低水平α、β放射性測量儀器計量性能的測試分析*

宋家斑 李小雙 陸小軍 韓剛 劉佳煜 唐方東/上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

伴隨著核與同位素技術(shù)利用、核能資源應用的日益廣泛，低放廢物在自然環(huán)境中出現(xiàn)的可能性與日俱增，環(huán)境放射性監(jiān)測領(lǐng)域低水平α、β放射性測量的重要性越來越凸顯。目前常用的低水平α、β放射性測量儀器主要采用閃爍體探測器和流氣式正比計數(shù)器，由此，上述兩種類型的儀器分別稱為“低本底α、β測量儀”和“流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀”，國家計量檢定規(guī)程 JJG 853-2013《低本底α、β測量儀》[1]與 JJG 1100-2014《流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀》[2]規(guī)定了上述兩類儀器的檢定項目、技術(shù)要求與檢定方法。

參照計量檢定規(guī)程對低水平α、β放射性測量儀器的儀器本底、探測效率、串道比等主要計量性能參數(shù)作實驗測量，基于測量數(shù)據(jù)分析評價其性能特點，對于低水平α、β放射性測量儀器在環(huán)境放射性監(jiān)測中更好的應用、保障監(jiān)測結(jié)果的準確可靠具有指導意義。

1 實驗

1.1 實驗設備

測量標準為α、β標準平面源，技術(shù)性能指標見表1。低本底α、β測量儀和流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀均為多個探測器模塊式組合結(jié)構(gòu)，每個探測器為1個獨立探測單元（俗稱“測量通道”），實驗選用的低本底α、β測量儀和流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的型號、測量通道數(shù)見表2。

表1 α、β標準平面源的技術(shù)性能參數(shù)

表2 實驗用儀器的型號與數(shù)量

1.2 實驗方法

低本底α、β測量儀計量性能參數(shù)參照JJG 853-2013中7.3條規(guī)定的方法進行檢測。

流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀計量性能參數(shù)參照JJG 1100-2014中7.3條規(guī)定的方法進行檢測。

1）儀器本底

將無放射性核素污染的樣品盤放入測量室，設置測量時間，按照式（1）計算儀器本底。

式中：N0α(β)——α（或 β）本底總計數(shù)；

T0α(β)——α（或 β）本底累計測量時間，min；S——有效探測面積，cm2

2）探測效率

將α（或β）標準平面源放置于樣品盤中心，使源表面盡量接近但不超過樣品盤的上沿，固定平面源。設置儀器的測量次數(shù)及單次測量時間，按照式（2）計算儀器的探測效率。

式中：Nα(β)——α（或 β）累計計數(shù)；

Tα(β)——測量 α（或 β）源的累計時間，min；

Aα(β)——α（或 β）標準平面源在測量時的表面發(fā)射率，（min·2πsr）-1

3）串道比

根據(jù)1.2.2測量數(shù)據(jù)，按式（3）計算α射線對β道的串道比χα→β以及β射線對α道的串道比χβ→α。

式中 ：Nα→β(β→α)——測量α（β）標準平面源時，β（α）道的計數(shù)；

Nα(β)——測量 α（β）標準平面源時，α（β）道的計數(shù)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)

10種型號低本底α、β測量儀的共計232個探測器（測量通道）各參數(shù)的測量結(jié)果見表3，5種型號流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的共計267個探測器（測量通道）各參數(shù)的測量結(jié)果見表4。

表3 低本底α、β測量儀性能參數(shù)測量結(jié)果

表4 流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀性能參數(shù)測量結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

1）本底

JJG 853-2013和 JJG 1100-2014中，對低本底α、β測量儀和流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的α本底要求是：單位面積的α粒子計數(shù)率小于等于0.017 min-1cm-2和 0.008 min-1cm-2；對 β 本底要求是：單位面積的β粒子計數(shù)率小于等于0.5 min-1cm-2和0.05 min-1cm-2，對比于低本底α、β測量儀，檢定規(guī)程對流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀本底的要求更為嚴格。由表3和表4可知，低本底α、β測量儀的α本底要比流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀高出10%，β本底高出約300%。

