大面積表面污染測量儀主要性能測試與分析

張 菁，侯 磊，饒賢明，劉晉瑾，杜向陽，張 佳，喬敏娟

(1.山西中輻核儀器有限責任公司，太原 030006；2.中國輻射防護研究院，太原 030006；3.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100)

當前在核電、核燃料循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈等領域，存在放射性表面污染的風險，為保護工作人員免受輻射照射有害效應[1-2]，可使用便攜式表面污染測量設備來對工作人員手、腳及全身進行監(jiān)測，進而達到防止污染擴散，保證工作人員安全，實現(xiàn)輻射防護最優(yōu)化的目的?；诖?，山西中輻核儀器有限責任公司自主研發(fā)了便攜式α、β大面積表面污染測量儀，儀器可應用于各類放射性表面污染場所的檢測。

為確保儀器測量的準確性和測量數(shù)據(jù)的可靠性，本文參照國際國內(nèi)相關規(guī)定[3-4]，對大面積α、β表面污染測量儀器探測器的均勻性、探測效率、探測限、響應時間和溫度穩(wěn)定性等主要性能進行了測試分析。

1 便攜式大面積表面污染測量儀

便攜式大面積、表面污染測量儀為山西中輻核儀器有限責任公司自主研發(fā)的一種大面積[5]表面污染測量儀，為一體式設計，有效探測面積為170 cm2。儀器采用靈敏層厚度為0.5 mm的復合塑料閃爍體探測器，可同時測量α、β射線，并分別顯示測量值。儀器由探測器單元、電子學單元和外殼構成，儀器結構如圖1所示。探測器單元包括網(wǎng)格、鋁膜、塑料閃爍體、光電倍增管、運放電路等。電子學單元包括顯示器、按鍵面板、鋰電池、主板電路、USB數(shù)據(jù)接口等。外殼材料選用ABS塑料。

圖1 儀器結構圖Fig.1 Structure diagram of the meter

本儀器的工作原理：探測器將收集到的射線轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)運放電路處理，用幅度甄別法將信號脈沖分為α和β兩道計數(shù)，分別送至單片機系統(tǒng)，經(jīng)由算法處理后將測量結果發(fā)送到顯示屏。用戶還可通過按鍵設置儀器的測量參數(shù)。

2 性能測試與分析

對本文便攜式大面積表面污染測量儀測試依據(jù)JJG 478—2016 《α、β表面污染儀檢定規(guī)程》和 GB/T 5202—2008 《輻射防護儀器 α、β和α/β(β能量大于60 keV)污染測量儀與監(jiān)測儀》。測試環(huán)境溫度為25 ℃左右，相對濕度為65%左右，測試實驗于中國輻射防護研究院校準實驗室內(nèi)完成。測試過程中所用到的放射源列于表1。

表1 放射源列表Tab.1 Radioactive sources list

表1中，除2號源為直徑10 mm的點源外，其余源規(guī)格均為10 cm×15 cm的長方形面源。1號、2號、6號源的溯源機構為中國輻射防護研究院放射性計量站，3號源溯源機構為中國計量科學研究院，4號和5號源溯源機構為國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站。

2.1 本底計數(shù)率

本底測量工作于中國輻射防護研究院校準實驗室完成，本底重復測量10次，每次測量時間為10 s，計算得α本底計數(shù)率平均值為0.1 s-1；β本底平均值為5.9 s-1。

2.2 表面發(fā)射率響應

分別用α、β系列標準面源測定大面積表面污染測量儀對α、β粒子的響應。測量時，采用10 cm×15 cm的長方形面源，放入專用源架內(nèi)進行測試。依據(jù)標準JJG 478—2016[3]，用α源時，α標準平面源距探測器窗表面距離為5 mm；用β源時，β標準平面源距探測器窗表面距離為10 mm。對應每個放射源取10個計數(shù)率測量值(每秒1次)求平均值。α、β表面污染儀扣除本底后得到的凈計數(shù)，與探測器窗對應的標準平面源活性區(qū)域面積上表面發(fā)射率的商，即為被檢儀器的表面發(fā)射率響應?？捎晒?1)計算得出，結果列于表2。

(1)

由表2可以可看，探測器對α、β源的表面發(fā)射率響應滿足標準JJG 478—2016中對于α粒子和β粒子表面發(fā)射率響應的技術要求。

表2 探測器表面發(fā)射率響應(測量時間：10 s)Tab.2 Surface emission rate response of meter ( measure time:10 s)

2.3 探測器的均勻性測試

探測器的均勻性表示單位面積上測量的數(shù)據(jù)可以在整個表面重復的一種性能，為了區(qū)分探測器單位面積對放射源表面發(fā)射率的響應的均勻性，可認為探測器是由許多相同表面積的部分組成[6,7]。均勻性定義為整個表面上各獨立部分的表面發(fā)射率響應的變異系數(shù)，每個小部分的面積應在10 cm2左右，分區(qū)如圖2所示。

圖2為探測器上均勻性測試的16個點位，使用表面發(fā)射率為72 s-1的90Sr-90Y點源，對16個點位分別進行5次重復測量，每次測量時間為10 s，點源距離探測器窗每個點位距離為10 mm。表3給出了16個點位β表面發(fā)射率響應的值。

