韋應(yīng)靖 吳志芳 劉立業(yè) 李胤 魏世量 延軍

關(guān)鍵詞：應(yīng)急輻射防護(hù);弱貫穿輻射;·H′（0.07）;塑料閃爍體;SiPM

在發(fā)生核事故的情況下，如果核反應(yīng)堆發(fā)生堆芯熔化事故，裂變產(chǎn)物中3H、85Kr、90Sr、95Zr、106Ru、137Cs、147Pm等發(fā)射β射線的放射性核素會(huì)泄漏出來(lái)[1]，場(chǎng)所β輻射對(duì)定向劑量當(dāng)量率會(huì)產(chǎn)生更大的貢獻(xiàn)。按照GB/T4835.2—2013[2]中規(guī)定，應(yīng)急輻射防護(hù)監(jiān)測(cè)用定向劑量當(dāng)量率儀的測(cè)量上限至少達(dá)到1Sv/h。目前，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上尚沒(méi)有應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)儀產(chǎn)品。國(guó)外在測(cè)量β射線對(duì)定向劑量當(dāng)量率的貢獻(xiàn)時(shí)，大多采用的是薄窗電離室，歐洲部分國(guó)家測(cè)量定向劑量當(dāng)量率主要使用美國(guó)FLUKA公司生產(chǎn)的451B型監(jiān)測(cè)儀，該監(jiān)測(cè)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(yè)生態(tài)研究所對(duì)Beloyarskaya核電站3個(gè)機(jī)組部分場(chǎng)所的定向劑量當(dāng)量率進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量使用的是以色列ROTEM公司生產(chǎn)的RAMION型監(jiān)測(cè)儀，該監(jiān)測(cè)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(cè)量β射線劑量，由于其并不是按照定向劑量當(dāng)量定義設(shè)計(jì)的輻射監(jiān)測(cè)儀，其對(duì)β射線的能量響應(yīng)較差，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其對(duì)中低能β射線的定向劑量當(dāng)量率測(cè)量結(jié)果誤差較大。

對(duì)于國(guó)內(nèi)定向劑量當(dāng)量率儀的研制工作，中國(guó)輻射防護(hù)研究院近年基于塑料閃爍體與光電倍增管研發(fā)了輻射防護(hù)監(jiān)測(cè)用定向劑量當(dāng)量率儀[4]，該監(jiān)測(cè)儀已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多個(gè)核電站的大修期間弱貫穿輻射監(jiān)測(cè)工作。該定向劑量當(dāng)量率儀是按照GB/T4835.1—2012[5]的要求研發(fā)的，主要用于100mSv/h以下的定向劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)，無(wú)法滿足應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率的監(jiān)測(cè)。本文主要基于塑料閃爍體和半導(dǎo)體光電二極管（SiPM），研制了用于應(yīng)急情況下監(jiān)測(cè)弱貫穿輻射的定向劑量當(dāng)量率儀，并給出了其輻射特性測(cè)試結(jié)果。

1應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀設(shè)計(jì)

1.1探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于定向劑量當(dāng)量率儀主要測(cè)量的是β射線，在探測(cè)器的選取中采用薄塑料閃爍體比較理想。對(duì)于應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀的設(shè)計(jì)，探頭主要由塑料閃爍體、光學(xué)收集系統(tǒng)、半導(dǎo)體光電二極管（SiPM）、前置放大器等組成。應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀的設(shè)計(jì)構(gòu)想如圖1所示。

探測(cè)器前窗使用2層3μm的鍍鋁聚酯薄膜，為了防止探測(cè)器前端漏光，在用入射窗蓋固定鍍鋁聚酯薄膜時(shí)加了密封卡環(huán);用厚度50μm、直徑35mm的塑料閃爍體作為探測(cè)靈敏層;其后是厚度5mm的有機(jī)玻璃光導(dǎo)，其作用是減少閃爍探測(cè)器閃爍發(fā)光的散射、反散射和折射，增加閃爍光的耦合透過(guò)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(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并放大收集電荷;再經(jīng)信號(hào)輸出電路和I-F變換電路將數(shù)字頻率信號(hào)傳送至便攜式定向劑量當(dāng)量率儀主機(jī)，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理顯示出定向劑量當(dāng)量率H·′（0.07）數(shù)值。前部探測(cè)元件密封在2mm厚的鋁殼中，探頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.2探頭電路設(shè)計(jì)

