随着民用核设施的发展及放射性同位素的广泛应用, 人们对环境、食品、饮用水的放射性卫生问题越来越重视; 在辐射防护、环境监测及科学实验中, 遇到愈来愈多的弱放射性测量的问题^[1-3], 其中弱α、β放射性的测量非常重要, 尤其是2011年福岛核事故后, 环境监测等部门需要快速准确的测量水、土壤、空气等环境及食品中的总α、总β辐射水平, 及时公布监测结论引导公众正确理解受到的辐射水平, 对当今α、β放射性测量手段提出了新的要求^[4-5]。

今最常规的α、β放射性测量手段是低本底环境下对α、β活度进行分析, 其要求测量装置具有较高的探测灵敏度和较低的本底环境^[6]。现今国内外的核仪器制造厂商为达到这一要求开发了多种设备, 其中根据所用的辐射探测器的类型划分, 低本底α、β测量技术主要可分为流气式正比计数器、闪烁体型和半导体型。本文介绍了这三种低本底α、β测量技术的特点及在辐射防护卫生领域的应用经验^[7-8]。

1 发展现状

低本底α、β测量技术起步较早, 随着新型探测方法的不断运用, 其技术愈发成熟、性能指标不断提升^[9-11]。该技术最早采用流气式正比计数器作为探测元件, 这种探测器灵敏体积小, 环境γ本底影响弱, 可测量并区分取样样品中的α、β放射性活度, 这种辐射探测器需要外部提供使用可用的工作气体, 体积和重量较大; 随着辐射探测技术的发展, 闪烁体型辐射探测器^[12]和金硅面垒型半导体探测器相继应用于低本底α、β活度分析, 其中闪烁体探测器一般采用β灵敏型有机闪烁体测量β放射性, 并利用闪烁体表面蒸镀的ZnS薄层测量α放射性, 这种探测器结构简单, 便于携带运输, 但闪烁体一般体积较大, 扣除环境γ影响能力较差; 金硅面垒型半导体探测器可以很好的测量取样样品中的α放射性, 但由于其漏电流较大, 对β放射性响应较差, 必须使用如闪烁体等的其他探测器配合测量β放射性; PIPS半导体探测器是最新发展起来的辐射探测器, 其灵敏层薄, 漏电流小, 对α、β粒子响应好, 同时环境γ影响小, 是目前低本底α、β活度分析的发展方向。

2 技术介绍 2.1 流气式正比计数器型

流气式正比计数器型低本底α、β测量技术是最早发展起来的技术手段。目前国内应用最广的设备是美国ORTEC公司生产的MPC-9604型低本底α、β计数器, 其采用流气式正比计数器, 工作气体为P10气体(90%氩气及10%甲烷气), 结构简单, 性能稳定, 价格低廉, 适应较宽的温度范围^[13], 系统结构简图如下图 1所示。

MPC-9604型低本底α、β计数器由测量仪主机和专用计算机构成, 需要专用气源。主机是仪器核心部分, 它包括样品架、测量计数管、屏蔽计数管、铅屏蔽室和核电子学单元等五部分:样品架为导轨抽屉式, 包括样品盘、盘托架、导轨等, 选用材料全部是低本底材料。测量计数管为圆饼状薄窗流气式正比计数管, 其输出脉冲信号幅度与入射粒子能量成正比。计数管窗材料为镀铝薄膜, 窗口有效直径60 mm, 薄窗厚约0.4 mg/cm², 便于α、β等穿透能力弱的粒子进入计数管。测量位置时样品盘中心(即待测样品的中心)正好对着计数管窗口中心。窗薄、样品窗口距离近、测量立体角大, 保证了样品测量的高效率; 屏蔽用计数管也是流气式正比计数管。它包围在测量计数管的四周或上部。本底辐射将会同时在两个计数管上产生脉冲, 经反符合后不产生计数。核电子学单元电子线路包括脉冲放大器、脉冲甄别器、脉冲的成型与延迟、高压电源、α、β脉冲计数器和反符合计数器。为降低本底计数, 采用反符合方法。凡是外界本底辐射同时在两个计数管上产生的脉冲, 经过反符合单元将被消除, 不会产生输出计数。铅屏蔽室由低放射性水平的老铅制成, 平均厚度约为10cm。专用计算机通过电缆与核电子学单元连接。系统在Windows平台上开发了控制和数据处理软件。

