固定式環境γ輻射劑量率儀現場校準技術

高 飛，肖雪夫，倪 寧

（中國原子能科學研究院計量測試部，北京 102413）

固定式環境γ輻射劑量率儀現場校準技術

高 飛，肖雪夫，倪 寧

（中國原子能科學研究院計量測試部，北京 102413）

固定式環境γ輻射劑量率儀是承擔環境連續監測任務的主要設備，不便于拆卸送往計量實驗室進行校準檢定，且送檢周期較長，影響連續監測點數據的連續性。為按期校準固定式儀表，本文結合蒙特卡羅方法研制了能量補償型高氣壓電離室和便攜式137Cs照射裝置，利用天然本底輻射（陸地γ射線和宇宙射線）和便攜式照射裝置產生的137Csγ射線參考輻射對固定式環境γ輻射劑量率監測儀表開展現場校準實驗。結果表明，采用環境比對和現場照射的方法能較好地解決固定式環境γ輻射劑量率儀的校準問題，現場所得校準因子與標準實驗室中校準因子的相對偏差小于5%。

現場校準；高氣壓電離室；便攜式137Cs照射裝置；蒙特卡羅

隨著核能利用規模的不斷擴大及核技術利用領域的拓展，為加強管理，實現環境常規γ輻射連續監測、核事故早期預警及核事故的應急監測，我國相關部門在全國相繼建立了150多個全天候連續運行的環境輻射監測站，并在核電站反應堆、研究型核反應堆和實驗快堆等大型核設施周圍均建立了輻射連續監測系統。此類輻射監測儀表大多固定于現場，不便于拆卸和定期送檢。本文通過蒙特卡羅模擬和實驗方法詳細研究高氣壓電離室對宇宙射線和陸地γ射線的響應特性，研制能量補償型高氣壓電離室作為量值傳遞儀表（標準儀器），建立利用天然本底作為參考輻射場對現場儀表進行比對校準的技術，并研制一臺便攜式137Cs照射裝置，解決固定式環境輻射監測儀表本底輻射水平的現場校準技術問題。

1 標準儀器研制

高氣壓電離室因具有自身本底低、穩定性好和精度高等優點，是國內外環境輻射監測活動中最常用的儀器。美國原子能委員會保健與安全實驗室已將壁厚為3mm、內充2.5× 106Pa氬氣的高氣壓電離室作為環境測量的標準電離室［1］。用于現場校準的標準儀器需對低能γ輻射，如131I（80.183keV）、136Cs（66.91keV）和133Xe（80.997keV）具有足夠響應，因此在使用過程中電離室能量探測下限應達60keV，并要求標準儀器在0.06～1.5MeV之間的響應因子與137Cs的響應因子的相對偏差S在30%以內，以滿足國家計量檢定規程JJG 521—2006《環境監測用X、γ輻射空氣比釋動能（吸收劑量）率儀》的要求。另外，海平面附近宇宙射線的劑量率約占天然本底輻射外照射劑量率的30%～40%［2］，為保證現場環境輻射劑量率測量結果的準確性，標準儀器對宇宙射線的響應因子KC與137Csγ射線的響應因子Kγ的相對偏差應在10%以內。結合MCNP 4C對高氣壓電離室的能響特性進行研究，計算模型對高氣壓電離室的結構作適當簡化，模型主要包括電離室外壁、充壓氣體（高純氬氣）、平行輻射場、收集極和能量補償片等。另外，采用MCNPX程序模擬研究高氣壓電離室對宇宙射線的響應特性，模擬計算不同壁厚、壁材料和充氣壓力對宇宙射線的響應特性。綜合考慮高氣壓電離室的能量響應和宇宙射線響應特性，對高氣壓電離室的整體性能進行模擬計算，研制能量補償型高氣壓電離室作為現場校準工作的標準儀器。

標準儀器研制成功后在北京密云水庫對其宇宙射線響應特性進行了實驗。宇宙射線劑量率的現場測量通常在水深大于3m、距岸邊大于1km的內陸湖泊和水庫的開闊水面上的小船上進行［3－4］。在開闊水面上進行宇宙射線測量，雖避開了地殼γ輻射的直接影響，但對水中40K以及U、Th、Ra核素的γ射線，空氣中氡子體的γ射線，探測器的自身本底，乃至測量者體內40K等影響因素均需進行測量和估計［3］。標準儀器的能量響應的實驗刻度工作在國防科技工業電離輻射一級計量站的X、γ射線標準實驗室中開展。在X射線參考輻射場中，高氣壓電離室球心到X光機焦斑的距離為3m。X射線經附加過濾后產生了滿足ISO 4037.1［5］要求的過濾束X射線，通過調節X光機的高壓獲得平均能量為48～211keV的X射線。為避免高氣壓電離室對不同劑量率的響應差別的影響，調節X光機的輸出功率，確保在參考點處的劑量率的約定真值約為44μGy／h。在γ射線參考輻射場中，可調節高氣壓電離室到放射源之間的距離來獲得相同的劑量率，實驗結果列于表1。

