大面積閉氣式正比計(jì)數(shù)器的主要性能測試

喬 莉，饒賢明，杜向陽，任 熠，張 佳，郭喜榮，王彥飛

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

通常來說，β粒子的穿透能力好于α粒子，電離能力又強(qiáng)于γ光子，既能造成內(nèi)照射，又能造成外照射，嚴(yán)重威脅著人體健康，因此在輻射防護(hù)工作中，β射線的準(zhǔn)確測量也非常重要。選用正比計(jì)數(shù)器作為表面污染監(jiān)測儀表的探測器，薄的入射窗對低能帶電粒子具有探測效率高、長期工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。正比計(jì)數(shù)器不但在高能和低能物理實(shí)驗(yàn)中得到廣泛應(yīng)用，而且在環(huán)境輻射監(jiān)測、表面污染測量等領(lǐng)域中大量使用。

C2門是核電站控制區(qū)出入口輻射監(jiān)測系統(tǒng)中重要的組成部分，用于監(jiān)測出入控制區(qū)的人員體表β污染[1]。山西中輻核儀器有限責(zé)任公司(簡稱“中輻核儀”)自主研發(fā)生產(chǎn)了靈敏面積為40～600 cm2的系列閉氣式正比計(jì)數(shù)器，可應(yīng)用于C2門等表面污染監(jiān)測設(shè)備，用來監(jiān)測人員的手、皮膚、內(nèi)衣等是否有放射性污染。閉氣式正比計(jì)數(shù)器是將工作氣體密封在探測器腔體內(nèi)，無需工作氣體連續(xù)供應(yīng)即可長時(shí)間正常使用，增強(qiáng)了環(huán)境適應(yīng)性，降低了運(yùn)行使用費(fèi)用。

1 大面積閉氣正比計(jì)數(shù)器

1.1 原理介紹

β粒子的能量范圍一般為幾十keV～幾MeV，其能譜具有連續(xù)的特征，通常通過脈沖幅度進(jìn)行甄別。正比計(jì)數(shù)器是工作在正比區(qū)的脈沖氣體電離探測器。正比區(qū)是氣體放大系數(shù)大于1，并且與入射帶電粒子在靈敏體積內(nèi)最初生成的離子對總數(shù)無關(guān)的計(jì)數(shù)管電壓區(qū)。輸出脈沖幅度與最初生成的離子對總數(shù)成正比[2]。

β射線穿過薄膜窗之后，在工作氣體中電離本領(lǐng)不同，產(chǎn)生數(shù)目不等的離子對，經(jīng)放大后在輸出端形成幅度不等的脈沖。閉氣正比計(jì)數(shù)器充入恒定氣壓的工作氣體，氣體放大系數(shù)隨外加電壓增高而迅速增加，呈指數(shù)函數(shù)變化，所以為了保證測量過程中放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，必須使用穩(wěn)定的外加電壓。

由于氣體放大倍數(shù)有限，故探測器產(chǎn)生的電信號微弱，非常容易受到噪聲和環(huán)境干擾，從而增大了測量難度。大面積閉氣式正比計(jì)數(shù)器在應(yīng)用于手腳污染監(jiān)測儀、C2門等表面污染監(jiān)測儀時(shí)，需采用電荷靈敏前置放大器對探測器輸出的弱信號進(jìn)行預(yù)放大，經(jīng)主放電路、閾值甄別電路等組成的測量系統(tǒng)，形成數(shù)字脈沖信號，進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。探測器性能對儀器整機(jī)的物理指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。

1.2 探測器結(jié)構(gòu)

大面積閉氣正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合了探測器的工作特點(diǎn)及工作環(huán)境等綜合因素進(jìn)行考慮[3]。探測器結(jié)構(gòu)主要包括：入射窗、殼體、陽極絲及其固定柱等。殼體所選用的材料具有熱脹冷縮系數(shù)小，在正負(fù)離子的撞擊下不會(huì)產(chǎn)生負(fù)電性氣體等特性[4]。探測器的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，廣泛應(yīng)用于各個(gè)不同型號的探測器。

圖1中，入射窗選用十幾微米金屬箔材；殼體選用鋁；圖2中，陽極絲采用鍍金鎢絲，絲徑為0.01～0.05 mm；陽極絲固定柱選用聚四氟乙烯絕緣柱；膠結(jié)劑選擇環(huán)氧樹脂；工作氣體選用高純度P10氣體(90% Ar和10% CH4混合氣體)。

圖1 探測器外部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 External structure of detector

圖2 探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of detector

1.3 性能測試

本文選取探測器有效面積為517 cm2的大面積閉氣式正比計(jì)數(shù)器進(jìn)行測試。使用的放射源：90Sr-90Y平面源，源編號1630，證書編號2018-D021，校準(zhǔn)日期2018-07-11，源面積100 cm2，測試日期2018-08-09的表面發(fā)射率4.052×103s-1·2πSr-1。測試條件：測試源放置于探測器有效靈敏面積幾何中心正上方10 mm處，測量時(shí)間10 s，測量次數(shù)10次。每7天測試一組電壓工作點(diǎn)的本底計(jì)數(shù)率和帶源計(jì)數(shù)率，每1個(gè)月測試一組坪曲線數(shù)據(jù)。連續(xù)測量6個(gè)月，分別記錄本底計(jì)數(shù)率、帶源計(jì)數(shù)率、坪曲線，并計(jì)算表面發(fā)射率、最小可探測活度及變異系數(shù)等，驗(yàn)證探測器的長期穩(wěn)定性。

