环境γ辐射剂量率仪现场校准用辐照装置的研制

赵 超　杨 振　唐方东　何林锋　徐一鹤　陆小军

1（上海市计量测试技术研究院　上海 201203）2（复旦大学 公共卫生学院　上海 200032）3（复旦大学 放射医学研究所　上海 200032）

环境γ辐射剂量率仪现场校准用辐照装置的研制

赵 超1,2杨 振3唐方东1何林锋1徐一鹤1陆小军1

1（上海市计量测试技术研究院上海 201203）
2（复旦大学 公共卫生学院上海 200032）
3（复旦大学 放射医学研究所上海 200032）

为开展环境γ辐射剂量仪的现场校准，研制了一套辐照装置，其辐射场空气比释动能率可在0.27-34.86μGy·h-1范围内通过距离与减弱器来调节。基于大量Geant4蒙特卡罗模拟设计了一种轻便型辐射准直器，在保证辐射场品质的前提下，大大降低了准直器重量，更适用于现场校准。此外，还研制了一套自动化支撑平台与三片曲面辐射减弱器，可远程实现辐射装置空间定位以及辐射场强度和空间的调节，曲面辐射减弱器有利于保证辐射场均匀性。测试实验及蒙特卡罗模拟结果显示，该辐射装置辐射场再现性、自散射、均匀性等性能良好，通过系统地计算地面散射对辐射场的影响，可为现场校准提供指导。

现场校准，辐照装置，辐射准直器，散射，均匀性

环境γ辐射水平监测是核安全监测的基本内容，我国环境辐射监测网及核电站周围环境监测站均安装有环境γ辐射剂量率仪，实时监控环境γ辐射水平［1］。一旦发生核事故、核恐怖袭击或境外大规模放射性核素迁移入境等情况，可在第一时间预警，是我国核与辐射安全监管的重要组成。在线式环境γ辐射剂量率仪使用过程中，因环境气象条件变化和设备老化等原因，性能参数可能随时间而改变，为保证监测结果的准确性，有必要开展定期校准。传统校准方式是将环境γ辐射剂量率仪拆卸至剂量学实验室内进行校准，该方法可能带来较长的监测空档期，且拆卸与运输途中存在损坏仪器的风险，研制一套可现场校准的辐照装置有利于改善上述问题。目前国外未见此类装置的报道，国内仅有中国原子能科学研究院高飞等研发了一套可用于现场校准的辐照装置［2］。其研究的装置采用了GB/T 12162.1-2000《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射（第一部分：辐射特性及产生方法）》推荐的准直器设计方案［3］，使用较大的散射腔减弱散射，导致其质量较大（接近35kg），一定程度上限制了其在复杂野外环境中的使用。

本研究通过蒙特卡罗模拟设计了同时满足GB/T 12162.1-2000对辐射场的特性要求，又轻便易携，适用于现场校准的准直器。同时基于自动化机械技术，研制集成测距、移动、辐射减弱器换档、wifi远程控制功能的自动化支撑平台，为校准用辐射场的准确性与稳定性提供保障，并为现场校准提供便利。

1　蒙特卡罗模拟

随着计算机技术的发展和计算机能力的大幅度提升，采用蒙特卡罗仿真模拟粒子与介质的相互作用，完成辐射装置、探测器的设计乃至实验室中难以实现的实验已经成为可能。Geant4 （GEometry ANd Tracking）是由欧洲核子研究组织（European Organization for Nuclear Research, CERN）基于C++面向对象技术开发的开源蒙特卡罗应用软件库［4］，本研究采用蒙特卡罗库Geant4.10.0®进行辐射场的仿真模拟，以完成装置设计与辐射特性验证。模拟采用适用于低能光子模拟的Penelope物理过程［5］。

2　准直器与减弱器设计

GB/T 12162.1-2000《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射（第一部分：辐射特性及产生方法）》推荐的铅制准直器设计［3］，采用了较大的散射腔以降低散射对辐射场的干扰，质量较大，更适用于实验室内固定式辐射装置使用。而根据本研究的前期调研，固定于野外的环境γ辐射剂量率仪，通常被安装在辐射环境监测站站房的屋顶，现场校准时需要携带校准装置攀爬楼梯或直梯到屋顶完成校准，因此需要研发一类新的轻型准直器。本研究基于光子与高原子序数材料之间的相互作用规律，在蒙特卡罗模拟程序中反复调节散射腔形状及137Cs源在散射腔内的位置，并计算散射对辐射场的影响，最终设计方案见图1。

图1　准直器剖面图Fig.1　Sectional view of the collimator.

