徐 陽, 高 飛, 趙 瑞, 倪 寧,黃少鵬, 王菲菲, 林 敏

(1.中國原子能科學(xué)研究院 計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102413；2.中國計(jì)量科學(xué)研究院,北京 100029)

1 引 言

在核反應(yīng)堆、加速器、核與放射醫(yī)學(xué)設(shè)施和放射性實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所中使用的環(huán)境級(jí)與防護(hù)級(jí)X、γ輻射劑量監(jiān)測(cè)設(shè)備主要有高氣壓電離室、GM計(jì)數(shù)管、硅光二極管及NaI晶體探測(cè)器等[1～10]。GM計(jì)數(shù)管因具有輸出信號(hào)幅度大、前置電路簡單、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。本文擬研制一款選取GM計(jì)數(shù)管作為探測(cè)器的個(gè)人劑量儀,其前提是需對(duì)所選用的GM計(jì)數(shù)管的輻射特性(包括坪曲線、線性曲線)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定。

未采取能量補(bǔ)償措施的GM計(jì)數(shù)管在低能段(約200 keV以下)存在響應(yīng)偏高的缺點(diǎn),本工作擬利用重金屬包裹計(jì)數(shù)管靈敏區(qū)的方法進(jìn)行能量補(bǔ)償以改善其低能光子的過響應(yīng)。利用中國原子能科學(xué)研究院國防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站X、γ射線參考輻射場(chǎng)開展GM計(jì)數(shù)管輻射劑量特性研究[11～16],結(jié)合中國計(jì)量科學(xué)研究院CT成像系統(tǒng)[17～19],精確測(cè)量計(jì)數(shù)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸,對(duì)計(jì)數(shù)管靈敏區(qū)進(jìn)行能量補(bǔ)償研究。

2 GM計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)及工作原理

目前常見的X、γ輻射個(gè)人劑量儀所選用的探測(cè)器通常為GM計(jì)數(shù)管或半導(dǎo)體,相比于半導(dǎo)體,GM計(jì)數(shù)管信噪比高、抗干擾能力強(qiáng)且靈敏度高,本研究選取GM計(jì)數(shù)管作為個(gè)人劑量儀的探測(cè)器。某廠家生產(chǎn)的j613r型GM計(jì)數(shù)管主要結(jié)構(gòu)如圖1所示,關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 某廠家生產(chǎn)的j613r型GM計(jì)數(shù)管示意圖

表1 GM計(jì)數(shù)管參數(shù)

GM計(jì)數(shù)管的基本結(jié)構(gòu)及工作原理是:在一個(gè)密封的玻璃管內(nèi),中心張緊一根鎢絲作為陽極,緊貼玻璃管的內(nèi)表面設(shè)置一個(gè)金屬圓筒作為陰極,陽極與陰極后端分別連接有用于信號(hào)輸出的導(dǎo)線,管內(nèi)充有惰性氣體(如氬氣或氖氣)。工作時(shí),當(dāng)高速粒子射入管內(nèi),使管內(nèi)氣體電離導(dǎo)電,在陽極絲與管壁之間產(chǎn)生迅速的氣體放電現(xiàn)象,從而輸出脈沖信號(hào),達(dá)到探測(cè)電離輻射的效果。

3 GM計(jì)數(shù)管輻射特性研究

本工作中GM計(jì)數(shù)管輻射特性研究主要包括坪曲線與劑量率線性研究。

3.1 坪曲線實(shí)驗(yàn)

坪曲線實(shí)驗(yàn)在國防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站內(nèi)的中能X射線參考輻射場(chǎng)中進(jìn)行,該輻射場(chǎng)由320 kV X光機(jī)、高壓發(fā)生器、屏蔽系統(tǒng)、附加過濾等幾部分構(gòu)成,光管型號(hào)為HILIPS公司MCN 321型,靶角為22°,管電壓調(diào)節(jié)范圍為(16～320)kV。

GM計(jì)數(shù)管被焊接在自制的測(cè)試電路板上,且固定在一個(gè)30 cm×30 cm×15 cm的ISO標(biāo)準(zhǔn)板模體表面幾何中心處,如圖2所示?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)高壓模塊上的旋鈕改變GM計(jì)數(shù)管的外加偏置電壓值,輸出計(jì)數(shù)信號(hào)(每秒計(jì)數(shù),cps)由外部讀取軟件獲得。

圖2 坪曲線實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖3 坪曲線實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

由圖3可知,GM計(jì)數(shù)管在外加偏置電壓大于350 V時(shí)基本進(jìn)入坪區(qū),在350～450 V范圍內(nèi),坪斜率約為0.05%/V；在350～625 V范圍內(nèi),坪斜率約為0.08%/V。與廠家給出的坪斜率參數(shù)(在380～450 V范圍內(nèi)≤0.3%/V)保持一致。最終確定外加偏置電壓設(shè)置為400 V,可保證GM計(jì)數(shù)管在坪區(qū)范圍內(nèi)工作。

3.2 劑量率線性實(shí)驗(yàn)

劑量率線性實(shí)驗(yàn)在國防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站內(nèi)的137Cs多源(即照射裝置內(nèi)部可放置不同活度的同位素137Cs源)γ射線參考輻射場(chǎng)中進(jìn)行,通過調(diào)整參考點(diǎn)與源的距離可獲得不同劑量率點(diǎn),每個(gè)劑量率點(diǎn)測(cè)量20次,扣本底后求平均值,測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 j613r型GM計(jì)數(shù)管線性實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

