宋家斑 李小雙 陸小軍 韓剛 劉佳煜 唐方東/上海市計(jì)量測(cè)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(yīng)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(cè)領(lǐng)域低水平α、β放射性測(cè)量的重要性越來(lái)越凸顯。目前常用的低水平α、β放射性測(cè)量?jī)x器主要采用閃爍體探測(cè)器和流氣式正比計(jì)數(shù)器，由此，上述兩種類(lèi)型的儀器分別稱為“低本底α、β測(cè)量?jī)x”和“流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x”，國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程 JJG 853-2013《低本底α、β測(cè)量?jī)x》[1]與 JJG 1100-2014《流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x》[2]規(guī)定了上述兩類(lèi)儀器的檢定項(xiàng)目、技術(shù)要求與檢定方法。

參照計(jì)量檢定規(guī)程對(duì)低水平α、β放射性測(cè)量?jī)x器的儀器本底、探測(cè)效率、串道比等主要計(jì)量性能參數(shù)作實(shí)驗(yàn)測(cè)量，基于測(cè)量數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)其性能特點(diǎn)，對(duì)于低水平α、β放射性測(cè)量?jī)x器在環(huán)境放射性監(jiān)測(cè)中更好的應(yīng)用、保障監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源，技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表1。低本底α、β測(cè)量?jī)x和流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x均為多個(gè)探測(cè)器模塊式組合結(jié)構(gòu)，每個(gè)探測(cè)器為1個(gè)獨(dú)立探測(cè)單元（俗稱“測(cè)量通道”），實(shí)驗(yàn)選用的低本底α、β測(cè)量?jī)x和流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的型號(hào)、測(cè)量通道數(shù)見(jiàn)表2。

表1 α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源的技術(shù)性能參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)用儀器的型號(hào)與數(shù)量

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

低本底α、β測(cè)量?jī)x計(jì)量性能參數(shù)參照J(rèn)JG 853-2013中7.3條規(guī)定的方法進(jìn)行檢測(cè)。

流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x計(jì)量性能參數(shù)參照J(rèn)JG 1100-2014中7.3條規(guī)定的方法進(jìn)行檢測(cè)。

1）儀器本底

將無(wú)放射性核素污染的樣品盤(pán)放入測(cè)量室，設(shè)置測(cè)量時(shí)間，按照式（1）計(jì)算儀器本底。

式中：N0α(β)——α（或 β）本底總計(jì)數(shù)；

T0α(β)——α（或 β）本底累計(jì)測(cè)量時(shí)間，min；S——有效探測(cè)面積，cm2

2）探測(cè)效率

將α（或β）標(biāo)準(zhǔn)平面源放置于樣品盤(pán)中心，使源表面盡量接近但不超過(guò)樣品盤(pán)的上沿，固定平面源。設(shè)置儀器的測(cè)量次數(shù)及單次測(cè)量時(shí)間，按照式（2）計(jì)算儀器的探測(cè)效率。

式中：Nα(β)——α（或 β）累計(jì)計(jì)數(shù)；

Tα(β)——測(cè)量 α（或 β）源的累計(jì)時(shí)間，min；

Aα(β)——α（或 β）標(biāo)準(zhǔn)平面源在測(cè)量時(shí)的表面發(fā)射率，（min·2πsr）-1

3）串道比

根據(jù)1.2.2測(cè)量數(shù)據(jù)，按式（3）計(jì)算α射線對(duì)β道的串道比χα→β以及β射線對(duì)α道的串道比χβ→α。

式中 ：Nα→β(β→α)——測(cè)量α（β）標(biāo)準(zhǔn)平面源時(shí)，β（α）道的計(jì)數(shù)；

Nα(β)——測(cè)量 α（β）標(biāo)準(zhǔn)平面源時(shí)，α（β）道的計(jì)數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

10種型號(hào)低本底α、β測(cè)量?jī)x的共計(jì)232個(gè)探測(cè)器（測(cè)量通道）各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3，5種型號(hào)流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的共計(jì)267個(gè)探測(cè)器（測(cè)量通道）各參數(shù)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 低本底α、β測(cè)量?jī)x性能參數(shù)測(cè)量結(jié)果

表4 流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x性能參數(shù)測(cè)量結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

1）本底

JJG 853-2013和 JJG 1100-2014中，對(duì)低本底α、β測(cè)量?jī)x和流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的α本底要求是：?jiǎn)挝幻娣e的α粒子計(jì)數(shù)率小于等于0.017 min-1cm-2和 0.008 min-1cm-2；對(duì) β 本底要求是：?jiǎn)挝幻娣e的β粒子計(jì)數(shù)率小于等于0.5 min-1cm-2和0.05 min-1cm-2，對(duì)比于低本底α、β測(cè)量?jī)x，檢定規(guī)程對(duì)流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x本底的要求更為嚴(yán)格。由表3和表4可知，低本底α、β測(cè)量?jī)x的α本底要比流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x高出10%，β本底高出約300%。