定向劑量當(dāng)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(chǎn)的S13361-3050AE-04型陣列SiPM。其具有4×4排列的16個(gè)信號(hào)通道，每個(gè)通道有3584個(gè)微元（像素），總計(jì)有57360個(gè)微元。實(shí)際測(cè)得16個(gè)單元的平均暗電流為2.72μA，在工作電壓（HV）為54.4V條件下，實(shí)測(cè)得到其探測(cè)有效靈敏面積為3mm×3mm×16=144mm2。16個(gè)單元的陰極通過(guò)一個(gè)10Ω的保護(hù)電阻連接工作電壓（HV），其每個(gè)陽(yáng)極均接1kΩ取樣電阻和0.1μF電容輸出電流信號(hào)，然后其輸出信號(hào)分兩組（每組8個(gè)單元）進(jìn)入均勻電荷分配電路，信號(hào)放大后送入一個(gè)加法運(yùn)算放大器。SiPM陣列輸出的脈沖經(jīng)兩級(jí)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(hào)經(jīng)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(shè)置調(diào)整甄別閾，將噪聲抑制到最低水平，主要使輻射產(chǎn)生的脈沖信號(hào)輸出，再由單穩(wěn)態(tài)電路將脈沖成形為幅度和寬度都固定的連續(xù)的矩形脈沖序列。完成這一數(shù)字化的脈沖信號(hào)后，再傳輸至儀器主機(jī)進(jìn)行測(cè)量和顯示。

1.3測(cè)量功能設(shè)計(jì)

在核輻射探測(cè)過(guò)程中，探測(cè)器測(cè)量到的信號(hào)需要通過(guò)顯示單元給出。對(duì)于研制的應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀，與探頭配套的主機(jī)除了顯示測(cè)量的定向劑量當(dāng)量率數(shù)值外，還具有下面一些功能：（1）自檢功能，檢測(cè)儀器是否工作正常;（2）扣除本底功能，儀器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，自動(dòng)從測(cè)量數(shù)據(jù)值中扣除預(yù)設(shè)的本底數(shù)值;（3）設(shè)置校準(zhǔn)系數(shù)功能，通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)中校準(zhǔn)預(yù)置校準(zhǔn)系數(shù)，保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確;（4）設(shè)置測(cè)量時(shí)間功能，測(cè)量時(shí)間1s、10s、30s可選擇;（5）單位自動(dòng)切換功能，根據(jù)測(cè)量結(jié)果大小，測(cè)量單位可自動(dòng)切換μSv/h、mSv/h和Sv/h;（6）數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)功能，可自動(dòng)存儲(chǔ)20個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù);（7）電量不足提示功能，實(shí)時(shí)顯示電量，電量不足時(shí)給出“電量不足”提示;（8）充電顯示功能，充電狀態(tài)下充電指示燈發(fā)亮;（9）過(guò)載顯示功能，測(cè)量的劑量率數(shù)值超過(guò)2Sv/h時(shí)，給出過(guò)載顯示。

2應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀輻射特性測(cè)試結(jié)果

基于SiPM和塑料閃爍體探測(cè)器，設(shè)計(jì)制作的應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)儀探測(cè)窗孔徑為?25mm，實(shí)物如圖3所示。根據(jù)GB/T4835.2—2013中對(duì)應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率監(jiān)測(cè)儀的輻射特性要求，對(duì)該定向劑量當(dāng)量率儀的劑量率非線性、響應(yīng)隨β輻射能量和入射角的變化、統(tǒng)計(jì)漲落等輻射特性進(jìn)行了測(cè)試。其中GB/T4835.2—2013中規(guī)定，除了本標(biāo)準(zhǔn)修改和列出的新條款外，GB/T4835.1—2012中所有條款均適用于應(yīng)急目的的儀器。結(jié)合GB/T4835.2—2013和GB/T4835.1—2012要求，對(duì)研制的應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀的輻射特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

