基于能譜-劑量轉(zhuǎn)換函數(shù)的NaI輻射探測(cè)器能量響應(yīng)修正方法研究

黃 平， 萬(wàn) 清， 董文龍， 許詩(shī)朦， 但玉娟， 龔 嵐， 黃 秋

(1.中測(cè)測(cè)試科技有限公司，四川 成都 610021; 2.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021;3.四川中測(cè)輻射科技有限公司，四川 成都 610066)

0 引 言

目前GM管、閃爍探測(cè)器、半導(dǎo)體探測(cè)器等脈沖計(jì)數(shù)型探測(cè)器都可以用來(lái)進(jìn)行環(huán)境核輻射監(jiān)測(cè)。上述探測(cè)器雖然單位體積的靈敏度較高，但是由于存在能量響應(yīng)問(wèn)題，劑量測(cè)量精度有限，需進(jìn)行能量響應(yīng)修正后才能代替電離室型輻射探測(cè)器[1-4]。

目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)主要采用能譜-劑量轉(zhuǎn)換函數(shù)G(E)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量響應(yīng)修正。G(E)函數(shù)求解主要有三種方法：基于材料衰減原理的數(shù)值計(jì)算方法、Monte Carlo模擬計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)譜計(jì)算方法[5-12]?；诓牧纤p原理的數(shù)值計(jì)算方法主要利用射線與物質(zhì)相互作用的基本原理，簡(jiǎn)化能譜形成機(jī)制，忽略電子學(xué)測(cè)量系統(tǒng)和探測(cè)器周圍材料的影響，其計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性受到了一定限制[5]。Monte Carlo模擬計(jì)算方法通過(guò)構(gòu)建探測(cè)器模型得到響應(yīng)矩陣函數(shù)，利用逆矩陣與劑量率相乘求解出G(E)函數(shù)值，該方法存在矩陣運(yùn)算中的不適定問(wèn)題以及計(jì)算相對(duì)復(fù)雜與耗時(shí)長(zhǎng)等不足[6-11]。實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)譜計(jì)算方法通過(guò)在電離輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室或距離已知活度點(diǎn)源一定位置處測(cè)量得到儀器能譜數(shù)據(jù)，采用最小二乘法即可計(jì)算出G(E)函數(shù)值。該方法與前兩種方法相比，具有計(jì)算參數(shù)少、測(cè)量精確高以及簡(jiǎn)單通用等優(yōu)點(diǎn)[12]。

NaI探測(cè)器由于具有高靈敏度和低成本的特點(diǎn)，直到現(xiàn)在仍然是環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域使用數(shù)量較多的一類核輻射探測(cè)器[7-10]。綜合考慮上述情況，本文選用具有代表性的高性價(jià)比NaI探測(cè)器作為測(cè)試對(duì)象完成在電離輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的能譜測(cè)量，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)譜方法求解出G(E)函數(shù)值，并計(jì)算出相對(duì)固有誤差、能量響應(yīng)和劑量率線性等參數(shù)值。

1 測(cè)量?jī)x器、標(biāo)準(zhǔn)裝置與G(E)函數(shù)方法介紹

環(huán)境水平劑量?jī)x輻射信號(hào)探測(cè)單元由高性價(jià)比的NaI探測(cè)器與光電倍增管(PMT)耦合組成。儀器整機(jī)還包括模擬信號(hào)放大電路、數(shù)字信號(hào)采集電路和Linux嵌入式電路系統(tǒng)。按照GB/T 12162.1—2000要求，標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)采用的輻射源包括中能X射線、放射性同位素Cs-137和Co-60裝置，其可提供平均能量覆蓋(48 keV～1.25 MeV)范圍的周圍劑量當(dāng)量率標(biāo)準(zhǔn)值[13-17]?；贜aI探測(cè)器的環(huán)境水平劑量?jī)x器完成在上述標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)條件下的能譜測(cè)量。

1.1 基于NaI探測(cè)器的環(huán)境水平劑量?jī)x

基于NaI探測(cè)器的環(huán)境水平劑量?jī)x主要由NaI探測(cè)器、光電倍增管、電荷靈敏前置放大器、比例放大器、40 MS/s (每秒百萬(wàn)次采樣)流水線模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列(FPGA)、微控制單元(MCU)和基于ARM處理器的Linux嵌入式系統(tǒng)組成，原理圖如圖1所示。

