固定式中子劑量儀器現場標校方法研究

呂 寧，過惠平，尚愛國，周 城，呂金旭，趙 括，魏志浩，呂汶輝，劉 洋，李大吉，王 凱

(1.火箭軍工程大學，西安 710025； 2.中國人民解放軍96942部隊，北京 102200； 3.中國人民解放軍92609 部隊，北京 100077； 4.西安冠能中子探測技術有限公司，西安 710123； 5.中國人民解放軍96605 部隊，沈陽 110000； 6.中國人民解放軍96035 部隊，吉林 通化 134000)

民用、軍用核設施內部及周圍安放有大量的固定式中子劑量儀器，用于實時監測工作環境中子輻射水平[1]。根據《中華人民共和國強制檢定的工作計量器具檢定管理辦法》和《中華人民共和國國家計量檢定規程：中子周圍劑量當量(率)儀》(JJG 852—2006)等規定，中子劑量儀器定期標校時間應不超過12個月；按照“計量檢定規程”進行中子劑量儀器標校的目的是獲取儀器“校準系數”這一重要指標。

通常，中子劑量儀器校準在國家標準計量檢定中心進行，但這些固定式中子探頭數量多，處于分布式實時監控狀態，將探頭頻繁拆卸移至標準實驗室運輸量較大、運輸過程中會增加儀器出現故障的概率；更重要的是，探頭外送檢定使核設施現場輻射環境處于“失管”狀態，影響了監測測數據記錄的連續性。

本文探索了一種針對固定式中子劑量儀器進行現場標校的方法，無須拆卸探頭，在中子探頭在線監測的狀態下進行標校。該方法以國家計量檢定規程為基礎，依據“相對標校法”原理，采用中子管在標校現場構建輻射場；通過待校準儀器與參考儀器的響應比對，初步得到待校準儀器的“校準系數”；再對其進行能量修正，包括儀器能量響應修正、注量-劑量轉換因子修正。

1 固定式中子劑量儀器的現場標校

固定式中子劑量儀器的現場標校，首先需要依托現場標校系統完成固定式中子劑量儀器的線性范圍測試及校準系數獲取；然后依據核設施現場中子能譜的特點對校準系數進行能量修正。

1.1 線性范圍測試及校準系數獲取

1.1.1儀器設備

依據“相對標校法”原理，待校準中子劑量儀器的線性范圍測試及校準系數獲取，需要在高于環境本底的中子輻射場內，在相同的測試條件下，通過與參考儀器進行響應比對來實現。

(1)小型可控中子源

使用小型可控中子源在核設施現場構建高于環境本底的中子輻射場。小型可控中子源包括GN40型氘氘(DD)中子管和與之配套的驅動盒、陽極電源箱、高壓控制箱、離子源控制箱。相對于同位素中子源，小型可控中子源在中子管不加電時，沒有中子輻射產生，避免了同位素中子源在攜帶、移動、保管過程中對人員、環境的輻射危害，減少了從事電離輻射計量工作的受照劑量。

通過調節中子管的靶壓與陽流控制GN40型DD中子管出射中子束流的大小，在一定距離下，可產生中子周圍劑量當量率范圍為10 nSv·h-1～40 μSv·h-1的線性可控中子輻射場，跨4個數量級，能夠覆蓋一般核設施現場中子周圍劑量當量率水平。經實際測定，以中子管為中心、軸向向前為0°的各角度出射中子注量率水平如圖1所示，中子管±30°范圍內出射中子注量率與0°相比，偏差在0.8%以內，對稱性好。這是GN40型DD中子管及配套設備可用作現場標校激勵源的前提和保證。

圖1 中子管出射中子注量率角分布

(2)參考儀器

首選與核設施內部或周圍布放的固定式中子劑量儀器同類型的儀器——如HANM型高靈敏度中子監測儀，按照國家計量檢定規程檢定合格，作為現場標校比對用的參考儀器[2-3]。

