应急防护用γ辐射剂量率仪高量程区校准因子测量方法*

王遥 韩刚 孙训 袁杰 白雪 陈建新 唐方东/上海市计量测试技术研究院

0 引言

近些年来，传统能源的发展逐渐遇到原材料和技术发展的瓶颈，核能作为目前有效及大力发展的能源项目，发展迅速，并对人们的生活产生了巨大影响。核能安全作为制约核能发展的重要环节，具有关键作用。应急防护用γ辐射剂量当量率仪是核电站必备的监测仪器，常用于核岛内部循环水及排出流等，以及事故应急状态下的γ辐射剂量监测，是保障核能安全的重要设备，量值的准确性需要得到保证，因此其校准技术方法研究至关重要。

ICRP建议，对于应急防护用仪器剂量当量率在 1 mSv/h～10 Sv/h[1]范围，其最小测量范围包含四个数量级，IEC相关标准和IAEA技术报告推荐使用137Cs参考辐射[2]。这对应急防护用光子剂量率仪的测量校准提出了宽量程的要求。与便携式X，γ辐射剂量当量（率）仪的探测器多探测原理，多产品型号情况不同[3]，目前常用的应急防护用X、γ剂量率仪型号种类不多，有德国Thermo Fisher Scientific的FHZ612-10系列，Automes公司的 Teletector 6150系列，MIRION公司的RADIAGEM 2000系列，Saphymo公司的SEC探测器等，仪器构造多采用探测器与主机分离形式，且探测器的类型均为GM计数管[4]。国内相关机构也开始研究开发高量程光子剂量率仪表[5]，如吴德波[6]等基于GM计数管研制量程范围为 100 μGy/h～0.1 Gy/h 的高量程便携式 X 剂量率监测仪。

校准应急防护γ剂量率仪的瓶颈在于能够覆盖1 mSv/h～10 Sv/h剂量率范围的单一射线质的参考辐射场。Sv/h级剂量当量率要求137Cs参考辐射源活度达到1013 Bq级别，受限于高活度137Cs辐射源及其昂贵的价格，以及辐射安全监管的制约，目前国内少有达到Sv/h量级的137Cs参考辐射场。上海市计量测试技术研究院现有的治疗水平60Co参考辐射的剂量当量率范围可到10 Sv/h级别，可覆盖应急防护用γ剂量当量率仪高剂量率区，但60Co和137Cs辐射的能谱不同，因而仪器的响应也不同，不能直接替代。为此需要开展仪器对防护水平137Cs参考辐射和治疗水平60Co参考辐射响应因子修正方法的研究探索。

1 参考辐射场剂量率测量

利用上海市计量测试技术研究院化学与电离辐射研究所现有的治疗水平60Co参考辐射场及防护水平137Cs参考辐射场，采用石墨空腔电离室测量60Co和137Cs参考辐射场各参考剂量点的周围剂量当量率。

1.1 测量方法与测得数值

上海市计量测试技术研究院现有防护水平137Cs参考辐射发生装置一套，内置1010 Bq活度级137Cs源，配有三片厚度不同的铅辐射衰减片。现有治疗水平60Co参考辐射发生装置一套，内置1013 Bq活度级60Co源，配有五片相同钨合金辐射衰减片，厚度为8 mm。通过切换射线出口前衰减片组合和改变测量点与源的距离，可产生一系列不同周围剂量当量率的参考剂量点，如表1，2所示。

根据GB/T 12162.2-2004标准[7]，用于参考辐射测量的仪器应是由电离室组件和测量装置组成的次级标准仪器或其他适当的仪器。实验采用PTW公司的UNIDOS-Webline系列主机，石墨空腔电离室包括 0.6 mL，30 mL，1 000 mL 等三种规格，型号分别为：TW30013，TK-30，LS-01，经中国计量科学研究院校准，校准因子分别为：1.008，0.99，1。使用三种型号石墨空腔电离室分别测量60Co参考辐射场不同量级的空气比释动能率，使用LS-01石墨空腔电离室测量137Cs参考辐射场。在相同的剂量当量率参考测量点，使用两种电离室测量，计算不同电离室转换因子，最后将三种电离室对60Co参考辐射场的测量结果换算至由LS-01电离室表示，与137Cs参考辐射场的LS-01电离室保持一致。

60Co和137Cs参考辐射场各参考剂量点LS-01电离室等效周围剂量当量率数据处理流程如图1所示。

图1 参考剂量点LS-01电离室等效周围剂量当量率数据处理流程图

表1 60Co各参考剂量点LS-01电离室等效周围剂量当量值/mSv·h-1

表2 137Cs各参考剂量点LS-01电离室等效周围剂量当量值/mSv·h-1

1.2 数据分析

图2、图3显示了不同衰减组合下，参考辐射场中周围剂量当量率变化曲线，图2为60Co参考辐射场的数据，图3为137Cs参考辐射场的数据。各衰减组合下周围剂量当量率与参考测量点至辐射源间距离的拟合曲线均近似满足与距离平方反比理论关系，可应用于应急防护用γ辐射剂量当量率仪响应计算。

