大面積表面污染測量儀主要性能測試與分析

張 菁，侯 磊，饒賢明，劉晉瑾，杜向陽，張 佳，喬敏娟

(1.山西中輻核儀器有限責任公司，太原 030006；2.中國輻射防護研究院，太原 030006；3.中核霞浦核電有限公司，福建 寧德 355100)

當前在核電、核燃料循環產業鏈等領域，存在放射性表面污染的風險，為保護工作人員免受輻射照射有害效應[1-2]，可使用便攜式表面污染測量設備來對工作人員手、腳及全身進行監測，進而達到防止污染擴散，保證工作人員安全，實現輻射防護最優化的目的。基于此，山西中輻核儀器有限責任公司自主研發了便攜式α、β大面積表面污染測量儀，儀器可應用于各類放射性表面污染場所的檢測。

為確保儀器測量的準確性和測量數據的可靠性，本文參照國際國內相關規定[3-4]，對大面積α、β表面污染測量儀器探測器的均勻性、探測效率、探測限、響應時間和溫度穩定性等主要性能進行了測試分析。

1 便攜式大面積表面污染測量儀

便攜式大面積、表面污染測量儀為山西中輻核儀器有限責任公司自主研發的一種大面積[5]表面污染測量儀，為一體式設計，有效探測面積為170 cm2。儀器采用靈敏層厚度為0.5 mm的復合塑料閃爍體探測器，可同時測量α、β射線，并分別顯示測量值。儀器由探測器單元、電子學單元和外殼構成，儀器結構如圖1所示。探測器單元包括網格、鋁膜、塑料閃爍體、光電倍增管、運放電路等。電子學單元包括顯示器、按鍵面板、鋰電池、主板電路、USB數據接口等。外殼材料選用ABS塑料。

圖1 儀器結構圖Fig.1 Structure diagram of the meter

本儀器的工作原理：探測器將收集到的射線轉換為電信號，經運放電路處理，用幅度甄別法將信號脈沖分為α和β兩道計數，分別送至單片機系統，經由算法處理后將測量結果發送到顯示屏。用戶還可通過按鍵設置儀器的測量參數。

2 性能測試與分析

對本文便攜式大面積表面污染測量儀測試依據JJG 478—2016 《α、β表面污染儀檢定規程》和 GB/T 5202—2008 《輻射防護儀器 α、β和α/β(β能量大于60 keV)污染測量儀與監測儀》。測試環境溫度為25 ℃左右，相對濕度為65%左右，測試實驗于中國輻射防護研究院校準實驗室內完成。測試過程中所用到的放射源列于表1。

表1 放射源列表Tab.1 Radioactive sources list

表1中，除2號源為直徑10 mm的點源外，其余源規格均為10 cm×15 cm的長方形面源。1號、2號、6號源的溯源機構為中國輻射防護研究院放射性計量站，3號源溯源機構為中國計量科學研究院，4號和5號源溯源機構為國防科技工業電離輻射一級計量站。

2.1 本底計數率

本底測量工作于中國輻射防護研究院校準實驗室完成，本底重復測量10次，每次測量時間為10 s，計算得α本底計數率平均值為0.1 s-1；β本底平均值為5.9 s-1。

2.2 表面發射率響應

分別用α、β系列標準面源測定大面積表面污染測量儀對α、β粒子的響應。測量時，采用10 cm×15 cm的長方形面源，放入專用源架內進行測試。依據標準JJG 478—2016[3]，用α源時，α標準平面源距探測器窗表面距離為5 mm；用β源時，β標準平面源距探測器窗表面距離為10 mm。對應每個放射源取10個計數率測量值(每秒1次)求平均值。α、β表面污染儀扣除本底后得到的凈計數，與探測器窗對應的標準平面源活性區域面積上表面發射率的商，即為被檢儀器的表面發射率響應。可由公式(1)計算得出，結果列于表2。

(1)

由表2可以可看，探測器對α、β源的表面發射率響應滿足標準JJG 478—2016中對于α粒子和β粒子表面發射率響應的技術要求。

表2 探測器表面發射率響應(測量時間：10 s)Tab.2 Surface emission rate response of meter ( measure time:10 s)

2.3 探測器的均勻性測試

探測器的均勻性表示單位面積上測量的數據可以在整個表面重復的一種性能，為了區分探測器單位面積對放射源表面發射率的響應的均勻性，可認為探測器是由許多相同表面積的部分組成[6,7]。均勻性定義為整個表面上各獨立部分的表面發射率響應的變異系數，每個小部分的面積應在10 cm2左右，分區如圖2所示。

圖2為探測器上均勻性測試的16個點位，使用表面發射率為72 s-1的90Sr-90Y點源，對16個點位分別進行5次重復測量，每次測量時間為10 s，點源距離探測器窗每個點位距離為10 mm。表3給出了16個點位β表面發射率響應的值。