MPC-9604型低本底α、β计数器性能指标如下:α探测效率:≥80%(²³⁹Pu, 2π); β探测效率:≥ 40%(⁹⁰Sr-⁹⁰Y, 2π); α本底计数:≤0.05 cpm; β本底计数:≤0.45 cpm。

该型低本底α、β计数器在实验室环境下有着良好的使用经验, 但是其体积较大, 重量较重, 携带不便, 维护要求较高, 需要额外配备P10气体源以保证流气式正比计数器正常工作, 所以其工程应用范围十分有限, 只能适用于食品、环境样品的取样测量, 不能应用于户外的实时监测。因此开发出简易、便携、维护方便、能够快速实时测量样品的α、β放射性活度的设备应用于户外监测有着迫切的必要性。

2.2 闪烁体型

闪烁体型低本底α、β测量技术采用α、β闪烁体材料结合在一起制成的一种双闪烁体, 可同时测量样品中的总α、总β活度, 并且易于擦洗, 不怕污染。且测量过程及数据的获取和处理均由计算机完成, 使用方便, 大大提高了工作效率和精确度。具有代表性的闪烁体型低本底α、β测量技术仪器是由北京核仪器厂生产的BH1216型低本底α、β测量仪^[14], 系统结构如图 2所示。

由图 2所示, 该仪器包括两个主探测器和一个反符合探测器, 三个探头的信号输入到测量单元, 测量单元将所测得的数据送入计算机进行处理。仪器各路的阈值可通过计算机调节。仪器结构与流气型低本底α、β活度计数器相近, 在此只简单描述:主探测器由CR120型低噪声光电倍增管和ST-1221型低本底α、β闪烁体组成。探测器由对联三苯和ZnS(Ag)闪烁材料喷涂在5~6 mm的有机玻璃板经热压而成; 反符合探测器是由一块平板型塑料闪烁体和光电倍增管组成, 反符合探测器的使用可以减少宇宙射线的影响, 起到降低本底的作用; 铅室是用7.5 cm的铅加1.5 cm的钢壳加工而成; 电子学线路包括低压电源、高压电源、测量单元、计算机接口、计算机和打印机, 测量单元将所记录的信号通过计算机接口输入到串行口, 计算机再将所收集到的数据处理分析。

该型低本底α、β测量仪的性能指标如下:α探测效率:≥80%(²³⁹Pu, 2π); β探测效率:≥60%(⁹⁰Sr - ⁹⁰Y, 2π); α本底计数:≤3.5 cpm; β本底计数:≤ 140 cpm; α/β交叉性能α进入β道的计数比≤3%;β进入α道的计数比≤0.5%。

该型低本底α、β测量仪采用闪烁体探测器同时探测α、β, 主探测器使用的α、β闪烁体使用特殊工艺制成的, 不怕污染、表面可以擦洗, 闪烁体价格便宜、耐用、面积大、灵敏度高、操作简单、维修方便, 但是其存在α与β计数道干扰, 而且仪器本底指标较差, 探测灵敏度不高。在实验室环境下, 与流气型低本底α、β计数器相比, 在主要性能指标方面不占任何优势, 因此绝大多数试验室并没有配备此类仪器, 使用经验并不丰富; 但是其便于维护, 适合于车载环境, 在野外进行实时放射性样品的测量, 有着一定的户外使用经验。

2.3 半导体型

半导体型低本底α、β测量技术也是较早发展起来的技术手段, 最初采用金硅面垒探测器探测α粒子, 采用对联三苯闪烁体探测器探测β粒子, 后端的信号处理装置与流气型低本底α、β计数器类似, 故在此不作详述^[15]。但是该技术手段探测α与β粒子使用两个探测器分别探测, 导致设备的集成化程度较低、重量较重、体积较大, 不便于使用, 在技术指标上与流气型低本底α、β计数器相比也并无优势。因此该项技术并没有广泛的应用于实验室与户外环境。