1.3.1坪曲線

對于特定的輻射探測器，通?？梢愿淖冊谳椛湎嗷プ饔弥挟a(chǎn)生的電荷的增益或放大。這種變化可以通過改變檢測器和計(jì)數(shù)電路之間的線性放大器的放大系數(shù)來實(shí)現(xiàn)，或者在許多情況下更直接地通過改變施加到探測器本身的電壓來實(shí)現(xiàn)[4]。本實(shí)驗(yàn)通過改變施加到探測器本身的電壓，將電壓對應(yīng)的計(jì)數(shù)率繪成一條曲線，即坪曲線。兼顧曲線平滑性及繪制效率等因素，高壓選取1 420 V開始，以20 V為步長，測量本底計(jì)數(shù)率和帶β源計(jì)數(shù)率，到1 900 V結(jié)束。計(jì)算帶源凈計(jì)數(shù)率，繪制高壓與帶源凈計(jì)數(shù)率的坪曲線，如圖3所示。坪區(qū)間對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表1。

圖3 帶源凈計(jì)數(shù)率的坪曲線Fig.3 Plateau curve with source net count rate

表1 坪區(qū)間對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of the plateaus

分析坪曲線，計(jì)算坪長、坪斜。坪斜P計(jì)算公式如式(1)：

(1)

式中，Nmax為坪區(qū)間中最大帶源凈計(jì)數(shù)率，cps；Nmin為坪區(qū)間中最小帶源凈計(jì)數(shù)率，cps；V2為坪區(qū)間的電壓上限，V；V1為坪區(qū)間的電壓下限，V。

根據(jù)表1和公式(1)，計(jì)算得到坪長為260 V，坪斜P為2.1%/100 V。

1.3.2表面發(fā)射率響應(yīng)

通過對β坪曲線分析，計(jì)算探測器對β射線的表面發(fā)射率響應(yīng)，公式[5]如下：

(2)

根據(jù)表1工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，帶入公式(2)計(jì)算，探測器表面發(fā)射率響應(yīng)為50.4%。連續(xù)6個(gè)月表面發(fā)射率響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知，探測器連續(xù)6個(gè)月工作，性能穩(wěn)定，表面發(fā)射率響應(yīng)無明顯下降。

圖4 連續(xù)6個(gè)月表面發(fā)射率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental data of detection efficiency for 6 consecutive months

1.3.3最低可探測限

C2門輻射監(jiān)測儀主要用于控制區(qū)邊界和監(jiān)督區(qū)邊界人員出入測量控制，待測污染值較小，要求儀器的探測下限盡量低。僅考慮第一類誤差風(fēng)險(xiǎn)，置信度95%時(shí)，最小可探測單位面積活度MDA見公式(3)[6]：

(3)

式中，MDA為最低可探測單位面積活度，Bq/cm2；P為第一類誤差風(fēng)險(xiǎn)正態(tài)分布分位數(shù)，在置信度為95%時(shí)P=1.960；nB為平均本底計(jì)數(shù)率，s-1；tB為本底測量時(shí)間，s；tM為表面污染測量時(shí)間，s；Eff為表面發(fā)射率響應(yīng)；S為探測器靈敏面積，cm2；ε為測量表面發(fā)射率響應(yīng)所用標(biāo)準(zhǔn)平面源的效率，s-1·Bq-1，對β面源，ε=0.62[5]。

根據(jù)表1工作點(diǎn)數(shù)據(jù)，帶入公式(3)計(jì)算，得單位面積最小可探測活度為0.034 Bq/cm2。

1.3.4變異系數(shù)

(4)

一組測量10次的帶源凈計(jì)數(shù)率(cps)分別為2 024.7 cps,2 023.0 cps,2 018.2 cps,2 054.6 cps,2 008.2 cps,1 995.2 cps,2 014.3 cps,2 043.2 cps,2 015.5 cps和2 010.4 cps，平均值為2 020.7 cps，按照公式(4)計(jì)算得出變異系數(shù)為0.85%。

2 總結(jié)

通過對大面積閉氣式正比計(jì)數(shù)器的本底、坪曲線、表面發(fā)射率響應(yīng)、變異系數(shù)等物理指標(biāo)的測試。測試結(jié)果表明，相同測試環(huán)境及條件下，探測器在1 620 V工作電壓時(shí)，本底計(jì)數(shù)率為24.5 cps，表面發(fā)射率響應(yīng)為50.4%，變異系數(shù)為0.85%等。目前，中輻核儀自主研發(fā)生產(chǎn)的大面積閉氣式正比計(jì)數(shù)器已應(yīng)用于C2門等表面污染監(jiān)測設(shè)備，經(jīng)過長期運(yùn)行，性能穩(wěn)定。