圖2 探測器分區(qū)示意圖(單位：mm)Fig.2 Detector diagram (unit:mm)

表3 探測器均勻性測試結果Tab.3 Test results of uniformity

由表3可知，儀器各點位對90Sr-90Y表面發(fā)射率響應為35.8%～58.3%，探測器各部分表面發(fā)射率響應測量值標準偏差為5.8%，均勻性好于13.0%，與文獻[8]均勻性測試結果相當。

2.4 最低可探測下限

根據(jù)標準GB/T 5202—2008和JJG 478—2016，對特定核素的最低可探測下限D(zhuǎn)L的計算如式(2)所示：

(2)

式中，R0為本底計數(shù)率，見2.1節(jié)；t0為本底計數(shù)的預選時間，10 s；tb為測量的預選時間，10 s；k1-α為第一類誤差風險正態(tài)分布的分位數(shù)，k1-β為第二類誤差風險正態(tài)分布的分位數(shù)，置信度為95%時，選k1-α=k1-β=1.65；η是儀器的表面發(fā)射率響應；ε是平面源效率，根據(jù)JJG 478—2016，239Pu平面源取0.51，90Sr-90Y平面源取0.62，36Cl平面源取0.5；A為探測器靈敏面積，此處為170 cm2。

使用上述數(shù)據(jù)和表2中表面發(fā)射率響應數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)計算可得，儀器的最低可探測下限對α源239Pu為0.15 Bq/cm2，對β源90Sr-90Y(面源)為0.07 Bq/cm2，對β源36Cl為0.09 Bq/cm2。滿足標準GB/T 18871—2002[9]中關于工作場所的放射性表面污染控制水平的要求。

2.5 響應時間

根據(jù)標準GB/T 5202—2008[4]，響應時間按下述方法確定：被測污染突然發(fā)生變化時，如果儀器指示的輻射值增加，則指示值在7 s內(nèi)達到式(3)的數(shù)值M；如果儀器指示的輻射減少，則在10 s內(nèi)達到式(3)的數(shù)值M：

(3)

式中，Mi為儀器的初始指示值，Mf為儀器的最終指示值，M為時間響應判斷值。

根據(jù)標準 GB/T 5202—2008[4]，將正常工作的儀器放在帶源(90Sr-90Y面源)的源架上，儀器指示的輻射值增加，β計數(shù)率指示初始值為877.3 s-1，最終指示值為6 111.7 s-1，儀器指示值列于表4。由式(3)可知，M=5 588.2 s-1。由表4可以看出，指示值可在4 s內(nèi)達到M值，時間響應<7 s。

表4 儀器時間響應指示值變化(1) (90Sr-90Y)Tab.4 Indicated values as contamination increasing(90Sr-90Y)

移除放射源時，儀器指示的輻射值減少，β計數(shù)率指示初始值為6 111.7 s-1，最終指示值為7.25 s-1，儀器指示值列于表5。計算得M=617.7 s-1。

表5 儀器時間響應指示值變化(2) (90Sr-90Y)Tab.5 Indicated values as contamination decreasing (90Sr-90Y)

由表5可以看出，指示值在4 s內(nèi)可以達到M值，時間響應<10 s。

綜上所述，儀器整體時間響應<4 s，符合標準GB/T 5202—2008的規(guī)定。

2.6 溫度穩(wěn)定性

根據(jù)標準GB/T 8993—1998[10]的規(guī)定，選擇儀器工作溫度為-10 ℃～40 ℃。本測試在環(huán)境試驗箱內(nèi)進行，測量時間均為4 h，測試源為90Sr-90Y(面源)。儀器在每個極限溫度下(-10 ℃和40 ℃)至少保持4 h并在最后30 min內(nèi)進行所要求參數(shù)的測量，每10 s記錄一次數(shù)據(jù)。測試結果列于表6。

表6 溫度穩(wěn)定性測試表(測量時間：10 s)Tab.6 The test results of temperature stability (time:10 s)

由表6可知，儀器在40 ℃和-10 ℃時，本底計數(shù)率、β計數(shù)率與室溫條件下的計數(shù)率差異在-5.9%、5.1%之間，均在GB/T 5202—2008規(guī)定的40 ℃時指示值的變化限值為±7%和-10 ℃時指示值的變化限值為±20%的范圍內(nèi)，說明儀器溫度穩(wěn)定性符合標準要求。

3 結論

本工作對大面積表面污染測量儀表面發(fā)射率響應的均勻性、最低可探測下限、時間響應和溫度穩(wěn)定性等各項指標進行了測試與分析。結果表明，該儀器的表面發(fā)射率響應均勻性良好；最低可探測下限對α源239Pu為0.15 Bq/cm2，對β源90Sr-90Y為0.07 Bq/cm2，對β源36Cl為0.09 Bq/cm2，滿足標準GB/T 18871—2002關于放射性表面污染控制水平的要求；響應時間小于4 s，符合GB/T 5202—2008標準的規(guī)定；極限溫度條件下，儀器測量數(shù)值變化范圍在-5.9%到5.1%之間，滿足標準GB/T 5202—2008要求，儀器可在極限溫度下正常工作。