低水平α、β放射性測(cè)量?jī)x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(cè)器周?chē)郊右粋€(gè)或一組反符合屏蔽探測(cè)器，反符合探測(cè)器與主探測(cè)器同時(shí)有信號(hào)輸出時(shí)，反符合電路輸出信號(hào)阻止主探測(cè)器輸出信號(hào)的記錄和分析，即僅當(dāng)主探測(cè)器單獨(dú)有輸出時(shí)，該信號(hào)才被記錄和分析[3]。一般而言，流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的反符合探測(cè)器分布于主探測(cè)器正上方和四周，可以探測(cè)到絕大部分直射及散射入主探測(cè)器的宇宙射線；而低本底α、β測(cè)量?jī)x的反符合探測(cè)器只設(shè)置在主探測(cè)器正上方，對(duì)散射進(jìn)入主探測(cè)器宇宙射線的探測(cè)效果相對(duì)較弱，因此流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的本底明顯低于低本底α、β測(cè)量?jī)x。

2）探測(cè)效率

JJG 853-2013和JJG 1100-2014中對(duì)兩類(lèi)儀器α粒子探測(cè)效率的要求都是大于等于65%，但是對(duì)于β粒子探測(cè)效率，JJG 1100-2014規(guī)定流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的β探測(cè)效率應(yīng)大于等于65%，JJG 853-2013規(guī)定低本底α、β測(cè)量?jī)x的β探測(cè)效率應(yīng)大于等于35%。表3和表4顯示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得低本底α、β測(cè)量?jī)x的α探測(cè)效率的平均值為75.9%，流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的α探測(cè)效率的平均值為74.4%，兩者較為接近；而β探測(cè)效率，低本底α、β測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果的平均值為58.4%，流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x為89.5%，流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x對(duì)α粒子的探測(cè)效率要比低本底α、β測(cè)量?jī)x高出約30%。

從探測(cè)器原理分析，低本底α、β測(cè)量?jī)x采用的閃爍體探測(cè)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(guò)光探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)讀取，受閃爍體發(fā)光效率的影響，當(dāng)β粒子的能量較低時(shí)，探測(cè)效率偏低[4]。而流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x則是工作于正比區(qū)的氣體探測(cè)器，在離子收集過(guò)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(guò)程中逐次倍增，因此該探測(cè)器靈敏度較高，原則上只要有一對(duì)原電離離子就可被分辨[5]，因此流氣式正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x對(duì)于β粒子的探測(cè)效率高于低本底α、β測(cè)量?jī)x。

3）串道比

JJG 1100-2014規(guī)定流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)xα對(duì)β串道應(yīng)小于等于10%；β對(duì)α串道應(yīng)小于等于3%。JJG 853-2013規(guī)定低本底α、β測(cè)量?jī)xα對(duì)β串道應(yīng)小于等于3%；β對(duì)α串道應(yīng)小于等于1%。由表3、表4可見(jiàn)，流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)xα粒子對(duì)β串道比低本底α、β測(cè)量?jī)x高出約3倍，而β對(duì)α串道兩者的測(cè)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(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x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(shí)的帶電量即帶電粒子的類(lèi)型更加難以區(qū)分；而低本底α、β測(cè)量?jī)x使用的閃爍體探測(cè)器則是通過(guò)發(fā)光強(qiáng)弱來(lái)區(qū)分入射粒子類(lèi)型，因此低本底α、β測(cè)量?jī)x的串道比相對(duì)較低。

3 結(jié)語(yǔ)

10種型號(hào)低本底α、β測(cè)量?jī)x的232個(gè)探測(cè)器（測(cè)量通道）和5種型號(hào)流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的267個(gè)探測(cè)器（測(cè)量通道），本底、探測(cè)效率與串道比的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果顯示，流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x與低本底α、β測(cè)量?jī)x的α本底和α探測(cè)效率無(wú)明顯差異，但流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x的β較低、β探測(cè)效率較高，低本底α、β測(cè)量?jī)x的α對(duì)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(cè)器原理特性相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明流氣正比計(jì)數(shù)器總α、總β測(cè)量?jī)x對(duì)β放射性的測(cè)量下限低，在低水平放射性測(cè)量上性能更優(yōu)，而低本底α、β測(cè)量?jī)xα對(duì)β的串道比小，較適用于α、β放射性混合樣品的測(cè)量。