在核燃料循环、核设施退役等工作场所中，工作人员不可避免吸入放射性气溶胶。放射性气溶胶中的一些超铀元素，尤其钚、镅核素，电离辐射能力强且具有一定的生物毒性，吸入极少量即可对人体造成巨大危害。准确地测量人体放射性核素的含量是正确估算人体内照射剂量、评估健康效应的前提和基础[1-2]。
肺部计数器是人体摄入铀、钚和镅等元素滞留在肺部的活度监测装置。它具有直接、快捷、灵敏、使用方便等优点，在核材料生产、贮存、使用，核设施治理、退役和核事故处理等领域广泛使用[3]。
对于低水平放射性测量，特别是低能核素，肺部计数器系统的本底计数率是影响测量精度的重要因素。本研究前期建立了一套基于低本底屏蔽室的肺部计数器系统。为了进一步降低系统的本底，本论文在前期研究的基础上，增加建立了一套宇宙射线探测器，用于探测μ子等宇宙射线硬成份。采用反符合方法进一步降低测量装置本底。国内外已建有多台反宇宙射线低本底γ谱仪测量装置[4-6]，但针对内照射监测的反宇宙射线装置未有相关报道。本工作研究了系统增加宇宙射线探测器后对整套系统内部本底以及系统对低能核素的探测下限方面的影响，得到了较好的实验结果。
1 肺部计数器系统及宇宙射线探测器椅式肺部计数器系统主要由屏蔽室(内部尺寸为180 cm(长)×120 cm(宽)×170 cm(高))、HPGe探测器阵列、测量定位系统、数据采集与处理软件等组成。屏蔽室主要由铁、铅、铜三种材料构成，用于屏蔽天然放射性核素和宇宙射线软成分。HPGe探测器阵列由4个高纯锗探头组成，均为美国ORTEC公司生产平面型探测器，直径94 mm，厚度30 mm，对60Co 1 332.5 keV射线相对探测效率为50%。
塑料闪烁体探测器作为宇宙射线探测器，布置于屏蔽室内部顶端，宇宙射线μ子在海平面主要按照从上往下方向入射，其注量以天顶角cos2 (θ)分布[7]，为获得较大的宇宙射线μ子等的探测效率，闪烁体尺寸140 cm(长)×110 cm(宽)×5 cm(高)，尽量大地覆盖高纯锗探测器。肺部计数器系统及宇宙射线探测器如图 1所示。
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图 1 椅式肺部计数器系统及宇宙射线探测器 |
图 2给出了反符合系统的电路框图。塑料闪烁体探测器的输出信号先经过混合器，再输入到放大器，经单道分析器形成正的反符合逻辑门信号，经一定的延时作为门控信号送入具有反符合功能的数字化多道，反符合门控信号宽度10 μs，延迟时间设定为12 μs。HPGe探测器作为主探测器，采集信号送入数字化多道，与塑料闪烁体探测器信号进行反符合处理。
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图 2 反符合电路结构示意图 |
利用该装置分别测量反符合电路开启和关闭过程中的系统本底谱。测量时间均为24 h，谱如图 3所示。反符合电路开启，6 keV~2 MeV能量段，系统的本底计数率为2.2 cps，反符合电路关闭，该能量段系统的本底计数率2.5 cps。可见，反符合电路开启系统的本底计数率有较明显的降低。
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图 3 有无反符合条件下的本底谱比较 |
采用体模CIRP-RPT-1[8]对肺部计数器探测效率进行实验刻度。将含镅放射源的肺模型填充体模进行实验测量，通过调整探测器六维度定位装置，调整探头与体模表面的距离和角度，使探头表面尽可能地贴近体模基板，距离约1 cm。经实验，系统对241Am 13.9 keV X射线的探测效率为2.92×10-4 cps/Bq，对59.5 keV γ射线的探测效率为4.55×10-2 cps/Bq。
由于CIRP-RPT-1肺模型填充物无钚放射源，考虑到239Pu 13.6 keV(产额4.4%)[9]的射线与241Am 13.9 keV(产额28%)射线能量相近，在相同的测量几何条件下，可认为肺部计数器测量239Pu 13.6 keV X射线探测效率近似为2.92×10-4 cps/Bq。
利用该装置，将无放射源CIRP-RPT-1放置在屏蔽室内测量时间1800 s，记录241Am 59.5 keV以及239Pu 13.6 keV处的本底计数。根据公式1)、2)计算反符合探测器开与关对系统探测下限的影响，结果如表 1所示。测量时间1800 s，系统对241Am 59.5 keV和239Pu 13.6 keV的探测下限可达1.4 Bq和1 700 Bq。
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表 1 反符合探测器开关对不同能量射线的本底计数和探测下限比较 |
肺部计数器对关注核素的最小可探测活度参照IAEA AQ-48[10]探测限计算公式：
| $ {L_D} = kw\frac{{\left[{k + \sqrt {8nb} } \right]}}{{\left[{1-1k.{u_{rel}}{{\left( w \right)}^2}} \right]}} $ | 1) |
其中：w为转换因子，与探测效率(ε)、核素的衰变因子(D)、发射几率(P)、测量时间(ts)等因素相关，urel为w的相对不确定度，nb为核素特征峰所在能区内的本底计数。本研究中k取1.645，w的相对不确定度为0。
| $ w = \frac{1}{{{t_s} \cdot \varepsilon \cdot P \cdot D}} $ | 2) |
本文在肺部计数器系统基础上建立一套宇宙射线探测器，搭建了其电子学系统，利用反符合方法降低宇宙射线μ子等宇宙射线硬成份对系统本底的影响。
反符合探测器关闭与开启相比较，在6 keV~2 MeV能量段，系统的本底计数率可由2.5 cps降至2.2 cps。测量时间1 800秒，系统对241Am 59.5 keV和239Pu 13.6 keV的探测下限可达1.4 Bq和1700 Bq。
内照射活体测量过程中，采用反符合方法降低宇宙射线硬成分可以较好地降低部分系统本底，在降低核素探测下限方面能起到一定作用。
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