/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

依據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程JJG 478-2016《α、β表面污染儀》規(guī)定的檢定方法，通過(guò)對(duì)輻射防護(hù)領(lǐng)域常見(jiàn)的幾種型號(hào)的表面污染儀的主要計(jì)量性能參數(shù)的綜合分析，針對(duì)影響表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)測(cè)量準(zhǔn)確性的因素，如探測(cè)器窗的材料和厚度及保護(hù)柵網(wǎng)阻擋率、探測(cè)距離、儀器的死時(shí)間修正等進(jìn)行深入研究，得到了各因素對(duì)表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)的影響規(guī)律，并提出克服影響因素的有效方法。旨在為α、β表面污染儀在環(huán)境放射性監(jiān)測(cè)中提供一定的技術(shù)支持，保障監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)為α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源，技術(shù)性能參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)JJG 478-2016中對(duì)計(jì)量性能的技術(shù)要求，在測(cè)量表面發(fā)射率響應(yīng)時(shí)，探測(cè)器窗距離α和β標(biāo)準(zhǔn)平面源表面分別為5 mm和10 mm，通過(guò)固定距離d= 5 mm 和d= 10 mm 的專(zhuān)用源托支架分別控制探測(cè)器窗與α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源之間的距離。實(shí)驗(yàn)選取了11臺(tái)閃爍體探測(cè)器型和10臺(tái)GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器型的表面污染儀，其型號(hào)、生產(chǎn)廠商和對(duì)應(yīng)數(shù)量見(jiàn)表2。

1.2 表面發(fā)射率響應(yīng)的測(cè)量方法

表面污染儀的計(jì)量性能參數(shù)依據(jù)JJG 478-2016的規(guī)定進(jìn)行測(cè)量，主要的測(cè)量參數(shù)為表面發(fā)射率響應(yīng)。開(kāi)機(jī)后，待表面污染儀預(yù)熱10 min示值穩(wěn)定后進(jìn)行本底測(cè)量。將探測(cè)器窗口覆蓋于距離固定的專(zhuān)用源托支架上，用同一核素系列標(biāo)準(zhǔn)平面源，按不同表面發(fā)射率由弱至強(qiáng)依次測(cè)量并記錄表面污染儀示值。取五次示值的平均值扣除本底作為凈計(jì)數(shù)率n。用表面污染儀分別測(cè)量至少三組相鄰量級(jí)的i系列標(biāo)準(zhǔn)平面源Rij，取平均值Ri：

表1 α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源的技術(shù)性能參數(shù)

表2 實(shí)驗(yàn)用表面污染儀的型號(hào)和數(shù)量

式中：Rij—— 被檢定儀器對(duì)i系列標(biāo)準(zhǔn)平面源中第j個(gè)源的表面發(fā)射率響應(yīng)，無(wú)量綱；

—— 被檢定儀器對(duì)i系列標(biāo)準(zhǔn)平面源中第j個(gè)源的示值平均值，s-1；

Nib—— 被檢定儀器對(duì)i放射性的本底計(jì)數(shù)率，s-1；

Nib—— 被檢定儀器對(duì)i放射性的本底計(jì)數(shù)率，s-1；

綜合分析國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀不難發(fā)現(xiàn)，伴隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，各大教育機(jī)構(gòu)與高等院校逐漸開(kāi)始應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)了解受教育者的個(gè)性化需求、評(píng)估講師的教學(xué)質(zhì)量與水平、調(diào)整學(xué)習(xí)知識(shí)方法與技巧。此外，基于大數(shù)據(jù)分析的個(gè)性化評(píng)估結(jié)果，各教育研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始著手預(yù)測(cè)學(xué)生未來(lái)的學(xué)習(xí)態(tài)度與學(xué)習(xí)成效、檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)投入度、情感、學(xué)習(xí)策略等，從而讓教師和教學(xué)研發(fā)人員能夠根據(jù)學(xué)生評(píng)估結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整教學(xué)策略，改進(jìn)教學(xué)課程，更好地達(dá)成有效教學(xué)的目的[5-6]。

