α、β表面污染儀的應(yīng)用與計量性能現(xiàn)狀分析

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

α、β表面污染儀是常見的輻射防護(hù)儀器，主要用于開放性工作場所設(shè)施表面、工作人員皮膚及衣物表面的α、β污染的監(jiān)測。核電站、醫(yī)院放療室、各級輻射防護(hù)與環(huán)境監(jiān)測部門均有配備，其性能對監(jiān)測結(jié)果的可靠性有直接影響[1]。目前，α、β表面污染儀主要采用閃爍體探測器和GM計數(shù)管探測器，國家計量檢定規(guī)程 JJG 478-2016《α、β表面污染儀》規(guī)定了此類儀器的檢定項目、檢定方法和技術(shù)要求[2]。

1 α、β表面污染儀的應(yīng)用

1.1 使用方法

日常使用α、β表面污染儀進(jìn)行放射性污染測量時，需要準(zhǔn)確控制α、β表面污染儀探測器窗表面與待測平面之間的距離。根據(jù)JJG 478-2016的要求，測量α表面污染時，α、β表面污染儀探測器窗表面與待測平面之間的距離為5 mm；測量β表面污染時，α、β表面污染儀探測器窗表面與待測平面之間的距離為10 mm。測量數(shù)據(jù)會隨著距離的變化呈現(xiàn)二次多項式關(guān)系，影響最終結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]。

同時，待測區(qū)域面積與α、β表面污染儀探測器窗面積間的差距同樣會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。原則上來說，α、β表面污染儀探測器窗面積應(yīng)與待測區(qū)域面積保持一致，當(dāng)待測區(qū)域面積大于或小于探測器窗面積時，由于幾何立體角的變化，測量結(jié)果會偏大[4]。當(dāng)待測區(qū)域面積小于探測器窗面積時，應(yīng)盡可能地讓待測區(qū)域處于探測窗中心的正下方。當(dāng)待測區(qū)域面積大于探測器窗面積時，測量采用五點法，即在待測區(qū)域選擇五個點位進(jìn)行定點測量。若采用五點法能覆蓋整個待測區(qū)域，則將探測器置于待測區(qū)域中心進(jìn)行測量；若探頭過小，采用五點法仍無法覆蓋待測區(qū)域，則取五個點位測得值的平均值作為測量結(jié)果，以確保量值的準(zhǔn)確性[5]。

1.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)JJG 478-2016，檢定α、β表面污染儀的計量標(biāo)準(zhǔn)為α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源，其量值為表面發(fā)射率，溯源至粒子表面發(fā)射率國家基準(zhǔn)。α、β表面污染儀的檢定結(jié)果給出其表面發(fā)射率響應(yīng)。而放射性表面污染監(jiān)測結(jié)果通常以單位面積的放射性活度表示（Bq/cm2），由此需由表面發(fā)射率響應(yīng)Rq計算表面活度響應(yīng)Ra：

式中：Ra—— α、β表面污染儀的表面活度響應(yīng)，s-1Bq-1cm2；

Rq—— α、β表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)；

s—— α、β表面污染儀探測器窗面積，cm2；

ε—— 測量表面發(fā)射率響應(yīng)所用標(biāo)準(zhǔn)平面源的效率，s·Bq-1

標(biāo)準(zhǔn)平面源效率ε與粒子類型、標(biāo)準(zhǔn)平面源基材、標(biāo)準(zhǔn)平面源的制作方法等眾多因素相關(guān)，其準(zhǔn)確值需要通過實驗方法獲得。通常情況下，標(biāo)準(zhǔn)平面源效率ε常用的推薦值為：

對于α標(biāo)準(zhǔn)平面源，ε（α）= 0.51；對于β標(biāo)準(zhǔn)平面源，ε（β）= 0.62。

用α、β表面污染儀做表面污染監(jiān)測時，測量條件應(yīng)盡可能與檢定測量條件一致，按式（2）計算被測對象單位面積活度As：

式中：As—— 被測對象單位面積的活度，Bq·cm-2；

—— α、β表面污染儀對被測對象的計數(shù)率，s-1；

—— α、β表面污染儀的本底計數(shù)率，s-1；

Ra—— α、β表面污染儀的表面活度響應(yīng)，s-1Bq-1cm2

2 計量性能統(tǒng)計分析

2.1 分析樣本

選擇五種常見型號α、β表面污染儀在2013、2016、2019年度的檢定結(jié)果作為樣本，其中，Inspector、CoMo170與LB124為進(jìn)口儀器，JB4100和FJ-2207為國產(chǎn)儀器；Inspector采用GM計數(shù)管探測器，并可做X、γ輻射劑量（率）測量，其余四種型號均采用閃爍體探測器?？紤]α、β表面污染儀送檢數(shù)量的差別，進(jìn)口儀器每種型號每年度選擇50個樣本，國產(chǎn)儀器每種型號每年度選擇30個樣本。按樣本數(shù)計算各參數(shù)的平均值進(jìn)行統(tǒng)計分析，其中α、β表面污染儀的相對固有誤差按其絕對值計算平均值。

