α、β表面污染仪表面发射率响应的影响因素

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

依据计量检定规程JJG 478-2016《α、β表面污染仪》规定的检定方法，通过对辐射防护领域常见的几种型号的表面污染仪的主要计量性能参数的综合分析，针对影响表面污染仪表面发射率响应测量准确性的因素，如探测器窗的材料和厚度及保护栅网阻挡率、探测距离、仪器的死时间修正等进行深入研究，得到了各因素对表面污染仪的表面发射率响应的影响规律，并提出克服影响因素的有效方法。旨在为α、β表面污染仪在环境放射性监测中提供一定的技术支持，保障监测结果的准确可靠。

1 实验设备及方法

1.1 实验设备

实验的测量标准为α、β标准平面源，技术性能参数见表1。根据JJG 478-2016中对计量性能的技术要求，在测量表面发射率响应时，探测器窗距离α和β标准平面源表面分别为5 mm和10 mm，通过固定距离d= 5 mm 和d= 10 mm 的专用源托支架分别控制探测器窗与α、β标准平面源之间的距离。实验选取了11台闪烁体探测器型和10台GM计数管探测器型的表面污染仪，其型号、生产厂商和对应数量见表2。

1.2 表面发射率响应的测量方法

表面污染仪的计量性能参数依据JJG 478-2016的规定进行测量，主要的测量参数为表面发射率响应。开机后，待表面污染仪预热10 min示值稳定后进行本底测量。将探测器窗口覆盖于距离固定的专用源托支架上，用同一核素系列标准平面源，按不同表面发射率由弱至强依次测量并记录表面污染仪示值。取五次示值的平均值扣除本底作为净计数率n。用表面污染仪分别测量至少三组相邻量级的i系列标准平面源Rij，取平均值Ri：

表1 α、β标准平面源的技术性能参数

表2 实验用表面污染仪的型号和数量

式中：Rij—— 被检定仪器对i系列标准平面源中第j个源的表面发射率响应，无量纲；

—— 被检定仪器对i系列标准平面源中第j个源的示值平均值，s-1；

Nib—— 被检定仪器对i放射性的本底计数率，s-1；

Nib—— 被检定仪器对i放射性的本底计数率，s-1；

综合分析国内外研究现状不难发现，伴随着大数据时代的到来，各大教育机构与高等院校逐渐开始应用大数据分析、数据挖掘等技术了解受教育者的个性化需求、评估讲师的教学质量与水平、调整学习知识方法与技巧。此外，基于大数据分析的个性化评估结果，各教育研究机构开始着手预测学生未来的学习态度与学习成效、检测学生的学习投入度、情感、学习策略等，从而让教师和教学研发人员能够根据学生评估结果进一步调整教学策略，改进教学课程，更好地达成有效教学的目的[5-6]。

qijs——i系列标准平面源中第j个源与探测器窗对应面积上的表面发射率，s-1

2 结果与分析

2.1 表面发射率响应的测量结果

图1 21台表面污染仪测量结果统计

按照上述方法，对六种不同厂家、型号的表面污染仪共21台，进行了表面发射率响应等的测量。测量结果显示：21台表面污染仪的计数重复性均低于10%，其表面发射率响应的测量结果见图1。

测量α系列标准平面源时，闪烁体探测器型（编号1～11）的表面发射率响应均值在0.30左右，GM计数管探测器型（编号12～21）的表面发射率响应基本达到≥0.20，仅一台表面污染仪α表面发射率响应结果＜0.20，不符合JJG 478-2016对α表面发射率响应的计量技术要求。测量β系列标准平面源时，有17台表面污染仪的表面发射率响应为40%～60%，4台为20%～40%，全部符合JJG 478-2016对β表面发射率响应≥0.15的计量技术要求。