如图1所示，准直器主体部分为带锥形口的钨合金球（95% W，5% Ni），球半径45 mm。锥形口锥角为56°，其锥顶处有一个ø8 mm×16 mm的圆柱形散射腔。散射腔内用热熔胶固定着含源的不锈钢包壳。不锈钢包壳厚度为1mm。自制的薄膜状137Cs放射源被泡沫填充物固定在圆柱形散射腔内，放射源与散射腔后表面距离为10mm，与散射腔前表面距离为6mm。准直器不使用时，可以用一个钨合金锥形盖将钨球锥形口关闭。整个钨球被固定在一个不锈钢底座上。本研究最大的改进在于基于蒙特卡罗模拟结果设计了一种可满足散射要求的小型散射腔，大大降低了准直器的质量。此外使用单位质量屏蔽效果更好的钨合金也进一步降低了准直器的质量。整个准直器（含锥形盖与不锈钢底座）质量约为7.2 kg。

GB/T 12162推荐的设计中，铅制准直器还应包含一系列光栅，用于改善辐射场均匀性［3］。但由于光栅总厚度达90 mm，对于装置的轻型化与小型化非常不利，影响现场校准操作的便利性。本研究同样基于蒙特卡罗模拟设计了曲面钨合金减弱器，兼具系列光栅与传统减弱器的功能，其原理为将普通平板型减弱器的一侧改为凸起的圆弧形，可增加中心处光子通过减弱器的厚度，进而增加其被吸收的概率，改善均匀性。利用Geant4计算随着弧度的变化，得出射野均匀性的变化情况，获得合理的弧度参数。设计的三种曲面钨合金减弱器侧视图如图2所示，减弱器均为一面平整，另一面有圆弧状凸起的钨合金圆盘。圆盘直径为90 mm，其中凸起部分直径为60mm。三种减弱器中心位置厚度分别为3.7mm、7.4mm和11.1mm，其凸起弧面半径分别为198mm、183mm、173.5mm。该设计是为了减弱射野边缘区域光子被吸收的概率以补偿边缘区域，由于斜入射造成的光子密度下降和光子损失，从而保证边缘区域与中心区域剂量率的一致性。根据现场工作经验，准确测量并调整校准装置与待校准仪器之间的距离相对耗时，通过切换不同减弱器可以在不改变校准装置与仪器之间相对位置的前提下，实现剂量线性的校准，大大节约了校准时间。·

图2　三种减弱器设计图侧视图Fig.2　Side view of the three types of attenuation plates.

3　自动化支撑平台

为了更好地完成现场校准工作，为准直器研发了一套自动化支撑平台，见图3。该平台主要包括三部分功能：1） 利用品字形激光组测量准直器与待校准仪器之间的距离（称为辐照距离），测量精度可达1mm；2） 利用伺服电机驱动调整准直器的空间位置与角度；3） 利用伺服电机驱动切换减弱器档位。由于辐射场强度与辐照距离平方呈反比关系，辐照距离的准确性直接决定了校准工作的准确性，采用内置的激光测距元件可保证距离测量的精确性。品字形的激光组一方面可以避免激光歪斜所致测距误差，另一方面可以测量辐射场准直方向与仪器表面之间的夹角，可用于仪器角度响应的测量。如果仪器表面不平整，影响激光测距，可以在仪器前方放置一平整接收板，完成定位后再撤去。平台可直接放在地上，也可安装在高度可调的三角支架上，以适应于不同高度的校准需求。平台总质量约为15kg（含三片减弱器）。平台的控制可通过无线局域网用远处电脑操作，以起到降低操作者所受辐射剂量的作用。

图3　自动化支撑平台Fig.3　Automated supporting platform.

