光致荧光剂量计β辐照器的研制及性能研究

罗 瑞，夏 文，王红玉，陈克胜，叶宏生，徐利军

(中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室，北京 102413)

应急剂量监测是避免核设施事故发生、控制或缓解核事故、减轻核事故后果的重要保障手段。GJB1067.14—1998[1]等标准对包括个人剂量监测在内的核监测装备进行了规范，以保证各监测值的准确、可靠。其中个人剂量监测是判断事故范围和严重程度的重要信息，对应急决策及判断公众和应急工作人员人身安全危害程度具有重要意义。另外，对于核动力远洋个人剂量监测及航天员个人剂量监测等情形[2-4]，由于个人剂量监测数据无法实时返回测量，个人剂量监测的可靠性无法保证，影响人员健康因素的有效评估。

光致荧光剂量计(OSLD)因具有刻度简单、信号稳定、耐受环境影响等特点，在空间电离辐射剂量、环境光子剂量率评估、n-γ混合场中子剂量测定、治疗学剂量测量等方面已有较为广泛的应用[5]。美国已广泛采用OSLD作为应急辐射测量的行业标准，将其应用于如日本福岛核事故等应急监测中[6]，欧洲航天局和美国宇航局将其作为标准剂量计用于空间辐射低LET的测量[7-8]。目前国内OSLD也得到了广泛的应用，但尚未建立OSLD及其读出仪的校准规范，常用的校准方法为：OSLD使用单位将剂量计送往检测单位，后者采用标准辐射场对剂量计进行辐照，再由送检单位进行测读，通过测读值与参考值差异进行校准修正。但对于未来空间站长期运行期间的辐射剂量监测、核动力舰艇远洋期间的个人剂量监测及核应急情况下剂量监测等特殊条件，个人或场所环境监测用OSLD及其读出装置需长期随行，难以及时返回实验室进行测读、校准，其监测值的可靠性难以得到保障。因此，本文研制一种便携式β辐照器，为特殊环境下的OSLD个人及环境剂量监测的准确、可靠提供计量保障。

1 β辐照器的研制

本文研制的β辐照器通过放射源提供一定范围内的辐射场，并将辐射场参考点的吸收剂量率溯源至标准场，利用β辐照器的辐射场对传递标准剂量计进行量值传递，即可实现特殊环境下的现场校准工作。β辐照器主要由β放射源、屏蔽体、测量样品盘、控制系统等组成，如图1所示。

1——黄铜屏蔽体；2——快门；3——支架；4——测量样品盘；5——控制装置；6——放射源支架；7、11——紧固器件；8——铍窗；9——放射源卡槽；10——铅屏蔽体图1 β辐照器示意图Fig.1 Schematic of β irradiator

1.1 放射源制备

针对上述环境下剂量监测的校准用放射源选择，α射线对个人剂量的贡献很少可不予考虑，γ射线虽是剂量监测的主要来源，但其穿透能力较强，对β辐照器的屏蔽要求较高，导致设备总质量较大而不利于携带。被校准对象(OSLD)目前主要以φ8 mm的圆片存在，且表面覆盖有塑料薄膜用于保护，低能β射线可能无法穿透保护膜，因此β辐照器用于产生辐射场的放射源应选择能产生高能β射线的放射源，考虑到放射源的半衰期、制备难易程度等因素，本文β辐照器中的放射源为φ10 mm的90Sr-90Y平面源。平面源通过电沉积法制备(图2)，其活度可根据洛文格公式算出。

图2 电沉积法制备放射源示意图Fig.2 Schematic of electric deposition method preparation of radioactive source

由于OSLD的剂量测量范围为0.1～1 000 mGy，β辐照器提供的辐射场参考点剂量率为10-1mGy/s较为合适，根据计算得知所用放射源的活度为106Bq量级。

1.2 屏蔽体设计

为保证β辐照器操作人员的安全，β辐照器应采取一定的屏蔽防护措施。根据辐射防护的相关要求(EJ 380-989)，β辐照器周围剂量当量率的限值应低于2.5 μSv/h。可根据β射线在物质中的射程计算屏蔽体厚度，为减少韧致辐射的产生，在放射源正下方设计有低原子序数材料的铍窗。综合考虑屏蔽效果和装置质量等影响因素，β辐照器采取的屏蔽设计为：放射源正下方采取铅材料屏蔽，厚度为0.2 cm；其他部位采取铜材料屏蔽，厚度为0.3 cm。而整个系统产生的X射线处于环境本底水平[9]，其对OSLD的影响在实际测量β射线吸收剂量率时可忽略不计。

