應急輻射防護用定向劑量當量率儀研制

韋應靖 吳志芳 劉立業 李胤 魏世量 延軍

關鍵詞：應急輻射防護;弱貫穿輻射;·H′（0.07）;塑料閃爍體;SiPM

在發生核事故的情況下，如果核反應堆發生堆芯熔化事故，裂變產物中3H、85Kr、90Sr、95Zr、106Ru、137Cs、147Pm等發射β射線的放射性核素會泄漏出來[1]，場所β輻射對定向劑量當量率會產生更大的貢獻。按照GB/T4835.2—2013[2]中規定，應急輻射防護監測用定向劑量當量率儀的測量上限至少達到1Sv/h。目前，國內外市場上尚沒有應急輻射防護用定向劑量當量率監測儀產品。國外在測量β射線對定向劑量當量率的貢獻時，大多采用的是薄窗電離室，歐洲部分國家測量定向劑量當量率主要使用美國FLUKA公司生產的451B型監測儀，該監測儀是窗厚6.6mg·cm-2、體積349cm3的電離室。2019年，俄羅斯的烏布拉斯工業生態研究所對Beloyarskaya核電站3個機組部分場所的定向劑量當量率進行了測量，測量使用的是以色列ROTEM公司生產的RAMION型監測儀，該監測儀是窗厚7mg·cm-2、體積500cm3的電離室[3]。雖然這些薄窗電離室可以測量β射線劑量，由于其并不是按照定向劑量當量定義設計的輻射監測儀，其對β射線的能量響應較差，實驗測得其對中低能β射線的定向劑量當量率測量結果誤差較大。

對于國內定向劑量當量率儀的研制工作，中國輻射防護研究院近年基于塑料閃爍體與光電倍增管研發了輻射防護監測用定向劑量當量率儀[4]，該監測儀已應用于國內多個核電站的大修期間弱貫穿輻射監測工作。該定向劑量當量率儀是按照GB/T4835.1—2012[5]的要求研發的，主要用于100mSv/h以下的定向劑量當量率監測，無法滿足應急輻射防護用定向劑量當量率的監測。本文主要基于塑料閃爍體和半導體光電二極管（SiPM），研制了用于應急情況下監測弱貫穿輻射的定向劑量當量率儀，并給出了其輻射特性測試結果。

1應急輻射防護用定向劑量當量率儀設計

1.1探頭結構設計

由于定向劑量當量率儀主要測量的是β射線，在探測器的選取中采用薄塑料閃爍體比較理想。對于應急輻射防護用定向劑量當量率儀的設計，探頭主要由塑料閃爍體、光學收集系統、半導體光電二極管（SiPM）、前置放大器等組成。應急輻射防護用定向劑量當量率儀的設計構想如圖1所示。

探測器前窗使用2層3μm的鍍鋁聚酯薄膜，為了防止探測器前端漏光，在用入射窗蓋固定鍍鋁聚酯薄膜時加了密封卡環;用厚度50μm、直徑35mm的塑料閃爍體作為探測靈敏層;其后是厚度5mm的有機玻璃光導，其作用是減少閃爍探測器閃爍發光的散射、反散射和折射，增加閃爍光的耦合透過率;后面連接的硅光電倍增管（MPPC）是新型固體硅光電二極管（SiPM），主要進行光電轉換并放大收集電荷;再經信號輸出電路和I-F變換電路將數字頻率信號傳送至便攜式定向劑量當量率儀主機，并經數據處理顯示出定向劑量當量率H·′（0.07）數值。前部探測元件密封在2mm厚的鋁殼中，探頭的結構設計如圖2所示。

1.2探頭電路設計

定向劑量當量率儀探頭中的固體硅光電二極管采用的是濱松光電公司生產的S13361-3050AE-04型陣列SiPM。其具有4×4排列的16個信號通道，每個通道有3584個微元（像素），總計有57360個微元。實際測得16個單元的平均暗電流為2.72μA，在工作電壓（HV）為54.4V條件下，實測得到其探測有效靈敏面積為3mm×3mm×16=144mm2。16個單元的陰極通過一個10Ω的保護電阻連接工作電壓（HV），其每個陽極均接1kΩ取樣電阻和0.1μF電容輸出電流信號，然后其輸出信號分兩組（每組8個單元）進入均勻電荷分配電路，信號放大后送入一個加法運算放大器。SiPM陣列輸出的脈沖經兩級前置放大器放大30～40倍后，其脈沖寬度為300ns左右，幅度約為幾十mV。該脈沖信號經電壓跟隨器阻抗匹配和極零相消電路整形后，輸入到高速脈沖積分甄別器，設置調整甄別閾，將噪聲抑制到最低水平，主要使輻射產生的脈沖信號輸出，再由單穩態電路將脈沖成形為幅度和寬度都固定的連續的矩形脈沖序列。完成這一數字化的脈沖信號后，再傳輸至儀器主機進行測量和顯示。