4　量值标准

研究以上海市计量测试技术研究院的X、γ射线空气比释动能计量标准器PTW UNIDOSwebline及配套石墨空腔电离室（LS-10）的测量值为量值标准，该标准器由中国计量科学研究院γ射线辐射量（防护水平）一级标准刻度。每次使用前，充分预热后测量本底，完成测量后再次测量本底，确保测量期间标准器状态是稳定可信的。

5　性能测试与分析

5.1参考辐射场空气比释动能率

利用PTW UNIDOSwebline刻度辐射装置的辐射场，刻度后的辐射场作为参考辐射场用于环境γ辐射剂量率仪现场校准。为尽量减少刻度实验中其它物体散射的影响，刻度实验在一个长15m、宽5.5m、高 4m的空旷大房间内完成，刻度时石墨空腔电离室距离前后墙均大于5m，石墨空腔电离室与准直器中心高度均为1.6m。参考辐射场空气比释动能率的刻度结果见表1，表1内数据已去除本底，并考虑本底误差对刻度误差的贡献，表1同时还列出了无衰减器时Geant4模拟结果。如表1所示，改变距离与衰减器档位，参考辐射场的空气比释动能率变化范围为0.27-34.86 μGy·h-1，覆盖两个数量级。在1-34.86 μGy·h-1范围内，刻度相对误差基本低于1.5% （k=2），最大不超过2.0% （k=2）；在0.27-1μGy·h-1范围内，刻度相对误差基本低于3.0% （k=2），最大不超过4.0% （k=2）。该数据可以满足环境γ辐射剂量率仪现场校准的需求。Geant4模拟结果与测量结果的差别最大不超过3%，验证了本研究中Geant4模拟的准确性及其用于设计准直器的可靠性。

表1　辐照装置参考辐射场空气比释动能率刻度值（μGy·h-1）及其不确定度（k=2）Table 1　The calibrated air kerma rate （μGy·h-1） in the reference radiation filed of the irradiation device and its uncertainty （k=2）.

5.2参考辐射场再现性

辐射场良好的再现性是校准结果可靠的基本前提。本研究分别在三次实验中测量辐照装置参考辐射场空气比释动能率，以确定其再现性。每次实验均重新安装辐照装置与石墨空腔电离室，重新测量距离并调整辐照装置空间位置，以体现每次操作由于距离、入射角等条件的细微差异带来的影响。分别在1 m、3 m、5 m三个距离点、不同衰减器档位条件下测试了辐射场的再现性，结果见图4，图4中N、A、B、C分别表示无衰减器、一档衰减器、二档衰减器、三档衰减器。如图4所示，三次结果间吻合程度很高，除空气比释动能率极低的5m、三档衰减器这一条件下的极差均值比达4.7%外，其余条件下极差均值比均小于或等于2.6%，在辐射场刻度的不确定度范围内。5m、三档衰减器这一条件下三次刻度实验的刻度值差别较大，主要是因为该条件下空气比释动能率已经非常接近本底值，测量误差对其的影响较大。总体而言辐射装置辐射场具有非常优秀的再现性，这主要得益于装置内置了一组品字形激光测距仪，保证了距离与入射角度的准确性。

图4　参考辐射场再现性Fig.4　Reproducibility of reference radiation filed.

5.3参考辐射场散射情况

根据GB/T 12162.1-2000要求，辐射场散射辐射的贡献不能超过总空气比释动能率的5%，其试验方法为判断空气比释动能率经空气衰减修正后，是否在5%范围内与距离平方呈反比关系［3］。空气对137Cs主射线（0.662 MeV）的吸收系数为7.72×10-2cm2·g-1［6］，实验室气温（20 °C）下，标准大气密度为1.205×10-3g·cm-3。据此修正辐照装置辐射场空气比释动能率，并作其随距离平方倒数变化关系图，见图5。不同衰减器档位下，对空气比释动能率与距离平方倒数作截距为零的线性拟合，结果显示拟合相关系数R2均大于（或等于）0.99996，实测值与拟合直线之间的差异在［-2.3%, 2.0%］范围内。该结果表明，辐照装置参考辐射场很好地满足了GB/T 12162.1-2000对散射辐射贡献的要求。

图5　修正空气比释动能率与距离平方倒数间线性关系Fig.5　Linear relationship between the corrected air kerma rate and the inverse square of distance.

