光致熒光劑量計β輻照器的研制及性能研究

羅 瑞，夏 文，王紅玉，陳克勝，葉宏生，徐利軍

(中國原子能科學研究院 計量與校準技術重點實驗室，北京 102413)

應急劑量監測是避免核設施事故發生、控制或緩解核事故、減輕核事故后果的重要保障手段。GJB1067.14—1998[1]等標準對包括個人劑量監測在內的核監測裝備進行了規范，以保證各監測值的準確、可靠。其中個人劑量監測是判斷事故范圍和嚴重程度的重要信息，對應急決策及判斷公眾和應急工作人員人身安全危害程度具有重要意義。另外，對于核動力遠洋個人劑量監測及航天員個人劑量監測等情形[2-4]，由于個人劑量監測數據無法實時返回測量，個人劑量監測的可靠性無法保證，影響人員健康因素的有效評估。

光致熒光劑量計(OSLD)因具有刻度簡單、信號穩定、耐受環境影響等特點，在空間電離輻射劑量、環境光子劑量率評估、n-γ混合場中子劑量測定、治療學劑量測量等方面已有較為廣泛的應用[5]。美國已廣泛采用OSLD作為應急輻射測量的行業標準，將其應用于如日本福島核事故等應急監測中[6]，歐洲航天局和美國宇航局將其作為標準劑量計用于空間輻射低LET的測量[7-8]。目前國內OSLD也得到了廣泛的應用，但尚未建立OSLD及其讀出儀的校準規范，常用的校準方法為：OSLD使用單位將劑量計送往檢測單位，后者采用標準輻射場對劑量計進行輻照，再由送檢單位進行測讀，通過測讀值與參考值差異進行校準修正。但對于未來空間站長期運行期間的輻射劑量監測、核動力艦艇遠洋期間的個人劑量監測及核應急情況下劑量監測等特殊條件，個人或場所環境監測用OSLD及其讀出裝置需長期隨行，難以及時返回實驗室進行測讀、校準，其監測值的可靠性難以得到保障。因此，本文研制一種便攜式β輻照器，為特殊環境下的OSLD個人及環境劑量監測的準確、可靠提供計量保障。

1 β輻照器的研制

本文研制的β輻照器通過放射源提供一定范圍內的輻射場，并將輻射場參考點的吸收劑量率溯源至標準場，利用β輻照器的輻射場對傳遞標準劑量計進行量值傳遞，即可實現特殊環境下的現場校準工作。β輻照器主要由β放射源、屏蔽體、測量樣品盤、控制系統等組成，如圖1所示。

1——黃銅屏蔽體；2——快門；3——支架；4——測量樣品盤；5——控制裝置；6——放射源支架；7、11——緊固器件；8——鈹窗；9——放射源卡槽；10——鉛屏蔽體圖1 β輻照器示意圖Fig.1 Schematic of β irradiator

1.1 放射源制備

針對上述環境下劑量監測的校準用放射源選擇，α射線對個人劑量的貢獻很少可不予考慮，γ射線雖是劑量監測的主要來源，但其穿透能力較強，對β輻照器的屏蔽要求較高，導致設備總質量較大而不利于攜帶。被校準對象(OSLD)目前主要以φ8 mm的圓片存在，且表面覆蓋有塑料薄膜用于保護，低能β射線可能無法穿透保護膜，因此β輻照器用于產生輻射場的放射源應選擇能產生高能β射線的放射源，考慮到放射源的半衰期、制備難易程度等因素，本文β輻照器中的放射源為φ10 mm的90Sr-90Y平面源。平面源通過電沉積法制備(圖2)，其活度可根據洛文格公式算出。

圖2 電沉積法制備放射源示意圖Fig.2 Schematic of electric deposition method preparation of radioactive source

由于OSLD的劑量測量范圍為0.1～1 000 mGy，β輻照器提供的輻射場參考點劑量率為10-1mGy/s較為合適，根據計算得知所用放射源的活度為106Bq量級。

1.2 屏蔽體設計

為保證β輻照器操作人員的安全，β輻照器應采取一定的屏蔽防護措施。根據輻射防護的相關要求(EJ 380-989)，β輻照器周圍劑量當量率的限值應低于2.5 μSv/h。可根據β射線在物質中的射程計算屏蔽體厚度，為減少韌致輻射的產生，在放射源正下方設計有低原子序數材料的鈹窗。綜合考慮屏蔽效果和裝置質量等影響因素，β輻照器采取的屏蔽設計為：放射源正下方采取鉛材料屏蔽，厚度為0.2 cm；其他部位采取銅材料屏蔽，厚度為0.3 cm。而整個系統產生的X射線處于環境本底水平[9]，其對OSLD的影響在實際測量β射線吸收劑量率時可忽略不計。

