標(biāo)準(zhǔn)平面源與探測器窗的一致性對α、β表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)測量結(jié)果影響及修正*

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

α、β表面污染儀是常用的輻射防護(hù)儀器，用于測量開放性放射性工作場所放射性表面污染水平。表面發(fā)射率響應(yīng)是α、β表面污染儀最主要的計量性能參數(shù)[1]，JJG 478-2016《α、β表面污染儀》規(guī)定，測量表面發(fā)射率響應(yīng)時，探測器與α標(biāo)準(zhǔn)平面源的距離為5 mm，與β標(biāo)準(zhǔn)平面源的距離為10 mm，探測器窗與標(biāo)準(zhǔn)平面源保持平行[2][3][4][5]，標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)域應(yīng)覆蓋探測器窗。α、β表面污染儀的型號規(guī)格較多[6]，其形狀、大小各異，因而作為測量標(biāo)準(zhǔn)的α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)形狀、面積難以與探測器窗一致。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)大于或小于探測器窗時，由于平面源與探測器的幾何立體角的不一致[7][8]，將對表面發(fā)射率響應(yīng)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

本文嘗試定性與定量探究標(biāo)準(zhǔn)平面源與探測窗的幾何立體角對α、β表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)測量結(jié)果的影響規(guī)律，可為α、β表面污染儀的檢定提供技術(shù)參考。

1 實驗

1.1 實驗設(shè)備

實驗采用α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源作為測量標(biāo)準(zhǔn)，其中α的標(biāo)準(zhǔn)平面源核素為241Am（α的主要能量為5.486 MeV），活性區(qū)域為 150cm2（15cm×10cm），表面發(fā)射率為 366.91粒子 /（2πsr·min），β標(biāo)準(zhǔn)平面源核素為204Tl（β的最大能量為764 keV），活性區(qū)域為 150cm2（15cm×10cm），表面發(fā)射率為189.91 粒子 /（2πsr·min）。

實驗用α、β表面污染儀的型號分別為PAM-150（其探測窗幾何尺寸為10cm×10cm）和XH-3206（其探測窗幾何尺寸為 7cm×7cm）。用 1 mm 厚的高純度鋁板自行制作與上述探測器相匹配的屏蔽板，實驗中用以改變標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)的形狀與面積。經(jīng)試驗可以完全吸收241Am發(fā)射的α粒子和204Tl發(fā)射的β粒子及其產(chǎn)生的韌致輻射。

1.2 實驗方法

按照J(rèn)JG 478-2016規(guī)定的測量條件，先進(jìn)行α、β表面污染儀的本底計數(shù)率測量，然后用α、β表面污染儀分別對241Am標(biāo)準(zhǔn)平面源和204Tl標(biāo)準(zhǔn)平面源讀數(shù)，按式（1）計算表面發(fā)射率響應(yīng)。

式中：Ri—— 儀器的表面發(fā)射率響應(yīng)，無量綱；

Ni—— 儀器對標(biāo)準(zhǔn)平面源的讀數(shù)的平均值，s-1；

—— 儀器的放射性本底的平均計數(shù)率，s-1；

q—— 標(biāo)準(zhǔn)源與探測器對應(yīng)面積上的表面發(fā)射率，s-1

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)與探測窗不同時，α、β表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)測量結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 兩種儀器在不同α標(biāo)準(zhǔn)平面源面積下的表面發(fā)射率響應(yīng)

圖2 兩種儀器在不同β標(biāo)準(zhǔn)平面源面積下的表面發(fā)射率響應(yīng)

由圖1和圖2可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積與探測窗面積一致的情況下，α、β表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)測得值最小。無論源面積比探測器窗面積大或小，都引起了幾何立體角的變化，從而改變了其表面發(fā)射率響應(yīng)的測量結(jié)果。其原因在于，在被測量粒子的射程內(nèi)，探測器窗對于平面源上每一點發(fā)射的粒子的立體角是不同的。探測器窗中心處對應(yīng)點發(fā)射的粒子的探測立體角最大，接近于4π；越靠近活性區(qū)邊緣處發(fā)射的粒子的探測立體角越小。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積與探測窗面積一致時，活性區(qū)邊緣處發(fā)射的粒子的探測立體角最小，不超過2π。而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積小于探測窗面積時，平面源活性區(qū)內(nèi)發(fā)射的粒子的探測立體角均大于2π。因此在標(biāo)準(zhǔn)平面源表面發(fā)射率不變的條件下，活性區(qū)面積小于探測窗面積時，α、β表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)的測量值大于活性區(qū)面積與探測窗面積一致時的測量值。

