基于GM计数管辐射剂量仪表标定方法及注意事项

赵孝文，姜崇杰

基于GM计数管辐射剂量仪表标定方法及注意事项

赵孝文1，2，姜崇杰3

（1.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150086；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020；3.中国电子科技集团公司第49研究所，哈尔滨 150010）

本文主要介绍了利用GM计数管作为辐射剂量仪探测器进行剂量测量时，标准源法和标准仪器法的使用，分析了在标定过程中的注意事项，讨论了能量过响应补偿等问题。在实验室采用镭源作标准源对研制的GM管辐射剂量仪器进行标定，获得了满意效果，标定误差小于10%。

G-M计数管；照射量；标定；能量响应

G-M计数管作为一种核辐射探测器，它输出的脉冲数反映了射线的强度或注量，脉冲计数率与照射量率具有一定的相关性［1］。核电子仪器，包括剂量仪器，都属于相对测量，测量结果并不是所需相关物理量的值，但经过标定可将测量结果转换为所求的物理量。剂量仪器的读出要用照射量单位或剂量单位给出，这就要通过标定过程来实现。标定后仪器测量结果的准确性不仅取决于仪器的工作原理和结构性能，也取决于标定的准确性。不仅新出产的仪器要进行标定，在使用中也要经常或定时、定期地进行校准，特别是经过修理、更换元件或改变工作条件（包括几何参数和电气参数）时，更要重新进行标定。

剂量仪器的种类繁多，根据仪器类型、用途和对标定准确度的要求不同，标定实验室的规模、设备和标定方法也是不相同的。通过标定可更好地掌握仪器的性能，如能量响应、线性、方向性响应、测量范围、测量误差等，对正确使用和评价仪器大有好处［2］。X、γ射线的照射量是涉及面广、应用久远的物理量，由空气的照射量可换算出组织的吸收剂量。照射量的标定常采用标准源法和标准仪器法。

1　标准源方法

剂量仪器的标定是在一定实验条件下，与已知的标准剂量值相比较或拟合，调整待定仪器的电气参数或测量参数，使其读数等于或接近在相同条件下的标准剂量值。为了标定仪器就要求有一个放射性质和照射量分布已知的标准辐射场，为获取标准辐射场的标准剂量值，最好的方法是采用标准源的方法。

标准源是指可作为基准活度精确已知的放射源。作为标准源，要求其物理化学性质稳定，半衰期足够长，测量精确度要高，每个源都要经过绝对测量和相对测量，并要给出误差范围和生产日期。由于各种放射性核素的衰变类型和射线能量不同，原则上每种核素的射线类型都应有自己的标准源或模拟标准源。为了鉴定γ探测器在各能阈的探测效率并准确地对样品进行定性和定量分析，必须要有强度准确、能量分布广的一系列γ标准源，即γ系列标准源。在生产和广用放射性物质时，常需要一些活度已知放射源作为同类放射源的基准，把活度未知的源或放射性样品与标准源一起做比对测量，就可简便而又准确地得到待测源的活度。选用合适的同位素标准源可以方便地建立标准辐射场，为剂量仪器的标定提供实验条件。

若标准源的活度为A（Ci），离源距离为R（m）的某一点处的照射量率S（R/h）可表示为：

式中，μ为该源的γ射线在空气中的衰减系数，单位为m-1；

г为该源的γ射线的照射率常数，单位为R· m2/Ci·h；

A为源的活度，单位为Ci；

R为所考虑点与点源的距离，单位为m；

λ为该源的衰变常数，它与半衰期T1/2的关系为λ=ln2/T1/2=0.693/T1/2［3］；

t为该源自放射源出厂证明书上签署的生产或检验日期至标定日期之间的时间间隔。

当源的半衰期T足够长时，时间衰减因子e-λt可忽略不计；当γ射线的能量足够大时，空气衰减因子e-λt可忽略不计，对此上式可简化为

由该式可方便地求出距源不同点处的照射量率的数值，反之，可求出各种照射量率所对应的距离R

这样，利用标准源就可建立一个标准辐射场，在辐射场不同位置上可得到标准剂量值。

利用标准源标定剂量仪器是广泛采用的方法，但还应注意以下几个问题：

第一，关于照射率常数г：照射率常数г是为计算发射光子的放射性核素在其附近某处照射率而规定的一个参数，它定义为R2（ds/dt）除以A而得的商，即

式中ds/dt是在距离放射性活度为A的点源R处，由能量大于δ的光子产生的照射率，其中δ以keV为单位，其数值的选取由计算照射率的具体情况而定。照射率常数的物理意义是：距离单位活度（国际单位为1Bq，专用单位为1Ci）的点源1m处，由它发出的能量大于δ的光子所产生的照射率，国际单位是C·m2·kg-1·s-1，专用单位是R·m2·Ci-1·h-1。可以看出，照射率常数一般是未经过滤的单位活度点源在1m处所产生照射率的度量，它只包括放射出的γ光子和湮没辐射的贡献，而没有考虑内转换电子、电子俘获所发射的特征X射线、轫致辐射、伴随β发射的贡献。因此，用标准源进行标定时，应结合具体情况考虑上述因素是否可忽略或作某些修正。

第二，关于散射效应：实验表明，散射γ射线对剂量的贡献与源或探测器距离周围散射物体的距离平方成反比，而与源和探测器之间的距离平方成正比。因此，为减少和防止散射γ射线的影响，在标定场所应尽量去除那些与标定无关的物体；源和探测器离地面、墙壁、天棚的距离应尽可能远些，一般要求大于1.5m；源和探测器的间距也不能太大。为减少级电子的产生，源支架应选用轻质材料。在源和探测器之间设置一个有一定张角的标直器来限制射线束的截面积也可减少散射γ射线的影响。

