距离和不均匀性对α、β表面活度响应测量结果的影响

陆小军　何林锋　徐一鹤　孙 训　赵 超　唐方东

（上海市计量测试技术研究院　上海 201203）

距离和不均匀性对α、β表面活度响应测量结果的影响

陆小军何林锋徐一鹤孙 训赵 超唐方东

（上海市计量测试技术研究院上海 201203）

采用自主研制的α、β表面污染仪表面活度响应测量定位装置，结合 JJG478-1996中表面活度响应的测量方法，采用α、β标准平面源定性和定量地研究距离和不均匀性对α、β表面污染仪表面活度响应值的影响规律。实验量化评估发现，α、β表面活度响应随着距离的变化呈二次多项式关系，相关系数均大于0.99；当α、β表面污染仪探头面积很小，且采用五点法不能覆盖标准平面源的活性区面积时，α、β表面污染仪对该标准平面源的表面活度响应宜采用五点法测量值的平均值；若污染仪的探头面积采用五点法能覆盖标准平面源的活性区面积，则对该标准平面源的表面活度响应尽量在标准平面源活性区的中心位置处测量。

距离，不均匀性，α、β表面活度响应

CLCTL81， TL84

表面活度响应是α、β表面污染仪最主要的计量性能参数，用户使用时通过仪器的示值除以表面活度即可得到所测表面的放射性活度［1］。为保障放射工作人员、公众及环境的放射性安全，国标GB18871-2002对表面活度的大小规定了限值，且将α、β表面污染仪列入国家强制检定工作计量器具目录，每年定期送至计量部门进行检定或校准。根据现行计量检定规程JJG 478-1996规定的表面活度响应的测量方法在 α、β表面污染仪表面活度响应进行测量时，对探测器窗与标准平面源之间的距离进行了规定（α为5 mm、β为10 mm），因此，测量过程中对距离的准确控制，对α、β表面活度响应量值的准确与否至关重要［2-4］。

随着近年来核技术及核电子学研发技术的发展，市场上出现了适用于不同场所，探头形状多样、探测器栅网与探头边沿的距离各异的α、β表面污染仪，因此，研究表面活度响应随距离不同而变化的规律以及表面不均匀对测量结果的影响大小对于量值传递、量值统一是十分必要的［5-10］。

本研究通过实验，采用α、β标准平面源，定性和定量研究了距离和放射源的不均匀性对α、β表面污染仪表面活度响应值的影响规律，研究结果可以为计量、环境辐射监测、核设施及出入境等部门更好的使用α、β表面污染仪提供技术参考，保障了各类表面污染仪表面活度测量结果的准确。

1　设备及方法

1.1设备

1.1.1α、β表面污染仪表面活度响应定位装置

由实验室自主研制，采用平整度高、不易变形的12A合金铝和钢板作为装置机身材料，且表面发黑电镀处理，能实现智能化控制，数字快速显示移动距离， α、β表面污染仪在仪器托上平衡稳定，定位支杆可实现360°旋转，Z轴方向在0～30 cm升降，源托可以实现0～40 mm的智能化升降，移动距离的最大偏差±0.17 mm，可以很好满足目前市场上各类α、β表面污染仪表面活度响应的测量要求。见图1。

1.1.2α、β表面污染仪［11-14］

实验采用市场上常见的探头面积为大、中、小3种典型的α、β表面污染仪，型号分别为：S.E.A公司的CoMo170（探头面积为170 cm2），美国热电公司FH40G+FHZ742（探头面积为125 cm2），上海仁机仪器仪表公司的 A-15型污染仪（探头面积约16 cm2）。

1.1.3α、β标准平面源

实验所用α、β标准平面源均为电镀源，其中，α标准平面源为Am-241，活性区面积为150 cm2，表面活度为13.37 Bq·cm-2；β标准平面源为Tl-204，活性区面积为150 cm2，表面活度为10.76 Bq·cm-2。

1.2方法

1.2.1距离

根据JJG 478-1996要求，α、β表面污染仪在检定校准时，对α和β平面源的表面活度响应分别在距离平面源5 mm和10 mm处测得，因此，距离的变化是影响表面活度响应测量结果准确与否的一个重要因素，尤其对于α粒子的测量。

测量时，先将各表面污染仪置于装置仪器托，待其读数稳定后，记录本底。然后分别将α、β标准平面源置于检定用支架源托，通过可视界面输入不同距离，记录各仪器在不同距离上测量的读数，减去本底后，计算仪器在不同距离处的表面活度响应，计算见公式（1）。α表面活度响应分别在距离平面源3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7 mm处测得，β表面活度响应分别在距离平面源 8、8.5、9、9.5、10、10.5、11、11.5、12 mm处测得。