表面發(fā)射率響應(yīng)為α、β表面污染儀的示值與探測器窗對應(yīng)的源活性區(qū)面積上表面發(fā)射率之比。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積大于探測窗面積時，超過探測器窗范圍的源活性區(qū)，尤其是靠近探測器窗周邊的平面源活性區(qū)域發(fā)射的粒子也進(jìn)入了探測立體角，從而使得α、β表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)的測量值增大。

2.2 修正計算

對于實驗數(shù)據(jù)作多項式擬合計算，結(jié)果近似線性。根據(jù)計算結(jié)果，嘗試建立相應(yīng)型號儀器表面發(fā)射率響應(yīng)測量值的修正公式。

S—— 標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積；

S0—— 探測器窗面積

1）α粒子的響應(yīng)修正

PAM-150型α、β表面污染儀α表面發(fā)射率響應(yīng)測量修正計算式：

XH-3206型α、β表面污染儀α表面發(fā)射率響應(yīng)測量修正計算式：

2）β粒子的響應(yīng)修正

PAM-150型α、β表面污染儀β表面發(fā)射率響應(yīng)測量修正計算式：

XH-3206型α、β表面污染儀β表面發(fā)射率響應(yīng)測量修正計算式：

2.3 結(jié)果分析

上述擬合計算結(jié)果顯示，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積大于或小于α、β表面污染儀探測窗面積，差異分別在±20%以內(nèi)時，α、β表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)測量值的變化均近似線性。探測器窗面積越大，表面發(fā)射率響應(yīng)測量值的相對變化越大。對于探測器窗面積為100cm2的PAM-150型α、β表面污染儀，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積與α、β表面污染儀探測窗面積的差異不超過±20%時，α表面發(fā)射率響應(yīng)修正因子在1±10%以內(nèi)，β表面發(fā)射率響應(yīng)修正因子在1±13%以內(nèi)；對于探測器窗面積為50cm2的XH-3206型α、β表面污染儀，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積與α、β表面污染儀探測窗面積的差異不超過±20%時，α表面發(fā)射率響應(yīng)修正因子在1±5%以內(nèi)，β表面發(fā)射率響應(yīng)修正因子在1±10%以內(nèi)。

3 結(jié)語

測量α、β表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)時，標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)形狀、面積須與探測窗一致。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積大于或小于探測窗面積時，由于幾何立體角的變化，表面發(fā)射率響應(yīng)測量結(jié)果會偏大；標(biāo)準(zhǔn)平面源活性區(qū)面積與探測窗面積差異在±20%以內(nèi)時，α、β表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)測量值的變化均近似線性，且探測器窗面積較大，則表面發(fā)射率響應(yīng)測量值的偏差也較大。本文給出的經(jīng)驗公式，可為實際檢定校準(zhǔn)測量中表面發(fā)射率響應(yīng)測量結(jié)果的修正提供參考與借鑒。

[1]全國電離輻射計量技術(shù)委員會.JJG 478-2016 α、β表面污染儀[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2016.

[2]全國核儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 5202-2008 輻射防護(hù)儀器α、β和α/β（β能量大于60 keV）污染測量儀與監(jiān)測儀[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[3]全國核能標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC58）.GB/T 8997-2008 α、β表面污染測量儀與監(jiān)測儀的校準(zhǔn)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4]陸小軍，何林鋒，徐一鶴，等.距離和不均勻性對α、β表面活度響應(yīng)測量結(jié)果的影響[J].輻射研究與輻射工藝學(xué)報，2016，34（5）：58-63.

[5]王勇，劉倍，牛強，等.手腳污染測量儀手部探測器β表面活度響應(yīng)的校準(zhǔn)[J].輻射防護(hù)通訊，2015，35（3）：12-15.

[6]何林峰，唐方東，徐一鶴，等.固定式α、β個人表面污染監(jiān)測裝置的校準(zhǔn)及應(yīng)用[J].中國測試，2014，40（s1）：36-38.

[7]Nicholas Tsoulfanidis，Sheldon Landsberger. Measurement and Detection of Radiation 4th Edition[M]. Boca Raton,CRC Press. 2015.

[8]Robin P GARDNER，Kuruvilla VERGHESE and Hsien-Mo LEE.The average solid angle subtended by a circular detector coaxial to a circularisotropic source.[J].Nuclear Instruments and Methods，1980（176）：615-617.