參考儀器在中國原子能科學研究院電離輻射國防一級計量站進行校準。Cf-252中子源活度為1.46×107/s，分別在距源100 cm、130 cm、160 cm處測量周圍劑量當量率值MA1，使用影錐扣除散射MA2后，與該標準輻射場的約定真值H*(10)相比，按照公式(1)得到每一距離下的校準系數:

(1)

對3個距離下的校準系數取平均：

(2)

得到參考儀器的劑量校準系數NA為1.143。

1.1.2方法及試驗

在校準現場，將待校準儀器與參考儀器(同為HANM型)呈空間幾何對稱置于中子管出射軸線方向兩側，中子管距離兩臺儀器1.5 m左右；兩臺儀器距離盡可能接近，分別與中子管軸線夾角小于30°，以減小角響應差異，如圖2所示。待標校儀器與參考儀器的響應示數由攝像頭傳回控制間；標校現場與控制間的儀器通過長線相連接。

幾何對稱的空間擺放保證了參考儀器與待校準儀器處于相同能譜的中子輻射場內；同類型儀器保證了能量響應曲線的一致性。待校準儀器的校準系數NB為：

圖2 中子劑量儀器現場標校系統框圖

(3)

式中，中子管出射中子時，MA為參考儀器的劑量率響應示數；MB為待校準儀器的劑量率響應示數；NA為參考儀器在國家一級計量站標準輻射場內校準獲得的校準系數。其中，MA/MB反映的是由于中子探測器中工作氣體氣壓不同、后續核電子學電路死時間、閾值等差異導致的探測效率不同，是探測裝置本身的物理屬性，與所測量輻射場的中子能量分布無關。由于NA為劑量校準系數，則NB亦為劑量校準系數，但需注意，傳遞給NB的是對參考儀器校準時所在的國家標準計量檢定中心參考輻射場中子能譜響應特征。

試驗中，通過調節中子管的靶壓與陽流，產生跨4個數量級周圍劑量當量的中子輻射場。對比待校準儀器與參考儀器的劑量率響應，實驗結果如圖3所示。

圖3 參考儀器與待校準儀器示數比對

由圖3可知：R2為0.9998，說明待校準儀器的線性范圍能夠很好地跟隨參考儀器，并保持一致，能夠滿足需要；MA/MB=0.749，代入(3)，得到待校準儀器的劑量校準系數為：

NB=1.143 ×0.749 =0.856

(4)

1.2 對校準系數NB的能量修正

由于待校準儀器所獲得的劑量校準系數NB是通過參考儀器傳遞的國家標準計量檢定中心參考輻射場中子能譜響應特征，為了完成校準系數從國家標準計量檢定中心到核設施現場的傳遞，使其能夠準確響應核設施現場的中子能譜特征，需要對校準系數NB進行能量修正。

1.2.1原理

中子探測器的能量響應函數不平坦，中子監測儀器的計數率響應與中子能注量分布，即中子能譜有關；另外，中子注量向周圍劑量當量的轉換系數也強烈依賴于中子能量。對于以周圍劑量當量為輸出單位的中子監測儀器來說，待測輻射場的中子能譜差異將通過探測器的能量響應、中子注量向周圍劑量當量轉換兩個因素影響測量結果。因此，針對輻射場轉換、中子能譜改變所進行的儀器校準系數傳遞，也必須從探測器能量響應、中子注量向周圍劑量當量轉換兩個方面加以修正。

首先應該獲取中子監測儀器的能量響應函數，在已知儀器結構的前提下，可通過蒙特卡羅模擬方法獲取；條件允許的情況下，可以在單能中子線束上加以實驗驗證。以HANM型高靈敏度中子監測儀為例，中子探測器為直徑50 mm、有效長度310 mm的三氟化硼(BF3)正比計數管；慢化體為65 mm厚的圓柱體聚乙烯。中子能量在1.0×10-9MeV至1.0×10-1MeV之間，每個數量級選取一個中子能量點；1.0 MeV至16MeV之間，每間隔1 MeV選取一個中子能量點，運用Geant4 軟件模擬中子經聚乙烯慢化、與中子探測器相互作用的物理過程。模擬結果經擬合，得到HANM型中子監測儀的注量率響應曲線ε(E)，如圖4所示。