第三，关于距离平方反比律：照射量率义与距离的平方R2成反比。在标定时为得到大小不同的照射率，通常是靠改变源和探测器之间的距离来实现，但是这个距离只能在适当的范围变化，既不能太长，也不能太小。距离太长会增加散射γ射线的贡献随距离增加，γ射线迅速减弱，本底辐射变得不可忽视，这样，由于散射和本底的贡献，使照射量不遵循距离平方反比律；距离太小则不能把源和探测器当成点源和点探测器来考虑，也不遵循距离平方反比律，为满足点源点探测器条件，源和探测器的距离至少应比源和探测器的尺度大7～10倍。为了确定距离的合适变动范围，可用探测器测量不同距离下的照射量，找出照射量与距离平方成反比的那一段距离，在这段范围S·R2=常数，标定只能在这段距离范围进行。

第四，测量条件与标定条件相一致：标定仪器的标准辐射场应尽量与使用仪器的现场辐射场相一致，这包括射线的能量、射线的入射方向、探测器的受照部位等。标定时要选择正常使用时的探测器方位进行标定，要测出在不同方位下仪器读数的变化，以便估计出在现场使用时由于方位不同可能带来的误差。通过测定在不同能量下的能量响应，找出仪器合适的能量范围，可减少因能量变化带来的误差。个人佩戴的个人剂量计最好是在人体模型上标定，这样就能考虑了人体对辐射产生的散射对辐射能谱和强度的影响。总之，核测量仪器也包括剂量仪器，对几何参数和电气参数都很敏感，应遵循在什么条件下标定的就应在什么条件下测量和使用。

第五，高能γ标准源：放射性核素γ源的能量一般都在3MeV以下，在通常情况下，与同位素γ源标定仪器完全能满足要求。在特殊情况下，如反应堆都有高能γ射线产生，因此堆用剂量仪器对高能γ射线的能量响应是很重要的，需采取特殊方法获取高能γ射线作为标定用源。

2　标准仪器方法

标准仪器是指用基准仪器准确刻度过的剂量仪器。利用标准仪器测出未知辐射场的剂量分布，将所关心的各点的剂量当作标准剂量值，对待定仪器进行比对标定。

作为标准仪器的标定基准，应能直接测量出照射量。标准自由空气电离室就是根据照射量的定义而制作的一种精度很高的仪器设备，它能直接给出照射量的绝对值，最适合标定能量在几百keV以下的X或γ辐射场，用这种设备标定过的剂量仪器就可作为标准仪器。由于自由空气电离室体积较大，结构较复杂，一般只用在国家计量部门和大型基准实验室。

标准仪器法很适合X辐射场剂量仪器的标定。X射线机的管电压决定X射线的能量，管电流决定X射线的强度。X射线的能量是连续的，为减少人体深表剂量，常在机头加过滤片，滤掉软成分，使X射线能谱硬化。标定时，为改变照射率，可改变管电流和焦距，焦距是指剂量探测器的几何中心到X射线机焦斑（即靶处）的实际距离。用X射线标定剂量仪器，通常是借助标准仪器，在离X射线机焦斑一定距离处中心轴向对称同时放置标准仪器和待定仪器如图1所示。

图1　X射线对比标定示意图Fig.1 Contrast calibration diagram of X ray

在中心轴向等距离放置标准仪器和待定仪器，这两处的剂量是相等的，通过标准仪器的示数就可通过比对进行标定。通过改变管电流或距离就可得出不同的照射量，从而完成剂量仪器的标定。

利用标准仪器方法标定剂量仪器也应注意以下问题：

第一，准直：为获得均匀辐射场，减小散射、泄漏X射线的影响，使两台仪器受到相同的照射，可在中心轴线上放置一梯形屏蔽筒。

第二，X射线输出量监测：若辐射场不够均匀和不能或不允许同时放置两个剂量探测器时，就得先后分别放置并分别测量和比较。为保证先后两次放置的照射量相同，还需要用另外的仪器来监测X射线的输出量。在先后调换两个剂量探头时，最好采用遥控定位设备在不停机的情况下自动进行，这样不仅可使工作人员免受过多的剂量，还可节省时间，有助于保持X射线输出机的稳定。

第三，联动调节管电流：改变管电流可改变X射线的强度，即改变照射量，但是改变管电流也会引起管电压的变化，为保持X射线能谱不变，也要相应微调管电压。

第四，低能X射线源：对光子能量小于100keV的辐射，有时可采用荧光辐射作为一种单位低能光子标定仪器。采用X射线活地能γ射线打在不同核素上可产生不同能量的特征X射线。

3　结语

在实际的使用过程中，利用标准源法和标准仪器法都能很好地实现辐射剂量仪的剂量标定，笔者结合实际应用对两种方法使用过程中的注意事项进行分析讨论，在实验室采用镭源作标准源对研制的GM管辐射剂量仪器进行标定，获得了满意效果，标定误差小于10%。

［1］ 王国荣，李岩，马永和，等.G-M计数管用作辐射剂量测量应解决的问题［J］.核电子学与探测技术，2011，31（9）：1014-1017.

［2］ 王玲，韩刚，杨磊，等.G-M计数管能量响应的蒙特卡罗模拟及优化设计［J］.核电子学与探测技术，2011，31（1）：44-47.

［3］复旦大学.原子核物理实验方法（上、下册）［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

赵孝文（1977-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，副研究员，从事核电子学与过程控控制研究。