核电厂在换料大修期间一般都有打开一回路压力边界的检修作业，此时，操作人员拆下的各种部件、所用工具、防护用品等小物体极易被一回路水所污染，因此，这些小物体在出控制区时必须进行表面污染的监测。由于这些物体的表面一般都呈不规则形状，也几乎没有平整表面，监测时一般只能进行β表面污染测量或测量其γ放射性来反推表面污染数据。

为解决上述实际工作中的难题，我们基于本课题组研发的α粒子间接测量技术，设计了一套小物体α表面污染测量装置，并对实验装置进行了实际测试。

1 小物体α表面污染测量装置设计^[1-4]

实验装置主要包括预过滤装置、样品室、离子捕集器、抽气装置、电子学线路和电源等部分组成。其结构示意图如图 1所示。

1.1 结构材料

由于γ射线与物质相互作用的主要反应截面都与物质的原子序数有关，为降低本底，本实验装置的主要功能部件均采用铝合金为主要材料来制作以降低结构材料原子序数，降低装置本底。

1.2 预过滤装置

空气中的灰尘和自由离子(被天然本底辐射或其它原因电离的离子)能抬高仪器的本底，影响其探测限和灵敏度，需在样品室的入风口处加装预过滤装置以消除它们。灰尘过滤使用0.5 ㎜薄海绵，在保持一定风压的基础上尽量提高过滤效率。自由离子的清除采用一个内部有高压电场的装置来完成，外部形状为扁盒状，内置栅网电极，电极加直流高压，自由离子在电场的作用下被清除。

1.3 样品室

样品室用来放置被测样品，其尺寸要能容纳常用的工具和防护用品，如:电钻、螺丝刀、安全帽等。样品室的外形尺寸初步设计为: 350mm × 350mm × 260mm; 由于被测物体可能带有易脱落的放射性污染物，为防止二次污染，样品室的样品托盘应能方便的更换或清洁; 样品室的门应有一定的密封性能，防止未经过滤的空气直接进入离子捕集器。为保证被测样品四周都能被气流吹到，样品室底板能以10转/min的转速旋转。

1.4 离子捕集器^[5]

离子捕集器是本装置实现测量功能的关键部件，被α粒子电离的离子对被气流载带，到达离子捕集器后，在离子捕集器射电场的作用下分别向正负电极运动，从而在正负电极中感应出电流，这个感应的微弱电流被电子线路记录下来，就是α粒子的电离电流，与α粒子的活度成正比，经实验刻度后即可反推得到α粒子的活度值。离子捕集器结构示意图如图 2所示。

离子捕集器的性能直接决定着整个装置的性能，离子捕集器设计主要包含离子捕集器结构设计、电极结构、绝缘设计。离子捕集器按形状有筒状和盒状，电极结构又包括金属丝、金属筒、金属板和金属栅网几种。根据前期工作的经验:筒状离子捕集器结构简单，气流的平顺性好，但其电场的梯度大，工作电压高、本底高，信噪比低; 丝状和筒状电极主要匹配筒状离子捕集器，共同存在电场的梯度大，工作电压高、本底高，信噪比低的缺点及结构简单、气流平顺性好的优点; 平板状电极则会严重影响抽气装置的工作效率。因此本实验装置拟选择盒状金属栅网离子捕集器。本实验装置的电极直流高压的具体数值将来由实验确定。

1.5 抽气装置

抽气装置将样品室内的空气以一定的速率抽至电离室。被α粒子电离的离子以一定的速率进行复合，如复合率较高将使严重影响装置的探测下限和灵敏度。离子复合率与风速有关，实验装置的风速值通过实验选取。抽气装置的风扇选用交流轴流风扇，型号: DP200A，额定电压220V，频率50/60Hz。

1.6 电子线路

电子线路主要完成信号的放大、整形、A/D转换、计数和输入输出，包括小电流放大电路、A/D转换和计数电路。小电流放大电路(静电计)是整个电子线路的关键。本实验装置的小电流测量要求达到10^-14 A; 其电路结构包括电阻式、V/F变换式和动电容式等，V/F变换式的测量精度达不到本实验装置的要求，动电容式静电计的测量精度最高，但体积过大，使用不便，因此使用自行研制的V-F变换型静电计。

1.7 电源电源

部分包含直流低压、直流高压、工频220V交流。直流高压分两路，一路供预过滤装置，另一路供离子捕集器; 直流低压向电子线路供电; 220V交流供风扇。

1.8 实际装置外观图

图 3为测量装置外观照片。

2 小物体α表面污染测量装置性能实验 2.1 本底电流

本装置为开放式结构，受环境辐射、气候等条件影响较大，装置的本底电流并不是一个固定值，而经常波动在11~44fA之间。最大值出现在夏秋之交，最低值出现在春末，年平均值为26.4 ± 8.6fA(n = 31)。