1.3 控制系統

本文設計的β輻照器的輻射場劑量率通過標準實驗室進行校準，輻照樣品時通過改變輻照時間控制樣品受照劑量。在放射源正下方設計有黃銅片快門，通過控制快門往復運動的動作來控制輻照時間。快門動作控制有兩種方式：1) 通過電磁閥及相應的控制軟件實現自動控制，該控制系統具備定量輻照功能，輻照時間測量偏差為10 ms；2) 通過壓縮氣體與氣動控制器手動控制，輻照時間通過秒表確定，以滿足某些無法供電等惡劣環境下的現場校準需求。

2 β輻照器性能

β輻照器尺寸為150 mm×80 mm×50 mm，總質量小于3 kg，裝配的放射源活度為3 MBq，可滿足特殊環境下的現場校準需求。本文對研制的β輻照器進行參考點劑量率定值、輻照劑量重復性等性能研究。

2.1 屏蔽效果驗證

利用451P巡測儀分別在β輻照器的上、下表面及0.5 m處測量其周圍劑量當量率，結果列于表1。由表1可知，設計的β輻照器各方向的周圍劑量當量率均處于環境本底水平，可知輻照器采取的屏蔽措施是合理及充分的。

2.2 劑量率定值

為測量β輻照器參考點的劑量率[10-11]，本文初篩一批外觀相近的OSLD，首先將該批OSLD置于β標準輻射場中進行輻照，并用OSLD讀出儀測量輻照后的響應信號，得到OSLD對β射線的劑量響應曲線(圖3)，即N=kD(N為凈計數，D為劑量，k為校準因子)。選擇k接近的一批OSLD作為實驗用劑量計。將該批劑量計退火[12]后置于β輻照器不同高度的樣品盤中進行輻照，并記錄輻照時間。輻照完成后劑量計通過DA-20 OSLD讀出儀測量熒光信號，讀出儀每0.16 s采集1次數據，每個樣品采集100 s，選擇前1 s內數據平均值作為響應計數，最后10 s內數據平均值作為本底，得到每個劑量計輻照后的凈計數(圖4)，即OSLD對β輻照器的響應凈計數。根據k即可得到每個樣品在β輻照器中的受照劑量。β輻照器中各參考點的劑量率列于表2，其平均劑量率為0.060～0.083 mGy/s。

表1 β輻照器周圍劑量當量率Table 1 Dose equivalent rate around β irradiator

圖3 OLSD劑量響應曲線Fig.3 Curve of response to dose for OSLD

圖4 熒光信號-時間曲線Fig.4 Curve of fluorescence signal and time

表2 β輻照器不同位置的劑量率Table 2 Dose rate at different locations around β irradiator

2.3 輻照劑量重復性

為測量β輻照器的輻照重復性，選擇10組劑量計在距放射源13 mm位置處進行不同時間的輻照，結果列于表3。結果表明，本文研制的β輻照器輻照劑量重復性為3.9%(n=10)。

表3 輻照劑量重復性Table 3 Repeatability of irradiation dose

2.4 劑量率測量不確定度

測量β輻照器參考點的劑量率主要不確定度來源包括：β參考輻射場的不確定度；OSLD的穩定性與重復性；熒光信號的統計漲落；OSLD的幾何位置測量不確定度；讀出儀測量的穩定性；放射性核素衰變修正；輻照時間測量的不確定度。各不確定度分量的評定列于表4，β輻照器參考點劑量率測量的相對標準不確定度為6.9%。

表4 β輻照器劑量率測量的不確定度Table 4 Uncertainty of dose rate measurement for β irradiator

3 結論

本文研制了一種用于OSLD現場校準的便攜式β輻照器，其周圍劑量當量率處于環境本底水平，可作為傳遞標準器具攜帶至特殊環境用于個人與環境劑量的監測與校準，保障核應急、核動力遠洋及空間輻射等劑量監測的準確性。β輻照器參考點平均劑量率為0.060～0.083 mGy/s，相對標準不確定度為6.9%；輻照劑量重復性為3.9%(n=10)。