随着核能的广泛应用, 放射性环境和接触电离辐射人数越来越多, 工作人员的辐射防护和安全备受关注。国家环保部门要求, 一切从事辐射(放射)工作单位都必须设立或聘请环境辐射监测机构来执行环境核辐射监测^[1]。其中环境核辐射监测是指为估计或控制核设施周围一定范围的环境辐射水平或放射性物质污染程度以及公众集体剂量当量而进行的监测。在环境核辐射监测中, 辐射剂量监测仪的性能关系到仪器能否提供可靠、准确、及时的信息, 让工作人员免受伤害。对于环境γ辐射监测用剂量率仪, 国内外有多种, 主要有三种类型:高气压电离室型、闪烁体型和计数管型。随着辐射监测市场的扩大, 我国市场上使用的环境辐射监测仪种类较多。中国辐射防护研究院放射性计量站根据现有的辐射计量实验条件, 对国内部分常见的环境辐射监测仪表性能进行了测试, 结果如下。

1 评价依据和设备 1.1 环境监测用剂量仪性能要求

测量环境γ辐射的剂量率仪, 其量程范围应满足:低量程:1×10^-8~1 ×10^-5 Gy/h; 高量程:1×10^-5~1×10^-2 Gy/h^[2]。环境监测用X、γ辐射空气比释动能(吸收剂量)率仪检定规程(JJG 521-2006)中规定^[3], 环境辐射监测仪主要辐射性能应满足表 1中要求。

1.2 测试设备

目前, 对于环境仪表在极低剂量率条件下的校准, 国内技术还不是很成熟。"十二五"期间, 环境保护部提出联合清华大学将在中国锦屏地下实验室共建"超低本底测量实验室"。但是, 至今国内尚没有环境水平γ辐射标准实验室, 对我国环境监测仪表研发和性能测试都带来了很大不便。目前, 国内的γ辐射计量机构, 在防护水平γ参考辐射装置上增加距离或加铅衰减器, 扩展辐射场剂量率下限, 用于校准环境γ辐射监测仪。

本实验室在环境γ辐射监测仪性能评价中, 主要使用了中国辐射防护研究院放射性计量站按照GB/T 12162.1^[4]要求建立的X射线(防护水平)参考辐射装置和γ射线(防护水平)参考辐射装置。辐射装置的辐射场特性如表 2所示。由于这两套装置提供的最小剂量当量率为10 μGy/h, 为了测量部分环境监测仪对较低剂量率的辐射响应, 在中国辐射防护研究院低本底铁室中, 使用便携式γ参考辐射装置, 对部分仪器的低剂量率响应特性进行了测试。中国辐射防护研究院低本底铁室环境本底剂量率约为30 nGy/h, 通过对便携式γ参考辐射装置换装不同活度的²⁴¹Am、¹³⁷Cs和⁶⁰Co放射源, 可提供100 nGy/h~10 μGy/h的γ辐射场。

2 仪器辐射性能测量结果

选取25种不同型号的环境γ辐射监测仪, 对其性能进行测试, 所选仪器型号、探测器类型和剂量率测量范围如表 3中所示。在性能评价中选取的同一型号仪器数量有限, 可能存在所选仪器不具有代表性的情况, 在此以统计时的仪器测量结果为准。在数据统计时, 如果测量同一型号的仪器数量大于1台, 最后以其各台测量值的平均值作为最终评价结果。评价的仪器中, 部分是测量周围剂量当量率的, 在校准这些环境监测用周围剂量当量率监测仪时, 使用了GB/T 12162.3中的转换系数 (10)^[5]。下面将分别给出各种型号辐射监测仪的辐射特性测试结果。

2.1 重复性

重复性项测量时, 在相同条件下连续测量20次, 相邻两次读数的时间间隔不小于仪器时间常数3倍。最后仪器重复性以单次测量的相对标准偏差V表示:

1)

式中为被检仪器空气比释动能率测量值, 为其算术平均值。

在几十μGy/h的辐射场中测量仪器重复性, 25种不同型号环境γ辐射监测仪的重复性测量结果如表 3所示。由表 3可知所有仪器重复性优于5%, 满足JJG 521-2006中规定仪器重复性应≤ 30%的要求。

2.2 相对固有误差

在确定参考条件下, 仪器对某一被测量在指定参考辐射下的指示值的相对误差, 被定义为相对固有误差I:

2)

