外推電離室關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量方法的研究

杭仲斌，田麗霞，宋明哲，王紅玉，劉川鳳，唐偉偉

（1.東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013; 2.中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量校準(zhǔn)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102488）

0 引 言

隨著核能的不斷發(fā)展和核技術(shù)的廣泛應(yīng)用，在核燃料的加工和處理、反應(yīng)堆核島的檢修、核醫(yī)學(xué)等工作過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的β輻射，如果只監(jiān)測(cè)強(qiáng)貫穿性輻射而忽略了弱貫穿性輻射，很可能損傷工作人員的皮膚或產(chǎn)生更嚴(yán)重的損傷。在這些場(chǎng)所，β射線的監(jiān)測(cè)必不可少，所以β射線相關(guān)劑量?jī)x器的量值傳遞至關(guān)重要。

β參考輻射場(chǎng)劑量測(cè)量所使用的儀器為外推電離室[1]。外推電離室由兩個(gè)平行的電極、入射窗和可移動(dòng)收集極組成，通過調(diào)整尾部的千分尺來改變極板間距。入射窗作為高壓極由導(dǎo)電材料制成，要求足夠薄以不過分衰減β輻射，同時(shí)又需要足夠厚以不會(huì)被收集極靜電吸引而變形。收集極周圍有保護(hù)極，保證收集極與高壓極之間電場(chǎng)均勻。外推電離室的主要參數(shù)為漏電流、飽和曲線、離子收集效率、外推曲線以及電離室零點(diǎn)和有效收集面積[2]。

漏電流、飽和曲線和離子收集效率是外推電離室能否正常工作的重要性能參數(shù)，然而很多相關(guān)文獻(xiàn)中并沒有提及。而有效收集面積和外推曲線斜率是推算外推電離室吸收劑量率的重要參數(shù)。所以，采用科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法來確定這5個(gè)參數(shù)的值是必要的。實(shí)驗(yàn)中，使用測(cè)量電荷的方法確定電離電流值，這樣可以很大程度上減少測(cè)量誤差。本次研究可以為外推電離室的關(guān)鍵性能參數(shù)測(cè)量提供一定的參考。

在國際上，IAEA和IEC等組織針對(duì)外推電離室制定了相關(guān)參數(shù)要求；在國內(nèi)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如GJB 2217A—2018《β劑量參考輻射檢定規(guī)程》也對(duì)外推電離室相關(guān)參數(shù)提出要求。測(cè)量外推電離室的相關(guān)參數(shù)并與國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，確定電離室是否滿足正常測(cè)量的要求十分重要。

選用PTW23392型外推電離室、BSS-2型β射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置和KEITHLEY 6517B型靜電計(jì)，利用靜電計(jì)對(duì)外推電離室內(nèi)到達(dá)收集極的離子信號(hào)進(jìn)行收集[3]。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)合理論計(jì)算得出外推電離室的部分關(guān)鍵參數(shù)，為β射線相關(guān)劑量?jī)x器的量值傳遞提供支持，可以更好地解決β射線在各大領(lǐng)域中的量值傳遞問題。

1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

1.1 外推電離室

實(shí)驗(yàn)所用的電離室為PTW23392型外推電離室。其主要部件的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要性能參數(shù)如表1所示。性能參數(shù)來自PTW23392型外推電離室說明書。

圖1 PTW23392型外推電離室主要部件幾何結(jié)構(gòu)

表1 PTW23392型外推電離室主要性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中，溫度、濕度、氣壓均為實(shí)時(shí)記錄，確保其數(shù)值在適用范圍內(nèi)且變化幅度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)。

1.2 β射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置

實(shí)驗(yàn)所用的β射線次級(jí)標(biāo)準(zhǔn)裝置是isotrak公司的BSS-2裝置。這套裝置的優(yōu)點(diǎn)是：輻照程序由個(gè)人電腦控制；電腦存儲(chǔ)有關(guān)輻照源的校正數(shù)據(jù)；操作簡(jiǎn)單，安全。該套裝置配套的β放射源為90Sr/90Y、85Kr和147Pm，這些放射源的初始劑量率由PTW測(cè)量，可直接溯源到組織中的輻射劑量的初級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。表2為β放射源的主要參數(shù)。

表2 β放射源的主要參數(shù)

由于147Pm放射源的劑量率值較小，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)間過長(zhǎng)，所以本次實(shí)驗(yàn)使用的是劑量率較大的90Sr/90Y和85Kr放射源。

