X射線環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)方法的研究

宋 飛, 趙 瑞, 丁衛(wèi)撐, 張德亮, 楊 揚(yáng), 吳金杰

(1.成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院, 四川 成都 610059； 2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

隨著核技術(shù)的廣泛應(yīng)用,環(huán)境輻射的監(jiān)測(cè)對(duì)于醫(yī)療公眾衛(wèi)生、科研、能源及工業(yè)等領(lǐng)域起到了巨大作用。特別是在福島核事故之后,放射性環(huán)境的監(jiān)測(cè)對(duì)于社會(huì)和公眾具有重要影響。為保證廣大人民的生命健康與財(cái)產(chǎn)安全,目前我國(guó)輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)國(guó)控點(diǎn)包括輻射環(huán)境自動(dòng)站、陸地輻射點(diǎn)、水樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)、土壤監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn),基本覆蓋了中國(guó)大陸主要城市及江河湖泊。各個(gè)地區(qū)的輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)站通過(guò)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)確定環(huán)境中的輻射物質(zhì)含量及分布等數(shù)據(jù),從而進(jìn)一步有效評(píng)估輻射物質(zhì)對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的影響[1～3]。

環(huán)境輻射的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)需要采用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)環(huán)境中的輻射物質(zhì)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量,監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)能夠確定當(dāng)?shù)氐妮椛溆绊懙燃?jí),通過(guò)這些數(shù)據(jù)能夠?qū)Ξ?dāng)?shù)氐沫h(huán)境輻射進(jìn)行有效評(píng)估,達(dá)到及時(shí)控制和預(yù)防的目的。根據(jù)JJG 521—2006,環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀器需要溯源的劑量率范圍達(dá)到30 nGy/h～10 μGy/h。為了逐步解決國(guó)內(nèi)環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀在低劑量率水平上的量值溯源問(wèn)題,本研究首先利用60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)電離室完成了重過(guò)濾窄譜X射線輻射質(zhì)空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量，然后通過(guò)逐級(jí)替代法完成了較大體積環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀的校準(zhǔn),評(píng)估了儀器的性能,同時(shí)驗(yàn)證了逐級(jí)替代法應(yīng)用于X射線環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)中的可行性。本研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)環(huán)境水平60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能測(cè)量量值溯源提供參考。

2 實(shí)驗(yàn)方法與原理

2.1 環(huán)境輻射劑量?jī)x的測(cè)量原理

通常用來(lái)測(cè)量環(huán)境輻射劑量率的儀器主要包括常壓電離室和高壓電離室,以及部分能譜儀。對(duì)于環(huán)境輻射,通常其電離電流信號(hào)較弱,需要增加收集效率,常采用大體積常壓的電離室。本研究使用的球形電離室靈敏體積為10 L,電離室外徑為276 mm,該球形電離室由兩個(gè)同心圓組成,這兩個(gè)球代表中心測(cè)量電極和包圍靈敏體積的室壁,測(cè)量電極桿旁的中心電極電位的防護(hù)可限制漏電流。測(cè)量時(shí)通過(guò)劑量?jī)x施加高壓,這樣高壓極和內(nèi)部的收集電極就會(huì)形成電場(chǎng),特定能量的X射線與空氣發(fā)生相互作用會(huì)產(chǎn)生電離電荷,產(chǎn)生的電子離子對(duì)在靈敏體積電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)而形成輸出信號(hào)[4]。

充氣高壓電離室的工作原理與其它電離室的工作原理基本相同,當(dāng)X射線進(jìn)入到充氣高壓電離室后,射線會(huì)與電離室中的氣體發(fā)生反應(yīng),將工作氣體分離。表征環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀性能的響應(yīng)因子包括劑量響應(yīng)、能量響應(yīng)與角響應(yīng)。大量文獻(xiàn)表明,高氣壓電離室在環(huán)境輻射能量段具有優(yōu)良的響應(yīng)特性,基本形成1個(gè)響應(yīng)因子不變的平臺(tái)[5,6]；另外高氣壓電離室的幾何結(jié)構(gòu)是對(duì)稱設(shè)計(jì),故角響應(yīng)偏差極低,一般高氣壓電離室角響應(yīng)小于等于1.2%[7],并且可以在極端惡劣環(huán)境下持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行[8]。因此，對(duì)于極弱的輻射劑量率測(cè)量通常采用充壓和充惰性氣體的高氣壓電離室。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

對(duì)于輻射防護(hù)和環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)類儀器,其測(cè)量量通常是需要溯源到相應(yīng)的空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)上。目前我國(guó)建立了10～60 kV X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)和60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)。60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)電離室是平板型自由空氣電離室,由光闌、高壓極、收集極、保護(hù)極和屏蔽外殼等組成。X光子與自由空氣電離室內(nèi)部的空氣進(jìn)行相互作用,產(chǎn)生的電子和正離子在電場(chǎng)作用下分別向正負(fù)兩極漂移,從而被收集極收集?；鶞?zhǔn)電離室的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn) 電離室的相關(guān)參數(shù)Tab.1 Related parameters of X rays air-kerma reference ionization chamber in 60～250 kV mm

