基于GM計數(shù)管輻射劑量儀表標(biāo)定方法及注意事項(xiàng)

趙孝文，姜崇杰

基于GM計數(shù)管輻射劑量儀表標(biāo)定方法及注意事項(xiàng)

趙孝文1，2，姜崇杰3

（1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150086；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020；3.中國電子科技集團(tuán)公司第49研究所，哈爾濱 150010）

本文主要介紹了利用GM計數(shù)管作為輻射劑量儀探測器進(jìn)行劑量測量時，標(biāo)準(zhǔn)源法和標(biāo)準(zhǔn)儀器法的使用，分析了在標(biāo)定過程中的注意事項(xiàng)，討論了能量過響應(yīng)補(bǔ)償?shù)葐栴}。在實(shí)驗(yàn)室采用鐳源作標(biāo)準(zhǔn)源對研制的GM管輻射劑量儀器進(jìn)行標(biāo)定，獲得了滿意效果，標(biāo)定誤差小于10%。

G-M計數(shù)管；照射量；標(biāo)定；能量響應(yīng)

G-M計數(shù)管作為一種核輻射探測器，它輸出的脈沖數(shù)反映了射線的強(qiáng)度或注量，脈沖計數(shù)率與照射量率具有一定的相關(guān)性［1］。核電子儀器，包括劑量儀器，都屬于相對測量，測量結(jié)果并不是所需相關(guān)物理量的值，但經(jīng)過標(biāo)定可將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為所求的物理量。劑量儀器的讀出要用照射量單位或劑量單位給出，這就要通過標(biāo)定過程來實(shí)現(xiàn)。標(biāo)定后儀器測量結(jié)果的準(zhǔn)確性不僅取決于儀器的工作原理和結(jié)構(gòu)性能，也取決于標(biāo)定的準(zhǔn)確性。不僅新出產(chǎn)的儀器要進(jìn)行標(biāo)定，在使用中也要經(jīng)?；蚨〞r、定期地進(jìn)行校準(zhǔn)，特別是經(jīng)過修理、更換元件或改變工作條件（包括幾何參數(shù)和電氣參數(shù)）時，更要重新進(jìn)行標(biāo)定。

劑量儀器的種類繁多，根據(jù)儀器類型、用途和對標(biāo)定準(zhǔn)確度的要求不同，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模、設(shè)備和標(biāo)定方法也是不相同的。通過標(biāo)定可更好地掌握儀器的性能，如能量響應(yīng)、線性、方向性響應(yīng)、測量范圍、測量誤差等，對正確使用和評價儀器大有好處［2］。X、γ射線的照射量是涉及面廣、應(yīng)用久遠(yuǎn)的物理量，由空氣的照射量可換算出組織的吸收劑量。照射量的標(biāo)定常采用標(biāo)準(zhǔn)源法和標(biāo)準(zhǔn)儀器法。

1　標(biāo)準(zhǔn)源方法

劑量儀器的標(biāo)定是在一定實(shí)驗(yàn)條件下，與已知的標(biāo)準(zhǔn)劑量值相比較或擬合，調(diào)整待定儀器的電氣參數(shù)或測量參數(shù)，使其讀數(shù)等于或接近在相同條件下的標(biāo)準(zhǔn)劑量值。為了標(biāo)定儀器就要求有一個放射性質(zhì)和照射量分布已知的標(biāo)準(zhǔn)輻射場，為獲取標(biāo)準(zhǔn)輻射場的標(biāo)準(zhǔn)劑量值，最好的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)源的方法。

標(biāo)準(zhǔn)源是指可作為基準(zhǔn)活度精確已知的放射源。作為標(biāo)準(zhǔn)源，要求其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，半衰期足夠長，測量精確度要高，每個源都要經(jīng)過絕對測量和相對測量，并要給出誤差范圍和生產(chǎn)日期。由于各種放射性核素的衰變類型和射線能量不同，原則上每種核素的射線類型都應(yīng)有自己的標(biāo)準(zhǔn)源或模擬標(biāo)準(zhǔn)源。為了鑒定γ探測器在各能閾的探測效率并準(zhǔn)確地對樣品進(jìn)行定性和定量分析，必須要有強(qiáng)度準(zhǔn)確、能量分布廣的一系列γ標(biāo)準(zhǔn)源，即γ系列標(biāo)準(zhǔn)源。在生產(chǎn)和廣用放射性物質(zhì)時，常需要一些活度已知放射源作為同類放射源的基準(zhǔn)，把活度未知的源或放射性樣品與標(biāo)準(zhǔn)源一起做比對測量，就可簡便而又準(zhǔn)確地得到待測源的活度。選用合適的同位素標(biāo)準(zhǔn)源可以方便地建立標(biāo)準(zhǔn)輻射場，為劑量儀器的標(biāo)定提供實(shí)驗(yàn)條件。