式中：Ri为实验仪器的表面活度响应，Ni为实验仪器的示值，当示值以Bq·cm-2为单位时，R无量纲；当示值为计数率时，R单位为s-1·Bq-1·cm2，Nb为实验仪器的本底，A为标准平面源的表面活度（Bq·cm-2）。

1.2.2均匀性

实验用仪器为上海仁机仪器仪表有限公司A-15型表面污染仪，仪器有效探测面积约16 cm2。α标准平面源编号为LA-07，活性区面积为150 cm2，表面活度为 13.37 Bq·cm-2。β标准平面源编号为LA-03，活性区面积 150 cm2，表面活度为 177.34 Bq·cm-2。测量采用五点法，即在平面源各位置处定点测量，然后取各点表面活度响应的平均值，作为该仪器对该表面活度的标准平面源的表面活度响应值。具体分布及编号如图2所示。

2　结果与分析［15，16］

2.1距离

利用表面活度响应测量定位装置的走距准确，测量α和β表面活度响应时将距离分别设置为5 mm和10 mm，研究各探测器表面在距离平面源±2 mm范围内的变化规律，实验结果见表1和表2。由表1和表 2可以看出，对于α表面活度响应的测量，由于粒子射程短，距离每增加0.5 mm就会有2%～4%的减小，3类探测器中，当距离偏差2 mm时，最大相对偏差达到 17.6%，可见，距离的准确控制对 α表面活度响应的测量准确性是十分重要的。而对于表面活度响应的测量，由于β粒子在空气中射程长，因此，当距离偏差2 mm时，对其表面活度响应的影响相对较小，最大相对偏差为5.4%。根据表面活度响应随距离的变化实验，研究了大、中、小3种α、β表面污染仪在以5 mm和10 mm作为参考点，在距离偏差±2 mm范围内的变化规律，结果见图3，其中，ΔX=实际位置-参考位置。

表1　各探测器对α标准平面源在不同距离处的表面活度响应Table 1　α surface activity response of each detector at difference distance

表2　各探测器对β标准平面源在不同距离处的表面活度响应Table 2　 β surface activity response of each detector at difference distance

由图3可知，不论α、β表面污染仪探头探测面积的大小，其表面活度响应均随着距离的变化呈二次多项式关系，且相关系数均大于 0.99。对于以CoMo170为代表的大面积型α、β表面污染仪，其α、β表面活度响应的相对偏差可分别根据关系式：yα= - 0.522x2- 6.093x + 0.703、yβ= 0.063x2- 2.21x - 0.306进行修正；对于以FH40G+FHZ742为代表的中面积型α、β表面污染仪，其α、β表面活度响应的相对偏差可分别根据关系式：yα= 0.229x2-8.116x + 0.929、yβ= 0.228x2- 2.316x + 0.108进行修正；对于以AB-15型为代表的小面积型α、β表面污染仪，其α、β表面活度响应的相对偏差可分别根据关系式：yα= 0.068x2- 6.636x - 0.568、yβ= 0.239x2- 2x - 0.298进行修正。

2.2标准平面源的均匀性

在用于开展α、β表面污染仪检定校准时，根据平面源效率可推算其表面活度，然后根据公式（1）即可计算每台仪器的表面活度响应。由于标准平面源的表面活度存在不均匀性，对于探测面积明显小于标准平面源活性区的仪器，在活性区不同位置处（见图 2）测量，可能会得到不同的测量结果，为此，实验以上海仁机仪器仪表公司的 A-15型α、β表面污染仪作为小面积型探头的代表，研究了小面积α、β表面污染仪探头在标准平面源图 2所示位置处的表面活度响应的差异，探头与标准平面源之间的距离通过实验室自主研制的定位装置来控制，α、β表面活度响应的测量距离分别为5 mm和10 mm，测量结果见表3。

表3　仪器在不同位置处的表面活度响应Table 3　Surface activity response at different position

由表3看出，不论对于α或β标准源，仪器在位置2和位置4处的表面活度响应总是较其他3个位置处偏大，说明了在制源工艺上的一致性，同时也验证了若在平时的检定校准过程中，对于小探头表面污染仪，若只是在标准平面源活性内任意取一点进行测量，所得结果是不准确和不合理的。计算各点相对于平均值的相对偏差发现，最大相对偏差对于α和β标准源分别达到了2.56%和-2.81%，最小相对偏差对于α和β标准源分别达到了-0.31%和0.50%，因此，建议在平时的检定校准中，若α、β表面污染仪的探头面积采用五点法仍不能覆盖标准平面源的活性区面积，则该污染仪对该表面活度的标准平面源的表面活度响应取采用五点法测量值的平均值；若α、β污染仪的探头面积采用五点法能覆盖标准平面源的活性区面积，则该污染仪对该表面活度的标准平面源的表面活度响应尽量在的标准平面源活性区的中心位置测量。