針對(duì)環(huán)境輻射低劑量率的監(jiān)測(cè),無(wú)法采用基準(zhǔn)電離室直接復(fù)現(xiàn)量值,通常需要在高劑量率下進(jìn)行量值復(fù)現(xiàn),再通過(guò)傳遞電離室完成較低劑量率下的響應(yīng)過(guò)渡,最后用高氣壓電離室對(duì)其進(jìn)行量值傳遞和刻度。環(huán)境輻射能量測(cè)量范圍通常為30 keV～7 MeV,因此根據(jù)JJG 521—2006《環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能(吸收劑量)率儀檢定規(guī)程》,在中能X射線輻射裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。裝置主要由X光機(jī)、限束光闌、過(guò)濾裝置、定位裝置、控制系統(tǒng)等組成[9]。采用MG325型X射線光機(jī),靶材料為鎢，管電壓的調(diào)節(jié)范圍為15～320 kV,管電流的調(diào)節(jié)范圍為0～22.5 mA,在距離X射線焦斑1 m處輻射野直徑約為10 cm。

根據(jù)GB 12161-1,建立了用于輻射防護(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)用X射線參考輻射質(zhì),通常稱作重過(guò)濾窄譜系列(N系列)和低空氣比釋動(dòng)能率系列(L系列)參考輻射質(zhì),其輻射質(zhì)參數(shù)分別如表2和表3所示。

表2 N系列參考輻射質(zhì)特性Tab.2 Characteristic of N series reference radiation

表3 L系列參考輻射質(zhì)特性Tab.3 Characteristic of L series reference radiation

根據(jù)空氣比釋動(dòng)能的定義,采用自由空氣電離室完成了N系列輻射質(zhì)X射線空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量[10],并通過(guò)逐級(jí)替代法完成環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器在L系列的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。

2.3 逐級(jí)替代法的測(cè)量原理

根據(jù)JJG 2043—2010《60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能計(jì)量器具檢定系統(tǒng)表》,對(duì)于環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀器在X射線能量段的量值傳遞,通常采用替代法進(jìn)行檢定和校準(zhǔn)。替代法的原理就是在參考點(diǎn)處首先利用基準(zhǔn)電離室進(jìn)行量值復(fù)現(xiàn),然后將傳遞電離室放置于同一位置,保證測(cè)量條件完全一致,測(cè)量得到傳遞電離室的示值,通過(guò)計(jì)算得到傳遞電離室在特定輻射質(zhì)下的校準(zhǔn)因子。其原理公式為：

(1)

根據(jù)國(guó)家檢定規(guī)程JJG 521—2006,考慮到實(shí)際測(cè)量需求,環(huán)境輻射劑量率的測(cè)量范圍通常不超過(guò)100 μGy/h。一方面要想達(dá)到電子平衡,電離室必須處在均勻輻射場(chǎng)中,故需要將參考點(diǎn)選在距離X光機(jī)較遠(yuǎn)位置,通常為4 m才能保證測(cè)量要求；另一方面,為了達(dá)到較低劑量率,需要將X光機(jī)管電流下調(diào),建立測(cè)量條件。為了實(shí)現(xiàn)量值溯源,根據(jù)自由空氣電離室的結(jié)構(gòu)參數(shù),其測(cè)量范圍均在pA量級(jí)以上,這樣在環(huán)境輻射劑量?jī)x校準(zhǔn)參考點(diǎn)處無(wú)法直接利用基準(zhǔn)進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量[11],故采用逐級(jí)替代的方法對(duì)電離室進(jìn)行刻度。

逐級(jí)替代法是避免因測(cè)量范圍有限不能對(duì)環(huán)境輻射劑量達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)量和量值復(fù)現(xiàn)的缺點(diǎn),利用不同體積的電離室的逐次傳遞在不同位置處進(jìn)行劑量率的測(cè)量和刻度,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀器的量值溯源[12～14]。逐級(jí)替代法的具體原理和實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置及儀器的搭建Fig.1 Construction of experimental apparatus and instruments

用基準(zhǔn)電離室在距X射線光機(jī)1 m處測(cè)得N系列下各個(gè)輻射質(zhì)的空氣比釋動(dòng)能率后,采用30 mL球形電離室在相同位置進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)量,得到校準(zhǔn)因子,其原理為：

(2)

(3)

由于距離X光機(jī)4 m處30 mL球形電離室實(shí)驗(yàn)測(cè)量的電離電流較小,故選用測(cè)量體積較大的1 L球形電離室完成測(cè)量。用30 mL球形電離室在距X射線光機(jī)2 m處測(cè)得N系列下各個(gè)輻射質(zhì)的空氣比釋動(dòng)能率后,再用1 L球形電離室在相同位置即距離X射線光機(jī)2 m處進(jìn)行刻度,計(jì)算公式為：