2.2 計量性能參數(shù)

表征α、β表面污染儀主要計量性能的指標(biāo)有：表面發(fā)射率響應(yīng)、重復(fù)性以及相對固有誤差。表面發(fā)射率響應(yīng)主要反映了α、β表面污染儀對α、β粒子的響應(yīng)能力（或探測效率）；相對固有誤差由對同一核素不同表面發(fā)射率時測量的非線性表示；重復(fù)性則體現(xiàn)出α、β表面污染儀測量時計數(shù)的穩(wěn)定情況。上述參數(shù)是α、β表面污染儀的固有特性，是影響其測量結(jié)果準(zhǔn)確性的主要因素。

1）表面發(fā)射率響應(yīng)

五種型號的α、β表面污染儀的α、β表面發(fā)射率響應(yīng)歷年間的變化情況如圖1、圖2所示。

圖1 α、β表面污染儀α表面發(fā)射率響應(yīng)歷年變化

圖2 α、β表面污染儀β表面發(fā)射率響應(yīng)歷年變化

對于同一種探測器，加載的電壓值與電子學(xué)放大系數(shù)是影響表面發(fā)射率響應(yīng)的主要因素。一方面較高的響應(yīng)有利于更低的探測下限；另一方面偏壓越高、放大系數(shù)越大則電子學(xué)噪聲也越大，抬高了α、β表面污染儀的探測下限，并且高計數(shù)測量時，死時間也會增大，縮小了α、β表面污染儀的有效測量范圍。圖1顯示國產(chǎn)型號JB4100的α表面發(fā)射率響應(yīng)經(jīng)歷了一個比較明顯的變化過程，由高至低與其他型號趨于一致；圖2顯示進(jìn)口型號CoMo170的β表面發(fā)射率響應(yīng)有較明顯的提高。總體上，分析樣本中五種型號α、β表面污染儀的α表面發(fā)射率響應(yīng)平均值在0.23～0.37的范圍內(nèi)，差異呈明顯縮小趨勢，國產(chǎn)型號FJ-2207的β表面發(fā)射率響應(yīng)相對較低，其余四種型號的β表面發(fā)射率響應(yīng)都在0.4～0.5的范圍內(nèi)。

2）相對固有誤差

五種型號儀器的相對固有誤差歷年間的變化情況如圖3、圖4所示。

圖3 α、β表面污染儀對α放射性的相對固有誤差歷年變化

圖4 α、β表面污染儀對β放射性的相對固有誤差歷年變化

相對固有誤差反映了α、β表面污染儀響應(yīng)的非線性，由圖3、圖4可以看出，2013年至今GM計數(shù)管探測器α、β表面污染儀的相對固有誤差稍有改善，目前約為10%；閃爍體探測器α、β表面污染儀中，進(jìn)口儀器對α放射性測量的相對固有誤差無較大變化，對β放射性測量的相對固有誤差則有了較明顯的改善，國產(chǎn)儀器的相對固有誤差則有大幅度的下降。至2019年度，分析樣本中，國產(chǎn)和進(jìn)口的閃爍體探測器α、β表面污染儀相對固有誤差平均值接近，采用閃爍體探測器的四款α、β表面污染儀的相對固有誤差都在5%左右。

源于發(fā)光晶體、光電倍增管性能的改善以及光電子計數(shù)模型的更新，閃爍體探測器α、β表面污染儀的相對固有誤差得到顯著的優(yōu)化，國產(chǎn)與進(jìn)口儀器間響應(yīng)的非線性已處于同樣的水平。

3）重復(fù)性

五種型號α、β表面污染儀的重復(fù)性歷年間的變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 α、β表面污染儀α測量重復(fù)性歷年變化

圖6 α、β表面污染儀β測量重復(fù)性歷年變化

弱放射性測量存在較大的統(tǒng)計漲落，重復(fù)性是反映α、β表面污染儀計量性能的重要參數(shù)，與探測器類型相關(guān)，通常采用電子學(xué)處理技術(shù)加以優(yōu)化，圖5、圖6顯示，分析樣本中進(jìn)口閃爍體探測器α、β表面污染儀的測量重復(fù)性平均值在2%左右，同類國產(chǎn)α、β表面污染儀則在6%以上，進(jìn)口儀器對α、β放射性的測量重復(fù)性明顯好于國產(chǎn)儀器。

3 結(jié)語

簡要介紹了α、β表面污染儀的主要計量性能參數(shù)、日常使用方法要點和表面污染測量數(shù)據(jù)處理中涉及的計量單位轉(zhuǎn)換。分析總結(jié)了2013、2016、2019三年間五種型號共630臺α、β表面污染儀計量檢定數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示：總體上國產(chǎn)α、β表面污染儀的計量性能有了較大的進(jìn)步，目前在表面發(fā)射率響應(yīng)和相對固有誤差兩項技術(shù)指標(biāo)上，國產(chǎn)儀器的性能已接近進(jìn)口儀器，而在測量重復(fù)性方面，則還存在著一定差距。