3　结论

采用241Am和204Tl标准平面源研究了α、β表面污染仪表面活度响应随探头与源之间距离变化的规律，得到α、β表面活度响应随距离变化的经验公式，如下：

（1）以CoMo170为代表的大面积α、β表面污染仪：

yα= - 0.522Δx2- 6.093Δx + 0.703；

yβ= 0.063Δx2- 2.21Δx - 0.306

（2）以FH40G+FHZ742为代表的中面积α、β表面污染仪：

yα= 0.229Δx2-8.116Δx + 0.929；

yβ= 0.228Δx2- 2.316Δx + 0.108

（3）以AB- 15为代表的小面积型α、β表面污染仪：

yα= 0.068Δx2- 6.636Δx - 0.568；

yβ= 0.239Δx2- 2Δx - 0.298

以上经验公式可以为计量、环保、出入境、核设施及后处理厂进行量值传递、表面污染监测数据修正提供技术依据。通过采用五点法，实验论证了标准平面源的不均匀性对小面积探头表面活度响应测量结果的影响，结果显示各测量点位相对于平均值的最大相对偏差对于α和β标准源分别达到了2.56%和-2.81%，因此，建议在平时的检定校准中，针对α、β表面污染仪的探头面积，对于采用五点法能覆盖标准平面源活性区面积的探测器，表面活度响应尽量在标准平面源活性区的中心位置测量；若探头面积很小，采用五点法仍不能覆盖标准平面源的活性区，则表面活度响应宜采用五点法测得值的平均值，确保量值的准确。

1国家技术监督局. JJG 478-1996α、β和γ表面污染仪［S］.北京： 标准出版社， 1996. National Administration of Technology Supervision. JJG 478-1996 α， β and γ surface contamination instruments［S］. Beijing： Standards Press of China， 1996.

2石晓亮， 钱公望. 放射性污染的危害及防护措施［J］. 工业安全与环保， 2004， 30（1）： 6-9. SHI Xiaoliang， QIAN Gongwang. Hazards and protection measures of radioactive contamination［J］. Industrial Safety and Environmental Protection， 2004， 30（1）： 6-9.

3中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. GB 18871-2002 电离辐射防护与辐射源安全基本标准［S］.北京： 标准出版社， 2002. General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. GB 18871-2002 Basic standard for protection against ionizing radiation and for the safety of radiation sources［S］. Beijing： Standards Press of China， 2003.

4中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 8997-2008 α、β表面污染测量仪与监测仪的校准［S］. 北京： 标准出版社， 2008. General Administration of Quality Supervision， Inspection and Quarantine of the People′s Republic of China. GB/T 8997-2008 Calibration for alpha， beta and alpha/beta surface contamination meters and monitors［S］. Beijing：Standards Press of China， 2008.

5杨翊方， 王月兴， 王海军， 等. 高湿度对表面 α活度测量影响的研究［J］. 核电子学与探测技术， 2009， 29（3）：658-660. YANG Xufang， WANG Yuexing， WANG Haijun， et al. Research on the effect of high humidity on the measuring of surface α activity［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology， 2009， 29（3）： 658-660.

6张凤翔， 任伟， 韩淑萍. 表面放射性污染监测仪器的检测能力［J］. 核标准计量与质量， 2008（2）： 34-36. ZHANG Fengxiang， REN Wei， HAN Shuping. Detection ability of the surface radioactive contamination monitor［J］. Nuclear Standard Metrology and Quality，2008（2）： 34-36.

7赵清， 徐春长， 杨元第. 放射性污染及表面沾污测量［J］.现代测量与实验室管理， 2007（6）： 14-16. ZHAO Qing， XU Chunchang， YANG Yuandi. Measurement on the radioactivity pollution and surface contamination［J］. Advanced Measurement and Laboratory Management， 2007（6）： 14-16.

8刘树亮， 鲁建英， 马捷. 放射性表面污染快速检测［C］//中国工程物理研究院、北京理工大学、中国化学会.全国危险物质与安全应急技术研讨会论文集（上）. 北京：中国工程物理研究院、北京理工大学、中国化学会， 2011：534-537. LIU Shuliang， LU Jianying， MA Jie. Fast detection of theradioactive surface contamination［C］// China Academy of Engineering Physics， Beijing Institute of Technology，Chinese Chemical Society. Proceedings of the National Symposium on hazardous materialsand safety emergencies： the first volume. Beijing： China Academy of Engineering Physics， Beijing Institute of Technology，Chinese Chemical Society， 2011： 534-537

9周春林， 秦晋， 李如松， 等. 放射性工作场所表面污染及消除技术研究［C］//刘代志. 国家安全地球物理丛书（十一）——地球物理应用前沿. 西安： 西安地图出版社，2015： 226-230. ZHOU Chunlin， QIN Jin， LI Rusong. The research on the surface contamination of the radiation workplace and the decontaminationtechnology//LIUDaizhi.National security Geophysics Series （eleven）： Frontiers in the application of Geophysics［C］. Xi'an： Xi'an Map Publishing House， 2015： 226-230.