表1 標準儀器響應特性Table 1 Response characteristics of standard instrument

從表1可見，標準儀器在60～1 250keV范圍內，與137Cs的響應因子的相對偏差不大于16%，滿足國家計量檢定規程JJG 521—2006《環境監測用X、γ輻射空氣比釋動能（吸收劑量）率儀》中±30%的要求，能量探測下限為60keV。該標準儀器的宇宙射線響應因子為1.96μA·Gy－1·h，137Csγ射線的響應因子與宇宙射線響應因子的相對偏差不大于10%，滿足設計指標。

2 便攜式照射裝置研制

放射性同位素產生的參考輻射場是電離輻射計量檢定工作重要的條件，具有輸出射線強度穩定、重復性好和操作簡便等優點。采用準直設計的便攜式137Cs照射裝置具有良好的輻射特性，本研究為解決固定式環境γ輻射劑量率監測儀表的現場校準難題，結合蒙特卡羅模擬方法對便攜式照射裝置進行優化設計，研制一套新型便攜式137Cs照射裝置。便攜式照射裝置能安裝活度為1.85×108Bq的137Cs放射源，表面接觸劑量率不大于2.5μGy／h，產生的準直輻射場中散射輻射的劑量率不大于總劑量率的5%，射束軸心±11cm范圍內均勻性好于5%，滿足相關標準［5］的要求，考慮到照射裝置的便攜性，其重量不大于35kg，如圖1所示。

照射裝置主要由鉛、鎢合金和不銹鋼構成，具有較好的屏蔽效果，內置137Cs放射源（活度為1.85×108Bq）時能將透過輻射的注量減小到有用射線束的0.1%，滿足GB／T 12162.1—2000［6］的要求。外壁采用7mm厚的鋼板作支撐，鋼板內壁加裝鋼絲倒鉤，防止在搬運過程中鉛與外壁松動，從而提高了裝置整體的強度。放射源放入鋁合金源盒內，照射裝置快門采用可升降式設計，使用時配合裝置頂部的定位裝置完成照射。使用完畢后將快門按到底部，蓋上塞子并加以固定。便攜式γ照射裝置側部安裝激光定位器，確保放射源正對待檢儀表進行照射，放射源與待檢儀表參考點之間的距離由激光測距儀確定。根據蒙特卡羅模擬計算的結果，完成對便攜式137Cs照射裝置的設計和加工，利用參考儀器（PTWUNIDOS劑量計配TW32002型和TW32003型電離室）對便攜式照射裝置產生的輻射場空氣比釋動能率進行標定，結果列于表2。

圖1 便攜式137Cs照射裝置Fig.1 Portable137Cs irradiation facility

表2列出了輻射場中空氣比釋動能率分布的測量結果并對空氣衰減進行修正。輻射場中空氣比釋動能率實測值（空氣衰減修正后）在3%以內與放射源中心到探測器有效中心距離平方的倒數成正比，滿足GB／T 12162.1—2000［6］的設計要求，可用于現場校準實驗。

表2 參考輻射場中劑量率分布Table 2 Dose rate distribution in reference radiation filed

3 現場校準實驗

考慮到現場校準工作的難度，在研究現場校準方法時應盡量簡化步驟、減少攜帶的設備數量。因此現場校準技術主要包括環境輻射劑量率比對校準和現場輻照器參考輻射的準直場校準。首先，利用研制的標準儀器作為傳遞儀表與現場固定式環境輻射監測儀表進行環境比對校準［712］，完成環境本底水平現場儀表的校準實驗。其次，根據現場實際情況架設便攜式137Cs照射器，利用便攜式參考輻射對現場儀表進行照射，研究現場儀表中、高量程段的響應能力并進行校準。最后，將現場固定式環境輻射監測儀表拆下，送往標準實驗室中進行檢定，并與環境比對和準直場校準得到的校準因子進行分析比較。