圖1 基于NaI探測(cè)器的環(huán)境水平劑量?jī)x原理圖

環(huán)境水平劑量?jī)x選用的圓柱形NaI輻射探測(cè)器尺寸為直徑51 mm，高度51 mm。 X/γ射線在NaI晶體內(nèi)產(chǎn)生光閃爍，光電倍增管PMT將微弱的光信號(hào)按比例轉(zhuǎn)換成電子并倍增放大成易于測(cè)量的電信號(hào)。電荷靈敏放大器和比例放大器則進(jìn)一步完成核脈沖信號(hào)的模擬放大處理。圓柱形NaI輻射探測(cè)器、光電倍增管、高壓電源模塊、電荷靈敏放大器和比例放大器依次密封于金屬鋁殼中。高速ADC和FPGA完成核脈沖信號(hào)的數(shù)字離散采樣與梯形成形算法處理[18]。FPGA提取的核脈沖信號(hào)幅度信息則利用MCU進(jìn)行讀取，并使用串口通信端口上傳至Linux嵌入式系統(tǒng)。Linux嵌入式系統(tǒng)完成能譜數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)分析顯示處理。環(huán)境水平劑量?jī)x器系統(tǒng)采用可充電鋰電池供電，整機(jī)充滿電后可工作10 h左右。環(huán)境水平劑量?jī)x通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路形成低壓和高壓兩路電源，分別為后端模擬數(shù)字電路和PMT進(jìn)行供電。環(huán)境水平劑量?jī)x整機(jī)實(shí)物如圖2所示。

圖2 環(huán)境水平劑量?jī)x實(shí)物圖

1.2 標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)裝置

參照GB/T 12162.1—2000《用于校準(zhǔn)劑量?jī)x和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射第1部分：輻射特性及產(chǎn)生方法》的相關(guān)技術(shù)要求，平均能量覆蓋48.0～207.5 keV范圍的標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)選擇中能X射線裝置產(chǎn)生的N60、N80、N100、N150、N200和N250窄譜系列輻射質(zhì)實(shí)現(xiàn)。平均能量661.6 keV和1.25 MeV的標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)則選擇放射性同位素Cs-137和Co-60實(shí)現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)采用的周圍劑量當(dāng)量率標(biāo)準(zhǔn)值由PTW球型電離室測(cè)量的空氣比釋動(dòng)能率值與GB/T 12162標(biāo)準(zhǔn)推薦的相對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘得到。圖3為環(huán)境水平劑量?jī)x在標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)中的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。環(huán)境水平劑量?jī)x放置于三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)之上，其探測(cè)器中心通過(guò)紅外激光定位裝置固定在標(biāo)準(zhǔn)位置處。

圖3 環(huán)境水平劑量?jī)x在標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)中的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

1.3 G(E)函數(shù)方法

假定 ? (E0)是射線能量為E0的注量率，S(E)為單位時(shí)間內(nèi)NaI探測(cè)器測(cè)量的能譜數(shù)據(jù)。則S(E)可用下式表示。

式中：R1≤E≤R2，R1——探測(cè)器的能量探測(cè)下限；

R2——探—測(cè)器的能量探測(cè)上限；

N(E,E0)探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)，表示能量為E0的射線在探測(cè)器中的能量沉積為E。

對(duì)于能量為E0的單能X/γ射線，劑量轉(zhuǎn)換系數(shù)hE0可以使用探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)N(E,E0)和G(E)函數(shù)來(lái)進(jìn)行描述，如下式所示：

當(dāng)在多能射線 ? (Ei)條件下，劑量率Q可以用下式表示[7-9,12]：

能譜-劑量轉(zhuǎn)換函數(shù)G(E)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)介紹[7]，可以采用下式表示：

式中：A(K)——與多項(xiàng)式第K項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的系數(shù)；

M——恒定值；

K0——多項(xiàng)式最高項(xiàng)。

G(E)函數(shù)可通過(guò)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)譜，采用最小二乘法進(jìn)行求解[3,10]。

2 數(shù)據(jù)分析與處理

環(huán)境水平劑量?jī)x在電離輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室分別完成 N60、N80、N100、N150、N200、N250以及同位素Cs-137和Co-60放射源條件下的標(biāo)準(zhǔn)譜測(cè)量。能譜測(cè)量時(shí)間均為300 s，共完成平均能量覆蓋48 keV～1.25 MeV范圍的8個(gè)條件下的能譜數(shù)據(jù)測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如圖4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)能譜測(cè)量

完成標(biāo)準(zhǔn)譜測(cè)量后，結(jié)合周圍劑量當(dāng)量率標(biāo)準(zhǔn)值與最小二乘方法即可求出G(E)函數(shù)中的A(K)系數(shù)值，如表1所示。采用最小二乘法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算時(shí)，式（4）中的參數(shù)K=8，M=0。