10 Macarthur D W， Allander K S， Bounds J A， et al. Alpha contamination monitoring of surfaces， objects， and enclosed areas［J］. IEEE Transactions on Nuclear Science， 1993， 40（4）： 840-845.

11 董湘龙， 庹先国， 罗召霞， 等. 双通道α表面污染测量仪的研制［J］. 核电子学与探测技术， 2012， 32（5）：603-606. DONG Xianglong， TUO Xianguo， LUO Zhaoxia. A doublechannelsalphasurfacecontamination monitoring［J］.NuclearElectronics&Detection Technology， 2012， 32（5）： 603-606.

12 吕恭祥， 杨志军. 数字化核测装置的研究［J］. 核电子学与探测技术， 2006， 26（2）： 230-233. LYU Gongxiang， YANG Zhijun. Research on digital nuclear measurement equipment［J］. Nuclear Electronics & Detection Technology， 2006， 26（2）： 230-233.

13 陈慧莉， 刘学东. 特殊形状表面污染监测仪的研制［J］.辐射防护通讯， 1996， 16（6）： 39-43. CHEN Huili， LIU Xuedong. Development of a special shape surface contamination monitor［J］. Radiation Protection Bulletin， 1996， 16（6）： 39-43.

14 Whitley C R， Bounds J A， Steadman P A. A portable swipe monitor for alpha contamination［J］. IEEE Transactions on Nuclear Science， 1997， 45（3）： 533-535.

15 陈子根， 李星垣， 帅小平. 关于表面污染仪刻度的几个问题［J］. 核动力工程， 1984， 5（5）： 64-67. CHEN Zigen， LI Xingheng， SHUAI Xiaoping. Some problems in calibrating contamination meters［J］. Nuclear Power Engineering， 1984， 5（5）： 64-67.

16 林炳兴， 李光宪， 林立雄. α/β粒子在不同类型探测器上的能量响应及其等效因子的一致性［J］. 辐射防护， 2011，31（5）： 292-299. LIN Bingxing， LI Guangxian， LIN Lixiong. Energy response of detectors to alpha/beta particles and compatibility of the equivalent factors［J］， Radiation Protection， 2011， 31（5）： 292-299.

Influence of distance and unevenness on the measurements of the α， β surface activity response

LU XiaojunHE LinfengXU YiheSUN XunZHAO ChaoTANG Fangdong
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology， Shanghai 201203， China）

Self-developed α， β surface contamination measuring instrument surface activity in response positioning device， combined with the JJG478-1996 which introduced the measurements of surface activity response were used to quantitatively and qualitatively describe the changes of α， β surface activity response with the distance between the source and surface contamination meter， and the unevenness of the source. Quantitative evaluation by experiments found that there was a quadratic polynomial relationship between the α， β surface activity and the distance with the correlation coefficient greater than 0.99. While α， β surface contamination meter's probe area was very small， and the use of five-point method couldn't cover the active area of the standard plane source， the α， β surface activity response result should be the average value of five points； while α， β contamination meter's probe area was big enough， it should be the value measured at the central part of the plane source active region.

Distance， Unevennes，α， β surface activity response result

LU Xiaojun （male） was born in March 1987 and graduated with a master degree in July 2013 from China Institute for Radiation Protection， majoring in radiation and environmental protection. Now he is an engineer engaging in the research of ionizing radiation metrology. E-mail： luxj@simt.com.cn

TANG Fangdong， Professor level senior engineer， E-mail： tangfd@simt.com.cn

4 May 2016； accepted 5 July 2016

TL81，TL84

10.11889/j.1000-3436.2016.rrj.34.050701

上海市科委科研计划项目（16DZ2292300）、质监公益性科研专项（201210044）资助

陆小军，男，1987年3月出生，2013年7月于中国辐射防护研究院辐射防护及环境保护专业获工学硕士学位，现主要从事电离辐射计量技术研究工作，工程师，E-mail： luxj@simt.com.cn

唐方东，教授级高工，E-mail： tangfd@simt.com.cn

初稿2016-05-04；修回2016-07-05

Supported by the Shanghai Municipal Science and Technology Research Plan（No.16DZ2292300）， and Research Project of Public Welfare Quality Testing Industry， P. R. China （No. 201210044）