qijs——i系列標(biāo)準(zhǔn)平面源中第j個(gè)源與探測(cè)器窗對(duì)應(yīng)面積上的表面發(fā)射率，s-1

2 結(jié)果與分析

2.1 表面發(fā)射率響應(yīng)的測(cè)量結(jié)果

圖1 21臺(tái)表面污染儀測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

按照上述方法，對(duì)六種不同廠家、型號(hào)的表面污染儀共21臺(tái)，進(jìn)行了表面發(fā)射率響應(yīng)等的測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示：21臺(tái)表面污染儀的計(jì)數(shù)重復(fù)性均低于10%，其表面發(fā)射率響應(yīng)的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1。

測(cè)量α系列標(biāo)準(zhǔn)平面源時(shí)，閃爍體探測(cè)器型（編號(hào)1～11）的表面發(fā)射率響應(yīng)均值在0.30左右，GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器型（編號(hào)12～21）的表面發(fā)射率響應(yīng)基本達(dá)到≥0.20，僅一臺(tái)表面污染儀α表面發(fā)射率響應(yīng)結(jié)果＜0.20，不符合JJG 478-2016對(duì)α表面發(fā)射率響應(yīng)的計(jì)量技術(shù)要求。測(cè)量β系列標(biāo)準(zhǔn)平面源時(shí)，有17臺(tái)表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)為40%～60%，4臺(tái)為20%～40%，全部符合JJG 478-2016對(duì)β表面發(fā)射率響應(yīng)≥0.15的計(jì)量技術(shù)要求。

2.2 結(jié)果分析

探測(cè)器窗的材料和厚度及保護(hù)柵網(wǎng)阻擋率對(duì)表面發(fā)射率響應(yīng)的影響。

表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)與探測(cè)器窗的材料和厚度密切相關(guān)，且為了防止探測(cè)器薄窗污染或破損，在探測(cè)器窗口外側(cè)均覆蓋著一層防護(hù)金屬柵格網(wǎng)，α、β射線要進(jìn)入靈敏體就必須穿過(guò)該區(qū)域。圖1顯示不同型號(hào)的表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)存在明顯的差異，其中，GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器型表面污染儀對(duì)α系列標(biāo)準(zhǔn)平面源的表面發(fā)射率響應(yīng)普遍低于閃爍體探測(cè)器型。GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器型表面污染儀多采用云母窗，因?yàn)樵颇复芭c金屬外殼的GM計(jì)數(shù)管相比具有更高的靈敏度。表3為部分表面污染儀的探測(cè)器窗材質(zhì)及厚度，云母窗的厚度一般在1.5～2.0 mg/cm2，而閃爍體探測(cè)器型的表面污染儀窗口多采用不透光的鋁涂層薄膜覆蓋，厚度較薄。另外，在探測(cè)器窗口下方均覆蓋的防護(hù)金屬柵格網(wǎng)，對(duì)閃爍體探測(cè)器型的表面污染儀阻擋率不到20%，而GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器型窗口的柵格網(wǎng)較為密集，阻擋率較高，穿透能力弱的α射線容易被阻攔，使用云母作為輸入窗口的GM計(jì)數(shù)管探測(cè)器型表面污染儀響應(yīng)會(huì)略低于閃爍體探測(cè)器型表面污染儀。建議使用云母窗表面污染儀的α表面發(fā)射率響應(yīng)低于0.20時(shí)，可以考慮更換阻擋率較低的保護(hù)柵格網(wǎng)。