5.4参考辐射场均匀性

鉴于辐照装置辐射场辐射强度不高，难以用小型剂量率测量仪（如指形电离室）直接测量其剂量场分布。本研究采用蒙特卡罗模拟方法计算不同衰减器下2m远处剂量场的空气比释动能率随着距轴线距离的变化情况，见图6。如图6所示，随着距轴线距离的增大，辐射场的空气比释动能率将逐渐减弱。距离轴线15 cm范围以内（即ø30cm射野范围内），辐射场衰减小于1.1%；距离轴线25cm范围以内（即ø50cm射野范围内），辐射场衰减小于2.4%。根据空间张角换算，辐射场距离改变至1 m，其ø25cm射野范围内均匀性应与2 m远处ø50cm射野范围内均匀性一致，衰减小于2.4%。该辐射装置的主要校准仪器中尺寸相对较大的仪器是RSS-131型高气压电离室，其探测器为直径25cm的球形体。可见对于正常的校准工作，本装置辐射场的均匀性可以满足校准需要。

图6　参考辐射场均匀性Fig.6　Homogeneity of the reference radiation filed.

5.5辐射场受地表散射影响

根据现场调研，环境γ辐射剂量率仪大多安装在地表或屋顶上，当仪器距离地面表（屋顶）高度不够时，地表（屋顶）散射可能对辐射场带来一定影响。本研究利用蒙特卡罗模拟方法系统地探讨了地表散射对辐射场的影响，分别用10 m厚的泥土（散射效果等价于无穷厚的泥土）和10 cm厚的混凝土代表地表与屋顶，模拟了不同距离、不同衰减器下辐射场受地表（屋顶）散射的影响，限于篇幅，本文仅展示无衰减器条件下，1m远处及3m远处空气比释动能率随高度变化情况，分别见图7（a）、（b）。

图7　不同高度下地面反散射影响　（a） 1m远处，（b） 3m远处Fig.7　Scattering effect of the ground at the distance of 1 m （a） and 3 m （b）.

如图7（a）所示，10 cm厚混凝土散射效果与10 m厚泥土基本等价。对1 m远处辐射场，准直器高度极低（0.2 m）时，散射贡献达16.6%，但随着准直器高度的升高，散射影响迅速下降，准直器高度达0.4m时，散射贡献即已经降低至3.0%。研究还用一组实验验证了模拟结果的准确性，该试验保持准直器与石墨空腔电离室之间距离为1 m，分别在准直器高0.3 m与1.6 m条件下测量空气比释动能率，测量结果绘于图7（a）中，实测结果与模拟结果吻合较好，验证了蒙特卡罗模拟的可靠性。

如图7（b）所示，对于3 m远处辐射场，准直器高度极低（0.2 m）时，散射贡献达12.3%，随着准直器高度的升高，散射影响逐步下降，准直器高度达1.0 m时，散射贡献降低至3.9%。利用蒙特卡罗方法对其余情况下（不同照射距离、减弱器档位）地面散射的影响也分别进行了计算，地面散射贡献基本类似于这两种情况。针对地面散射贡献的蒙特卡罗模拟计算结果可为现场校准的修正提供理论系数，研究结果还可为环境γ辐射剂量率仪的安装高度提供指导。

5.6现场试验

利用本研究研制的辐照装置对某核电站外围11个辐射环境监测站的11台高气压电离室与10台NaI γ谱仪进行现场校准，以验证该装置现场适用性。试验结果显示，11台高气压电离室校准因子分布在［0.90, 1.19］区间，其校准因子中位数为0.98，均值为1.00。10台NaI γ谱仪校准因子分布在［0.67, 1.27］区间，其校准因子中位数为0.93，均值为0.99，均值和中位数均接近1，但个别极端值偏离较远，结果基本合理。现场校准工作的顺利开展与校准结果的合理性均表明，本研究研制的校准装置对现场校准适用性好。从现场校准结果可以看出，使用中的固定式γ辐射监测设备测量有必要进行校准以保证其监测结果的准确性。

