固定式环境γ辐射剂量率仪现场校准技术

高 飞，肖雪夫，倪 宁

（中国原子能科学研究院计量测试部，北京 102413）

固定式环境γ辐射剂量率仪现场校准技术

高 飞，肖雪夫，倪 宁

（中国原子能科学研究院计量测试部，北京 102413）

固定式环境γ辐射剂量率仪是承担环境连续监测任务的主要设备，不便于拆卸送往计量实验室进行校准检定，且送检周期较长，影响连续监测点数据的连续性。为按期校准固定式仪表，本文结合蒙特卡罗方法研制了能量补偿型高气压电离室和便携式137Cs照射装置，利用天然本底辐射（陆地γ射线和宇宙射线）和便携式照射装置产生的137Csγ射线参考辐射对固定式环境γ辐射剂量率监测仪表开展现场校准实验。结果表明，采用环境比对和现场照射的方法能较好地解决固定式环境γ辐射剂量率仪的校准问题，现场所得校准因子与标准实验室中校准因子的相对偏差小于5%。

现场校准；高气压电离室；便携式137Cs照射装置；蒙特卡罗

随着核能利用规模的不断扩大及核技术利用领域的拓展，为加强管理，实现环境常规γ辐射连续监测、核事故早期预警及核事故的应急监测，我国相关部门在全国相继建立了150多个全天候连续运行的环境辐射监测站，并在核电站反应堆、研究型核反应堆和实验快堆等大型核设施周围均建立了辐射连续监测系统。此类辐射监测仪表大多固定于现场，不便于拆卸和定期送检。本文通过蒙特卡罗模拟和实验方法详细研究高气压电离室对宇宙射线和陆地γ射线的响应特性，研制能量补偿型高气压电离室作为量值传递仪表（标准仪器），建立利用天然本底作为参考辐射场对现场仪表进行比对校准的技术，并研制一台便携式137Cs照射装置，解决固定式环境辐射监测仪表本底辐射水平的现场校准技术问题。

1 标准仪器研制

高气压电离室因具有自身本底低、稳定性好和精度高等优点，是国内外环境辐射监测活动中最常用的仪器。美国原子能委员会保健与安全实验室已将壁厚为3mm、内充2.5× 106Pa氩气的高气压电离室作为环境测量的标准电离室［1］。用于现场校准的标准仪器需对低能γ辐射，如131I（80.183keV）、136Cs（66.91keV）和133Xe（80.997keV）具有足够响应，因此在使用过程中电离室能量探测下限应达60keV，并要求标准仪器在0.06～1.5MeV之间的响应因子与137Cs的响应因子的相对偏差S在30%以内，以满足国家计量检定规程JJG 521—2006《环境监测用X、γ辐射空气比释动能（吸收剂量）率仪》的要求。另外，海平面附近宇宙射线的剂量率约占天然本底辐射外照射剂量率的30%～40%［2］，为保证现场环境辐射剂量率测量结果的准确性，标准仪器对宇宙射线的响应因子KC与137Csγ射线的响应因子Kγ的相对偏差应在10%以内。结合MCNP 4C对高气压电离室的能响特性进行研究，计算模型对高气压电离室的结构作适当简化，模型主要包括电离室外壁、充压气体（高纯氩气）、平行辐射场、收集极和能量补偿片等。另外，采用MCNPX程序模拟研究高气压电离室对宇宙射线的响应特性，模拟计算不同壁厚、壁材料和充气压力对宇宙射线的响应特性。综合考虑高气压电离室的能量响应和宇宙射线响应特性，对高气压电离室的整体性能进行模拟计算，研制能量补偿型高气压电离室作为现场校准工作的标准仪器。

标准仪器研制成功后在北京密云水库对其宇宙射线响应特性进行了实验。宇宙射线剂量率的现场测量通常在水深大于3m、距岸边大于1km的内陆湖泊和水库的开阔水面上的小船上进行［3－4］。在开阔水面上进行宇宙射线测量，虽避开了地壳γ辐射的直接影响，但对水中40K以及U、Th、Ra核素的γ射线，空气中氡子体的γ射线，探测器的自身本底，乃至测量者体内40K等影响因素均需进行测量和估计［3］。标准仪器的能量响应的实验刻度工作在国防科技工业电离辐射一级计量站的X、γ射线标准实验室中开展。在X射线参考辐射场中，高气压电离室球心到X光机焦斑的距离为3m。X射线经附加过滤后产生了满足ISO 4037.1［5］要求的过滤束X射线，通过调节X光机的高压获得平均能量为48～211keV的X射线。为避免高气压电离室对不同剂量率的响应差别的影响，调节X光机的输出功率，确保在参考点处的剂量率的约定真值约为44μGy／h。在γ射线参考辐射场中，可调节高气压电离室到放射源之间的距离来获得相同的剂量率，实验结果列于表1。