圖2 探測器分區示意圖(單位：mm)Fig.2 Detector diagram (unit:mm)

表3 探測器均勻性測試結果Tab.3 Test results of uniformity

由表3可知，儀器各點位對90Sr-90Y表面發射率響應為35.8%～58.3%，探測器各部分表面發射率響應測量值標準偏差為5.8%，均勻性好于13.0%，與文獻[8]均勻性測試結果相當。

2.4 最低可探測下限

根據標準GB/T 5202—2008和JJG 478—2016，對特定核素的最低可探測下限DL的計算如式(2)所示：

(2)

式中，R0為本底計數率，見2.1節；t0為本底計數的預選時間，10 s；tb為測量的預選時間，10 s；k1-α為第一類誤差風險正態分布的分位數，k1-β為第二類誤差風險正態分布的分位數，置信度為95%時，選k1-α=k1-β=1.65；η是儀器的表面發射率響應；ε是平面源效率，根據JJG 478—2016，239Pu平面源取0.51，90Sr-90Y平面源取0.62，36Cl平面源取0.5；A為探測器靈敏面積，此處為170 cm2。

使用上述數據和表2中表面發射率響應數據，根據式(2)計算可得，儀器的最低可探測下限對α源239Pu為0.15 Bq/cm2，對β源90Sr-90Y(面源)為0.07 Bq/cm2，對β源36Cl為0.09 Bq/cm2。滿足標準GB/T 18871—2002[9]中關于工作場所的放射性表面污染控制水平的要求。

2.5 響應時間

根據標準GB/T 5202—2008[4]，響應時間按下述方法確定：被測污染突然發生變化時，如果儀器指示的輻射值增加，則指示值在7 s內達到式(3)的數值M；如果儀器指示的輻射減少，則在10 s內達到式(3)的數值M：

(3)

式中，Mi為儀器的初始指示值，Mf為儀器的最終指示值，M為時間響應判斷值。

根據標準 GB/T 5202—2008[4]，將正常工作的儀器放在帶源(90Sr-90Y面源)的源架上，儀器指示的輻射值增加，β計數率指示初始值為877.3 s-1，最終指示值為6 111.7 s-1，儀器指示值列于表4。由式(3)可知，M=5 588.2 s-1。由表4可以看出，指示值可在4 s內達到M值，時間響應<7 s。

表4 儀器時間響應指示值變化(1) (90Sr-90Y)Tab.4 Indicated values as contamination increasing(90Sr-90Y)

移除放射源時，儀器指示的輻射值減少，β計數率指示初始值為6 111.7 s-1，最終指示值為7.25 s-1，儀器指示值列于表5。計算得M=617.7 s-1。

表5 儀器時間響應指示值變化(2) (90Sr-90Y)Tab.5 Indicated values as contamination decreasing (90Sr-90Y)

由表5可以看出，指示值在4 s內可以達到M值，時間響應<10 s。

綜上所述，儀器整體時間響應<4 s，符合標準GB/T 5202—2008的規定。

2.6 溫度穩定性

根據標準GB/T 8993—1998[10]的規定，選擇儀器工作溫度為-10 ℃～40 ℃。本測試在環境試驗箱內進行，測量時間均為4 h，測試源為90Sr-90Y(面源)。儀器在每個極限溫度下(-10 ℃和40 ℃)至少保持4 h并在最后30 min內進行所要求參數的測量，每10 s記錄一次數據。測試結果列于表6。

表6 溫度穩定性測試表(測量時間：10 s)Tab.6 The test results of temperature stability (time:10 s)

由表6可知，儀器在40 ℃和-10 ℃時，本底計數率、β計數率與室溫條件下的計數率差異在-5.9%、5.1%之間，均在GB/T 5202—2008規定的40 ℃時指示值的變化限值為±7%和-10 ℃時指示值的變化限值為±20%的范圍內，說明儀器溫度穩定性符合標準要求。

3 結論

本工作對大面積表面污染測量儀表面發射率響應的均勻性、最低可探測下限、時間響應和溫度穩定性等各項指標進行了測試與分析。結果表明，該儀器的表面發射率響應均勻性良好；最低可探測下限對α源239Pu為0.15 Bq/cm2，對β源90Sr-90Y為0.07 Bq/cm2，對β源36Cl為0.09 Bq/cm2，滿足標準GB/T 18871—2002關于放射性表面污染控制水平的要求；響應時間小于4 s，符合GB/T 5202—2008標準的規定；極限溫度條件下，儀器測量數值變化范圍在-5.9%到5.1%之間，滿足標準GB/T 5202—2008要求，儀器可在極限溫度下正常工作。