基于GM計(jì)數(shù)管輻射劑量?jī)x表標(biāo)定方法及注意事項(xiàng)

趙孝文，姜崇杰

基于GM計(jì)數(shù)管輻射劑量?jī)x表標(biāo)定方法及注意事項(xiàng)

趙孝文1，2，姜崇杰3

（1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020；3.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第49研究所，哈爾濱 150010）

本文主要介紹了利用GM計(jì)數(shù)管作為輻射劑量?jī)x探測(cè)器進(jìn)行劑量測(cè)量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)源法和標(biāo)準(zhǔn)儀器法的使用，分析了在標(biāo)定過(guò)程中的注意事項(xiàng)，討論了能量過(guò)響應(yīng)補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題。在實(shí)驗(yàn)室采用鐳源作標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)研制的GM管輻射劑量?jī)x器進(jìn)行標(biāo)定，獲得了滿意效果，標(biāo)定誤差小于10%。

G-M計(jì)數(shù)管；照射量；標(biāo)定；能量響應(yīng)

G-M計(jì)數(shù)管作為一種核輻射探測(cè)器，它輸出的脈沖數(shù)反映了射線的強(qiáng)度或注量，脈沖計(jì)數(shù)率與照射量率具有一定的相關(guān)性［1］。核電子儀器，包括劑量?jī)x器，都屬于相對(duì)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果并不是所需相關(guān)物理量的值，但經(jīng)過(guò)標(biāo)定可將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換為所求的物理量。劑量?jī)x器的讀出要用照射量單位或劑量單位給出，這就要通過(guò)標(biāo)定過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。標(biāo)定后儀器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性不僅取決于儀器的工作原理和結(jié)構(gòu)性能，也取決于標(biāo)定的準(zhǔn)確性。不僅新出產(chǎn)的儀器要進(jìn)行標(biāo)定，在使用中也要經(jīng)?；蚨〞r(shí)、定期地進(jìn)行校準(zhǔn)，特別是經(jīng)過(guò)修理、更換元件或改變工作條件（包括幾何參數(shù)和電氣參數(shù)）時(shí)，更要重新進(jìn)行標(biāo)定。

劑量?jī)x器的種類繁多，根據(jù)儀器類型、用途和對(duì)標(biāo)定準(zhǔn)確度的要求不同，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模、設(shè)備和標(biāo)定方法也是不相同的。通過(guò)標(biāo)定可更好地掌握儀器的性能，如能量響應(yīng)、線性、方向性響應(yīng)、測(cè)量范圍、測(cè)量誤差等，對(duì)正確使用和評(píng)價(jià)儀器大有好處［2］。X、γ射線的照射量是涉及面廣、應(yīng)用久遠(yuǎn)的物理量，由空氣的照射量可換算出組織的吸收劑量。照射量的標(biāo)定常采用標(biāo)準(zhǔn)源法和標(biāo)準(zhǔn)儀器法。

1　標(biāo)準(zhǔn)源方法

劑量?jī)x器的標(biāo)定是在一定實(shí)驗(yàn)條件下，與已知的標(biāo)準(zhǔn)劑量值相比較或擬合，調(diào)整待定儀器的電氣參數(shù)或測(cè)量參數(shù)，使其讀數(shù)等于或接近在相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)劑量值。為了標(biāo)定儀器就要求有一個(gè)放射性質(zhì)和照射量分布已知的標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)，為獲取標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)劑量值，最好的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)源的方法。

標(biāo)準(zhǔn)源是指可作為基準(zhǔn)活度精確已知的放射源。作為標(biāo)準(zhǔn)源，要求其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，半衰期足夠長(zhǎng)，測(cè)量精確度要高，每個(gè)源都要經(jīng)過(guò)絕對(duì)測(cè)量和相對(duì)測(cè)量，并要給出誤差范圍和生產(chǎn)日期。由于各種放射性核素的衰變類型和射線能量不同，原則上每種核素的射線類型都應(yīng)有自己的標(biāo)準(zhǔn)源或模擬標(biāo)準(zhǔn)源。為了鑒定γ探測(cè)器在各能閾的探測(cè)效率并準(zhǔn)確地對(duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析，必須要有強(qiáng)度準(zhǔn)確、能量分布廣的一系列γ標(biāo)準(zhǔn)源，即γ系列標(biāo)準(zhǔn)源。在生產(chǎn)和廣用放射性物質(zhì)時(shí)，常需要一些活度已知放射源作為同類放射源的基準(zhǔn)，把活度未知的源或放射性樣品與標(biāo)準(zhǔn)源一起做比對(duì)測(cè)量，就可簡(jiǎn)便而又準(zhǔn)確地得到待測(cè)源的活度。選用合適的同位素標(biāo)準(zhǔn)源可以方便地建立標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)，為劑量?jī)x器的標(biāo)定提供實(shí)驗(yàn)條件。