圖4 HANM型中子監測儀注量率響應曲線

HANM型中子監測儀的計數率:

(5)

式中，R(E)表示中子監測儀的計數率， s-1；φ(E)表示輻射場中各能量段中子注量率， cm-2·s-1；ε(E)表示中子監測儀的注量率響應，cm2；φT(E)表示輻射場中全能量段中子注量率，cm-2·s-1。

(6)

則計數率可表達為：

(7)

儀器顯示的實用量——周圍劑量當量率可由中子注量率轉換得來，中子注量-周圍劑量當量轉換系數hΦ如圖5所示[4]。

圖5 中子注量-周圍劑量當量轉換系數曲線

儀器所顯示的中子周圍劑量當量率：

(8)

式中，H*(10)表示中子劑量監測儀所測得的的周圍劑量當量率，pSv·s-1；hΦ(E)表示中子注量-周圍劑量當量轉換系數，pSv·cm2。

(9)

則儀器所顯示的中子周圍劑量當量率可表達為：

(10)

由(7)和(10)式，可得中子周圍劑量當量率與儀器計數率之間的關系：

(11)

定義儀器計數率向中子周圍劑量當量率的轉換因子為k：

(12)

k與中子能譜ΦE、響應曲線ε(E)、中子注量-周圍劑量當量轉換系數hΦ三者有關，其中，中子能譜ΦE起決定性作用。

將劑量校準系數NB裝訂到待校準儀器中，置于核設施現場進行環境中子劑量監測，能準確反應輻射場中子劑量水平的前提是：核設施現場具有與國家標準計量檢定中心參考輻射場相同的中子能譜，但這幾乎不可能。輻射場中子能譜的差異將導致裝訂有NB的待校準儀器不能夠準確反映核設施現場的中子劑量水平，需要對NB進行進一步的修正。

首先將待校準儀器的劑量校準系數NB除以kA進行能量解耦，得到待校準儀器的本征計數校準系數(NB/kA)，再乘以核設施現場中子能譜作用下的計數率向中子周圍劑量當量率轉換因子kB，得到中子劑量儀器的現場標校系數NB′，如(13)式所示:

(13)

其物理意義是：核設施現場中子劑量儀器標校過程中的輻射場中子能譜影響因素向國家標準計量檢定中心參考輻射場中子能譜影響因素的“歸一化”。為了進一步概括校準系數的修正因素，在公式(13)中，定義kε為待校準儀器的能量響應修正因子：

(14)

定義kΦ為待校準儀器的中子注量-周圍劑量當量轉換修正因子：

(15)

可見：對待校準儀器的劑量校準系數NB的能量修正因子包括儀器的能量響應修正因子和中子注量-周圍劑量當量轉換因子。

1.2.2試驗

由于傳遞校準系數的參考儀器是在電離輻射國家一級計量站Cf-252標準輻射場完成校準的，因此，可直接采用國標推薦的Cf-252標準輻射場中子注量-周圍劑量當量平均轉換系數[5]：

(16)

使用國標推薦的Cf-252能譜數據與圖4所示的HANM型中子監測儀注量率響應曲線，依據(6)式算得儀器的平均能量響應因子：

(17)

以Am-Be同位素中子源出射中子輻射場模擬核設施現場中子輻射場，Am-Be中子源產額為104·s-1量級。使用德國FST SENSORTECHNIK公司的REM500型多球中子譜儀測量Am-Be中子源輻射場能譜，該套多球中子譜儀采用英國Centronic 公司SP9型球形3He 正比計數器作為熱中子探測器，聚乙烯慢化球直徑從7.62 cm至30.48 cm不等，經德國標準計量機構PTB校準后投入使用。測得的全能段中子能譜，如圖6所示[6]。

依據(9)式算得中子注量向周圍劑量當量的平均轉換系數為：

(18)