图2 60Co各衰减组合下参考距离周围剂量当量率变化曲线

图3 137Cs各衰减组合下参考距离周围剂量当量率变化曲线

2 应急防护用γ辐射剂量当量率仪响应测量

测量实验中使用的应急防护用γ辐射剂量当量率仪的主机型号为：FH40G，配置相应的探头FHZ612-10，在60Co和137Cs参考辐射场各参考剂量点分别作周围剂量当量率测量，计算由60Co参考辐射响应曲线修正至137Cs参考辐射响应曲线的转换因子。

FH40G + FHZ612-10 是德国 Thermo Fisher Scientific生产的高量程X，γ辐射周围剂量当量率仪。其中FHZ612-10为探头型号，探头内含有两个GM管可以自动切换量程，探头测量范围为0.1 μSv/h ～10 Sv/h，在低剂量率段灵敏度为 1.7 s-1/(μSv/h)，高剂量率段灵敏度为0.03 s-1/(μSv/h)，能量响应范围：82 keV～1.3 MeV。FH40G为主机系列型号，主机内置探头量程上限不超过1 Sv/h，外接探头包括FHZ612-10。实验采用外接探头进行，测量范围与能谱范围由外接探头FHZ612-10决定。

实验选取三台FH40G+FHZ612-10高量程X，γ辐射周围剂量当量率仪，在每个参考测量点均读取三次本底数据及五次剂量率数据，取剂量率读数平均值并扣除本底平均值。三台仪器在60Co和137Cs参考辐射场不同剂量点的周围剂量当量率测量结果及响应曲线如图4、图5所示。

从图4可以看出，FHZ612-10型号三台应急防护用γ辐射剂量当量率仪响应性能相似，周围剂量当量率呈较好的线性。从图5可以看到，对137Cs参考辐射的响应维持在1±1%范围内波动，仪器测量较为准确；对60Co参考辐射的响应略大于1，且波动较大，分析原因可能来自于60Co高能峰1.332 5 MeV接近探头能谱响应范围极限，此外在60Co的低周围剂量当量率区域（1 ～ 10 mSv/h），三台仪器响应均出现了大幅度增高，原因为仪器内部两个GM管小剂量探测器与大剂量探测器响应的不一致。

图4 FHZ612-10在60Co和137Cs参考辐射场中各剂量点周围剂量当量率测量结果

图5 FHZ612-10对60Co和137Cs参考辐射周围剂量当量率的响应

分别对FHZ612-10型号仪器在60Co和137Cs参考辐射场周围剂量当量率测量平均值进行的线性拟合中，且舍去在60Co参考辐射场中响应偏高的测量值，得到图6三台仪器平均测量结果与拟合曲线结果。

图6 FHZ612-10仪器平均测量结果及拟合曲线

利用被测仪器在60Co参考辐射场低剂量率段和137Cs参考辐射场高剂量率段的周围剂量当量率重合区域，采取线性拟合式（1），将被测仪器在60Co参考辐射场的测量值拟合曲线修正至仪器在137Cs参考辐射场的测量值拟合曲线。

式中：y1=0.999 7x+ 68——60Co 测量值拟合曲线；

y2=1.010 3x+ 0.015 2——137Cs测量值拟合曲线；

A——修正斜率；

B——修正截距

计算得到FHZ612-10仪器60Co归一到137Cs的修正因子(A，B)为（1.011，-68.733）。

3 结语

用电离室剂量计测定60Co和137Cs辐射场中各参考测量点的空气比释动能率作为参考值，在各参考测量点用FH40G+ FHZ612-10应急防护用γ辐射剂量当量率仪进行周围剂量当量率测量，计算得到仪器对60Co和137Cs辐射场周围剂量当量率的响应，将仪器对60Co参考辐射响应转换为137Cs参考辐射响应，计算得到被测的修正因子。

比较被测仪器相对60Co和137Cs参考辐射响应曲线，其对137Cs辐射响应的波动幅度较小，均值接近于1，究其原因，一方面是137Cs能谱峰位于探测器能量范围中间，而60Co高能峰接近探测器能量探测极限；另一方面，60Co参考辐射剂量当量率跨度范围大（1 mSv/h～10 Sv/h），而137Cs参考辐射剂量当量率跨度范围小（6 μSv/h～10 mSv/h），且均处于探头剂量率测量范围中间区域。此外，被测仪器在60Co低剂量区域（1～10 mSv/h）响应均明显升高，源于探测器内GM管间响应的差异。

实验结果显示，被测仪器对60Co和137Cs参考辐射场的响应接近1，且137Cs拟合曲线截距接近0。仪器对60Co参考辐射响应转换为137Cs参考辐射响应的修正因子为（1.011，-68.733）。

实验建立了仪器60Co参考辐射响应转换为137Cs参考辐射响应修正因子的测量计算方法，为应急防护用γ辐射剂量当量率仪的校准提供了技术参考。