便携式γ剂量率仪广泛用于环境、工作场所、地质勘探和高辐射潜势区地质填图工作的γ照射量率测量, 也用于医院X射线和γ射线的辐射防护的监测工作^{[1, 2]}。目前γ剂量率仪的种类很多, 比对测量是保证测量数据质量的一种简单易行、效果显著的测量实践^[3]。本文从仪器的结构、技术参数和检定结果入手, 介绍正比计数管、加压电离室和闪烁晶体形探测器的工作原理, 同时选择标准照射场和环境现场进行高、低水平的γ剂量率现场比对测量。通过比较测量数据的符合率和离散度, 分析造成数据差别的原因, 以便及时发现问题, 了解影响因素, 改进和完善测量方法, 提高测量数据的可靠性和可比性。

1 测量装置的技术参数与原理 1.1 仪器的基本信息

参加本次比对的γ剂量率仪为常用的便携式测量装置。通常按探测器类型可分为正比计数管型、加压电离室型和闪烁晶体型三类。表 1是比对仪器的基本信息。比对前所有仪器均经有资质的实验室在已知活度的¹³⁷Cs γ辐射场检定, 表 2是仪器的检定结果和校准因子Nc。

1.2 工作原理 1.2.1 正比计数管工作原理

正比计数管(proportional counter PC)通常由一个细中心丝阳极(钨丝)和一个与其同轴的圆筒形阴极所组成(见图 1), 这样可以提高在阳极附近的电场强度。圆筒的侧壁设有X、γ射线的入射窗, 窗口材料通常为极薄的云母片或者金属铍。X、γ射线进入正比计数管后, 气体分子或原子发生电离, 生成离子对。初电离电子在电场作用下向中心阳极漂移过程中, 不断和气体分子或原子碰撞而损失能量, 又不断从电场获得能量, 在两个电极间施加的电压超过饱和电压时, 由于电场强度增加, 造成由电离产生的电子有足够能量在气体中进一步产生次级电离, 甚至次级电离的电子又产生新的离子对。这样由电极收集到的电荷远高于起始电离数, 而且与电极间的电压有关^[4]。

正比计数管属于气体探测器, 具有结构简单、灵敏度高等特点, 与闪烁体型探测器相比, 正比计数管能量分辨率好, 对低能X (1~50 keV)射线和γ射线有较高的探测效率, 因此X射线正比计数管是探测低能X射线和γ射线的能量和强度的良好探测器。

1.2.2 加压电离室工作原理

加压电离室由高压电极、收集电极及包含一定气体体积的电离室壁及信号记录系统组成(见图 2)。当射线入射到电离室的灵敏体积区时, 在电极或室壁上打出次级电子(光电子和康普顿电子), 次级电子使气体产生电离, 生成正负离子对。在加上极化电压的两个电极电场的作用下, 正离子和电子所呈现的正电荷向阴极的漂移和负电荷向阳极方向漂移, 在外电路中收集成微弱的本征电离电流^[4]。在漂移过程中的电子和正离子在两极电场作用下被加速, 使飞行时间缩短, 因此电离室的响应时间可达到微秒的量级^[5]。电离室实际上也是气体探测器的一种。

1.2.3 闪烁晶体测量原理

闪烁探测器具有灵敏度高, 体积小, 使用方便等特点, 是目前应用最广的核辐射探测器之一。闪烁探测器由闪烁晶体(如碘化钠), 光电倍增管和与之相配的电子仪器(放大器-分析器-定标器系统)三部分组成。图 3是REN500A的结构图。当射线通过闪烁体时, 入射射线与闪烁晶体相互作用使其电离、激发, 并发出一定波长的光, 这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子, 电子流经电倍增管多级阴极线路逐级放大后或为电脉冲, 输入电子线路部分, 而后由定标器记录下来^[4]。

2 结果 2.1 结果的判断指标

γ剂量率D_γ计算公式如下:

1)

式中:D_i-仪器显示剂量率数值, μSv/h; N_c-仪器校准因子。

采用测量平均D_i值与参考值D_Ref之比REF和相对百分偏差RPD作为结果判断。计算公式如下:

2)

3)

式中:D_i-仪器的校正值, nGy/h; D_Ref-环境参考值为五组测量数据的平均值; 标准源为仪器说明书提供的剂量率; nGy/h。

2.2 标准照射场测量比对

采用¹³⁷Cs标准源, 选择5~200μGy/h照射量, 将仪器置于固定暴露场的参考点, 每台仪器测量5组数据, 取均值按公式(1)计算出D_γ。表 3和表 4是仪器的测量结果、RPD和REF。在高于环境本底3~5个量级的高暴露量情况下, 各台仪器测值与参考值的符合率≥ 94%(REF值0.94~ 1.04), 各点与参考值的RPD ≤ 8%, 其中FH40G和6150AD各点的RPD ≤ 3%。

2.3 现场测量比对

选择室内外环境各一处, 将仪器并排置于距地面1 m处, 重复测量10次, 记录各测量点D_i, 取均值按公式(1)计算出D_γ。对于现场比对, 在没有可靠参考值的情况下, 可根据与测量结果均值的偏差RPD进行效果判断。图 4是不同仪器室内外现场测量结果, 室内γ剂量率均值为112 nGy/h, 室外为89.8 nGy/h; 室内和室外的RPD分别为- 6.3%~7.7%和-14.3%~9.0%。

3 讨论

从比对结果可以看出, 高照射量率的条件下7类不同型号仪器测量值与参考值有校好的可比性, REF为0.94~1.04, 即符合率≥ 94%。对于低照射量率的测量, 室内各点测量值与均值的RPD＜8%, 室外与均值的RPD＜15%。仪器使用前经过有资质实验室的检定, 通过校准因子修正后, 与以往报道^[3]相比, 符合率与仪器之间的可比性明显提高。另外在环境水平测量时, 发现有些仪器读数的波动较大, 需要稳定一段时间, 记录出现概率高的读数。防护性仪器的离散度较大。