應急防護用γ輻射劑量率儀高量程區校準因子測量方法*

王遙 韓剛 孫訓 袁杰 白雪 陳建新 唐方東/上海市計量測試技術研究院

0 引言

近些年來，傳統能源的發展逐漸遇到原材料和技術發展的瓶頸，核能作為目前有效及大力發展的能源項目，發展迅速，并對人們的生活產生了巨大影響。核能安全作為制約核能發展的重要環節，具有關鍵作用。應急防護用γ輻射劑量當量率儀是核電站必備的監測儀器，常用于核島內部循環水及排出流等，以及事故應急狀態下的γ輻射劑量監測，是保障核能安全的重要設備，量值的準確性需要得到保證，因此其校準技術方法研究至關重要。

ICRP建議，對于應急防護用儀器劑量當量率在 1 mSv/h～10 Sv/h[1]范圍，其最小測量范圍包含四個數量級，IEC相關標準和IAEA技術報告推薦使用137Cs參考輻射[2]。這對應急防護用光子劑量率儀的測量校準提出了寬量程的要求。與便攜式X，γ輻射劑量當量（率）儀的探測器多探測原理，多產品型號情況不同[3]，目前常用的應急防護用X、γ劑量率儀型號種類不多，有德國Thermo Fisher Scientific的FHZ612-10系列，Automes公司的 Teletector 6150系列，MIRION公司的RADIAGEM 2000系列，Saphymo公司的SEC探測器等，儀器構造多采用探測器與主機分離形式，且探測器的類型均為GM計數管[4]。國內相關機構也開始研究開發高量程光子劑量率儀表[5]，如吳德波[6]等基于GM計數管研制量程范圍為 100 μGy/h～0.1 Gy/h 的高量程便攜式 X 劑量率監測儀。

校準應急防護γ劑量率儀的瓶頸在于能夠覆蓋1 mSv/h～10 Sv/h劑量率范圍的單一射線質的參考輻射場。Sv/h級劑量當量率要求137Cs參考輻射源活度達到1013 Bq級別，受限于高活度137Cs輻射源及其昂貴的價格，以及輻射安全監管的制約，目前國內少有達到Sv/h量級的137Cs參考輻射場。上海市計量測試技術研究院現有的治療水平60Co參考輻射的劑量當量率范圍可到10 Sv/h級別，可覆蓋應急防護用γ劑量當量率儀高劑量率區，但60Co和137Cs輻射的能譜不同，因而儀器的響應也不同，不能直接替代。為此需要開展儀器對防護水平137Cs參考輻射和治療水平60Co參考輻射響應因子修正方法的研究探索。

1 參考輻射場劑量率測量

利用上海市計量測試技術研究院化學與電離輻射研究所現有的治療水平60Co參考輻射場及防護水平137Cs參考輻射場，采用石墨空腔電離室測量60Co和137Cs參考輻射場各參考劑量點的周圍劑量當量率。

1.1 測量方法與測得數值

上海市計量測試技術研究院現有防護水平137Cs參考輻射發生裝置一套，內置1010 Bq活度級137Cs源，配有三片厚度不同的鉛輻射衰減片。現有治療水平60Co參考輻射發生裝置一套，內置1013 Bq活度級60Co源，配有五片相同鎢合金輻射衰減片，厚度為8 mm。通過切換射線出口前衰減片組合和改變測量點與源的距離，可產生一系列不同周圍劑量當量率的參考劑量點，如表1，2所示。

根據GB/T 12162.2-2004標準[7]，用于參考輻射測量的儀器應是由電離室組件和測量裝置組成的次級標準儀器或其他適當的儀器。實驗采用PTW公司的UNIDOS-Webline系列主機，石墨空腔電離室包括 0.6 mL，30 mL，1 000 mL 等三種規格，型號分別為：TW30013，TK-30，LS-01，經中國計量科學研究院校準，校準因子分別為：1.008，0.99，1。使用三種型號石墨空腔電離室分別測量60Co參考輻射場不同量級的空氣比釋動能率，使用LS-01石墨空腔電離室測量137Cs參考輻射場。在相同的劑量當量率參考測量點，使用兩種電離室測量，計算不同電離室轉換因子，最后將三種電離室對60Co參考輻射場的測量結果換算至由LS-01電離室表示，與137Cs參考輻射場的LS-01電離室保持一致。

60Co和137Cs參考輻射場各參考劑量點LS-01電離室等效周圍劑量當量率數據處理流程如圖1所示。

圖1 參考劑量點LS-01電離室等效周圍劑量當量率數據處理流程圖

表1 60Co各參考劑量點LS-01電離室等效周圍劑量當量值/mSv·h-1

表2 137Cs各參考劑量點LS-01電離室等效周圍劑量當量值/mSv·h-1

1.2 數據分析

圖2、圖3顯示了不同衰減組合下，參考輻射場中周圍劑量當量率變化曲線，圖2為60Co參考輻射場的數據，圖3為137Cs參考輻射場的數據。各衰減組合下周圍劑量當量率與參考測量點至輻射源間距離的擬合曲線均近似滿足與距離平方反比理論關系，可應用于應急防護用γ輻射劑量當量率儀響應計算。