若標(biāo)準(zhǔn)源的活度為A（Ci），離源距離為R（m）的某一點(diǎn)處的照射量率S（R/h）可表示為：

式中，μ為該源的γ射線在空氣中的衰減系數(shù)，單位為m-1；

г為該源的γ射線的照射率常數(shù)，單位為R· m2/Ci·h；

A為源的活度，單位為Ci；

R為所考慮點(diǎn)與點(diǎn)源的距離，單位為m；

λ為該源的衰變常數(shù)，它與半衰期T1/2的關(guān)系為λ=ln2/T1/2=0.693/T1/2［3］；

t為該源自放射源出廠證明書上簽署的生產(chǎn)或檢驗(yàn)日期至標(biāo)定日期之間的時間間隔。

當(dāng)源的半衰期T足夠長時，時間衰減因子e-λt可忽略不計；當(dāng)γ射線的能量足夠大時，空氣衰減因子e-λt可忽略不計，對此上式可簡化為

由該式可方便地求出距源不同點(diǎn)處的照射量率的數(shù)值，反之，可求出各種照射量率所對應(yīng)的距離R

這樣，利用標(biāo)準(zhǔn)源就可建立一個標(biāo)準(zhǔn)輻射場，在輻射場不同位置上可得到標(biāo)準(zhǔn)劑量值。

利用標(biāo)準(zhǔn)源標(biāo)定劑量儀器是廣泛采用的方法，但還應(yīng)注意以下幾個問題：

第一，關(guān)于照射率常數(shù)г：照射率常數(shù)г是為計算發(fā)射光子的放射性核素在其附近某處照射率而規(guī)定的一個參數(shù)，它定義為R2（ds/dt）除以A而得的商，即

式中ds/dt是在距離放射性活度為A的點(diǎn)源R處，由能量大于δ的光子產(chǎn)生的照射率，其中δ以keV為單位，其數(shù)值的選取由計算照射率的具體情況而定。照射率常數(shù)的物理意義是：距離單位活度（國際單位為1Bq，專用單位為1Ci）的點(diǎn)源1m處，由它發(fā)出的能量大于δ的光子所產(chǎn)生的照射率，國際單位是C·m2·kg-1·s-1，專用單位是R·m2·Ci-1·h-1?？梢钥闯?，照射率常數(shù)一般是未經(jīng)過濾的單位活度點(diǎn)源在1m處所產(chǎn)生照射率的度量，它只包括放射出的γ光子和湮沒輻射的貢獻(xiàn)，而沒有考慮內(nèi)轉(zhuǎn)換電子、電子俘獲所發(fā)射的特征X射線、軔致輻射、伴隨β發(fā)射的貢獻(xiàn)。因此，用標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行標(biāo)定時，應(yīng)結(jié)合具體情況考慮上述因素是否可忽略或作某些修正。

第二，關(guān)于散射效應(yīng)：實(shí)驗(yàn)表明，散射γ射線對劑量的貢獻(xiàn)與源或探測器距離周圍散射物體的距離平方成反比，而與源和探測器之間的距離平方成正比。因此，為減少和防止散射γ射線的影響，在標(biāo)定場所應(yīng)盡量去除那些與標(biāo)定無關(guān)的物體；源和探測器離地面、墻壁、天棚的距離應(yīng)盡可能遠(yuǎn)些，一般要求大于1.5m；源和探測器的間距也不能太大。為減少級電子的產(chǎn)生，源支架應(yīng)選用輕質(zhì)材料。在源和探測器之間設(shè)置一個有一定張角的標(biāo)直器來限制射線束的截面積也可減少散射γ射線的影響。