若標(biāo)準(zhǔn)源的活度為A（Ci），離源距離為R（m）的某一點(diǎn)處的照射量率S（R/h）可表示為：

式中，μ為該源的γ射線在空氣中的衰減系數(shù)，單位為m-1；

г為該源的γ射線的照射率常數(shù)，單位為R· m2/Ci·h；

A為源的活度，單位為Ci；

R為所考慮點(diǎn)與點(diǎn)源的距離，單位為m；

λ為該源的衰變常數(shù)，它與半衰期T1/2的關(guān)系為λ=ln2/T1/2=0.693/T1/2［3］；

t為該源自放射源出廠證明書(shū)上簽署的生產(chǎn)或檢驗(yàn)日期至標(biāo)定日期之間的時(shí)間間隔。

當(dāng)源的半衰期T足夠長(zhǎng)時(shí)，時(shí)間衰減因子e-λt可忽略不計(jì)；當(dāng)γ射線的能量足夠大時(shí)，空氣衰減因子e-λt可忽略不計(jì)，對(duì)此上式可簡(jiǎn)化為

由該式可方便地求出距源不同點(diǎn)處的照射量率的數(shù)值，反之，可求出各種照射量率所對(duì)應(yīng)的距離R

這樣，利用標(biāo)準(zhǔn)源就可建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)，在輻射場(chǎng)不同位置上可得到標(biāo)準(zhǔn)劑量值。

利用標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定劑量?jī)x器是廣泛采用的方法，但還應(yīng)注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

第一，關(guān)于照射率常數(shù)г：照射率常數(shù)г是為計(jì)算發(fā)射光子的放射性核素在其附近某處照射率而規(guī)定的一個(gè)參數(shù)，它定義為R2（ds/dt）除以A而得的商，即

式中ds/dt是在距離放射性活度為A的點(diǎn)源R處，由能量大于δ的光子產(chǎn)生的照射率，其中δ以keV為單位，其數(shù)值的選取由計(jì)算照射率的具體情況而定。照射率常數(shù)的物理意義是：距離單位活度（國(guó)際單位為1Bq，專用單位為1Ci）的點(diǎn)源1m處，由它發(fā)出的能量大于δ的光子所產(chǎn)生的照射率，國(guó)際單位是C·m2·kg-1·s-1，專用單位是R·m2·Ci-1·h-1?？梢钥闯觯丈渎食?shù)一般是未經(jīng)過(guò)濾的單位活度點(diǎn)源在1m處所產(chǎn)生照射率的度量，它只包括放射出的γ光子和湮沒(méi)輻射的貢獻(xiàn)，而沒(méi)有考慮內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、電子俘獲所發(fā)射的特征X射線、軔致輻射、伴隨β發(fā)射的貢獻(xiàn)。因此，用標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體情況考慮上述因素是否可忽略或作某些修正。

第二，關(guān)于散射效應(yīng)：實(shí)驗(yàn)表明，散射γ射線對(duì)劑量的貢獻(xiàn)與源或探測(cè)器距離周圍散射物體的距離平方成反比，而與源和探測(cè)器之間的距離平方成正比。因此，為減少和防止散射γ射線的影響，在標(biāo)定場(chǎng)所應(yīng)盡量去除那些與標(biāo)定無(wú)關(guān)的物體；源和探測(cè)器離地面、墻壁、天棚的距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)些，一般要求大于1.5m；源和探測(cè)器的間距也不能太大。為減少級(jí)電子的產(chǎn)生，源支架應(yīng)選用輕質(zhì)材料。在源和探測(cè)器之間設(shè)置一個(gè)有一定張角的標(biāo)直器來(lái)限制射線束的截面積也可減少散射γ射線的影響。