1.3 靜電計(jì)

實(shí)驗(yàn)所用的靜電計(jì)為KEITHLEY 6517B型靜電計(jì)，可以直讀并保存電流、電壓、電荷等數(shù)據(jù)；可以直接給電離室加高壓。使用靜電計(jì)前，開機(jī)后按照要求將其預(yù)熱8 h。使用之前，先使用標(biāo)準(zhǔn)β源檢驗(yàn)整個(gè)電流測(cè)量系統(tǒng)，檢驗(yàn)其穩(wěn)定性。經(jīng)檢驗(yàn)，此靜電計(jì)性能穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)過程中，該靜電計(jì)連續(xù)供電，直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

2 參數(shù)測(cè)定

2.1 漏電流

漏電流是指電離室在沒有被照射的狀態(tài)下存在的電流[4]。由于測(cè)量幾何條件的影響或空間輻射的存在，致使外推電離室中產(chǎn)生漏電流，根據(jù)IEC 60731建議[5]，在10 min的輻照后5 s內(nèi)，泄漏電流應(yīng)降至輻照期間測(cè)得的電離電流的±0.5%。

經(jīng)過測(cè)試，測(cè)得當(dāng)電離室調(diào)整到最小極板間距時(shí)（0.5 mm），在輻照條件下產(chǎn)生的電離電流為44 pA，根據(jù)上述建議，得出漏電流應(yīng)不能超過22 fA。

因?yàn)槁╇娏魇且粋€(gè)相對(duì)不穩(wěn)定的值，所以可以通過一段時(shí)間的累積電荷來得到這段時(shí)間內(nèi)的平均電流。實(shí)驗(yàn)中，對(duì)極板間距調(diào)整為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm時(shí)加相應(yīng)的高壓，測(cè)量相等時(shí)間Δt 內(nèi)的電荷量ΔQ，測(cè)量時(shí)間統(tǒng)一定為120 s，測(cè)量10次，根據(jù)下式得出對(duì)應(yīng)的電流。對(duì)10組數(shù)取平均值，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同極板間距下漏電流的范圍

根據(jù)圖可知，在極板間距為0.5 mm，1.0 mm，1.5 mm，2.0 mm，2.5 mm時(shí)，外推電離室的漏電范圍為0.2～2.2 fA，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最小極板間距下的22 fA，滿足IEC 60731建議。

2.2 飽和曲線

通過測(cè)量電離室的飽和曲線，可以確定電離室的正常工作電壓區(qū)域[6]和幫助計(jì)算離子收集效率[7]。

根據(jù)氣體探測(cè)器應(yīng)在不同的工作區(qū)域工作可知[8]，外推電離室應(yīng)在飽和區(qū)內(nèi)工作。工作在該區(qū)域的探測(cè)器，由復(fù)合損失所引起粒子對(duì)的減少帶來的影響最小。由于該區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的離子對(duì)被全部收集，所以電離電流大小決定于單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電離電荷數(shù)[9]。因此，測(cè)量電離室響應(yīng)隨著電壓的變化對(duì)外推電離室非常重要。

使用90Sr/90Y和85Kr放射源（帶展平過濾），分別在極間距為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm下進(jìn)行測(cè)量，得出在兩個(gè)放射源下外推電離室的飽和曲線，如圖3～圖4所示。

圖3 90Sr/90Y放射源的飽和曲線

圖4 85Kr放射源的飽和曲線

根據(jù)圖以及文獻(xiàn)[10-11]可以確認(rèn)，此外推電離室電離電流是隨電壓的增加呈線性增加，然后緩慢增長(zhǎng)，隨后達(dá)到恒定值，最后在一個(gè)電壓的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。這個(gè)穩(wěn)定的區(qū)域。被稱之為飽和區(qū)，這種曲線被稱之為飽和曲線，或者是坪曲線。

在極板間距為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm和2.5 mm時(shí)，工作電壓取5 V、10 V、15 V、20 V、25 V是在飽和區(qū)域之內(nèi)的。且同一放射源下，極板間距越大，電離電流越大。同一極板間距下，劑量率值較大85Kr源下的電離電流比劑量率值較小的90Sr/90Y源下的電離電流大。