第三，關(guān)于距離平方反比律：照射量率義與距離的平方R2成反比。在標(biāo)定時為得到大小不同的照射率，通常是靠改變源和探測器之間的距離來實(shí)現(xiàn)，但是這個距離只能在適當(dāng)?shù)姆秶兓?，既不能太長，也不能太小。距離太長會增加散射γ射線的貢獻(xiàn)隨距離增加，γ射線迅速減弱，本底輻射變得不可忽視，這樣，由于散射和本底的貢獻(xiàn)，使照射量不遵循距離平方反比律；距離太小則不能把源和探測器當(dāng)成點(diǎn)源和點(diǎn)探測器來考慮，也不遵循距離平方反比律，為滿足點(diǎn)源點(diǎn)探測器條件，源和探測器的距離至少應(yīng)比源和探測器的尺度大7～10倍。為了確定距離的合適變動范圍，可用探測器測量不同距離下的照射量，找出照射量與距離平方成反比的那一段距離，在這段范圍S·R2=常數(shù)，標(biāo)定只能在這段距離范圍進(jìn)行。

第四，測量條件與標(biāo)定條件相一致：標(biāo)定儀器的標(biāo)準(zhǔn)輻射場應(yīng)盡量與使用儀器的現(xiàn)場輻射場相一致，這包括射線的能量、射線的入射方向、探測器的受照部位等。標(biāo)定時要選擇正常使用時的探測器方位進(jìn)行標(biāo)定，要測出在不同方位下儀器讀數(shù)的變化，以便估計出在現(xiàn)場使用時由于方位不同可能帶來的誤差。通過測定在不同能量下的能量響應(yīng)，找出儀器合適的能量范圍，可減少因能量變化帶來的誤差。個人佩戴的個人劑量計最好是在人體模型上標(biāo)定，這樣就能考慮了人體對輻射產(chǎn)生的散射對輻射能譜和強(qiáng)度的影響?？傊藴y量儀器也包括劑量儀器，對幾何參數(shù)和電氣參數(shù)都很敏感，應(yīng)遵循在什么條件下標(biāo)定的就應(yīng)在什么條件下測量和使用。

第五，高能γ標(biāo)準(zhǔn)源：放射性核素γ源的能量一般都在3MeV以下，在通常情況下，與同位素γ源標(biāo)定儀器完全能滿足要求。在特殊情況下，如反應(yīng)堆都有高能γ射線產(chǎn)生，因此堆用劑量儀器對高能γ射線的能量響應(yīng)是很重要的，需采取特殊方法獲取高能γ射線作為標(biāo)定用源。

2　標(biāo)準(zhǔn)儀器方法

標(biāo)準(zhǔn)儀器是指用基準(zhǔn)儀器準(zhǔn)確刻度過的劑量儀器。利用標(biāo)準(zhǔn)儀器測出未知輻射場的劑量分布，將所關(guān)心的各點(diǎn)的劑量當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)劑量值，對待定儀器進(jìn)行比對標(biāo)定。

作為標(biāo)準(zhǔn)儀器的標(biāo)定基準(zhǔn)，應(yīng)能直接測量出照射量。標(biāo)準(zhǔn)自由空氣電離室就是根據(jù)照射量的定義而制作的一種精度很高的儀器設(shè)備，它能直接給出照射量的絕對值，最適合標(biāo)定能量在幾百keV以下的X或γ輻射場，用這種設(shè)備標(biāo)定過的劑量儀器就可作為標(biāo)準(zhǔn)儀器。由于自由空氣電離室體積較大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，一般只用在國家計量部門和大型基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室。

標(biāo)準(zhǔn)儀器法很適合X輻射場劑量儀器的標(biāo)定。X射線機(jī)的管電壓決定X射線的能量，管電流決定X射線的強(qiáng)度。X射線的能量是連續(xù)的，為減少人體深表劑量，常在機(jī)頭加過濾片，濾掉軟成分，使X射線能譜硬化。標(biāo)定時，為改變照射率，可改變管電流和焦距，焦距是指劑量探測器的幾何中心到X射線機(jī)焦斑（即靶處）的實(shí)際距離。用X射線標(biāo)定劑量儀器，通常是借助標(biāo)準(zhǔn)儀器，在離X射線機(jī)焦斑一定距離處中心軸向?qū)ΨQ同時放置標(biāo)準(zhǔn)儀器和待定儀器如圖1所示。