表1 标准仪器响应特性Table 1 Response characteristics of standard instrument

从表1可见，标准仪器在60～1 250keV范围内，与137Cs的响应因子的相对偏差不大于16%，满足国家计量检定规程JJG 521—2006《环境监测用X、γ辐射空气比释动能（吸收剂量）率仪》中±30%的要求，能量探测下限为60keV。该标准仪器的宇宙射线响应因子为1.96μA·Gy－1·h，137Csγ射线的响应因子与宇宙射线响应因子的相对偏差不大于10%，满足设计指标。

2 便携式照射装置研制

放射性同位素产生的参考辐射场是电离辐射计量检定工作重要的条件，具有输出射线强度稳定、重复性好和操作简便等优点。采用准直设计的便携式137Cs照射装置具有良好的辐射特性，本研究为解决固定式环境γ辐射剂量率监测仪表的现场校准难题，结合蒙特卡罗模拟方法对便携式照射装置进行优化设计，研制一套新型便携式137Cs照射装置。便携式照射装置能安装活度为1.85×108Bq的137Cs放射源，表面接触剂量率不大于2.5μGy／h，产生的准直辐射场中散射辐射的剂量率不大于总剂量率的5%，射束轴心±11cm范围内均匀性好于5%，满足相关标准［5］的要求，考虑到照射装置的便携性，其重量不大于35kg，如图1所示。

照射装置主要由铅、钨合金和不锈钢构成，具有较好的屏蔽效果，内置137Cs放射源（活度为1.85×108Bq）时能将透过辐射的注量减小到有用射线束的0.1%，满足GB／T 12162.1—2000［6］的要求。外壁采用7mm厚的钢板作支撑，钢板内壁加装钢丝倒钩，防止在搬运过程中铅与外壁松动，从而提高了装置整体的强度。放射源放入铝合金源盒内，照射装置快门采用可升降式设计，使用时配合装置顶部的定位装置完成照射。使用完毕后将快门按到底部，盖上塞子并加以固定。便携式γ照射装置侧部安装激光定位器，确保放射源正对待检仪表进行照射，放射源与待检仪表参考点之间的距离由激光测距仪确定。根据蒙特卡罗模拟计算的结果，完成对便携式137Cs照射装置的设计和加工，利用参考仪器（PTWUNIDOS剂量计配TW32002型和TW32003型电离室）对便携式照射装置产生的辐射场空气比释动能率进行标定，结果列于表2。

图1 便携式137Cs照射装置Fig.1 Portable137Cs irradiation facility

表2列出了辐射场中空气比释动能率分布的测量结果并对空气衰减进行修正。辐射场中空气比释动能率实测值（空气衰减修正后）在3%以内与放射源中心到探测器有效中心距离平方的倒数成正比，满足GB／T 12162.1—2000［6］的设计要求，可用于现场校准实验。

表2 参考辐射场中剂量率分布Table 2 Dose rate distribution in reference radiation filed

3 现场校准实验

考虑到现场校准工作的难度，在研究现场校准方法时应尽量简化步骤、减少携带的设备数量。因此现场校准技术主要包括环境辐射剂量率比对校准和现场辐照器参考辐射的准直场校准。首先，利用研制的标准仪器作为传递仪表与现场固定式环境辐射监测仪表进行环境比对校准［712］，完成环境本底水平现场仪表的校准实验。其次，根据现场实际情况架设便携式137Cs照射器，利用便携式参考辐射对现场仪表进行照射，研究现场仪表中、高量程段的响应能力并进行校准。最后，将现场固定式环境辐射监测仪表拆下，送往标准实验室中进行检定，并与环境比对和准直场校准得到的校准因子进行分析比较。

3.1 环境比对校准实验

选择中国原子能科学研究院放射性废物总排放口的环境监测点和气象站监测点两处γ剂量率连续监测点作为典型现场开展环境比对校准实验。总排放口和气象站的固定式环境辐射监测仪表均为高气压电离室，国产型号为H／FJG－γⅠ型，出厂编号分别为N10－03和N10－04。根据场地的实际情况将标准仪器置于现场仪表旁边0.4～2m范围内，标准仪器与现场固定式仪表同高度（1.4m），实验布置如图2所示，测点①～⑦分别距现场仪表40、100、100、100、40、100、200cm。