表3 表面污染儀的探測(cè)器窗材質(zhì)及厚度

2.3 探測(cè)距離對(duì)表面發(fā)射率響應(yīng)的影響

目前市場(chǎng)上的表面污染儀型號(hào)眾多，探測(cè)器窗表面到探頭邊框的距離各異，有必要探究表面發(fā)射率響應(yīng)隨探測(cè)距離變化的規(guī)律。陸小軍等[5]已研究了三種α、β表面污染儀在5 mm和10 mm作為參考點(diǎn)，距離偏差±2 mm范圍內(nèi)測(cè)量一組α、β標(biāo)準(zhǔn)平面源的表面活度響應(yīng)變化規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)不同固定距離的專(zhuān)用源托支架來(lái)改變探測(cè)器離源的距離，記錄表面污染儀對(duì)同一核素系列源不同源強(qiáng)度，其表面發(fā)射率響應(yīng)隨探測(cè)距離變化的規(guī)律，得到了CoMo170和LB124兩種型號(hào)的表面污染儀對(duì)四組α、β系列標(biāo)準(zhǔn)平面源表面發(fā)射率響應(yīng)Rj與距離d的平方的關(guān)系曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 CoMo170表面發(fā)射率響應(yīng)Ri與距離d的平方的關(guān)系曲線

圖3 LB124表面發(fā)射率響應(yīng)Ri與距離d的平方的關(guān)系曲線

從圖2、圖3可以看出，表面發(fā)射率響應(yīng)是隨探測(cè)器離源的距離的增大而減小的，表面發(fā)射率響應(yīng)Ri與探測(cè)距離d的平方呈反比關(guān)系。圖2、圖3均顯示了隨著探測(cè)距離的增加，α表面發(fā)射率響應(yīng)比β表面發(fā)射率響應(yīng)下降得更多，這與陸小軍的測(cè)量結(jié)果一致，是由于α射線射程短，導(dǎo)致在測(cè)量過(guò)程中α表面發(fā)射率響應(yīng)的距離偏差影響更加明顯。隨著α系列標(biāo)準(zhǔn)平面源表面發(fā)射率的增大，CoMo170表面發(fā)射率響應(yīng)Ri降低，且離源距離越近下降的幅度越大。而LB124在測(cè)量β系列標(biāo)準(zhǔn)平面源時(shí)，表面發(fā)射率響應(yīng)Ri隨平面源表面發(fā)射率的增大而增大，且離源距離越近增大的幅度越大，探測(cè)距離的變化對(duì)表面發(fā)射率響應(yīng)的相對(duì)固有誤差也會(huì)產(chǎn)生影響。因此，在計(jì)量檢定過(guò)程中須對(duì)探測(cè)距離準(zhǔn)確把控，保證各類(lèi)表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)值測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。

另外，對(duì)比圖2與圖3中CoMo170和LB124的表面發(fā)射率響應(yīng)可以發(fā)現(xiàn)，LB124的α表面發(fā)射率響應(yīng)始終低于CoMo170。一般為了避免表面污染儀的探測(cè)器窗在使用過(guò)程中遭受放射性核素的污染或者破壞，會(huì)在探測(cè)器窗保護(hù)柵網(wǎng)外側(cè)加邊框墊腳，LB124的邊框墊腳厚度約5 mm，高于CoMo170。儀器使用人員在測(cè)量期間的幾何條件需與儀器檢定校準(zhǔn)期間所采用的幾何條件盡可能保持一致，否則直接使用表面發(fā)射率響應(yīng)換算表面污染的測(cè)量結(jié)果可能導(dǎo)致測(cè)量誤差。因此，在確定表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)時(shí)，應(yīng)說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)平面源表面至探測(cè)器窗保護(hù)柵格網(wǎng)的距離。

2.4 儀器死時(shí)間修正對(duì)表面發(fā)射率響應(yīng)的影響

所有射線的測(cè)量均存在死時(shí)間，這是由于探測(cè)器的電子學(xué)線路處理每個(gè)進(jìn)入的射線時(shí)均需一定的響應(yīng)時(shí)間[6]。假設(shè)在前一個(gè)進(jìn)入探測(cè)窗的射線引起計(jì)數(shù)后的死時(shí)間τ內(nèi)，下一個(gè)進(jìn)入的射線未被處理引起計(jì)數(shù)，即為死時(shí)間效應(yīng)。一般探測(cè)器設(shè)計(jì)人員會(huì)在強(qiáng)放射性測(cè)量時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行死時(shí)間修正[7]：