3.1 環境比對校準實驗

選擇中國原子能科學研究院放射性廢物總排放口的環境監測點和氣象站監測點兩處γ劑量率連續監測點作為典型現場開展環境比對校準實驗。總排放口和氣象站的固定式環境輻射監測儀表均為高氣壓電離室，國產型號為H／FJG－γⅠ型，出廠編號分別為N10－03和N10－04。根據場地的實際情況將標準儀器置于現場儀表旁邊0.4～2m范圍內，標準儀器與現場固定式儀表同高度（1.4m），實驗布置如圖2所示，測點①～⑦分別距現場儀表40、100、100、100、40、100、200cm。

圖2 現場比對校準布置圖Fig.2 On－site intercomparison calibration arrangement diagram

待儀表架設完成后，利用天然輻射（包括陸地γ射線和宇宙射線）作為參考輻射場，標準儀器（JLZ－Ⅲ型高氣壓電離室）作為傳遞儀表對現場固定式環境輻射監測儀表進行比對校準。現場固定式輻射監測儀表的采樣間隔為1min，連續采樣10min，現場儀表的環境輻射本底校準因子N由下式給出。

3.2 準直場校準實驗

采用準直場對現場儀表開展校準實驗。準直場法是利用參考儀器對便攜式137Cs照射裝置提供的輻射場中某點的劑量率進行標定，并對放射源的半衰期進行修正，如圖3所示。在輻射場中某檢驗點空氣比釋動能率˙K已知的情況下，儀器的校準因子可用下式得到：

根據總排放口和氣象站兩處典型現場的實際情況將便攜式照射裝置中的放射源置于距現場儀表檢驗點1.5～3m的范圍內，照射裝置與現場儀表同高（1.4m），利用激光對準器將現場儀表的檢驗點放置在輻射場中的參考點上進行照射。在距照射裝置10m范圍內不應有人員和建筑物，以減小周圍物體的散射輻射，現場校準如圖4所示。

圖4 現場校準示意圖Fig.4 Schematic diagram of on－site calibration

3.3 實驗結果

為驗證現場校準因子的準確性，將兩處典型現場的固定式儀表拆卸后送往國防科技工業電離輻射一級計量站的X、γ射線空氣比釋動能標準實驗室中進行校準，實驗數據列于表3、4。

表3 現場比對校準數據Table 3 On－site intercomparison calibration data

表4 準直場校準實驗數據Table 4 Collimated field calibration data

表3中1～3號為中國原子能科學研究院放射性廢物總排放口環境γ輻射劑量率連續監測點的現場比對校準數據，4～7號為氣象站環境γ輻射劑量率連續監測點的現場比對校準數據。S300表示照射裝置位于現場儀表的南部，放射源距現場儀表參考點300cm，其他類似。由表3可知，當標準儀器距離現場儀表1～2m時，現場校準因子的相對偏差最小，分別為－2.22%（3號位置）、－0.67%（4號位置）和－2.57%（7號位置）。當標準儀器與現場儀表的距離＜0.5m時，校準因子的相對偏差變大，分別為－16.30%（1號位置）和－9.61%（5號位置）。如圖2所示，現場儀表位于樓頂距離北側1m的位置，此時現場儀表會對位于1號位置的標準儀器產生影響，阻擋了來自樓體北面陸地γ的照射，降低了標準儀器的響應，從而造成了現場校準因子較實驗室校準因子偏低16.30%。2號位置受現場儀表的影響較小，但由于位于樓頂中心位置，樓體本身會對陸地γ產生阻擋，同樣會降低標準儀器對陸地γ射線的響應，此時現場校準因子較實驗室校準因子低10.61%。3、4號位置分別位于現場儀表東西兩側1m處，并不會受現場儀表和樓體的阻擋，因此這兩個位置的現場校準因子與實驗室校準因子的偏差最小。綜上所述，在現場比對實驗過程中應結合現場實際情況將標準儀器置于現場儀表周圍1～2m的范圍內進行校準，盡量避免因建筑物、樓板或屋頂的散射和吸收作用造成的輻射組分差異。另外，還應充分考慮儀表自身和周圍建筑物對陸地γ和宇宙射線的影響，選擇與現場儀表參考點處輻射組分最相近的位置進行比對校準。

從表4可知，兩處固定式環境γ輻射劑量率儀的現場校準因子與實驗室得到的校準因子的相對偏差在1%以內，說明利用便攜式137Cs照射裝置能較好地解決固定式環境γ輻射劑量率連續監測儀表的現場校準問題。

4 結論

在中國原子能科學研究院選擇兩處典型現場（總排放口和氣象站）開展現場校準技術研究，利用研制的標準儀器作為量值傳遞儀表與現場兩臺固定式高氣壓電離室進行比對校準，比對所得校準因子與標準實驗室中的校準因子的相對偏差小于5%，解決了現場儀表低量程范圍內（尤其是環境本底劑量率水平）的溯源問題。另外，結合蒙特卡羅方法研制了便攜式137Cs照射裝置，該裝置能很好地解決固定式環境γ輻射劑量率連續監測儀表的中、高量程段的現場校準問題，保證了環境γ輻射劑量率監測結果的準確可靠。

［1］ Health and Safety Laboratory.High pressure argon ionization chamber systems for the measurement of environmental radiation exposure rates［R］.New York：HASL260，1972.