1.3測量功能設計

在核輻射探測過程中，探測器測量到的信號需要通過顯示單元給出。對于研制的應急輻射防護用定向劑量當量率儀，與探頭配套的主機除了顯示測量的定向劑量當量率數值外，還具有下面一些功能：（1）自檢功能，檢測儀器是否工作正常;（2）扣除本底功能，儀器進行測量時，自動從測量數據值中扣除預設的本底數值;（3）設置校準系數功能，通過在標準輻射場中校準預置校準系數，保證測量結果準確;（4）設置測量時間功能，測量時間1s、10s、30s可選擇;（5）單位自動切換功能，根據測量結果大小，測量單位可自動切換μSv/h、mSv/h和Sv/h;（6）數據自動存儲功能，可自動存儲20個測量數據;（7）電量不足提示功能，實時顯示電量，電量不足時給出“電量不足”提示;（8）充電顯示功能，充電狀態下充電指示燈發亮;（9）過載顯示功能，測量的劑量率數值超過2Sv/h時，給出過載顯示。

2應急輻射防護用定向劑量當量率儀輻射特性測試結果

基于SiPM和塑料閃爍體探測器，設計制作的應急輻射防護用定向劑量當量率監測儀探測窗孔徑為?25mm，實物如圖3所示。根據GB/T4835.2—2013中對應急輻射防護用定向劑量當量率監測儀的輻射特性要求，對該定向劑量當量率儀的劑量率非線性、響應隨β輻射能量和入射角的變化、統計漲落等輻射特性進行了測試。其中GB/T4835.2—2013中規定，除了本標準修改和列出的新條款外，GB/T4835.1—2012中所有條款均適用于應急目的的儀器。結合GB/T4835.2—2013和GB/T4835.1—2012要求，對研制的應急輻射防護用定向劑量當量率儀的輻射特性進行了實驗測試。

2.1劑量率非線性

GB/T4835.1—2012規定，在標準試驗條件下，儀器對于選定的X、γ或β參考輻射，由非線性產生的劑量（率）響應的相對變化在整個有效測量范圍內不應超過-15%～+22%。GB/T4835.2—2013規定，應急輻射防護用定向劑量當量率儀在滿足GB/T4835.1—2012規定的前提下，應至少包括1mSv/h～1Sv/h在內的4個數量級范圍。對于目前使用的β參考輻射裝置，由于其提供的β輻射劑量率上限無法達到1Sv/h，實際使用中國輻射防護研究院放射性計量站的兩套γ輻射裝置對儀器的劑量率非線性進行了測試，γ輻射裝置的性能特性如下：（1）γ射線空氣比釋動能（防護水平）標準裝置，使用的是137Cs放射源，可提供的輻射場劑量率范圍為10μSv/h～100mSv/h;（2）γ射線空氣比釋動能（治療水平）標準裝置，使用的是60Co放射源，可提供的輻射場劑量率范圍為100mSv/h～200Sv/h。

由于被測的定向劑量當量率儀對60Co和137Cs的能量響應不同，測量結果按137Cs的響應歸一后，得到定向劑量當量率儀的劑量率非線性如圖4所示。由圖4可知，該儀器在70μSv/h～1.7Sv/h范圍內，其相對固有誤差在-14%～+20%范圍內，測量范圍可覆蓋100μSv/h～1Sv/h四個量級，滿足GB/T4835.2—2013要求。

2.2響應隨β輻射能量和入射角的變化

GB/T4835.2—2013規定，定向劑量當量（率）儀在校準方向上對90Sr-90Y參考輻射產生的β輻射的響應對零入射角的響應之差不應超過±50%。根據現有的β參考輻射裝置，使用90Sr-90Y（β平均能量800keV）、85Kr（β平均能量240keV）、147Pm（β平均能量60keV）三種β放射源，在±60°范圍內入射的情況下，測量了定向劑量當量率儀對不同能量β射線的響應，具體測量結果如圖5所示。

GB/T4835.1—2012規定，β輻射平均能量在200～800keV內，相對于參考方向0°～±45°，定向劑量當量（率）儀能量響應變化應在-29%～+67%范圍內。由圖5可知，該定向劑量當量率儀在0°～±60°范圍內，對平均能量為60～800keV的β射線響應變化在-17%～+48%范圍內，滿足GB/T4835.1—2012要求。