式中：N0—— 修正后計(jì)數(shù)率，s-1；

N—— 實(shí)際測(cè)量計(jì)數(shù)率，s-1

那么，儀器的表面發(fā)射率響應(yīng)R0可表示為

式中：R0—— 常數(shù)；

S—— 平面源的表面發(fā)射率，s-1

圖1中CoMo170和LB124相對(duì)固有誤差的測(cè)量結(jié)果顯示：CoMo170測(cè)量α射線和LB124測(cè)量β射線時(shí)，它們的表面發(fā)射率響應(yīng)相對(duì)固有誤差絕對(duì)值普遍在20%左右，略高于其他型號(hào)，但該性能指標(biāo)仍滿足計(jì)量檢定規(guī)程的計(jì)量性能技術(shù)要求。而從圖2、圖3中可以發(fā)現(xiàn)，CoMo170測(cè)量α射線表現(xiàn)出的非線性，主要是在測(cè)量表面發(fā)射率較高的α標(biāo)準(zhǔn)平面源（如本次使用的8.7E+5/min·2π sr）時(shí)，CoMo170表面發(fā)射率響應(yīng)相比低量級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)平面源較小，說(shuō)明在測(cè)量強(qiáng)放射性平面源時(shí)，發(fā)生了計(jì)數(shù)損失，使表面發(fā)射率響應(yīng)偏低。LB124在測(cè)量β射線表現(xiàn)出的非線性，主要是在測(cè)量表面發(fā)射率較高的β標(biāo)準(zhǔn)平面源（如本次使用的8.4E+5/min·2π sr）時(shí)，表面發(fā)射率響應(yīng)相比低量級(jí)的平面源偏高，有可能是死時(shí)間修正造成測(cè)量結(jié)果的誤差。因此，有必要探究是否存在死時(shí)間修正對(duì)表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)的影響。

假設(shè)表面污染儀已修正的死時(shí)間為τ'，實(shí)際死時(shí)間為τ，將死時(shí)間修正偏差 代入式（3）中，則：

通過(guò)測(cè)量多組已知源強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)平面源單位時(shí)間內(nèi)的凈計(jì)數(shù)率，根據(jù)平面源的表面發(fā)射率Sj和死時(shí)間偏差Δτ的關(guān)系，式（4）轉(zhuǎn)化為

式中：Rj—— 表面污染儀對(duì)各組標(biāo)準(zhǔn)平面源實(shí)際測(cè)量的表面發(fā)射率響應(yīng)

圖4 標(biāo)準(zhǔn)平面源表面發(fā)射率Sj與CoMo170表面發(fā)射率響應(yīng)的倒數(shù)1/Rj的擬合線性曲線

采用編號(hào)4～11的CoMo170和LB124兩種型號(hào)的表面污染儀分別測(cè)量三組α、β系列標(biāo)準(zhǔn)平面源，根據(jù)式（1）得到表面發(fā)射率響應(yīng)，采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，分析與討論儀器死時(shí)間修正對(duì)表面發(fā)射率響應(yīng)帶來(lái)的影響。圖4、圖5顯示了CoMo170和LB124這兩種表面污染儀測(cè)量三組α、β系列標(biāo)準(zhǔn)平面源，得到標(biāo)準(zhǔn)平面源表面發(fā)射率響應(yīng)Sj與表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)的倒數(shù)1/Rj的線性關(guān)系曲線，經(jīng)計(jì)算得到CoMo170和LB124的死時(shí)間修正偏差見(jiàn)表4。