圖4 線性實(shí)驗(yàn)分段擬合結(jié)果

表3 擬合公式與R2值

根據(jù)表3中劑量率與計(jì)數(shù)率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即可通過計(jì)數(shù)率推導(dǎo)出劑量率的大小。對(duì)于相鄰劑量率范圍之間的銜接部分,需后續(xù)在電子學(xué)線路中加入相應(yīng)的邏輯判斷。

4 GM計(jì)數(shù)管能量補(bǔ)償研究

4.1 裸管的能量響應(yīng)曲線

能量響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)中,選取的系列能量點(diǎn)為X射線機(jī)產(chǎn)生的窄譜系列N-40～N-250與137Cs γ射線,具體參數(shù)信息如表4所示。

表4 能量響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)所用系列能量點(diǎn)參數(shù)

通過調(diào)節(jié)管電流大小,使實(shí)驗(yàn)中參考點(diǎn)處參考劑量率約為7.44 mSv/h保持不變,將各能量點(diǎn)的計(jì)數(shù)歸一化至137Cs,所得裸管的能量響應(yīng)曲線如圖5所示。

由圖5可知,裸管條件下(未經(jīng)能量補(bǔ)償)的GM計(jì)數(shù)管在低能區(qū)存在一個(gè)“鼓包”(即過響應(yīng))。擬利用金屬材料(通常為Pb、Sn)包裹計(jì)數(shù)管的靈敏區(qū)以減少低能光子進(jìn)入GM計(jì)數(shù)管的數(shù)量,使射線與管壁材料產(chǎn)生光電子的概率減少,進(jìn)入靈敏區(qū)的光電子數(shù)目減少,從而抑制低能區(qū)的過響應(yīng)。

圖5 裸管條件下的能量響應(yīng)曲線

4.2 GM計(jì)數(shù)管能量補(bǔ)償

GM計(jì)數(shù)管的能量補(bǔ)償主要針對(duì)于探測(cè)器靈敏區(qū),制定補(bǔ)償方案之前需要了解GM計(jì)數(shù)管的結(jié)構(gòu)和尺寸。利用中國計(jì)量科學(xué)研究院建立的CT成像系統(tǒng)對(duì)計(jì)數(shù)管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行精確測(cè)量,該成像系統(tǒng)如圖6(a)所示,主要由一個(gè)COMET公司生產(chǎn)的MXR-451HP/11型X射線機(jī)、載物臺(tái)及一個(gè)16位的PerkinElmer公司生產(chǎn)的XRD1621 AN14 ES型平板探測(cè)器組成,圖6(b)為計(jì)數(shù)管的CT成像效果圖。

圖6 計(jì)數(shù)管CT成像

利用CT掃描所得GM計(jì)數(shù)管各結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)如表5所示。相關(guān)研究表明,計(jì)數(shù)管的靈敏區(qū)位于陰極管與陽極鎢絲之間,且靠近陰極附近[11]。由于實(shí)驗(yàn)中射線垂直于管壁入射,故將射線在陰極上的投影面積(即不銹鋼管長度)作為能量補(bǔ)償范圍。

表5 GM計(jì)數(shù)管CT掃描結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用重金屬材料Pb對(duì)計(jì)數(shù)管靈敏區(qū)進(jìn)行能量補(bǔ)償,計(jì)數(shù)管中央開有狹縫,如圖7所示。該方法的優(yōu)勢(shì)在于,在降低能量響應(yīng)曲線過響應(yīng)的同時(shí),可改善低能區(qū)計(jì)數(shù)率過低的問題。

圖7 能量補(bǔ)償方式示意圖

對(duì)比能量補(bǔ)償前后計(jì)數(shù)管的能量響應(yīng)曲線(圖5與圖8)可以看出,隨著補(bǔ)償面積的逐漸增加,“鼓包”高度相對(duì)于裸管高度由最初的39.8%(對(duì)應(yīng)于80%補(bǔ)償面積)減小到21.0%(對(duì)應(yīng)于94%補(bǔ)償面積),說明Pb補(bǔ)償層可有效抑制低能區(qū)的過響應(yīng)。由圖8還可看出,當(dāng)補(bǔ)償面積為88%～90%時(shí),能量響應(yīng)曲線中各能量點(diǎn)(除33 keV能量點(diǎn)之外)相對(duì)于137Cs相對(duì)計(jì)數(shù)率的相對(duì)偏差在±20%以內(nèi),可滿足個(gè)人劑量儀研制的技術(shù)要求。

圖8 不同補(bǔ)償面積條件下的能量響應(yīng)曲線

5 結(jié) 論

本文基于國防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站X、γ射線參考輻射場(chǎng)對(duì)某廠家生產(chǎn)的j613r型GM計(jì)數(shù)管輻射特性進(jìn)行研究,得到以下結(jié)論:(1)通過坪曲線實(shí)驗(yàn)確定了計(jì)數(shù)管的外加偏置電壓為400 V,坪斜率在350～450 V范圍內(nèi)約為0.05%/V,測(cè)量結(jié)果與廠家提供參數(shù)保持一致；(2)通過線性實(shí)驗(yàn)得到了3個(gè)不同劑量率范圍內(nèi)平均計(jì)數(shù)率與劑量率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2≥0.99,表明該計(jì)數(shù)管在10.62 μSv/h～161.52 mSv/h以內(nèi)可用于劑量測(cè)定；(3)結(jié)合中國計(jì)量科學(xué)研究院CT成像系統(tǒng)確定了GM計(jì)數(shù)管的能量補(bǔ)償范圍,采用0.81 mm厚Pb補(bǔ)償層開中央狹縫的方式,通過能量響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)確定了靈敏區(qū)最佳補(bǔ)償面積為88%～90%。本文所得結(jié)論為后續(xù)個(gè)人劑量儀的研制提供了依據(jù)和參考。