2.1劑量率非線性

GB/T4835.1—2012規(guī)定，在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，儀器對(duì)于選定的X、γ或β參考輻射，由非線性產(chǎn)生的劑量（率）響應(yīng)的相對(duì)變化在整個(gè)有效測(cè)量范圍內(nèi)不應(yīng)超過(guò)-15%～+22%。GB/T4835.2—2013規(guī)定，應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀在滿足GB/T4835.1—2012規(guī)定的前提下，應(yīng)至少包括1mSv/h～1Sv/h在內(nèi)的4個(gè)數(shù)量級(jí)范圍。對(duì)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(wú)法達(dá)到1Sv/h，實(shí)際使用中國(guó)輻射防護(hù)研究院放射性計(jì)量站的兩套γ輻射裝置對(duì)儀器的劑量率非線性進(jìn)行了測(cè)試，γ輻射裝置的性能特性如下：（1）γ射線空氣比釋動(dòng)能（防護(hù)水平）標(biāo)準(zhǔn)裝置，使用的是137Cs放射源，可提供的輻射場(chǎng)劑量率范圍為10μSv/h～100mSv/h;（2）γ射線空氣比釋動(dòng)能（治療水平）標(biāo)準(zhǔn)裝置，使用的是60Co放射源，可提供的輻射場(chǎng)劑量率范圍為100mSv/h～200Sv/h。

由于被測(cè)的定向劑量當(dāng)量率儀對(duì)60Co和137Cs的能量響應(yīng)不同，測(cè)量結(jié)果按137Cs的響應(yīng)歸一后，得到定向劑量當(dāng)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(nèi)，其相對(duì)固有誤差在-14%～+20%范圍內(nèi)，測(cè)量范圍可覆蓋100μSv/h～1Sv/h四個(gè)量級(jí)，滿足GB/T4835.2—2013要求。

2.2響應(yīng)隨β輻射能量和入射角的變化

GB/T4835.2—2013規(guī)定，定向劑量當(dāng)量（率）儀在校準(zhǔn)方向上對(duì)90Sr-90Y參考輻射產(chǎn)生的β輻射的響應(yīng)對(duì)零入射角的響應(yīng)之差不應(yīng)超過(guò)±50%。根據(jù)現(xiàn)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(nèi)入射的情況下，測(cè)量了定向劑量當(dāng)量率儀對(duì)不同能量β射線的響應(yīng)，具體測(cè)量結(jié)果如圖5所示。

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

2.3統(tǒng)計(jì)漲落

GB/T4835.2—2013規(guī)定，定向劑量當(dāng)量率儀測(cè)量的劑量率小于1mSv/h時(shí)，儀器的統(tǒng)計(jì)漲落應(yīng)小于15%。使用147Pm的β輻射場(chǎng)照射，儀器的讀數(shù)在0.24mSv/h左右時(shí)，儀器內(nèi)置測(cè)量時(shí)間為1s，連續(xù)測(cè)量10個(gè)數(shù)值，測(cè)量數(shù)據(jù)如下：258、217、254、218、260、214、246、272、235和246μSv/h，根據(jù)公示（1）計(jì)算得出統(tǒng)計(jì)漲落V為8.4%，滿足GB/T4835.2—2013要求：

式中，Hi為第i次測(cè)量值;H—為n次測(cè)量值的算數(shù)平均值;n為測(cè)量次數(shù)。

2.4響應(yīng)時(shí)間

GB/T4835.1—2012規(guī)定，定向劑量當(dāng)量率儀受到一劑量照射時(shí)，儀器應(yīng)在10s內(nèi)對(duì)增加劑量的指示至少為91%但不大于111%。對(duì)于研制的定向劑量當(dāng)量率儀，實(shí)驗(yàn)測(cè)得70μSv/h輻射場(chǎng)中的響應(yīng)時(shí)間為4～5s，其響應(yīng)變化如圖6所示;1Sv/h輻射場(chǎng)中的響應(yīng)時(shí)間為2s。綜上，儀器的響應(yīng)時(shí)間滿足GB/T4835.1—2012要求。