第三，關(guān)于距離平方反比律：照射量率義與距離的平方R2成反比。在標(biāo)定時(shí)為得到大小不同的照射率，通常是靠改變?cè)春吞綔y(cè)器之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是這個(gè)距離只能在適當(dāng)?shù)姆秶兓炔荒芴L(zhǎng)，也不能太小。距離太長(zhǎng)會(huì)增加散射γ射線的貢獻(xiàn)隨距離增加，γ射線迅速減弱，本底輻射變得不可忽視，這樣，由于散射和本底的貢獻(xiàn)，使照射量不遵循距離平方反比律；距離太小則不能把源和探測(cè)器當(dāng)成點(diǎn)源和點(diǎn)探測(cè)器來(lái)考慮，也不遵循距離平方反比律，為滿足點(diǎn)源點(diǎn)探測(cè)器條件，源和探測(cè)器的距離至少應(yīng)比源和探測(cè)器的尺度大7～10倍。為了確定距離的合適變動(dòng)范圍，可用探測(cè)器測(cè)量不同距離下的照射量，找出照射量與距離平方成反比的那一段距離，在這段范圍S·R2=常數(shù)，標(biāo)定只能在這段距離范圍進(jìn)行。

第四，測(cè)量條件與標(biāo)定條件相一致：標(biāo)定儀器的標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)應(yīng)盡量與使用儀器的現(xiàn)場(chǎng)輻射場(chǎng)相一致，這包括射線的能量、射線的入射方向、探測(cè)器的受照部位等。標(biāo)定時(shí)要選擇正常使用時(shí)的探測(cè)器方位進(jìn)行標(biāo)定，要測(cè)出在不同方位下儀器讀數(shù)的變化，以便估計(jì)出在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)由于方位不同可能帶來(lái)的誤差。通過(guò)測(cè)定在不同能量下的能量響應(yīng)，找出儀器合適的能量范圍，可減少因能量變化帶來(lái)的誤差。個(gè)人佩戴的個(gè)人劑量計(jì)最好是在人體模型上標(biāo)定，這樣就能考慮了人體對(duì)輻射產(chǎn)生的散射對(duì)輻射能譜和強(qiáng)度的影響。總之，核測(cè)量?jī)x器也包括劑量?jī)x器，對(duì)幾何參數(shù)和電氣參數(shù)都很敏感，應(yīng)遵循在什么條件下標(biāo)定的就應(yīng)在什么條件下測(cè)量和使用。

第五，高能γ標(biāo)準(zhǔn)源：放射性核素γ源的能量一般都在3MeV以下，在通常情況下，與同位素γ源標(biāo)定儀器完全能滿足要求。在特殊情況下，如反應(yīng)堆都有高能γ射線產(chǎn)生，因此堆用劑量?jī)x器對(duì)高能γ射線的能量響應(yīng)是很重要的，需采取特殊方法獲取高能γ射線作為標(biāo)定用源。

2　標(biāo)準(zhǔn)儀器方法

標(biāo)準(zhǔn)儀器是指用基準(zhǔn)儀器準(zhǔn)確刻度過(guò)的劑量?jī)x器。利用標(biāo)準(zhǔn)儀器測(cè)出未知輻射場(chǎng)的劑量分布，將所關(guān)心的各點(diǎn)的劑量當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)劑量值，對(duì)待定儀器進(jìn)行比對(duì)標(biāo)定。

作為標(biāo)準(zhǔn)儀器的標(biāo)定基準(zhǔn)，應(yīng)能直接測(cè)量出照射量。標(biāo)準(zhǔn)自由空氣電離室就是根據(jù)照射量的定義而制作的一種精度很高的儀器設(shè)備，它能直接給出照射量的絕對(duì)值，最適合標(biāo)定能量在幾百keV以下的X或γ輻射場(chǎng)，用這種設(shè)備標(biāo)定過(guò)的劑量?jī)x器就可作為標(biāo)準(zhǔn)儀器。由于自由空氣電離室體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般只用在國(guó)家計(jì)量部門(mén)和大型基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。

標(biāo)準(zhǔn)儀器法很適合X輻射場(chǎng)劑量?jī)x器的標(biāo)定。X射線機(jī)的管電壓決定X射線的能量，管電流決定X射線的強(qiáng)度。X射線的能量是連續(xù)的，為減少人體深表劑量，常在機(jī)頭加過(guò)濾片，濾掉軟成分，使X射線能譜硬化。標(biāo)定時(shí)，為改變照射率，可改變管電流和焦距，焦距是指劑量探測(cè)器的幾何中心到X射線機(jī)焦斑（即靶處）的實(shí)際距離。用X射線標(biāo)定劑量?jī)x器，通常是借助標(biāo)準(zhǔn)儀器，在離X射線機(jī)焦斑一定距離處中心軸向?qū)ΨQ同時(shí)放置標(biāo)準(zhǔn)儀器和待定儀器如圖1所示。