使用圖6 現場中子源能譜與圖4 所示的HANM型中子監測儀注量率響應曲線，依據(6)式算得儀器能量響應平均因子：

(19)

將(16)～(19)式結果代入(13)式，得到待校準儀器修正后的校準系數：

(20)

圖6 現場中子源能譜

2 結果檢驗

待校準儀器測得Am-Be中子源輻射場中某點處的周圍劑量當量率為12.306 μSv·h-1；使用修正后的校準系數NB′對待校準儀器的測量結果進行校準，得到該點處的中子周圍劑量當量率為:

12.306 ×NB′=12.306 ×0.714=8.786 μSv·h-1

(21)

使用前文所述REM500型多球中子譜儀測量該點處的中子周圍劑量當量率，結果為9.002 μSv·h-1。校準結果與之相比，相對偏差為-2.4%。

若使用未加以能量修正的校準系數NB對待校準儀器的測量結果進行校準，得到該點處的中子周圍劑量當量率為:

12.306×NB=12.306 ×0.856=10.534 μSv·h-1

(22)

與多球中子譜儀測算結果相比，相對偏差為17.0%。

由文獻[1]可知，以核電站為代表的常見核設施環境中子能量范圍為熱中子～10 MeV，與試驗中Am-Be中子源輻射場的中子能量范圍一致，尤其是快中子部分，這也就是工程上常使用Am-Be中子源來模擬核設施環境中子輻射場的原因。同樣依據文獻[1]，核電站典型點位中子周圍劑量當量主要來源于100 keV～10 MeV能量段中子的貢獻，因此可以認為這一能量段也是固定式中子劑量儀器校準時主要的誤差貢獻段。將文獻[1]中典型點位的中子能譜與本文圖6相比較，發現本文試驗中Am-Be中子源輻射場100 keV～10 MeV能量段中子注量的份額要遠高于核電站典型點位，因此可以斷定：將本文的校準系數修正方法應用于核電站等常見核設施中固定式中子劑量儀器校準工作中，相對偏差的絕對值不會高于2.4%。

3 結論

本文探索了一種針對核設施中布設的固定式中子劑量儀器進行現場標校的方法，無須拆卸探頭，在中子探頭在線監測的狀態下即可完成標校。

該方法采用小型可控中子源——中子管在標校現場構建中子周圍劑量當量率范圍為10 nSv·h-1～40 μSv·h-1的線性可控中子輻射場，跨4個數量級，滿足通常條件下環境監測級中子劑量儀器的動態響應范圍。

固定式中子劑量儀器現場標校的過程可歸納為：首先，選擇一臺與核設施中固定式中子劑量儀器同類型的中子劑量儀器，經國家標準計量檢定中心參考輻射場校準后，作為后續現場標校的參考儀器，其劑量校準系數為NA；其次，在核設施現場，在對稱的幾何空間條件下，得到參考儀器與待校準儀器對中子管出射中子的響應之比MA/MB，連同NA得到NB；最后，為了完成參考儀器的周圍劑量當量校準系數從國家計量檢定中心(如Cf-252標準輻射場)到核設施現場的傳遞，必須針對核設施現場特定的中子輻射場，對校準系數NB進行能量響應修正，得到修正后的校準系數NB′，其中，能量修正因子包括：(1)儀器能量響應修正因子kε；(2)中子注量向中子周圍劑量當量轉換的修正因子kΦ。

試驗證明，使用未經修正的校準系數NB對待校準儀器的測量結果進行校準，周圍劑量當量率相對REM500型多球中子譜儀測量該點處的中子周圍劑量當量率偏差為17.0%；使用修正后的校準系數NB′對待校準儀器的測量結果進行校準，相對偏差為-2.4%，將本文的校準系數修正方法應用于核電站等常見核設施中固定式中子劑量儀器校準工作中，相對偏差不會超過該水平。可見，對中子周圍劑量當量率測量儀器的現場標校中，進行能量修正是必要的。