职业个人监测是辐射防护和职业健康管理的一项重要内容, 中子个人剂量监测是其不可缺少的重要组成部分。辐射防护实用量——个人剂量当量H_p(d)可对有效剂量和当量剂量提供合理的估计, 并对实践中经常遇到的多数辐射场可避免低估剂量和过高地高估剂量。目前, 多数国际及国内辐射防护机构已在辐射个人剂量监测中接受了实用量概念。国家职业卫生标准GBZ128-2002《职业性外照射个人监测规范》中也明确规定个人剂量当量H_p(d)为职业外照射个人监测所要测量的量^{[1, 2]}。个人剂量当量H_p(d)是在人体表面的某一指定点下面适当深度d处的软组织内的剂量当量。对于中子引起的深部组织和器官剂量的控制, 常用10 mm深度, 即d=10 mm, 这时H_p(d)用H_p (10)表示。为了在职业外照射个人监测中推行实用量H_p(d)。湖北省疾病预防控制中心, 在中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全所等相关机构的支持下, 采用基于固体核径迹技术的CR39中子个人剂量计, 建立了油气田测井现场外照射中子和γ的H_p(d)测量系统。实践证明, 这套系统的建立, 为合理评价职业危害水平, 完善中子个人剂量监测工作提供较为坚实的技术依据, 收集了较为丰富的基础数据。

1 材料与方法 1.1 原理

固体核径迹探测技术是在20世纪80年代发展起来的一项技术。基本原理是一些绝缘材料如石英、玻璃、有机聚合物等由于中子产生的带电粒子(可以是裂变碎片、反冲质子、粒子或C、H、O反冲核等)的作用形成损伤潜迹, 这些潜迹经过适当的蚀刻程序(化学蚀刻, 电化学蚀刻或两者结合)显现出来。带电粒子在径迹尾端形成"树"或"针尖"状斑点, 利用CCD相机系统和带有影像识别系统、自动径迹计数系统和参数分析处理系统的光学显微镜等设备或由人工计数测定径迹密度, 可给出相对应的中子剂量。

1.2 探测元件与剂量计

CR39个人中子剂量计是由佩戴盒(包括外盒、内夹层、挂钩、前置径迹转换层等)和CR39塑料探测元件等构成的。尺寸为54 mm × 34 mm × 10 mm, ABS导电塑料注塑成型。CR39探测元件尺寸为25 mm × 20 mm × 1.6 mm。剂量计基本结构见图 1。加入径迹置换层的CR39个人中子剂量计适用于广谱中子的测量, 能量响应范围在0~15 MeV, 角度响应范围约为0~60°, 个人剂量当量H_p(10)的测量范围约为0.02 μSv~50 mSv。

1.3 性能试验方法 1.3.1 能量响应^{[1, 2]}

为了模拟个人佩戴剂量计的实际情况, 应把CR39个人剂量计放在标准体模上进行刻度照射, 所用辐射场品质应符合国际标准化组织标准ISO 8529-2-2000中的相关要求^[1]。

1.3.2 角度响应^{[1, 2]}

角响应实验是考察中子随入射角度的不同, 径迹直径随角度变化的规律。将CR39固定在PMMA体模中心部位, 旋转体模, 使中子入射方向成一定角度, 采用镜台测微尺和目镜测微尺对蚀刻后径迹的有效直径Deff进行测量。

1.3.3 ²⁴¹Am-Be中子源的剂量刻度^{[3, 4]}

将剂量盒中分别装入CR39探测器元件, 放置在ICRP推荐的PMMA水模体(30 cm × 30 cm × 15 cm)上, 标准²⁴¹Am -Be中子辐射场(国防科工委电离辐射计量一级站, 中国原子能科学研究院)中进行照射, 中子垂直入射样品, 源与样品的距离为150 cm。每组样品(每组3枚, 样品尺寸1 cm × 1 cm)照射中子剂量当量分别为0.5 mSv、1.0 mSv、2.0 mSv、5.0 mSv、10.0 mSv。

CR-39固体核径迹探测器对²⁴¹Am-Be源中子剂量当量的计算公式为:

H是剂量值。P是单位面积探测器扣除本底后测定得到的径迹数。d_H是²⁴¹Am-Be中子的中子剂量换算系数为3.98 × 10^-10 Sv·n^-1·cm^-2。WΦ是CR- 39探测元件对²⁴¹Am-Be中子注量灵敏度。

1.4 采用的仪器设备

超级恒温水浴槽:CH1015, 普通光学显微镜:AO H120。

2 结果 2.1 能量阈值

CR39是阈能探测器, 低于100 keV能量以下的中子引起的剂量贡献无法定量探讨。按照100 keV对²⁴¹Am-Be中子能谱进行分群, 高于100 keV的部分约占能谱的95%, 这一点对实现油气田测井人员的中子外照射是一个有利因素。

2.2 入射中子临界角与蚀刻速率

显微镜下, 对有效直径小于0.1 μm的径迹不再计数。测定得到:入射中子临界角θ_C=arcsin (V_R/V_T)约为64°。通过称量蚀刻前后探测元件的重量, 测定得到V_R是优化蚀刻方向的蚀刻速率, 测量得到约为2.28 μm·h^-1, V_T是实验获得的体蚀刻速率, 1.14 μm·h^-1。

2.3 中子剂量当量

经数据拟合后, 该批次CR39探测元件对²⁴¹Am-Be源的中子注量灵敏度约为2.24 × 10^-4 tracks·n^-1·cm^-2。

2.4 不确定度

中子个人剂量当量测定过程的不确定度评定主要考虑剂量元件对于谱中子的能量响应、入射角度响应, 除此, 还应考虑剂量元件性能、蚀刻条件重复性、本底不确定度、探测上限和下限, 及剂量盒或能量衰减(转换)材料的影响等, 本监测方法的不确定度小于20%。

3 结论

采用固体核径迹技术(CR39探测元件)进行中子外照射个人剂量监测, 可以在中子辐射场, 有效区分n -γ混合场的中子剂量贡献, 还具有低信号衰退率, 环境依赖性小, 可探测能量范围宽(100 keV~20 MeV)等特点。目前, 中子个人剂量监测主要在油气田测井行业开展, 随着我国大科学工程建设的日益推进, 可以预计, 需要进行职业性中子个人监测的人员也将大幅增长, 建立规范健全的中子个人监测方法具有较为重要的实践意义。

从中子个人剂量当量测定的角度, CR39固体核径方法与中子反照率TLD方法比较, 引入较小的不确定度, 但对低于100 keV能量范围中子的测量无法定量探讨, 是这种监测方法的一个较为主要的缺陷。采用加入BN层的径迹转化响应体, 利用(n, α)反应, 可以有效地增加CR39探测元件对10~100 keV中子的响应, 是解决该缺陷的一个较为可行的方法^[4]。在热中子(En≈0.00253 eV)~10 keV能量范围, 则采用中子反照率TLD方法, 有望实现对20 MeV以下中子的全能量范围监测, 是中子个人监测的发展方向。