圖1　X射線對(duì)比標(biāo)定示意圖Fig.1 Contrast calibration diagram of X ray

在中心軸向等距離放置標(biāo)準(zhǔn)儀器和待定儀器，這兩處的劑量是相等的，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)儀器的示數(shù)就可通過(guò)比對(duì)進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)改變管電流或距離就可得出不同的照射量，從而完成劑量?jī)x器的標(biāo)定。

利用標(biāo)準(zhǔn)儀器方法標(biāo)定劑量?jī)x器也應(yīng)注意以下問(wèn)題：

第一，準(zhǔn)直：為獲得均勻輻射場(chǎng)，減小散射、泄漏X射線的影響，使兩臺(tái)儀器受到相同的照射，可在中心軸線上放置一梯形屏蔽筒。

第二，X射線輸出量監(jiān)測(cè)：若輻射場(chǎng)不夠均勻和不能或不允許同時(shí)放置兩個(gè)劑量探測(cè)器時(shí)，就得先后分別放置并分別測(cè)量和比較。為保證先后兩次放置的照射量相同，還需要用另外的儀器來(lái)監(jiān)測(cè)X射線的輸出量。在先后調(diào)換兩個(gè)劑量探頭時(shí)，最好采用遙控定位設(shè)備在不停機(jī)的情況下自動(dòng)進(jìn)行，這樣不僅可使工作人員免受過(guò)多的劑量，還可節(jié)省時(shí)間，有助于保持X射線輸出機(jī)的穩(wěn)定。

第三，聯(lián)動(dòng)調(diào)節(jié)管電流：改變管電流可改變X射線的強(qiáng)度，即改變照射量，但是改變管電流也會(huì)引起管電壓的變化，為保持X射線能譜不變，也要相應(yīng)微調(diào)管電壓。

第四，低能X射線源：對(duì)光子能量小于100keV的輻射，有時(shí)可采用熒光輻射作為一種單位低能光子標(biāo)定儀器。采用X射線活地能γ射線打在不同核素上可產(chǎn)生不同能量的特征X射線。

3　結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際的使用過(guò)程中，利用標(biāo)準(zhǔn)源法和標(biāo)準(zhǔn)儀器法都能很好地實(shí)現(xiàn)輻射劑量?jī)x的劑量標(biāo)定，筆者結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對(duì)兩種方法使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行分析討論，在實(shí)驗(yàn)室采用鐳源作標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)研制的GM管輻射劑量?jī)x器進(jìn)行標(biāo)定，獲得了滿意效果，標(biāo)定誤差小于10%。

［1］ 王國(guó)榮，李巖，馬永和，等.G-M計(jì)數(shù)管用作輻射劑量測(cè)量應(yīng)解決的問(wèn)題［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，31（9）：1014-1017.

［2］ 王玲，韓剛，楊磊，等.G-M計(jì)數(shù)管能量響應(yīng)的蒙特卡羅模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2011，31（1）：44-47.

［3］復(fù)旦大學(xué).原子核物理實(shí)驗(yàn)方法（上、下冊(cè)）［M］.北京:原子能出版社，1982.

Method and precautions of calibration of radiation dose meter based on GM counting tube

ZHAOXiao-wen1，2，JIANGCong-jie3
（1.Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150086，China；2.Institute ofAdvanced Technology，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150020，China；3.No.49 Research Institute ofChina Electronics TechnologyGroup Corporation，Harbin 150010，China）

In this paper，the method and precautions of calibration of radiation dose meter based on GMcounting tube are introduced，the considerations in the calibration process are analyzed and the issues of over response compensation of energy are also discussed.In the laboratory，radium sources is used as a standard source for the development of GMtube instrument calibration radiation dose to obtain satisfactory results and the calibration error is less than 10%.

G-Mcountingtube；Exposure；Calibration；Energyresponse

TL811+.3

A

1674-8646（2015）04-0056-03

2015-04-10

趙孝文（1977-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，副研究員，從事核電子學(xué)與過(guò)程控控制研究。