喬 莉，饒賢明，杜向陽，任 熠，張 佳，郭喜榮，王彥飛

(1.山西中輻核儀器有限責(zé)任公司，太原 030006；2.中國輻射防護研究院，太原 030006；3.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100)

通常來說，β粒子的穿透能力好于α粒子，電離能力又強于γ光子，既能造成內(nèi)照射，又能造成外照射，嚴重威脅著人體健康，因此在輻射防護工作中，β射線的準(zhǔn)確測量也非常重要。選用正比計數(shù)器作為表面污染監(jiān)測儀表的探測器，薄的入射窗對低能帶電粒子具有探測效率高、長期工作穩(wěn)定等優(yōu)點。正比計數(shù)器不但在高能和低能物理實驗中得到廣泛應(yīng)用，而且在環(huán)境輻射監(jiān)測、表面污染測量等領(lǐng)域中大量使用。

C2門是核電站控制區(qū)出入口輻射監(jiān)測系統(tǒng)中重要的組成部分，用于監(jiān)測出入控制區(qū)的人員體表β污染[1]。山西中輻核儀器有限責(zé)任公司(簡稱“中輻核儀”)自主研發(fā)生產(chǎn)了靈敏面積為40～600 cm2的系列閉氣式正比計數(shù)器，可應(yīng)用于C2門等表面污染監(jiān)測設(shè)備，用來監(jiān)測人員的手、皮膚、內(nèi)衣等是否有放射性污染。閉氣式正比計數(shù)器是將工作氣體密封在探測器腔體內(nèi)，無需工作氣體連續(xù)供應(yīng)即可長時間正常使用，增強了環(huán)境適應(yīng)性，降低了運行使用費用。

1 大面積閉氣正比計數(shù)器

1.1 原理介紹

β粒子的能量范圍一般為幾十keV～幾MeV，其能譜具有連續(xù)的特征，通常通過脈沖幅度進行甄別。正比計數(shù)器是工作在正比區(qū)的脈沖氣體電離探測器。正比區(qū)是氣體放大系數(shù)大于1，并且與入射帶電粒子在靈敏體積內(nèi)最初生成的離子對總數(shù)無關(guān)的計數(shù)管電壓區(qū)。輸出脈沖幅度與最初生成的離子對總數(shù)成正比[2]。

β射線穿過薄膜窗之后，在工作氣體中電離本領(lǐng)不同，產(chǎn)生數(shù)目不等的離子對，經(jīng)放大后在輸出端形成幅度不等的脈沖。閉氣正比計數(shù)器充入恒定氣壓的工作氣體，氣體放大系數(shù)隨外加電壓增高而迅速增加，呈指數(shù)函數(shù)變化，所以為了保證測量過程中放大倍數(shù)的穩(wěn)定性，必須使用穩(wěn)定的外加電壓。

由于氣體放大倍數(shù)有限，故探測器產(chǎn)生的電信號微弱，非常容易受到噪聲和環(huán)境干擾，從而增大了測量難度。大面積閉氣式正比計數(shù)器在應(yīng)用于手腳污染監(jiān)測儀、C2門等表面污染監(jiān)測儀時，需采用電荷靈敏前置放大器對探測器輸出的弱信號進行預(yù)放大，經(jīng)主放電路、閾值甄別電路等組成的測量系統(tǒng)，形成數(shù)字脈沖信號，進入單片機進行處理。探測器性能對儀器整機的物理指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。

1.2 探測器結(jié)構(gòu)

大面積閉氣正比計數(shù)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)合了探測器的工作特點及工作環(huán)境等綜合因素進行考慮[3]。探測器結(jié)構(gòu)主要包括：入射窗、殼體、陽極絲及其固定柱等。殼體所選用的材料具有熱脹冷縮系數(shù)小，在正負離子的撞擊下不會產(chǎn)生負電性氣體等特性[4]。探測器的外部結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，廣泛應(yīng)用于各個不同型號的探測器。

圖1中，入射窗選用十幾微米金屬箔材；殼體選用鋁；圖2中，陽極絲采用鍍金鎢絲，絲徑為0.01～0.05 mm；陽極絲固定柱選用聚四氟乙烯絕緣柱；膠結(jié)劑選擇環(huán)氧樹脂；工作氣體選用高純度P10氣體(90% Ar和10% CH4混合氣體)。

圖1 探測器外部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 External structure of detector

圖2 探測器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of detector

1.3 性能測試

本文選取探測器有效面積為517 cm2的大面積閉氣式正比計數(shù)器進行測試。使用的放射源：90Sr-90Y平面源，源編號1630，證書編號2018-D021，校準(zhǔn)日期2018-07-11，源面積100 cm2，測試日期2018-08-09的表面發(fā)射率4.052×103s-1·2πSr-1。測試條件：測試源放置于探測器有效靈敏面積幾何中心正上方10 mm處，測量時間10 s，測量次數(shù)10次。每7天測試一組電壓工作點的本底計數(shù)率和帶源計數(shù)率，每1個月測試一組坪曲線數(shù)據(jù)。連續(xù)測量6個月，分別記錄本底計數(shù)率、帶源計數(shù)率、坪曲線，并計算表面發(fā)射率、最小可探測活度及變異系數(shù)等，驗證探測器的長期穩(wěn)定性。