2.5對(duì)脈沖電離輻射的響應(yīng)

GB/T4835.1—2012規(guī)定，劑量當(dāng)量率儀在脈沖電離輻射中可能會(huì)給出虛假的低指示值，如果儀器在脈沖輻射場(chǎng)中可能給出低指示值應(yīng)給予適當(dāng)警告。GB/T4835.1—2012對(duì)劑量當(dāng)量率儀在脈沖輻射中響應(yīng)的試驗(yàn)不是強(qiáng)制性的。為了驗(yàn)證所研制的應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀對(duì)脈沖輻射的響應(yīng)特性，在按照GB/T12162.1[13]中的N-150輻射質(zhì)建立的X脈沖輻射場(chǎng)中進(jìn)行了測(cè)試。儀器測(cè)量時(shí)間設(shè)置為10s，在特定管電流下，測(cè)量脈沖寬度為2～200ms范圍內(nèi)的輻射場(chǎng)劑量率具體測(cè)量結(jié)果列于表1。由表1可知，測(cè)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(duì)偏差在±7.5%范圍內(nèi)，說(shuō)明該定向劑量當(dāng)量率儀對(duì)不同脈沖寬度的劑量率響應(yīng)基本一致，根據(jù)脈沖寬度可以探測(cè)給出其產(chǎn)生的累積劑量。同時(shí)，對(duì)于研制的應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀，其使用的塑料閃爍體的閃爍熒光衰減時(shí)間常數(shù)為ns量級(jí)，可勝任ms量級(jí)脈沖輻射場(chǎng)的測(cè)量。因此，對(duì)該劑量率儀經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)和校準(zhǔn)后，也可以用于脈沖輻射場(chǎng)的劑量率測(cè)量。

2.6對(duì)中子輻射的響應(yīng)

GB/T4835.1—2012規(guī)定，劑量當(dāng)量率儀的設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能限制中子輻射對(duì)其光子和β指示值的影響，其中并沒(méi)有給出具體指標(biāo)規(guī)定。在252Cf中子輻射場(chǎng)中，測(cè)試了定向劑量當(dāng)量率儀對(duì)中子的響應(yīng)特性，在中子輻射場(chǎng)的周圍劑量當(dāng)量率為3.1mSv/h時(shí)，實(shí)際測(cè)得該應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率的響應(yīng)為200μSv/h，響應(yīng)占比為6.5%。

2.7過(guò)載特性

GB/T4835.1—2012規(guī)定，對(duì)于定向劑量當(dāng)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(dāng)量率照射，儀器應(yīng)給出過(guò)載指示。使用60Co產(chǎn)生大于10Sv/h輻射場(chǎng)照射，定向劑量當(dāng)量率儀的顯示值為3Sv/h左右，并且儀器給出過(guò)載顯示。

3總結(jié)

為了解決應(yīng)急條件下場(chǎng)所較高定向劑量當(dāng)量率的測(cè)量問(wèn)題，根據(jù)GB/T4835.2—2013要求，基于SiPM和塑料閃爍體，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀。對(duì)于設(shè)計(jì)的探測(cè)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(jī)玻璃;SiPM陣列;前置放大器等。采用幅度甄別電路將測(cè)量到的信號(hào)數(shù)字化，并輸出到配套的主機(jī)上給出測(cè)量結(jié)果。參照GB/T4835.1—2012和GB/T4835.2—2013給出的試驗(yàn)方法，對(duì)開發(fā)的應(yīng)急輻射防護(hù)用定向劑量當(dāng)量率儀輻射特性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，其劑量率非線性、響應(yīng)隨β輻射能量和入射角的變化、統(tǒng)計(jì)漲落、響應(yīng)時(shí)間、過(guò)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(chǎng)所中的H·′（0.07）的測(cè)量難題，可應(yīng)用于核設(shè)施場(chǎng)所弱貫穿輻射和應(yīng)急情況下H·′（0.07）的監(jiān)測(cè)工作，其監(jiān)測(cè)的H·′（0.07）數(shù)據(jù)，可為輻射防護(hù)決策提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。