(4)

式中：NK2是所求的1 L球形電離室在N系列輻射質(zhì)下的刻度因子；I3是由1 L球形電離室在距離X射線光機(jī)2 m處測(cè)得的電流,由微電流測(cè)量系統(tǒng)獲得。

3 測(cè)量結(jié)果

3.1 N系列下基準(zhǔn)電離室空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)及傳遞電離室測(cè)量結(jié)果

表4 N系列基準(zhǔn)電離室距X光機(jī)1 m處測(cè)得的空氣比釋動(dòng)能率Tab.4 The air-kerma rate measured at 1 m distance from optomechanical device of ionization chamber in N series reference radiation

表5 逐級(jí)校準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果匯總Tab.5 Summary of step-by-step calibration measurement results

3.2 L系列測(cè)得的空氣比釋動(dòng)能率

表6 L系列各個(gè)輻射質(zhì)下傳遞電離室測(cè)得的空氣比釋動(dòng)能率Tab.6 The air-kerma rate measured in L series reference radiation

表7 L系列參考輻射質(zhì)下高氣壓電離室的校準(zhǔn)Tab.7 Calibration of high pressure ionization chamber under L series reference radiation

為了更好地評(píng)價(jià)高氣壓電離室性能特性,在137Cs輻射場(chǎng)中完成該高氣壓電離室的校準(zhǔn),計(jì)算其能量響應(yīng)[15,16],并將所有測(cè)量結(jié)果按照137Cs測(cè)量進(jìn)行歸一處理。高氣壓電離室在137Cs輻射場(chǎng)中的能量響應(yīng)結(jié)果為：有效能量為662 keV, 能量響應(yīng)為1.001。由高氣壓電離室在低空氣比釋動(dòng)能率下和在137Cs輻射場(chǎng)中的能響測(cè)量結(jié)果制成能響曲線,如圖2所示。

圖2 高氣壓電離室的能響曲線圖Fig.2 Energy response curve of high pressure ionization chamber

3.3 測(cè)量結(jié)果不確定度分析

電離室在測(cè)量和校準(zhǔn)過(guò)程中由于溫度和氣壓等諸多不確定性因素,導(dǎo)致電離室的測(cè)量和校準(zhǔn)存在不準(zhǔn)確度[17～21],表8～表15分別為測(cè)量與計(jì)算得到的不確定度。

表8 N系列下基準(zhǔn)電離室測(cè)得的空氣比 釋動(dòng)能率的不確定度

表9 N系列下30 mL球形電離室刻度因子(NK1)不確定度

表10 N系列下30 mL球形電離室在2 m處測(cè)得 空氣比釋動(dòng)能率不確定度

表11 N系列下1 L球形電離室刻度因子(NK2)不確定度Tab.11 Uncertainty of calibration coefficient of 1 L spherical chamber in N series reference radiation (%)

表12 N系列下1 L球形電離室在4 m處測(cè)得 空氣比釋動(dòng)能率不確定度Tab.12 Uncertainty of air-kerma rate at 4 m measured by 1 L spherical chamber in N series reference radiation (%)

表13 N系列下10 L球形電離室刻度因子(NK3)不確定度Tab.13 Uncertainty of calibration coefficient of 10 L spherical chamber in N series reference radiation (%)

表14 L系列下10 L球形電離室在4 m處測(cè)得 空氣比釋動(dòng)能率不確定度

表15 L系列下高氣壓電離室在4 m處校準(zhǔn)因子的不確定度

4 結(jié) 論

本文在已建立的用于輻射防護(hù)和環(huán)境監(jiān)測(cè)用的重過(guò)濾窄譜系列(N系列)和低空氣比釋動(dòng)能率系列(L系列)參考輻射質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)電離室,完成重過(guò)濾窄譜X射線輻射質(zhì)空氣比釋動(dòng)能的絕對(duì)測(cè)量,通過(guò)逐級(jí)替代法完成不同體積大小傳遞電離室的刻度；最后得到在N系列各個(gè)輻射質(zhì)下10 L球形電離室的刻度因子，再通過(guò)插值法得到在L系列各個(gè)輻射質(zhì)下該電離室的刻度因子,從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境水平60～250 kV X射線空氣比釋動(dòng)能的測(cè)量。完成高氣壓電離室在L系列參考輻射質(zhì)下的校準(zhǔn),測(cè)量結(jié)果不確定度為5.6%(k=2)，并計(jì)算得到其能量響應(yīng),最后根據(jù)137CS輻射場(chǎng)中的能響測(cè)量歸一處理,把其結(jié)果制成能響曲線?？梢钥闯龈邭鈮弘婋x室校準(zhǔn)之后具有較好的穩(wěn)定性以及能量響應(yīng),也證明了逐級(jí)替代法應(yīng)用于X射線環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀器校準(zhǔn)中的可行性。本研究為后續(xù)更多的環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀器在環(huán)境水平X射線空氣比釋動(dòng)能條件下的校準(zhǔn)提供了參考。