2.2 装置的线性、灵敏度与探测限

α粒子探测器必须知道其线性范围，否则难以进行实际使用。为检验实验装置的这一性能，选取4个活度差距较大的²³⁹Puα源，活度范围为11.13~4 265.0Bq，分别测出电离电流，表 1列出了各α源的有关参数及测出的相应电离电流值。

由表 1可知，若平均刻度系数取为0.153Bq/fA，α源活度从10¹ Bq到4 × 10³ Bq之间，由净电离电流测量值算得的源活度，误差不大于2%。由表 1所列数据可得到净电离电流y (fA)与源活度x(Bq)之间的直线回归方程

(1)

对活度为4 265.0Bq的这个源，由于生成的空间离子密度较大，复合较明显，电流测量值较预期(直线回归)值偏低约3.2%。

仪器的灵敏度可视作其直线方程的斜率。则实验装置的灵敏度为6.619fA/Bq。仪器探测限的表达式为:

(2)

其中S₀、S_D分别为本底电流及样品电流(包括本底)测量值的标准偏差，当样品的测量值接近本底时，S_D趋于S₀。

现以11.13Bq的源为例，测量时的本底电流为14.84 ± 0.78fA，源的电流测量值为86.45 ± 3.53fA。设K_α = 2，K_β = 3，则

L_D的置信概率为97.7%，误判率为0.15% (单侧)。

2.3 灵敏区分布

室内部为300 × 300 × 220mm的长方体，其中流过的气流不可能处处均匀，因此在样品室不同位置α源的测量值应当有所不同，为测试这种不均匀性，将一²³⁹Puα源放在样品室内不同位置，测量其电离电流值并进行比较。图 4为不同区域的灵敏度分布。图中数字表示相对值，以电流的最大测量值为1.000。图中以中间区域效率最高，上下两侧偏低且对称，微小差别是由本底及测量值的统计涨落引起的。

2.4 探测范围实验 2.4.1 探测下实验

将一单位面积活度为0.27Bq/cm²的源置于样品室内，测得平均净电离电流为3.581 × 10^-13 A。

2.4.2 总活度探测下限实验

将一总活度为8.78Bq的源放入样品室中，测得的平均净电离电流为9.86 × 10^-14 A。

2.4.3 探测上限实验

实验将多个面源同时置入样品室进行测量，实验中将²⁴¹Am源(5.39MeV)的表面粒子发射率按能量归一到²³⁹Pu(5.14MeV)。α面源总活度1.57 × 10⁴ Bq/cm²，测得电离电流值为3.02 × 10^-11 A。

2.5 装置对β、γ辐射灵敏度实验

进一步检验小物体α表面污染测量装置的实用性能，进行了βγ辐射的灵敏度实验，分别将β、γ源放入样品室，测量电离电流并与测量α粒子的灵敏度进行比较，测量结果如表 2所示。

由表 2可以看出，装置测量α时，比测量β时的灵敏度大190倍以上，比测量γ时的灵敏度大5万倍以上，因此，装置本身对β和γ射线灵敏度较低，有很好的对βγ辐射的抑制能力，可以在强混合辐射场中很好地工作。

2.6 装置实际样品测试

进一步检验实验装置的实用性能，进行了一次实际测试，测试结果说明实验装置的技术性能能够满足实际工作的需求。

2.6.1 测试样品

放α小盘，有效直径20mm，不锈钢材质，为防止污染扩散，测试时将若干α小盘置入培养皿中;

2.6.2 涂抹核素

³⁹Pu、²³³U、²³⁷Np、²⁴¹Am。

2.6.3 测试结果

用手持式α谱仪测量结果该样品活度为328.87Bq，利用研制的测量3.25E-12A，按表面污染格式的测量结果为0.73 Bq/cm³，测量时共放置14个α小盘。从测试结果可以看出，小物体α表面污染测量装置的测量结果与手持式α谱仪的测量结果非常接近，相对偏差2.2%。

3 结论

通过上面的实验证明，小物体α表面污染测量装置对α粒子有较好的响应，有较大的线性范围，而且对β γ射线有较好的抑制能力。通过上述的研究和实验证明，装置原理可行、测量结果重复性好，在辐射防护领域有广阔的应用前景。

同时，这种测量方法所测量的是电离电流的平均值，它不能区分粒子的类型和能量; 装置受环境因素(气压、温湿度、灰尘等)的影响较大。