1.3.1坪曲線

對于特定的輻射探測器，通?？梢愿淖冊谳椛湎嗷プ饔弥挟a(chǎn)生的電荷的增益或放大。這種變化可以通過改變檢測器和計數(shù)電路之間的線性放大器的放大系數(shù)來實現(xiàn)，或者在許多情況下更直接地通過改變施加到探測器本身的電壓來實現(xiàn)[4]。本實驗通過改變施加到探測器本身的電壓，將電壓對應(yīng)的計數(shù)率繪成一條曲線，即坪曲線。兼顧曲線平滑性及繪制效率等因素，高壓選取1 420 V開始，以20 V為步長，測量本底計數(shù)率和帶β源計數(shù)率，到1 900 V結(jié)束。計算帶源凈計數(shù)率，繪制高壓與帶源凈計數(shù)率的坪曲線，如圖3所示。坪區(qū)間對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)列于表1。

圖3 帶源凈計數(shù)率的坪曲線Fig.3 Plateau curve with source net count rate

表1 坪區(qū)間對應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of the plateaus

分析坪曲線，計算坪長、坪斜。坪斜P計算公式如式(1)：

(1)

式中，Nmax為坪區(qū)間中最大帶源凈計數(shù)率，cps；Nmin為坪區(qū)間中最小帶源凈計數(shù)率，cps；V2為坪區(qū)間的電壓上限，V；V1為坪區(qū)間的電壓下限，V。

根據(jù)表1和公式(1)，計算得到坪長為260 V，坪斜P為2.1%/100 V。

1.3.2表面發(fā)射率響應(yīng)

通過對β坪曲線分析，計算探測器對β射線的表面發(fā)射率響應(yīng)，公式[5]如下：

(2)

根據(jù)表1工作點數(shù)據(jù)，帶入公式(2)計算，探測器表面發(fā)射率響應(yīng)為50.4%。連續(xù)6個月表面發(fā)射率響應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4可知，探測器連續(xù)6個月工作，性能穩(wěn)定，表面發(fā)射率響應(yīng)無明顯下降。

圖4 連續(xù)6個月表面發(fā)射率響應(yīng)實驗數(shù)據(jù)Fig.4 Experimental data of detection efficiency for 6 consecutive months

1.3.3最低可探測限

C2門輻射監(jiān)測儀主要用于控制區(qū)邊界和監(jiān)督區(qū)邊界人員出入測量控制，待測污染值較小，要求儀器的探測下限盡量低。僅考慮第一類誤差風(fēng)險，置信度95%時，最小可探測單位面積活度MDA見公式(3)[6]：

(3)

式中，MDA為最低可探測單位面積活度，Bq/cm2；P為第一類誤差風(fēng)險正態(tài)分布分位數(shù)，在置信度為95%時P=1.960；nB為平均本底計數(shù)率，s-1；tB為本底測量時間，s；tM為表面污染測量時間，s；Eff為表面發(fā)射率響應(yīng)；S為探測器靈敏面積，cm2；ε為測量表面發(fā)射率響應(yīng)所用標(biāo)準(zhǔn)平面源的效率，s-1·Bq-1，對β面源，ε=0.62[5]。

根據(jù)表1工作點數(shù)據(jù)，帶入公式(3)計算，得單位面積最小可探測活度為0.034 Bq/cm2。

1.3.4變異系數(shù)

(4)

一組測量10次的帶源凈計數(shù)率(cps)分別為2 024.7 cps,2 023.0 cps,2 018.2 cps,2 054.6 cps,2 008.2 cps,1 995.2 cps,2 014.3 cps,2 043.2 cps,2 015.5 cps和2 010.4 cps，平均值為2 020.7 cps，按照公式(4)計算得出變異系數(shù)為0.85%。

2 總結(jié)

通過對大面積閉氣式正比計數(shù)器的本底、坪曲線、表面發(fā)射率響應(yīng)、變異系數(shù)等物理指標(biāo)的測試。測試結(jié)果表明，相同測試環(huán)境及條件下，探測器在1 620 V工作電壓時，本底計數(shù)率為24.5 cps，表面發(fā)射率響應(yīng)為50.4%，變異系數(shù)為0.85%等。目前，中輻核儀自主研發(fā)生產(chǎn)的大面積閉氣式正比計數(shù)器已應(yīng)用于C2門等表面污染監(jiān)測設(shè)備，經(jīng)過長期運行，性能穩(wěn)定。