随着新型的探测器技术发展, 尤其是PIPS半导体探测器对α、β粒子有着良好的探测效率, 但其对γ射线并不敏感的特点, 将PIPS半导体探测器用于低本底α、β测量技术。以Canberra公司研发的iMac型低本底α、β活度分析仪为例, 其指标先进、性能领先, 实现了数字化、模块化设计, 是新一代低本底α、β活度分析仪的技术发展方向。其系统结构框图如下图 3所示。

由图 3所示, 该仪器包括两个探测器、一套前端信号处理电路、一套后端信号处理装置。两个探测器分别是PIPS半导体探测器与塑料闪烁体探测器。其中PIPS半导体探测器用以探测α与β粒子, 其有着良好的能量分辨率, 同时也可以避免两探头分别探测α与β粒子时发生的串扰现象, 而且集成化的设计可以大大减轻设备的重量; 塑料闪烁体探测器是反符合探测器, 用以扣除探测宇宙射线的干扰。前端信号处理电路包含前置放大器与反符合电路, 探测器输出信号经过前置放大器放大处理后, 先进行反符合处理, 扣除宇宙射线的影响, 然后送入到后端信号处理装置, 在信号处理装置内部, α与β活度算法程序先对测量的数据扣除本底, 再对扣除本底后的数据采用能量阈值甄别技术处理, 计算出样品α与β活度; 最后利用信号处理装置内部存储器存储历史记录, 实现测量实时显示并查询数据历史记录。低本底α、β探测器屏蔽铅室的厚度为10 cm的老铅材料, 其他结构与常规运用的低本底α、β活度分析仪结构类似, 在此不作详细描述。

其性能指标如下:α探测效率:≥80%(²³⁹Pu, 2π); β探测效率:≥60%(⁹⁰Sr-⁹⁰Y, 2π); α本底计数:≤0.5 cpm; β本底计数:≤3 cpm。

表 1是iMac型仪器与其他同类仪器指标的比较, 可见在目前的同类仪器中, iMac型的仪器的性能指标较好, 优势突出。

以PIPS(离子注入硅)探测器为主探测器的低本底α、β活度分析仪, 设备集成化程度高、体积小、重量轻、便于维护, 其主要性能指标要优于流气型与闪烁体型低本底α、β活度测量仪。在国内外, 有不少实验室使用该型探测器做总α、总β活度分析^[16], 其正在逐渐取代流气型低本底α、β计数器。由于其体积较小、重量较轻等特点, 可将其用于车载环境, 进行野外实时监测。基于PIPS半导体探测器的低本底α、β活度分析仪将是当今及未来一段时间内α、β测量技术发展的主流方向, 有着广阔的市场前景。

3 结论

本文主要介绍了流气型、闪烁体型、半导体型低本底α、β测量技术的特点及辐射防护卫生领域的应用经验^[6]:①流气型低本底α、β活度分析仪因其技术成熟、成本低廉, 极低的本底计数率与适宜的α、β探测效率, 是当今主流的一款低本底α、β计数器, 在实验室环境下有着良好的使用经验, 但是其体积较大, 重量较重, 携带不便, 维护要求较高, 不适用于户外监测任务。②闪烁体型低本底α、β活度分析仪虽然有着较高的α、β探测效率, 但是在实验室环境下, 本底计数较高, 同时存在α、β探测道干扰, 与流气型低本底α、β计数器相比, 其主要性能指标方面不占任何优势, 绝大多数试验室并没有配备此类仪器, 使用经验并不丰富; 但是其便于维护, 适合于车载环境, 在野外进行实时放射性样品的测量, 有着一定的户外使用经验。③基于PIPS半导体探测器的新型低本底α、β活度分析仪, 设备集成化程度高、体积小、重量轻、便于维护, 其主要性能指标要优于流气型与闪烁体型低本底α、β活度测量仪。并且环境适应性得到提高, 既能够满足实验室环境下对技术指标要求较高的需求, 又能满足在户外环境下实时监测的需求, 因此有着广阔的市场前景, 是低本底α、β测量技术的重要发展方向。

随着新型探测器、电子学的技术进步, 当今低本底α、β测量技术向集成化、智能化、小型化、模块化方向发展, 设备的指标更加先进, 探测灵敏度更高, 本底计数更低, 系统操作更加人性化、智能化, 其技术手段也将会在辐射防护卫生领域发挥更重要的作用。