圖1　X射線對比標(biāo)定示意圖Fig.1 Contrast calibration diagram of X ray

在中心軸向等距離放置標(biāo)準(zhǔn)儀器和待定儀器，這兩處的劑量是相等的，通過標(biāo)準(zhǔn)儀器的示數(shù)就可通過比對進(jìn)行標(biāo)定。通過改變管電流或距離就可得出不同的照射量，從而完成劑量儀器的標(biāo)定。

利用標(biāo)準(zhǔn)儀器方法標(biāo)定劑量儀器也應(yīng)注意以下問題：

第一，準(zhǔn)直：為獲得均勻輻射場，減小散射、泄漏X射線的影響，使兩臺儀器受到相同的照射，可在中心軸線上放置一梯形屏蔽筒。

第二，X射線輸出量監(jiān)測：若輻射場不夠均勻和不能或不允許同時放置兩個劑量探測器時，就得先后分別放置并分別測量和比較。為保證先后兩次放置的照射量相同，還需要用另外的儀器來監(jiān)測X射線的輸出量。在先后調(diào)換兩個劑量探頭時，最好采用遙控定位設(shè)備在不停機(jī)的情況下自動進(jìn)行，這樣不僅可使工作人員免受過多的劑量，還可節(jié)省時間，有助于保持X射線輸出機(jī)的穩(wěn)定。

第三，聯(lián)動調(diào)節(jié)管電流：改變管電流可改變X射線的強(qiáng)度，即改變照射量，但是改變管電流也會引起管電壓的變化，為保持X射線能譜不變，也要相應(yīng)微調(diào)管電壓。

第四，低能X射線源：對光子能量小于100keV的輻射，有時可采用熒光輻射作為一種單位低能光子標(biāo)定儀器。采用X射線活地能γ射線打在不同核素上可產(chǎn)生不同能量的特征X射線。

3　結(jié)語

在實(shí)際的使用過程中，利用標(biāo)準(zhǔn)源法和標(biāo)準(zhǔn)儀器法都能很好地實(shí)現(xiàn)輻射劑量儀的劑量標(biāo)定，筆者結(jié)合實(shí)際應(yīng)用對兩種方法使用過程中的注意事項(xiàng)進(jìn)行分析討論，在實(shí)驗(yàn)室采用鐳源作標(biāo)準(zhǔn)源對研制的GM管輻射劑量儀器進(jìn)行標(biāo)定，獲得了滿意效果，標(biāo)定誤差小于10%。

［1］ 王國榮，李巖，馬永和，等.G-M計數(shù)管用作輻射劑量測量應(yīng)解決的問題［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2011，31（9）：1014-1017.

［2］ 王玲，韓剛，楊磊，等.G-M計數(shù)管能量響應(yīng)的蒙特卡羅模擬及優(yōu)化設(shè)計［J］.核電子學(xué)與探測技術(shù)，2011，31（1）：44-47.

［3］復(fù)旦大學(xué).原子核物理實(shí)驗(yàn)方法（上、下冊）［M］.北京:原子能出版社，1982.

Method and precautions of calibration of radiation dose meter based on GM counting tube

ZHAOXiao-wen1，2，JIANGCong-jie3
（1.Technical Physics Institute ofHeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150086，China；2.Institute ofAdvanced Technology，HeilongjiangAcademyofSciences，Harbin 150020，China；3.No.49 Research Institute ofChina Electronics TechnologyGroup Corporation，Harbin 150010，China）

In this paper，the method and precautions of calibration of radiation dose meter based on GMcounting tube are introduced，the considerations in the calibration process are analyzed and the issues of over response compensation of energy are also discussed.In the laboratory，radium sources is used as a standard source for the development of GMtube instrument calibration radiation dose to obtain satisfactory results and the calibration error is less than 10%.

G-Mcountingtube；Exposure；Calibration；Energyresponse

TL811+.3

A

1674-8646（2015）04-0056-03

2015-04-10

趙孝文（1977-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，副研究員，從事核電子學(xué)與過程控控制研究。