标准平面源与探测器窗的一致性对α、β表面污染仪表面发射率响应测量结果影响及修正*

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

α、β表面污染仪是常用的辐射防护仪器，用于测量开放性放射性工作场所放射性表面污染水平。表面发射率响应是α、β表面污染仪最主要的计量性能参数[1]，JJG 478-2016《α、β表面污染仪》规定，测量表面发射率响应时，探测器与α标准平面源的距离为5 mm，与β标准平面源的距离为10 mm，探测器窗与标准平面源保持平行[2][3][4][5]，标准平面源活性区域应覆盖探测器窗。α、β表面污染仪的型号规格较多[6]，其形状、大小各异，因而作为测量标准的α、β标准平面源活性区形状、面积难以与探测器窗一致。当标准平面源活性区大于或小于探测器窗时，由于平面源与探测器的几何立体角的不一致[7][8]，将对表面发射率响应测量结果产生影响。

本文尝试定性与定量探究标准平面源与探测窗的几何立体角对α、β表面污染仪表面发射率响应测量结果的影响规律，可为α、β表面污染仪的检定提供技术参考。

1 实验

1.1 实验设备

实验采用α、β标准平面源作为测量标准，其中α的标准平面源核素为241Am（α的主要能量为5.486 MeV），活性区域为 150cm2（15cm×10cm），表面发射率为 366.91粒子 /（2πsr·min），β标准平面源核素为204Tl（β的最大能量为764 keV），活性区域为 150cm2（15cm×10cm），表面发射率为189.91 粒子 /（2πsr·min）。

实验用α、β表面污染仪的型号分别为PAM-150（其探测窗几何尺寸为10cm×10cm）和XH-3206（其探测窗几何尺寸为 7cm×7cm）。用 1 mm 厚的高纯度铝板自行制作与上述探测器相匹配的屏蔽板，实验中用以改变标准平面源活性区的形状与面积。经试验可以完全吸收241Am发射的α粒子和204Tl发射的β粒子及其产生的韧致辐射。

1.2 实验方法

按照JJG 478-2016规定的测量条件，先进行α、β表面污染仪的本底计数率测量，然后用α、β表面污染仪分别对241Am标准平面源和204Tl标准平面源读数，按式（1）计算表面发射率响应。

式中：Ri—— 仪器的表面发射率响应，无量纲；

Ni—— 仪器对标准平面源的读数的平均值，s-1；

—— 仪器的放射性本底的平均计数率，s-1；

q—— 标准源与探测器对应面积上的表面发射率，s-1

2 结果与分析

2.1 实验结果

标准平面源活性区与探测窗不同时，α、β表面污染仪表面发射率响应测量结果见图1、图2。

图1 两种仪器在不同α标准平面源面积下的表面发射率响应

图2 两种仪器在不同β标准平面源面积下的表面发射率响应

由图1和图2可以看出，在标准平面源活性区面积与探测窗面积一致的情况下，α、β表面污染仪的表面发射率响应测得值最小。无论源面积比探测器窗面积大或小，都引起了几何立体角的变化，从而改变了其表面发射率响应的测量结果。其原因在于，在被测量粒子的射程内，探测器窗对于平面源上每一点发射的粒子的立体角是不同的。探测器窗中心处对应点发射的粒子的探测立体角最大，接近于4π；越靠近活性区边缘处发射的粒子的探测立体角越小。当标准平面源活性区面积与探测窗面积一致时，活性区边缘处发射的粒子的探测立体角最小，不超过2π。而当标准平面源活性区面积小于探测窗面积时，平面源活性区内发射的粒子的探测立体角均大于2π。因此在标准平面源表面发射率不变的条件下，活性区面积小于探测窗面积时，α、β表面污染仪的表面发射率响应的测量值大于活性区面积与探测窗面积一致时的测量值。

表面发射率响应为α、β表面污染仪的示值与探测器窗对应的源活性区面积上表面发射率之比。当标准平面源活性区面积大于探测窗面积时，超过探测器窗范围的源活性区，尤其是靠近探测器窗周边的平面源活性区域发射的粒子也进入了探测立体角，从而使得α、β表面污染仪的表面发射率响应的测量值增大。

2.2 修正计算

对于实验数据作多项式拟合计算，结果近似线性。根据计算结果，尝试建立相应型号仪器表面发射率响应测量值的修正公式。

S—— 标准平面源活性区面积；

S0—— 探测器窗面积

1）α粒子的响应修正

PAM-150型α、β表面污染仪α表面发射率响应测量修正计算式：

XH-3206型α、β表面污染仪α表面发射率响应测量修正计算式：

2）β粒子的响应修正

PAM-150型α、β表面污染仪β表面发射率响应测量修正计算式：

XH-3206型α、β表面污染仪β表面发射率响应测量修正计算式：

2.3 结果分析

上述拟合计算结果显示，当标准平面源活性区面积大于或小于α、β表面污染仪探测窗面积，差异分别在±20%以内时，α、β表面污染仪表面发射率响应测量值的变化均近似线性。探测器窗面积越大，表面发射率响应测量值的相对变化越大。对于探测器窗面积为100cm2的PAM-150型α、β表面污染仪，当标准平面源活性区面积与α、β表面污染仪探测窗面积的差异不超过±20%时，α表面发射率响应修正因子在1±10%以内，β表面发射率响应修正因子在1±13%以内；对于探测器窗面积为50cm2的XH-3206型α、β表面污染仪，当标准平面源活性区面积与α、β表面污染仪探测窗面积的差异不超过±20%时，α表面发射率响应修正因子在1±5%以内，β表面发射率响应修正因子在1±10%以内。

3 结语

测量α、β表面污染仪表面发射率响应时，标准平面源活性区形状、面积须与探测窗一致。当标准平面源活性区面积大于或小于探测窗面积时，由于几何立体角的变化，表面发射率响应测量结果会偏大；标准平面源活性区面积与探测窗面积差异在±20%以内时，α、β表面污染仪表面发射率响应测量值的变化均近似线性，且探测器窗面积较大，则表面发射率响应测量值的偏差也较大。本文给出的经验公式，可为实际检定校准测量中表面发射率响应测量结果的修正提供参考与借鉴。

[1]全国电离辐射计量技术委员会.JJG 478-2016 α、β表面污染仪[S].北京：中国质检出版社，2016.

[2]全国核仪器仪表标准化技术委员会.GB/T 5202-2008 辐射防护仪器α、β和α/β（β能量大于60 keV）污染测量仪与监测仪[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3]全国核能标准化技术委员会（SAC/TC58）.GB/T 8997-2008 α、β表面污染测量仪与监测仪的校准[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]陆小军，何林锋，徐一鹤，等.距离和不均匀性对α、β表面活度响应测量结果的影响[J].辐射研究与辐射工艺学报，2016，34（5）：58-63.

[5]王勇，刘倍，牛强，等.手脚污染测量仪手部探测器β表面活度响应的校准[J].辐射防护通讯，2015，35（3）：12-15.

[6]何林峰，唐方东，徐一鹤，等.固定式α、β个人表面污染监测装置的校准及应用[J].中国测试，2014，40（s1）：36-38.

[7]Nicholas Tsoulfanidis，Sheldon Landsberger. Measurement and Detection of Radiation 4th Edition[M]. Boca Raton,CRC Press. 2015.

[8]Robin P GARDNER，Kuruvilla VERGHESE and Hsien-Mo LEE.The average solid angle subtended by a circular detector coaxial to a circularisotropic source.[J].Nuclear Instruments and Methods，1980（176）：615-617.