低水平α、β放射性測量儀器為了屏蔽宇宙射線的干擾，除了外加鉛室之外，還采用了反符合屏蔽技術(shù)。即在主探測器周圍附加一個或一組反符合屏蔽探測器，反符合探測器與主探測器同時有信號輸出時，反符合電路輸出信號阻止主探測器輸出信號的記錄和分析，即僅當主探測器單獨有輸出時，該信號才被記錄和分析[3]。一般而言，流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的反符合探測器分布于主探測器正上方和四周，可以探測到絕大部分直射及散射入主探測器的宇宙射線；而低本底α、β測量儀的反符合探測器只設置在主探測器正上方，對散射進入主探測器宇宙射線的探測效果相對較弱，因此流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的本底明顯低于低本底α、β測量儀。

2）探測效率

JJG 853-2013和JJG 1100-2014中對兩類儀器α粒子探測效率的要求都是大于等于65%，但是對于β粒子探測效率，JJG 1100-2014規(guī)定流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的β探測效率應大于等于65%，JJG 853-2013規(guī)定低本底α、β測量儀的β探測效率應大于等于35%。表3和表4顯示，實驗測得低本底α、β測量儀的α探測效率的平均值為75.9%，流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的α探測效率的平均值為74.4%，兩者較為接近；而β探測效率，低本底α、β測量儀測量結(jié)果的平均值為58.4%，流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀為89.5%，流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀對α粒子的探測效率要比低本底α、β測量儀高出約30%。

從探測器原理分析，低本底α、β測量儀采用的閃爍體探測器利用的是透明物質(zhì)發(fā)生電離輻射作用之后產(chǎn)生的閃爍光，通過光探測器進行信號讀取，受閃爍體發(fā)光效率的影響，當β粒子的能量較低時，探測效率偏低[4]。而流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀則是工作于正比區(qū)的氣體探測器，在離子收集過程中將出現(xiàn)氣體放大現(xiàn)象，即被加速的原電離電子在電離碰撞過程中逐次倍增，因此該探測器靈敏度較高，原則上只要有一對原電離離子就可被分辨[5]，因此流氣式正比計數(shù)器總α、總β測量儀對于β粒子的探測效率高于低本底α、β測量儀。

3）串道比

JJG 1100-2014規(guī)定流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀α對β串道應小于等于10%；β對α串道應小于等于3%。JJG 853-2013規(guī)定低本底α、β測量儀α對β串道應小于等于3%；β對α串道應小于等于1%。由表3、表4可見，流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀α粒子對β串道比低本底α、β測量儀高出約3倍，而β對α串道兩者的測量結(jié)果相近。

兩種儀器串道比的差異同樣是由于氣體放大的影響。在流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀中的帶電粒子在收集電極上感生的脈沖幅度比原電離感生的脈沖幅度放大數(shù)倍，帶電粒子入射時的帶電量即帶電粒子的類型更加難以區(qū)分；而低本底α、β測量儀使用的閃爍體探測器則是通過發(fā)光強弱來區(qū)分入射粒子類型，因此低本底α、β測量儀的串道比相對較低。

3 結(jié)語

10種型號低本底α、β測量儀的232個探測器（測量通道）和5種型號流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的267個探測器（測量通道），本底、探測效率與串道比的實驗測量結(jié)果顯示，流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀與低本底α、β測量儀的α本底和α探測效率無明顯差異，但流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀的β較低、β探測效率較高，低本底α、β測量儀的α對β串道比較低，性能參數(shù)的差異與兩種儀器的結(jié)構(gòu)及探測器原理特性相符。實驗結(jié)果表明流氣正比計數(shù)器總α、總β測量儀對β放射性的測量下限低，在低水平放射性測量上性能更優(yōu)，而低本底α、β測量儀α對β的串道比小，較適用于α、β放射性混合樣品的測量。