圖2 60Co各衰減組合下參考距離周圍劑量當量率變化曲線

圖3 137Cs各衰減組合下參考距離周圍劑量當量率變化曲線

2 應急防護用γ輻射劑量當量率儀響應測量

測量實驗中使用的應急防護用γ輻射劑量當量率儀的主機型號為：FH40G，配置相應的探頭FHZ612-10，在60Co和137Cs參考輻射場各參考劑量點分別作周圍劑量當量率測量，計算由60Co參考輻射響應曲線修正至137Cs參考輻射響應曲線的轉換因子。

FH40G + FHZ612-10 是德國 Thermo Fisher Scientific生產的高量程X，γ輻射周圍劑量當量率儀。其中FHZ612-10為探頭型號，探頭內含有兩個GM管可以自動切換量程，探頭測量范圍為0.1 μSv/h ～10 Sv/h，在低劑量率段靈敏度為 1.7 s-1/(μSv/h)，高劑量率段靈敏度為0.03 s-1/(μSv/h)，能量響應范圍：82 keV～1.3 MeV。FH40G為主機系列型號，主機內置探頭量程上限不超過1 Sv/h，外接探頭包括FHZ612-10。實驗采用外接探頭進行，測量范圍與能譜范圍由外接探頭FHZ612-10決定。

實驗選取三臺FH40G+FHZ612-10高量程X，γ輻射周圍劑量當量率儀，在每個參考測量點均讀取三次本底數據及五次劑量率數據，取劑量率讀數平均值并扣除本底平均值。三臺儀器在60Co和137Cs參考輻射場不同劑量點的周圍劑量當量率測量結果及響應曲線如圖4、圖5所示。

從圖4可以看出，FHZ612-10型號三臺應急防護用γ輻射劑量當量率儀響應性能相似，周圍劑量當量率呈較好的線性。從圖5可以看到，對137Cs參考輻射的響應維持在1±1%范圍內波動，儀器測量較為準確；對60Co參考輻射的響應略大于1，且波動較大，分析原因可能來自于60Co高能峰1.332 5 MeV接近探頭能譜響應范圍極限，此外在60Co的低周圍劑量當量率區域（1 ～ 10 mSv/h），三臺儀器響應均出現了大幅度增高，原因為儀器內部兩個GM管小劑量探測器與大劑量探測器響應的不一致。

圖4 FHZ612-10在60Co和137Cs參考輻射場中各劑量點周圍劑量當量率測量結果

圖5 FHZ612-10對60Co和137Cs參考輻射周圍劑量當量率的響應

分別對FHZ612-10型號儀器在60Co和137Cs參考輻射場周圍劑量當量率測量平均值進行的線性擬合中，且舍去在60Co參考輻射場中響應偏高的測量值，得到圖6三臺儀器平均測量結果與擬合曲線結果。

圖6 FHZ612-10儀器平均測量結果及擬合曲線

利用被測儀器在60Co參考輻射場低劑量率段和137Cs參考輻射場高劑量率段的周圍劑量當量率重合區域，采取線性擬合式（1），將被測儀器在60Co參考輻射場的測量值擬合曲線修正至儀器在137Cs參考輻射場的測量值擬合曲線。

式中：y1=0.999 7x+ 68——60Co 測量值擬合曲線；

y2=1.010 3x+ 0.015 2——137Cs測量值擬合曲線；

A——修正斜率；

B——修正截距

計算得到FHZ612-10儀器60Co歸一到137Cs的修正因子(A，B)為（1.011，-68.733）。

3 結語

用電離室劑量計測定60Co和137Cs輻射場中各參考測量點的空氣比釋動能率作為參考值，在各參考測量點用FH40G+ FHZ612-10應急防護用γ輻射劑量當量率儀進行周圍劑量當量率測量，計算得到儀器對60Co和137Cs輻射場周圍劑量當量率的響應，將儀器對60Co參考輻射響應轉換為137Cs參考輻射響應，計算得到被測的修正因子。

比較被測儀器相對60Co和137Cs參考輻射響應曲線，其對137Cs輻射響應的波動幅度較小，均值接近于1，究其原因，一方面是137Cs能譜峰位于探測器能量范圍中間，而60Co高能峰接近探測器能量探測極限；另一方面，60Co參考輻射劑量當量率跨度范圍大（1 mSv/h～10 Sv/h），而137Cs參考輻射劑量當量率跨度范圍小（6 μSv/h～10 mSv/h），且均處于探頭劑量率測量范圍中間區域。此外，被測儀器在60Co低劑量區域（1～10 mSv/h）響應均明顯升高，源于探測器內GM管間響應的差異。

實驗結果顯示，被測儀器對60Co和137Cs參考輻射場的響應接近1，且137Cs擬合曲線截距接近0。儀器對60Co參考輻射響應轉換為137Cs參考輻射響應的修正因子為（1.011，-68.733）。

實驗建立了儀器60Co參考輻射響應轉換為137Cs參考輻射響應修正因子的測量計算方法，為應急防護用γ輻射劑量當量率儀的校準提供了技術參考。