不同探測器便攜式X、γ輻射劑量當(dāng)量（率）儀的計量特性*

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

輻射安全保障是核與同位素技術(shù)應(yīng)用的必要前提，核與輻射監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性是輻射安全保障的重要基礎(chǔ)。便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀是輻射防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的輻射監(jiān)測儀器，其常用的探測器類型有電離室、GM計數(shù)管、閃爍體和半導(dǎo)體探測器等，最主要的計量性能為相對固有誤差和能量響應(yīng)。JJG 393-2003《輻射防護(hù)用X、γ輻射劑量當(dāng)量（率）儀和監(jiān)測儀》規(guī)定了便攜式X，γ劑量當(dāng)量（率）儀的檢定項目、檢定方法與技術(shù)要求[1]。

實驗將測量并統(tǒng)計各儀器的相對固有誤差與能量響應(yīng)兩個主要計量性能參數(shù)，分析評估不同探測器性能差異與合格率水平。

1 實驗條件與方法

1.1 環(huán)境條件

實驗室環(huán)境溫度為18～22 ℃，相對濕度為50%～70%，大氣壓為100～103 kPa，γ輻射本底為空氣比釋動能率為 0.14～0.19 μGy/h。

1.2 實驗設(shè)備

測量用標(biāo)準(zhǔn)裝置為“X、γ射線空氣比釋動能(防護(hù)水平)標(biāo)準(zhǔn)裝置”，包括137Csγ參考輻射場和標(biāo)準(zhǔn)電離室劑量計，量值溯源至X、γ輻射空氣比釋動能率國家基準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示[2]。

主要參數(shù)名稱 技術(shù)指標(biāo) 不確定度裝置測量范圍 1×10-6 ～ 1 Gy·h-1 U=4.4% (k=2)輻射場均勻性 ≤3% /射野范圍 在1 m處有效直徑大于30 cm（5%均勻性） /標(biāo)準(zhǔn)電離室劑量計30 mL 重復(fù)性 0.06% U=4.4% (k=2)1 L 重復(fù)性 0.06% U=4.4% (k=2)10 L 重復(fù)性 0.06% U=4.4% (k=2)

1.3 測量方法

1）相對固有誤差的測量方法

相對固有誤差的測量方法參照J(rèn)JG 393-2003第7.3.2條，根據(jù)輻射防護(hù)用便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀的測量范圍，在參考輻射場中確定測量點，用計量標(biāo)準(zhǔn)器測定各個測量點的空氣比釋動能率，并轉(zhuǎn)換為周圍劑量當(dāng)量率，然后以由便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀在各個測量點的示值，按照式（1）計算相對誤差，取其中絕對值最大的相對誤差作為該儀器的相對固有誤差I(lǐng)。

式中：Ht—— 周圍劑量當(dāng)量率的參考值，Sv/s；

Hi—— 儀器的示值，Sv/s

2）能量響應(yīng)的測量方法

能量響應(yīng)的測量方法參照J(rèn)JG 393-2003第7.3.3條，儀器示值與測量點參考值的比值隨輻射能量的變化就是能量響應(yīng)。實驗測量時使用窄譜系列過濾X參考輻射和137Cs γ參考輻射，不同的輻射能量下采用相似的劑量當(dāng)量率，儀器對平均能量為E的各種輻射的響應(yīng)RE均以它對137Cs γ參考輻射的響應(yīng)歸一。X、γ的轉(zhuǎn)換系數(shù)h*k(10)的推薦值見表2。

表2 窄譜系列過濾X參考輻射的h＊k(10)的推薦值（擴(kuò)展齊向場，ICRU球）

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

實驗對象包括電離室、GM計數(shù)管、閃爍體和半導(dǎo)體探測器的14種型號，309臺輻射防護(hù)用便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀，測量結(jié)果見表3。

1）相對固有誤差

JJG 393-2003規(guī)定相對固有誤差的技術(shù)要求為不超過±20%，判定方式為如果任一測量點的I值不超過±（20% +U），則認(rèn)為儀器的相對固有誤差滿足技術(shù)要求，U是劑量當(dāng)量率參考值的擴(kuò)展不確定度（k= 2），以百分比表示。實驗測量中劑量當(dāng)量率參考值的不確定度U為4.7% （k= 2）。由表5可知，309臺便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀中有272臺（占總數(shù)88%）的相對固有誤差不超過±24.7%，符合JJG 393-2003的技術(shù)要求。比較各類探測器的便攜式輻射防護(hù)用X、γ劑量當(dāng)量（率）儀，其相對固有誤差的中位值和平均值：半導(dǎo)體探測器儀器的中位值和平均值較小且相近，顯示其相對固有誤差整體水平較好，且極端值較少；電離室、半導(dǎo)體和GM管探測器儀器相對固有誤差的合格率均在90%左右，高于閃爍體探測器的便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀；閃爍體探測器儀器相對固有誤差的中位值和平均值較低但合格率相對低，說明其相對固有誤差整體水平較好，但仍存在數(shù)量較多的相對固有誤差超出技術(shù)要求。

2）能量響應(yīng)

