與廠家給出的坪斜率參數(shù)(在380～450 V范圍內(nèi)≤0.3%/V)保持一致。最終確定外加偏置電壓設置為400 V,可保證GM計數(shù)管在坪區(qū)范圍內(nèi)工作。

3.2 劑量率線性實驗

劑量率線性實驗在國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站內(nèi)的137Cs多源(即照射裝置內(nèi)部可放置不同活度的同位素137Cs源)γ射線參考輻射場中進行,通過調(diào)整參考點與源的距離可獲得不同劑量率點,每個劑量率點測量20次,扣本底后求平均值,測量結(jié)果如表2所示。

表2 j613r型GM計數(shù)管線性實驗測量結(jié)果

圖4 線性實驗分段擬合結(jié)果

表3 擬合公式與R2值

根據(jù)表3中劑量率與計數(shù)率的對應關系,即可通過計數(shù)率推導出劑量率的大小。對于相鄰劑量率范圍之間的銜接部分,需后續(xù)在電子學線路中加入相應的邏輯判斷。

4 GM計數(shù)管能量補償研究

4.1 裸管的能量響應曲線

能量響應曲線實驗中,選取的系列能量點為X射線機產(chǎn)生的窄譜系列N-40～N-250與137Cs γ射線,具體參數(shù)信息如表4所示。

表4 能量響應曲線實驗所用系列能量點參數(shù)

通過調(diào)節(jié)管電流大小,使實驗中參考點處參考劑量率約為7.44 mSv/h保持不變,將各能量點的計數(shù)歸一化至137Cs,所得裸管的能量響應曲線如圖5所示。

由圖5可知,裸管條件下(未經(jīng)能量補償)的GM計數(shù)管在低能區(qū)存在一個“鼓包”(即過響應)。擬利用金屬材料(通常為Pb、Sn)包裹計數(shù)管的靈敏區(qū)以減少低能光子進入GM計數(shù)管的數(shù)量,使射線與管壁材料產(chǎn)生光電子的概率減少,進入靈敏區(qū)的光電子數(shù)目減少,從而抑制低能區(qū)的過響應。

圖5 裸管條件下的能量響應曲線

4.2 GM計數(shù)管能量補償

GM計數(shù)管的能量補償主要針對于探測器靈敏區(qū),制定補償方案之前需要了解GM計數(shù)管的結(jié)構(gòu)和尺寸。利用中國計量科學研究院建立的CT成像系統(tǒng)對計數(shù)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸進行精確測量,該成像系統(tǒng)如圖6(a)所示,主要由一個COMET公司生產(chǎn)的MXR-451HP/11型X射線機、載物臺及一個16位的PerkinElmer公司生產(chǎn)的XRD1621 AN14 ES型平板探測器組成,圖6(b)為計數(shù)管的CT成像效果圖。

圖6 計數(shù)管CT成像

利用CT掃描所得GM計數(shù)管各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表5所示。相關研究表明,計數(shù)管的靈敏區(qū)位于陰極管與陽極鎢絲之間,且靠近陰極附近[11]。由于實驗中射線垂直于管壁入射,故將射線在陰極上的投影面積(即不銹鋼管長度)作為能量補償范圍。

表5 GM計數(shù)管CT掃描結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用重金屬材料Pb對計數(shù)管靈敏區(qū)進行能量補償,計數(shù)管中央開有狹縫,如圖7所示。該方法的優(yōu)勢在于,在降低能量響應曲線過響應的同時,可改善低能區(qū)計數(shù)率過低的問題。

圖7 能量補償方式示意圖

對比能量補償前后計數(shù)管的能量響應曲線(圖5與圖8)可以看出,隨著補償面積的逐漸增加,“鼓包”高度相對于裸管高度由最初的39.8%(對應于80%補償面積)減小到21.0%(對應于94%補償面積),說明Pb補償層可有效抑制低能區(qū)的過響應。由圖8還可看出,當補償面積為88%～90%時,能量響應曲線中各能量點(除33 keV能量點之外)相對于137Cs相對計數(shù)率的相對偏差在±20%以內(nèi),可滿足個人劑量儀研制的技術要求。

圖8 不同補償面積條件下的能量響應曲線

5 結(jié) 論

本文基于國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站X、γ射線參考輻射場對某廠家生產(chǎn)的j613r型GM計數(shù)管輻射特性進行研究,得到以下結(jié)論:(1)通過坪曲線實驗確定了計數(shù)管的外加偏置電壓為400 V,坪斜率在350～450 V范圍內(nèi)約為0.05%/V,測量結(jié)果與廠家提供參數(shù)保持一致；(2)通過線性實驗得到了3個不同劑量率范圍內(nèi)平均計數(shù)率與劑量率的對應關系,擬合曲線相關系數(shù)R2≥0.99,表明該計數(shù)管在10.62 μSv/h～161.52 mSv/h以內(nèi)可用于劑量測定；(3)結(jié)合中國計量科學研究院CT成像系統(tǒng)確定了GM計數(shù)管的能量補償范圍,采用0.81 mm厚Pb補償層開中央狹縫的方式,通過能量響應曲線實驗確定了靈敏區(qū)最佳補償面積為88%～90%。本文所得結(jié)論為后續(xù)個人劑量儀的研制提供了依據(jù)和參考。