图2 现场比对校准布置图Fig.2 On－site intercomparison calibration arrangement diagram

待仪表架设完成后，利用天然辐射（包括陆地γ射线和宇宙射线）作为参考辐射场，标准仪器（JLZ－Ⅲ型高气压电离室）作为传递仪表对现场固定式环境辐射监测仪表进行比对校准。现场固定式辐射监测仪表的采样间隔为1min，连续采样10min，现场仪表的环境辐射本底校准因子N由下式给出。

3.2 准直场校准实验

采用准直场对现场仪表开展校准实验。准直场法是利用参考仪器对便携式137Cs照射装置提供的辐射场中某点的剂量率进行标定，并对放射源的半衰期进行修正，如图3所示。在辐射场中某检验点空气比释动能率˙K已知的情况下，仪器的校准因子可用下式得到：

根据总排放口和气象站两处典型现场的实际情况将便携式照射装置中的放射源置于距现场仪表检验点1.5～3m的范围内，照射装置与现场仪表同高（1.4m），利用激光对准器将现场仪表的检验点放置在辐射场中的参考点上进行照射。在距照射装置10m范围内不应有人员和建筑物，以减小周围物体的散射辐射，现场校准如图4所示。

图4 现场校准示意图Fig.4 Schematic diagram of on－site calibration

3.3 实验结果

为验证现场校准因子的准确性，将两处典型现场的固定式仪表拆卸后送往国防科技工业电离辐射一级计量站的X、γ射线空气比释动能标准实验室中进行校准，实验数据列于表3、4。

表3 现场比对校准数据Table 3 On－site intercomparison calibration data

表4 准直场校准实验数据Table 4 Collimated field calibration data

表3中1～3号为中国原子能科学研究院放射性废物总排放口环境γ辐射剂量率连续监测点的现场比对校准数据，4～7号为气象站环境γ辐射剂量率连续监测点的现场比对校准数据。S300表示照射装置位于现场仪表的南部，放射源距现场仪表参考点300cm，其他类似。由表3可知，当标准仪器距离现场仪表1～2m时，现场校准因子的相对偏差最小，分别为－2.22%（3号位置）、－0.67%（4号位置）和－2.57%（7号位置）。当标准仪器与现场仪表的距离＜0.5m时，校准因子的相对偏差变大，分别为－16.30%（1号位置）和－9.61%（5号位置）。如图2所示，现场仪表位于楼顶距离北侧1m的位置，此时现场仪表会对位于1号位置的标准仪器产生影响，阻挡了来自楼体北面陆地γ的照射，降低了标准仪器的响应，从而造成了现场校准因子较实验室校准因子偏低16.30%。2号位置受现场仪表的影响较小，但由于位于楼顶中心位置，楼体本身会对陆地γ产生阻挡，同样会降低标准仪器对陆地γ射线的响应，此时现场校准因子较实验室校准因子低10.61%。3、4号位置分别位于现场仪表东西两侧1m处，并不会受现场仪表和楼体的阻挡，因此这两个位置的现场校准因子与实验室校准因子的偏差最小。综上所述，在现场比对实验过程中应结合现场实际情况将标准仪器置于现场仪表周围1～2m的范围内进行校准，尽量避免因建筑物、楼板或屋顶的散射和吸收作用造成的辐射组分差异。另外，还应充分考虑仪表自身和周围建筑物对陆地γ和宇宙射线的影响，选择与现场仪表参考点处辐射组分最相近的位置进行比对校准。

从表4可知，两处固定式环境γ辐射剂量率仪的现场校准因子与实验室得到的校准因子的相对偏差在1%以内，说明利用便携式137Cs照射装置能较好地解决固定式环境γ辐射剂量率连续监测仪表的现场校准问题。

4 结论

在中国原子能科学研究院选择两处典型现场（总排放口和气象站）开展现场校准技术研究，利用研制的标准仪器作为量值传递仪表与现场两台固定式高气压电离室进行比对校准，比对所得校准因子与标准实验室中的校准因子的相对偏差小于5%，解决了现场仪表低量程范围内（尤其是环境本底剂量率水平）的溯源问题。另外，结合蒙特卡罗方法研制了便携式137Cs照射装置，该装置能很好地解决固定式环境γ辐射剂量率连续监测仪表的中、高量程段的现场校准问题，保证了环境γ辐射剂量率监测结果的准确可靠。

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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 飞（1983—），男，山东武城人，助理研究员，博士，电离辐射剂量专业