表1 G(E)函數(shù)中的A(K)系數(shù)計(jì)算值

采用最小二乘法計(jì)算的G(E)函數(shù)值結(jié)果如圖5所示。從圖5中可知，環(huán)境水平劑量?jī)x通過(guò)在不同能量段乘以不同的G(E)函數(shù)值即可對(duì)探測(cè)器能量響應(yīng)進(jìn)行修正。該方法的原理實(shí)際是對(duì)射線在NaI探測(cè)器的不同沉積能量引入一個(gè)權(quán)重因子，使周圍劑量當(dāng)量率在48 keV～1.25 MeV范圍內(nèi)測(cè)量更加準(zhǔn)確。

圖5 G(E)函數(shù)值

表2為采用G(E)函數(shù)修正后的相對(duì)固有誤差和能量響應(yīng)測(cè)量結(jié)果。從表2中可知，采用G(E)函數(shù)修正后，儀器在平均能量48 keV～1.25 MeV范圍內(nèi)相對(duì)固有誤差優(yōu)于±3.00%，能量響應(yīng)(歸一至Cs-137)控制在±3.0%以內(nèi)。其中，能量響應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)超過(guò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61017∶2016中±30%的要求[13]。

表2 G(E)函數(shù)修正后的測(cè)量結(jié)果

環(huán)境水平劑量?jī)x修正前的劑量率值采用總計(jì)數(shù)法計(jì)算得到。首先，利用Cs-137條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)得到參考校準(zhǔn)因子。然后，其他能量條件下的劑量率值均采用Cs-137條件下的參考校準(zhǔn)因子與全譜總計(jì)數(shù)率相乘得到。圖6為環(huán)境水平劑量?jī)x采用G(E)函數(shù)修正前后的能量響應(yīng)結(jié)果對(duì)比圖。從圖6中可知，能量響應(yīng)修正前在N80條件下，響應(yīng)值接近500%。采用G(E)函數(shù)修正后在48 keV～1.25 MeV能量范圍內(nèi)能量響應(yīng)近似一條水平直線，周圍劑量當(dāng)量率測(cè)量精度大為改善。

圖6 探測(cè)器能量響應(yīng)修正前后對(duì)比圖

依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61017∶2016要求，周圍劑量當(dāng)量率測(cè)量上限至少達(dá)到30 μSv/h，劑量率線性滿足(–15%～22%)?；谏鲜鲆?，在Cs-137標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)進(jìn)行了劑量率線性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。從測(cè)試結(jié)果中可知，劑量率上限可達(dá)174.96 μSv/h，相對(duì)固有誤差最大–4.06%。選取81.41 μSv/h條件下的響應(yīng)為參考響應(yīng)，則計(jì)算出劑量率線性響應(yīng)范圍為–4.60%～1.95%。上述計(jì)算結(jié)果表明，儀器在采用G(E)函數(shù)修正后，劑量率范圍和劑量率線性均滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61017∶2016要求。

表3 Cs-137標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)周圍劑量當(dāng)量率線性測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證儀器在其他放射源條件下的測(cè)試效果，利用 Na-22、Na-22+Co-60和 Na-22+Co-60+Eu-152核素形成的輻射場(chǎng)對(duì)儀器進(jìn)行了測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)值按照參考文獻(xiàn)中的方法進(jìn)行計(jì)算[8,19]，源與探測(cè)器中心距離40 cm，每次測(cè)量時(shí)間600 s，測(cè)量值為扣除本底后的值，測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)放射源劑量率測(cè)試

從表4中可知，相對(duì)固有誤差在1.42%～2.90%范圍，仍滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61017：2016要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

該文通過(guò)應(yīng)用自主研制的一套基于NaI探測(cè)器的環(huán)境水平劑量?jī)x，完成其在電離輻射計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室 N60、N80、N100、N150、N200、N250窄譜系列以及同位素Cs-137和Co-60放射源總共8個(gè)標(biāo)準(zhǔn)條件下的能譜測(cè)量。采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)譜計(jì)算方法結(jié)合最小二乘法，求解出A(K)系數(shù)值和G(E)函數(shù)值，利用計(jì)算出的G(E)函數(shù)值完成NaI輻射探測(cè)器的能量響應(yīng)修正驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，自主研制的環(huán)境水平劑量?jī)x在平均能量48 keV～1.25 MeV范圍內(nèi)，能量響應(yīng)(歸一至Cs-137)優(yōu)于±3.0%，劑量率線性范圍為–4.60%～1.95%。同時(shí)，在Na-22、Na-22+Co-60和Na-22+Co-60+Eu-152核素形成的輻射場(chǎng)完成了儀器測(cè)試，相對(duì)固有誤差在1.42%～2.90%范圍。上述技術(shù)指標(biāo)完全滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61017：2016的相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求，提高了環(huán)境水平劑量?jī)x的測(cè)量精度。