JJG 393-2003規(guī)定輻射防護(hù)用X、γ劑量當(dāng)量（率）儀能量/入射角響應(yīng)的技術(shù)要求為變化極限不超過±40%。能量響應(yīng)實驗時以入射角固定為0°角進(jìn)行。由表3可知，309臺便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀中，有185臺（占總數(shù)60%）的能量響應(yīng)在0.60～1.40之間，其中電離室和半導(dǎo)體探測器X、γ劑量當(dāng)量（率）儀能量響應(yīng)的中位值與平均值相近，數(shù)值均在0.8左右，且合格率較高，表明該兩種探測器的能量響應(yīng)較好；GM管探測器X、γ劑量當(dāng)量（率）儀能量響應(yīng)的中位值與平均值分別大于2和3，且能量響應(yīng)在（0.60～1.40）范圍內(nèi)的合格率不到50%，平均值明顯大于中位值，說明其能量響應(yīng)偏差大，存在一些能量響應(yīng)過高的情況；閃爍體探測器X、γ劑量當(dāng)量（率）儀能量響應(yīng)在（0.60～1.40）范圍內(nèi)的合格率最低，且中位值0.59、平均值0.96，表明該類探測器能量響應(yīng)離散度較大，響應(yīng)偏高和偏低的情況同時較多地存在。

表3 不同探測器便攜式輻射防護(hù)用X、γ劑量當(dāng)量（率）儀的主要計量性能

3）合格率

由表3可得，在統(tǒng)計的309臺輻射防護(hù)用便攜式X、γ輻射劑量當(dāng)量（率）儀中，相對固有誤差符合JJG 393-2003技術(shù)要求的為88%，能量響應(yīng)在（0.60～1.40）范圍內(nèi)的為60%，相對固有誤差合格并且能量響應(yīng)在（0.60～1.40）范圍內(nèi)的有55%。

圖1 不同探測器類型相對固有誤差與能量響應(yīng)的合格率

2.2 結(jié)果分析

分析上述結(jié)果，電離室與半導(dǎo)體相對固有誤差與能量響應(yīng)性能較好。從探測器原理來分析，半導(dǎo)體探測器是利用載流子在不同能量粒子作用下產(chǎn)生導(dǎo)電性的原理進(jìn)行探測的，其具有很高的能量分辨率與線性的劑量響應(yīng)。電離室利用收集粒子與氣體相互作用產(chǎn)生的二次電子進(jìn)行測量，是可以準(zhǔn)確測量的劑量計，也擁有很好的能量響應(yīng)。閃爍體探測器利用的是透明物質(zhì)發(fā)生電離輻射作用以后產(chǎn)生的閃爍之光，再利用光探測器進(jìn)行信號的讀取，響應(yīng)時間快、探測靈敏度高，但是它僅記錄脈沖信息，不記錄能量信息，故能量響應(yīng)性能較弱[3]。GM管結(jié)構(gòu)簡單、使用成本低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，僅由電離事件觸發(fā)，產(chǎn)生電脈沖大小幾乎相同且與初始時間無關(guān)，故難以獲得良好的相對固有誤差及能量響應(yīng)性能。從表3可見，GM管劑量當(dāng)量（率）儀能量響應(yīng)偏高，原因是大多數(shù)GM管都是用原子序數(shù)比組織或空氣高的材料制造的，因此會對約100 keV以下的光子呈現(xiàn)強(qiáng)烈的光電效應(yīng)，需要用適當(dāng)?shù)母遉過濾材料包裹GM管來展平低能情況下的超響應(yīng)。經(jīng)作能量補(bǔ)償后GM計數(shù)管可在一定范圍內(nèi)改善其響應(yīng)特性[4]。

3 結(jié)語

不同探測器的輻射防護(hù)用便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀，其相對固有誤差與能量響應(yīng)測量統(tǒng)計結(jié)果與探測器原理特性相符，電離室與半導(dǎo)體探測器便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀能量響應(yīng)好、相對固有誤差合格率較高。

GM管、電離室、閃爍體和半導(dǎo)體探測器共14款309臺輻射防護(hù)用便攜式X、γ輻射劑量當(dāng)量（率）儀相對固有誤差，能量響應(yīng)測量結(jié)果統(tǒng)計顯示，相對固有誤差滿足JJG 393-2003技術(shù)要求的為272臺，合格率88%，能量響應(yīng)在JJG 393-2003對能量/入射角響應(yīng)的技術(shù)要求極限范圍內(nèi)的為185臺，合格率60%，同時符合上述技術(shù)要求的為170臺，占總數(shù)的55%。以上統(tǒng)計結(jié)果表明，有接近一半的便攜式X、γ劑量當(dāng)量（率）儀主要計量性能不滿足計量檢定規(guī)程的要求，檢定校準(zhǔn)的必要性與重要性極為顯著。

[1]全國電離輻射計量技術(shù)委員會.JJG 393-2003 輻射防護(hù)用X、γ輻射劑量當(dāng)量（率）儀和監(jiān)測儀檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2004.

[2]孫訓(xùn). 常用型號直讀式X、γ輻射個人劑量當(dāng)量監(jiān)測儀主要計量性能的比較與評價[J].上海計量測試，2017（3）：28-30.

[3]（美）Frank Herbert Attix.放射物理和輻射劑量學(xué)導(dǎo)論[M].雷家榮譯.北京：中國原子能出版社，2013：346.

[4]丁洪林. 核輻射探測器[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2010.