2.3 離子收集效率

電離室的離子收集效率是衡量電離室性能的一個(gè)重要指標(biāo)。電離室工作原理是收集射線產(chǎn)生的初始離子對(duì)，形成電離電流。

離子收集效率由下式得出：

表3 兩種極性下90Sr/90Y和85Kr的離子收集效率

2.4 電離室零點(diǎn)和有效收集面積

電離室零點(diǎn)位置和有效收集面積作為外推電離室最基礎(chǔ)的設(shè)備參數(shù)，無論是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)或者利用軟件模擬電離室的時(shí)候，都需要知道這兩個(gè)量的精確值。

根據(jù)ISO 6980—2:2004[12]，可以通過電壓階躍法來實(shí)現(xiàn)電離室零點(diǎn)位置和有效面積的測(cè)量。根據(jù)文件要求，測(cè)量時(shí)實(shí)驗(yàn)室溫度變化控制在0.1 ℃以內(nèi)。

帶有保護(hù)環(huán)的平行板圓盤電極的電容由下式給出：

式中：εa——空氣的介電常數(shù)（電容率），8.859 78×10-2pF·cm-1；

a——收集電極幾何面積，cm2；

l——電離室極板間距，cm。

根據(jù)式（3）可以得出：

又因?yàn)椋?/p>

圖5 外推電離室極板間距與等效電容倒數(shù)的關(guān)系圖

2.5 外推曲線

W——在空氣中產(chǎn)生一個(gè)離子對(duì)所需要的平均能量；

e——基本電荷；

a——收集極有效收集面積；

ρ0——在溫度為20 ℃和氣壓為101.325 kPa下的空氣密度；

Kbr——β源韌致輻射的修正因子；

Kba——組織與收集極保護(hù)環(huán)材料作為散射體方面差別的修正因子；

Kra——射線束徑向不均勻的修正因子；

Kwi——入射窗對(duì)于β射線的散射和阻止方面的修正因子；

B——外推曲線的斜率。

外推電離室的優(yōu)點(diǎn)是可以改變極板間距，當(dāng)電離室的電極逐漸接近而電極間距離逐漸縮短，其體積和電離電流也將減小。根據(jù)這一特性，可以得出外推曲線。所獲得的曲線由不同的測(cè)量值組成，極板間距取值為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm、2.0 mm、2.5 mm、3.0 mm，測(cè)量時(shí)間為132 s。對(duì)每個(gè)腔室深度得電離電流進(jìn)行6次測(cè)量，并取平均值。

圖6顯示了90Sr/90Y和85Kr這兩個(gè)放射源（帶展平過濾）下的外推曲線。在兩種情況下都能得到線性關(guān)系，且擬合度均高于0.998。其中90Sr/90Y放射源下外推電離室的外推曲線斜率為0.164 5，85Kr放射源下外推電離室的外推曲線斜率0.415 2。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室濕度為45%時(shí)，根據(jù)式（6）可以計(jì)算出，90Sr/90Y和85Kr在距參考點(diǎn)30 cm處帶展平過濾時(shí)的吸收劑量率分別是26.99 mSv/h和68.13 mSv/h，已知初始吸收劑量率和半衰期，得出約定真值為29.14 mSv/h和 68.96 mSv/h，相對(duì)誤差為 7.3%和1.2%。由于計(jì)算中仍有不確定項(xiàng)的修正因子未考慮，此誤差范圍可以接受。

圖6 在90Sr/90Y和85Kr放射源下產(chǎn)生的β射線的外推曲線

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)中，采用的均是電荷法測(cè)量電流值，這樣避免了由于電流波動(dòng)和人為讀數(shù)所引起的誤差，又進(jìn)行多次測(cè)量使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠。實(shí)驗(yàn)測(cè)量外推電離室漏電流、飽和曲線、離子收集效率、外推曲線和電離室零點(diǎn)位置和有效收集面積5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其中，漏電流、飽和曲線和離子收集效率是外推電離室工作前必要的準(zhǔn)備工作，然而很多文獻(xiàn)中并沒有提及。有效收集面積和外推曲線斜率是推算電離室吸收劑量率的重要參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)得出有效收集面積和外推曲線斜率值，得到90Sr/90Y和85Kr吸收劑量率分別為26.99 mSv/h和68.13 mSv/h，與約定真值相對(duì)誤差在8%以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，PTW23393型外推電離室關(guān)鍵參數(shù)滿足β輻射吸收劑量測(cè)量的基本要求。實(shí)驗(yàn)存在不足之處，由于時(shí)間問題，實(shí)驗(yàn)未測(cè)量147Pm下外推電離室的各項(xiàng)參數(shù)。