式中: 为被检仪器测量值; 为被测量约定真值。

在对各种型号环境γ辐射监测仪相对固有误差测量中, 主要使用的是γ参考辐射装置。由于¹³⁷Cs参考辐射可提供的剂量率范围为10 μGy/h~100 mGy/h, 因此, 大部分测量相对固有误差的剂量率范围为10 μGy/h至仪器最大量程。实验室选取25种环境γ辐射监测仪测量相对固有误差, 在10 μGy/h至仪器最大量程的剂量率范围内, 相对固有误差测量结果如表 3中所示。从表 3可知, 大部分仪器的相对固有误差在±10%~±15%之间, 有4种仪表相对固有误差≤±10%。其中有5种型号仪器的相对固有误差>±15%, 超过了JJG 521-2006中规定的范围。从这5种仪器测量结果数据可知, 其相对固有误差大主要是由于仪器存在系统误差造成的。

另外, 在中国辐射防护研究院低本底铁室内, 使用便携式γ参考辐射装置测试了S131、TCS172B、PEG- NAI三种型号的仪器。测试结果表明, 在100 nGy/h~ 10 μGy/h的剂量率范围内, S 131和TCS 172B型监测仪的相对固有误差≤±15%, PEG-NAI (主机为MPR 200)型监测仪的相对固有误差≤±25%。

2.3 能量响应

仪器测量值与辐射场约定真值的比值随辐射能量的变化为仪器的辐射能量响应。在能量响应测量中使用了X射线L系列和¹³⁷Cs参考辐射场。通过对18种不同型号的环境γ辐射监测仪能量响应特性测试, 按¹³⁷Cs归一后的能量响应如表 4所示。从表 4可知, 在50~662 keV范围内, 没有仪器能满足JJG 521-2006中规定能量响应变化极限不超过±30%的要求。如果以辐射防护用X、γ监测仪的技术性能要求评价^[6], 在80~662 keV范围内, 能量响应变化极限不超过±40%的仪器, 有TCS-172B、SC-3605、netEGM 100、JW 3104、BH 3103B、BS 9521六种, 只占到总量的1/3。其中个别仪器能量响应特别差, 例如, FD 3013B抽检3台, 个体之间能量响应差别较大, 同一能量点, 不同仪器之间响应最大可相差1倍多, 部分低能量点响应偏高将近7倍; DH 8000型仪器对低能射线响应普遍偏低, 部分能量点偏低将近6倍。如果这类仪器在复杂辐射场中使用, 特别是低能辐射占比例较大的辐射场, 测量的数值将会严重偏离真实情况, 将对辐射评价带来严重影响。

2.4 角响应

仪器测量值与辐射场约定真值的比值随辐射入射角的变化为仪器的角响应。在角响应测量中使用了¹³⁷Cs参考辐射场。实验室选择4种型号的环境γ辐射监测仪, 测量了0°~±90°入射角的角响应特性, 按0°入射角归一后的测试结果如表 5所示。从表 5中可以看出, 在0°~90°入射角入射时, 所有仪器对662 keV射线角响应都满足JJG 521-2006中规定的不超过±20%要求。同时用平均能量为65 keV的N-80辐射场, 测量了1台仪器的角响应特性, 从表 5可以看出, 在0°~±90°入射角入射时, 其角响应超过了JJG 521-2006中规定的±30%要求。

3 总结

中国辐射防护研究院放射性计量实验室, 根据现有的辐射计量条件, 依据JJG 521-2006测试了25种环境γ监测仪的固有误差、重复性, 以及其中部分仪器的能量响应和角响应特性。由于条件限制, 大部分仪器没有在10 μGy/h以下辐射场中测试, 没能给出仪器在100 nGy/h~10 μGy/h剂量率范围内的相对固有误差。但是根据18种型号仪器的能量响应测量结果, 得知所有仪器的能量响应特性不能满足JJG 521-2006要求。因此, 对于测试的所有类型的环境监测用X、γ剂量率仪器, 都无法满足JJG 521-2006要求。根据测试结果, 在此提出如下三点说明:①目前国内使用的环境X、γ剂量率仪种类较多, 性能也相差较大。用户不能盲目相信仪器使用说明书中给出的性能指标, 需经测试满足要求后, 再确定购买或投入使用。②由于环境γ监测仪器的性能普遍比较差, 环境辐射监测机构需要加强辐射监测人员的培训, 提高专业知识和技术技能, 以确保辐射监测人员监测的数据准确、可靠。③建议国内辐射监测仪器研发单位投入更多的人力和财力, 研发出性能比较好的环境辐射监测仪器, 以满足我国环境监测仪器市场需求。