6　结语

研制了一个适用于现场校准用的便携式辐照装置，其主要特点在于基于大量蒙特卡罗模拟设计了一种新型辐射准直器，大大降低了重量，特别适用于现场校准用。装置辐射场的再现性、自散射、均匀性等特性均表现良好。现场试验验证了该装置的现场校准的适用性。研究结果有助于保证环境γ辐射剂量率监测量值的统一。

1 刘华, 赵顺平, 梁梅燕, 等. 我国辐射环境监测的回顾与展望［J］. 辐射防护, 2008, 28（6）: 362-376

LIU Hua, ZHAO Shunping, LIANG Meiyan, et al. Review and prospect of environmental radiation monitoring in China［J］. Radiation Protection, 2008, 28（6）: 362-376

2 高飞, 肖雪夫, 倪宁. 固定式环境γ辐射剂量率仪现场校准技术［J］. 原子能科学技术, 2015, 49（2）: 212-217

GAO Fei, XIAO Xuefu, NI Ning. On-site calibration technology for fixed environmental gamma radiation ratemeter［J］. Atomic Energy Science and Technology, 2015, 49（2）: 212-217

3 国家质量技术监督总局. GB/T 12162.1-2000: 用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射（第一部分: 辐射特性及产生方法）［S］. 北京: 中国标准出版社, 2001

The State Administration of Quality and Technical Supervision. GB/T 12162.1-2000: X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy Part 1: radiation characteristics and production methods［S］. Beijing: Standard Press of China, 2001

4Geant4 Collaboration. Geant4 user’s guide for application developers［M］. CERN, 2015: 1

5Geant4 Collaboration. Physics reference manual［M］. CERN, 2015: 182

6 National Institute of Standards and Technology. XCOM program［CP/OL］. 2016-5-18. http://physics.nist.gov/ PhysRefData/Xcom/Text/chap4.html

Development of an irradiation device for on-site calibration of environmental gamma radiation dose rate meter

ZHAO Chao1,2YANG Zhen3TANG Fangdong1HE Linfeng1XU Yihe1LU Xiaojun1

1（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China）
2（School of Public Health, Fudan University, Shanghai 200032, China）
3（Institute of Radiation Medicine, Fudan University, Shanghai 200032, China）

Background: With the development of the nuclear safety technology in China, more and more environmental gamma radiation dose rate meters were fixed in the field to monitor the environmental radiation in real time. Calibration of these meters is inconvenient to do on-site. Purpose: This study aims to design and implement a portable irradiation device for on-site calibration of these dose rate meters. Methods: An irradiation collimator was designed through Monte Carlo simulation as the kernel component of the irradiation device, and an automated supporting platform with functionalities of ranging, shifting, switching attenuation plates and remote control of intensity and position was developed as the additional component. Experiments and Monte Carlo simulations were conducted to test the performance of the irradiation device and calibrate the air kerma rate in the radiation filed of it. Field-testing was also performed to check the practicability of this irradiation device on condition of on-site calibration. Results: The adjustable range of the air kerma rate in the reference radiation filed was 0.27-34.86μGy·h-1. The self-developed irradiation device had good performance on reproducibility, self-scattering,homogeneity and practicability in field application. Conclusions: A portable irradiation device was designed and developed through Monte Carlo simulation for the calibration of on-site dose rate meter, it can be used to achieve the traceability of the fixed environmental gamma radiation dose rate meter.

On-site calibration, Irradiation device, Irradiation collimator, Scattering, Homogeneity

ZHAO Chao, male, born in 1987, graduated from Fudan University with a doctor’s degree in 2014, engaged in ionizing radiation metrology

TANG Fangdong, E-mail: tangfd@simt.com.cn

TL84

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090201

——

质检总局科技计划项目（No.2015QK046）、上海市质监局科研项目（No.2015-2X001）资助

赵超，男，1987年出生，2014年于复旦大学获博士学位，从事电离辐射计量学工作

唐方东，E-mail: tangfd@simt.com.cn

Supported by AQSIQ Science and Technology Planning Project （No.2015QK046）, Shanghai Municipal Quality Supervision Bureau Research Project

（No.2015-2X001）

work

2016-06-06，

2016-07-14