1.3 控制系统

本文设计的β辐照器的辐射场剂量率通过标准实验室进行校准，辐照样品时通过改变辐照时间控制样品受照剂量。在放射源正下方设计有黄铜片快门，通过控制快门往复运动的动作来控制辐照时间。快门动作控制有两种方式：1) 通过电磁阀及相应的控制软件实现自动控制，该控制系统具备定量辐照功能，辐照时间测量偏差为10 ms；2) 通过压缩气体与气动控制器手动控制，辐照时间通过秒表确定，以满足某些无法供电等恶劣环境下的现场校准需求。

2 β辐照器性能

β辐照器尺寸为150 mm×80 mm×50 mm，总质量小于3 kg，装配的放射源活度为3 MBq，可满足特殊环境下的现场校准需求。本文对研制的β辐照器进行参考点剂量率定值、辐照剂量重复性等性能研究。

2.1 屏蔽效果验证

利用451P巡测仪分别在β辐照器的上、下表面及0.5 m处测量其周围剂量当量率，结果列于表1。由表1可知，设计的β辐照器各方向的周围剂量当量率均处于环境本底水平，可知辐照器采取的屏蔽措施是合理及充分的。

2.2 剂量率定值

为测量β辐照器参考点的剂量率[10-11]，本文初筛一批外观相近的OSLD，首先将该批OSLD置于β标准辐射场中进行辐照，并用OSLD读出仪测量辐照后的响应信号，得到OSLD对β射线的剂量响应曲线(图3)，即N=kD(N为净计数，D为剂量，k为校准因子)。选择k接近的一批OSLD作为实验用剂量计。将该批剂量计退火[12]后置于β辐照器不同高度的样品盘中进行辐照，并记录辐照时间。辐照完成后剂量计通过DA-20 OSLD读出仪测量荧光信号，读出仪每0.16 s采集1次数据，每个样品采集100 s，选择前1 s内数据平均值作为响应计数，最后10 s内数据平均值作为本底，得到每个剂量计辐照后的净计数(图4)，即OSLD对β辐照器的响应净计数。根据k即可得到每个样品在β辐照器中的受照剂量。β辐照器中各参考点的剂量率列于表2，其平均剂量率为0.060～0.083 mGy/s。

表1 β辐照器周围剂量当量率Table 1 Dose equivalent rate around β irradiator

图3 OLSD剂量响应曲线Fig.3 Curve of response to dose for OSLD

图4 荧光信号-时间曲线Fig.4 Curve of fluorescence signal and time

表2 β辐照器不同位置的剂量率Table 2 Dose rate at different locations around β irradiator

2.3 辐照剂量重复性

为测量β辐照器的辐照重复性，选择10组剂量计在距放射源13 mm位置处进行不同时间的辐照，结果列于表3。结果表明，本文研制的β辐照器辐照剂量重复性为3.9%(n=10)。

表3 辐照剂量重复性Table 3 Repeatability of irradiation dose

2.4 剂量率测量不确定度

测量β辐照器参考点的剂量率主要不确定度来源包括：β参考辐射场的不确定度；OSLD的稳定性与重复性；荧光信号的统计涨落；OSLD的几何位置测量不确定度；读出仪测量的稳定性；放射性核素衰变修正；辐照时间测量的不确定度。各不确定度分量的评定列于表4，β辐照器参考点剂量率测量的相对标准不确定度为6.9%。

表4 β辐照器剂量率测量的不确定度Table 4 Uncertainty of dose rate measurement for β irradiator

3 结论

本文研制了一种用于OSLD现场校准的便携式β辐照器，其周围剂量当量率处于环境本底水平，可作为传递标准器具携带至特殊环境用于个人与环境剂量的监测与校准，保障核应急、核动力远洋及空间辐射等剂量监测的准确性。β辐照器参考点平均剂量率为0.060～0.083 mGy/s，相对标准不确定度为6.9%；辐照剂量重复性为3.9%(n=10)。