表4 通過(guò)多源法測(cè)得的死時(shí)間修正偏差Δτ

圖2、圖3中隨著平面源表面發(fā)射率的增大，CoMo170和LB124表面發(fā)射率響應(yīng)Ri與距離d的平方的關(guān)系曲線逐漸偏離原來(lái)反比例關(guān)系，與表4的死時(shí)間修正偏差結(jié)果符合。圖4（b）中CoMo170測(cè)量β射線得到的擬合曲線基本平行于x軸，根據(jù)測(cè)量結(jié)果擬合得到的死時(shí)間修正偏差只有1～6 μs，因其產(chǎn)生的漏計(jì)現(xiàn)象對(duì)表面發(fā)射率響應(yīng)的影響較小，與圖5（a）中LB124在測(cè)量α射線時(shí)的擬合結(jié)果相同。根據(jù)表4可知，CoMo170測(cè)量α射線的死時(shí)間偏差范圍在70～80 μs，遠(yuǎn)高于測(cè)量β射線的死時(shí)間偏差，因此，隨著源強(qiáng)度的增大，表面污染儀對(duì)α射線的計(jì)數(shù)損失過(guò)大，α表面發(fā)射率響應(yīng)逐漸降低。圖5（b）中LB124的情況正好與之相反，隨著源強(qiáng)度的增加，β射線的表面發(fā)射率響應(yīng)逐漸增大，擬合得到測(cè)量β射線的死時(shí)間偏差為-50～-30 μs，由于測(cè)量系統(tǒng)的死時(shí)間經(jīng)過(guò)修正，導(dǎo)致β表面發(fā)射率響應(yīng)隨著源強(qiáng)的增大而逐漸增大。

因此，被測(cè)源強(qiáng)度較高時(shí)需考慮儀器死時(shí)間效應(yīng)或死時(shí)間修正帶來(lái)的計(jì)數(shù)誤差，建議表面污染儀在合適的量程范圍內(nèi)使用。如果僅作為常規(guī)表面污染的測(cè)量，表面污染儀符合檢定規(guī)程規(guī)定的計(jì)量性能技術(shù)要求即可。如果測(cè)量人員需要準(zhǔn)確測(cè)量表面污染的放射性量值，使用檢定或校準(zhǔn)α、β系列標(biāo)準(zhǔn)平面源得到的表面發(fā)射率響應(yīng)平均值進(jìn)行量值換算，可能會(huì)使表面污染的測(cè)量值失準(zhǔn)，建議使用每個(gè)檢定測(cè)量點(diǎn)或者表面發(fā)射率范圍給出的表面發(fā)射率響應(yīng)值。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)平面源表面發(fā)射率Sj與LB124表面發(fā)射率響應(yīng)的倒數(shù)1/Rj的擬合線性曲線

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合六款不同型號(hào)表面污染儀的主要計(jì)量性能參數(shù)的測(cè)量結(jié)果，綜合分析了探測(cè)器窗的材料和厚度及保護(hù)柵網(wǎng)阻攔率、探測(cè)距離和死時(shí)間修正等因素對(duì)表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)的影響。結(jié)果表明：1）不同規(guī)格型號(hào)的表面污染儀探測(cè)器窗的材料和厚度不同，導(dǎo)致表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)存在明顯差異。探測(cè)器窗保護(hù)柵格網(wǎng)的阻攔率直接影響穿透能力較弱的α射線探測(cè)效率，當(dāng)表面污染儀表面發(fā)射率響應(yīng)較低時(shí)，需考慮更換阻擋率較低的保護(hù)柵格網(wǎng)。2）表面發(fā)射率響應(yīng)是隨探測(cè)器窗離源的距離的增大而減小的，表面發(fā)射率響應(yīng)Ri與探測(cè)距離d的平方呈反比關(guān)系。在確定表面污染儀的表面發(fā)射率響應(yīng)時(shí)，應(yīng)說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)平面源表面與探測(cè)器窗保護(hù)柵格網(wǎng)之間的距離。3）儀器死時(shí)間修正偏差達(dá)到幾十微秒時(shí)，可能導(dǎo)致表面發(fā)射率響應(yīng)相對(duì)固有誤差≥20%，雖然仍然符合表面污染儀檢定規(guī)程的技術(shù)要求，但如果使用人員需要準(zhǔn)確測(cè)量表面污染較高的放射性活度值，建議表面污染儀示值使用對(duì)應(yīng)檢定測(cè)量點(diǎn)的表面發(fā)射率響應(yīng)值進(jìn)行修正。希望本研究的內(nèi)容能讓使用表面污染儀測(cè)量的工作人員，對(duì)表面發(fā)射率響應(yīng)的相關(guān)測(cè)量影響因素引起足夠的重視，同時(shí)為表面污染儀的檢定校準(zhǔn)工作提供技術(shù)參考。