［2］ 于水，王功鵬，關守任.低大氣層宇宙射線劑量水平及機組人員受照劑量的研究［J］.輻射防護，1997，17（2）：103－108.

YU Shui，WANG Gongpeng，GUAN Shouren.Dose level of cosmic ray at low atmosphere and radiation exposure for civil aircrew［J］.Radiation Protection，1997，17（2）：103－108（in Chinese）.

［3］ 岳清宇，金花.低大氣層中宇宙射線電離量的分布測量［J］.輻射防護，1988，8（6）：401－409，417.

YUE Qingyu，JIN Hua.Distribution of cosmic ray ionization rate in the lower atmosphere with altitude and latitude［J］.Radiation Protection，1988，8（6）：401－409，417（in Chinese）.

［4］ 任天山，林蓮卿，陳志鵬.宇宙射線電離量的測定和幾種探測器對宇宙射線的響應［J］.輻射防護，1987，7（3）：185－190.

REN Tianshan，LIN Lianqing，CHEN Zhipeng.Determination of cosmic ray ionization rate at sea level and the responses of some dosemeters to cosmic ray［J］.Radiation Protection，1987，7（3）：185－190（in Chinese）.

［5］ International Organization for Standardization.X and gamma reference radiations for calibrating dosemeters and dose rate meters and for determining their response as a function of photon energy，Part 1：Radiation characteristics and production method［S］.Geneva：ISO Publication Office，1997.

［6］ 全國核能標準化技術委員會.GB／T 12162.1—2000 用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射，第一部分：輻射特性及產生方法［S］.北京：中國標準出版社，2000.

［7］ de PLANQUE G，GESELL T F.Environmental measurements with thermoluminescence dosemeters－trends and issues［J］.Radiation Protection Dosimetry，1986，17：193－200.

［8］ MAIELLO M L G.8thinternational intercomparison of environmental dosemeters［J］.Radiation Protection Dosimetry，1990，32：91－98.

［9］ MAIELLO M L G.Ninth international‘mini’intercomparison of environmental dosemeters：A further analysis of the data［J］.Radiation Protection Dosimetry，1995，58：167－175.

［10］KLEMIC G S.State of the art environmental dosimetry：11thinternational intercomparison and proposed performance tests［J］.Radiation Protection Dosimetry，1999，85：201－206.

［11］KLEMIC G S.Results of the tenth international intercomparison of environmental dosemeters［J］.Radiation Protection Dosimetry，1995，58：133－142.

［12］SAEZ V J C，ROMERO A M.Measurment of daily environmental dosemeters using hypersensitive thermoluminescence materials［J］.Radiation Protection Dosimetry，1996，66（1／4）：167－172.

On－site Calibration Technology for Fixed Environmental Gamma Radiation Ratemeter

GAO Fei，XIAO Xue－fu，NI Ning
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275－20，Beijing102413，China）

The fixed environmental gamma radiation ratemeter is the main equipment to undertake environmental continuous monitoring tasks and not easy to move for metrology laboratory calibration，and the submission of a longer period affects the continuity of the continuous monitoring data.For the on time calibration of fixed environmental gamma radiation ratemeter，combined with the Monte Carlo method，the energy－compensated high－pressure ionization chamber and portable137Cs irradiation facility were developed.Using natural background radiation（including cosmic rays and terrestrial gamma rays）and137Cs gamma rays reference radiation field，the on－site calibration for fixed environmental gamma radiation ratemeter was carried out.The results show that the environment intercomparison and on－site irradiation can solve the calibration problem of fixed environmental gamma radiation ratemeters，and the relative deviation of calibration factors obtained from on－site calibration and in standard laboratory is less than 5%.

on－site calibration；high－pressure ionization chamber；portable137Cs irradiation facility；Monte Carlo

TL72

A

：1000－6931（2015）02－0212－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0212

2014－06－03；

2014－08－12

高 飛（1983—），男，山東武城人，助理研究員，博士，電離輻射劑量專業