2.2 结果分析

探测器窗的材料和厚度及保护栅网阻挡率对表面发射率响应的影响。

表面污染仪的表面发射率响应与探测器窗的材料和厚度密切相关，且为了防止探测器薄窗污染或破损，在探测器窗口外侧均覆盖着一层防护金属栅格网，α、β射线要进入灵敏体就必须穿过该区域。图1显示不同型号的表面污染仪表面发射率响应存在明显的差异，其中，GM计数管探测器型表面污染仪对α系列标准平面源的表面发射率响应普遍低于闪烁体探测器型。GM计数管探测器型表面污染仪多采用云母窗，因为云母窗与金属外壳的GM计数管相比具有更高的灵敏度。表3为部分表面污染仪的探测器窗材质及厚度，云母窗的厚度一般在1.5～2.0 mg/cm2，而闪烁体探测器型的表面污染仪窗口多采用不透光的铝涂层薄膜覆盖，厚度较薄。另外，在探测器窗口下方均覆盖的防护金属栅格网，对闪烁体探测器型的表面污染仪阻挡率不到20%，而GM计数管探测器型窗口的栅格网较为密集，阻挡率较高，穿透能力弱的α射线容易被阻拦，使用云母作为输入窗口的GM计数管探测器型表面污染仪响应会略低于闪烁体探测器型表面污染仪。建议使用云母窗表面污染仪的α表面发射率响应低于0.20时，可以考虑更换阻挡率较低的保护栅格网。

表3 表面污染仪的探测器窗材质及厚度

2.3 探测距离对表面发射率响应的影响

目前市场上的表面污染仪型号众多，探测器窗表面到探头边框的距离各异，有必要探究表面发射率响应随探测距离变化的规律。陆小军等[5]已研究了三种α、β表面污染仪在5 mm和10 mm作为参考点，距离偏差±2 mm范围内测量一组α、β标准平面源的表面活度响应变化规律。本实验通过不同固定距离的专用源托支架来改变探测器离源的距离，记录表面污染仪对同一核素系列源不同源强度，其表面发射率响应随探测距离变化的规律，得到了CoMo170和LB124两种型号的表面污染仪对四组α、β系列标准平面源表面发射率响应Rj与距离d的平方的关系曲线，如图2、图3所示。

图2 CoMo170表面发射率响应Ri与距离d的平方的关系曲线

图3 LB124表面发射率响应Ri与距离d的平方的关系曲线

从图2、图3可以看出，表面发射率响应是随探测器离源的距离的增大而减小的，表面发射率响应Ri与探测距离d的平方呈反比关系。图2、图3均显示了随着探测距离的增加，α表面发射率响应比β表面发射率响应下降得更多，这与陆小军的测量结果一致，是由于α射线射程短，导致在测量过程中α表面发射率响应的距离偏差影响更加明显。随着α系列标准平面源表面发射率的增大，CoMo170表面发射率响应Ri降低，且离源距离越近下降的幅度越大。而LB124在测量β系列标准平面源时，表面发射率响应Ri随平面源表面发射率的增大而增大，且离源距离越近增大的幅度越大，探测距离的变化对表面发射率响应的相对固有误差也会产生影响。因此，在计量检定过程中须对探测距离准确把控，保证各类表面污染仪表面发射率响应值测量结果的准确性。

另外，对比图2与图3中CoMo170和LB124的表面发射率响应可以发现，LB124的α表面发射率响应始终低于CoMo170。一般为了避免表面污染仪的探测器窗在使用过程中遭受放射性核素的污染或者破坏，会在探测器窗保护栅网外侧加边框垫脚，LB124的边框垫脚厚度约5 mm，高于CoMo170。仪器使用人员在测量期间的几何条件需与仪器检定校准期间所采用的几何条件尽可能保持一致，否则直接使用表面发射率响应换算表面污染的测量结果可能导致测量误差。因此，在确定表面污染仪的表面发射率响应时，应说明标准平面源表面至探测器窗保护栅格网的距离。

2.4 仪器死时间修正对表面发射率响应的影响

所有射线的测量均存在死时间，这是由于探测器的电子学线路处理每个进入的射线时均需一定的响应时间[6]。假设在前一个进入探测窗的射线引起计数后的死时间τ内，下一个进入的射线未被处理引起计数，即为死时间效应。一般探测器设计人员会在强放射性测量时对测量结果进行死时间修正[7]：

式中：N0—— 修正后计数率，s-1；

N—— 实际测量计数率，s-1

那么，仪器的表面发射率响应R0可表示为

式中：R0—— 常数；

S—— 平面源的表面发射率，s-1

图1中CoMo170和LB124相对固有误差的测量结果显示：CoMo170测量α射线和LB124测量β射线时，它们的表面发射率响应相对固有误差绝对值普遍在20%左右，略高于其他型号，但该性能指标仍满足计量检定规程的计量性能技术要求。而从图2、图3中可以发现，CoMo170测量α射线表现出的非线性，主要是在测量表面发射率较高的α标准平面源（如本次使用的8.7E+5/min·2π sr）时，CoMo170表面发射率响应相比低量级的标准平面源较小，说明在测量强放射性平面源时，发生了计数损失，使表面发射率响应偏低。LB124在测量β射线表现出的非线性，主要是在测量表面发射率较高的β标准平面源（如本次使用的8.4E+5/min·2π sr）时，表面发射率响应相比低量级的平面源偏高，有可能是死时间修正造成测量结果的误差。因此，有必要探究是否存在死时间修正对表面污染仪的表面发射率响应的影响。