2.3統計漲落

GB/T4835.2—2013規定，定向劑量當量率儀測量的劑量率小于1mSv/h時，儀器的統計漲落應小于15%。使用147Pm的β輻射場照射，儀器的讀數在0.24mSv/h左右時，儀器內置測量時間為1s，連續測量10個數值，測量數據如下：258、217、254、218、260、214、246、272、235和246μSv/h，根據公示（1）計算得出統計漲落V為8.4%，滿足GB/T4835.2—2013要求：

式中，Hi為第i次測量值;H—為n次測量值的算數平均值;n為測量次數。

2.4響應時間

GB/T4835.1—2012規定，定向劑量當量率儀受到一劑量照射時，儀器應在10s內對增加劑量的指示至少為91%但不大于111%。對于研制的定向劑量當量率儀，實驗測得70μSv/h輻射場中的響應時間為4～5s，其響應變化如圖6所示;1Sv/h輻射場中的響應時間為2s。綜上，儀器的響應時間滿足GB/T4835.1—2012要求。

2.5對脈沖電離輻射的響應

GB/T4835.1—2012規定，劑量當量率儀在脈沖電離輻射中可能會給出虛假的低指示值，如果儀器在脈沖輻射場中可能給出低指示值應給予適當警告。GB/T4835.1—2012對劑量當量率儀在脈沖輻射中響應的試驗不是強制性的。為了驗證所研制的應急輻射防護用定向劑量當量率儀對脈沖輻射的響應特性，在按照GB/T12162.1[13]中的N-150輻射質建立的X脈沖輻射場中進行了測試。儀器測量時間設置為10s，在特定管電流下，測量脈沖寬度為2～200ms范圍內的輻射場劑量率具體測量結果列于表1。由表1可知，測量10s給出的劑量率與脈沖寬度基本成正比，劑量率與脈沖寬度比值與其平均值的相對偏差在±7.5%范圍內，說明該定向劑量當量率儀對不同脈沖寬度的劑量率響應基本一致，根據脈沖寬度可以探測給出其產生的累積劑量。同時，對于研制的應急輻射防護用定向劑量當量率儀，其使用的塑料閃爍體的閃爍熒光衰減時間常數為ns量級，可勝任ms量級脈沖輻射場的測量。因此，對該劑量率儀經過進一步改進和校準后，也可以用于脈沖輻射場的劑量率測量。

2.6對中子輻射的響應

GB/T4835.1—2012規定，劑量當量率儀的設計應盡可能限制中子輻射對其光子和β指示值的影響，其中并沒有給出具體指標規定。在252Cf中子輻射場中，測試了定向劑量當量率儀對中子的響應特性，在中子輻射場的周圍劑量當量率為3.1mSv/h時，實際測得該應急輻射防護用定向劑量當量率的響應為200μSv/h，響應占比為6.5%。

2.7過載特性

GB/T4835.1—2012規定，對于定向劑量當量率儀，量程大于0.1Sv/h，以10倍量程最大值或10Sv/h中較大的劑量當量率照射，儀器應給出過載指示。使用60Co產生大于10Sv/h輻射場照射，定向劑量當量率儀的顯示值為3Sv/h左右，并且儀器給出過載顯示。

3總結

為了解決應急條件下場所較高定向劑量當量率的測量問題，根據GB/T4835.2—2013要求，基于SiPM和塑料閃爍體，設計開發了一種應急輻射防護用定向劑量當量率儀。對于設計的探測器，從前往后依次為：2層3μm的鍍鋁聚酯膜;厚度為50μm、直徑為35mm的塑料閃爍體;厚度為5mm的有機玻璃;SiPM陣列;前置放大器等。采用幅度甄別電路將測量到的信號數字化，并輸出到配套的主機上給出測量結果。參照GB/T4835.1—2012和GB/T4835.2—2013給出的試驗方法，對開發的應急輻射防護用定向劑量當量率儀輻射特性進行了測試。測試結果表明，其劑量率非線性、響應隨β輻射能量和入射角的變化、統計漲落、響應時間、過載特性等輻射特性均滿足GB/T4835.2—2013中要求，解決了較高弱貫穿輻射場所中的H·′（0.07）的測量難題，可應用于核設施場所弱貫穿輻射和應急情況下H·′（0.07）的監測工作，其監測的H·′（0.07）數據，可為輻射防護決策提供準確的數據支持。