假设表面污染仪已修正的死时间为τ'，实际死时间为τ，将死时间修正偏差 代入式（3）中，则：

通过测量多组已知源强度的标准平面源单位时间内的净计数率，根据平面源的表面发射率Sj和死时间偏差Δτ的关系，式（4）转化为

式中：Rj—— 表面污染仪对各组标准平面源实际测量的表面发射率响应

图4 标准平面源表面发射率Sj与CoMo170表面发射率响应的倒数1/Rj的拟合线性曲线

采用编号4～11的CoMo170和LB124两种型号的表面污染仪分别测量三组α、β系列标准平面源，根据式（1）得到表面发射率响应，采用最小二乘法进行线性拟合，分析与讨论仪器死时间修正对表面发射率响应带来的影响。图4、图5显示了CoMo170和LB124这两种表面污染仪测量三组α、β系列标准平面源，得到标准平面源表面发射率响应Sj与表面污染仪表面发射率响应的倒数1/Rj的线性关系曲线，经计算得到CoMo170和LB124的死时间修正偏差见表4。

表4 通过多源法测得的死时间修正偏差Δτ

图2、图3中随着平面源表面发射率的增大，CoMo170和LB124表面发射率响应Ri与距离d的平方的关系曲线逐渐偏离原来反比例关系，与表4的死时间修正偏差结果符合。图4（b）中CoMo170测量β射线得到的拟合曲线基本平行于x轴，根据测量结果拟合得到的死时间修正偏差只有1～6 μs，因其产生的漏计现象对表面发射率响应的影响较小，与图5（a）中LB124在测量α射线时的拟合结果相同。根据表4可知，CoMo170测量α射线的死时间偏差范围在70～80 μs，远高于测量β射线的死时间偏差，因此，随着源强度的增大，表面污染仪对α射线的计数损失过大，α表面发射率响应逐渐降低。图5（b）中LB124的情况正好与之相反，随着源强度的增加，β射线的表面发射率响应逐渐增大，拟合得到测量β射线的死时间偏差为-50～-30 μs，由于测量系统的死时间经过修正，导致β表面发射率响应随着源强的增大而逐渐增大。

因此，被测源强度较高时需考虑仪器死时间效应或死时间修正带来的计数误差，建议表面污染仪在合适的量程范围内使用。如果仅作为常规表面污染的测量，表面污染仪符合检定规程规定的计量性能技术要求即可。如果测量人员需要准确测量表面污染的放射性量值，使用检定或校准α、β系列标准平面源得到的表面发射率响应平均值进行量值换算，可能会使表面污染的测量值失准，建议使用每个检定测量点或者表面发射率范围给出的表面发射率响应值。

图5 标准平面源表面发射率Sj与LB124表面发射率响应的倒数1/Rj的拟合线性曲线

3 结语

结合六款不同型号表面污染仪的主要计量性能参数的测量结果，综合分析了探测器窗的材料和厚度及保护栅网阻拦率、探测距离和死时间修正等因素对表面污染仪的表面发射率响应的影响。结果表明：1）不同规格型号的表面污染仪探测器窗的材料和厚度不同，导致表面污染仪的表面发射率响应存在明显差异。探测器窗保护栅格网的阻拦率直接影响穿透能力较弱的α射线探测效率，当表面污染仪表面发射率响应较低时，需考虑更换阻挡率较低的保护栅格网。2）表面发射率响应是随探测器窗离源的距离的增大而减小的，表面发射率响应Ri与探测距离d的平方呈反比关系。在确定表面污染仪的表面发射率响应时，应说明标准平面源表面与探测器窗保护栅格网之间的距离。3）仪器死时间修正偏差达到几十微秒时，可能导致表面发射率响应相对固有误差≥20%，虽然仍然符合表面污染仪检定规程的技术要求，但如果使用人员需要准确测量表面污染较高的放射性活度值，建议表面污染仪示值使用对应检定测量点的表面发射率响应值进行修正。希望本研究的内容能让使用表面污染仪测量的工作人员，对表面发射率响应的相关测量影响因素引起足够的重视，同时为表面污染仪的检定校准工作提供技术参考。