α、β表面污染仪的应用与计量性能现状分析

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

α、β表面污染仪是常见的辐射防护仪器，主要用于开放性工作场所设施表面、工作人员皮肤及衣物表面的α、β污染的监测。核电站、医院放疗室、各级辐射防护与环境监测部门均有配备，其性能对监测结果的可靠性有直接影响[1]。目前，α、β表面污染仪主要采用闪烁体探测器和GM计数管探测器，国家计量检定规程 JJG 478-2016《α、β表面污染仪》规定了此类仪器的检定项目、检定方法和技术要求[2]。

1 α、β表面污染仪的应用

1.1 使用方法

日常使用α、β表面污染仪进行放射性污染测量时，需要准确控制α、β表面污染仪探测器窗表面与待测平面之间的距离。根据JJG 478-2016的要求，测量α表面污染时，α、β表面污染仪探测器窗表面与待测平面之间的距离为5 mm；测量β表面污染时，α、β表面污染仪探测器窗表面与待测平面之间的距离为10 mm。测量数据会随着距离的变化呈现二次多项式关系，影响最终结果的准确性[3]。

同时，待测区域面积与α、β表面污染仪探测器窗面积间的差距同样会对测量结果产生影响。原则上来说，α、β表面污染仪探测器窗面积应与待测区域面积保持一致，当待测区域面积大于或小于探测器窗面积时，由于几何立体角的变化，测量结果会偏大[4]。当待测区域面积小于探测器窗面积时，应尽可能地让待测区域处于探测窗中心的正下方。当待测区域面积大于探测器窗面积时，测量采用五点法，即在待测区域选择五个点位进行定点测量。若采用五点法能覆盖整个待测区域，则将探测器置于待测区域中心进行测量；若探头过小，采用五点法仍无法覆盖待测区域，则取五个点位测得值的平均值作为测量结果，以确保量值的准确性[5]。

1.2 数据处理

根据JJG 478-2016，检定α、β表面污染仪的计量标准为α、β标准平面源，其量值为表面发射率，溯源至粒子表面发射率国家基准。α、β表面污染仪的检定结果给出其表面发射率响应。而放射性表面污染监测结果通常以单位面积的放射性活度表示（Bq/cm2），由此需由表面发射率响应Rq计算表面活度响应Ra：

式中：Ra—— α、β表面污染仪的表面活度响应，s-1Bq-1cm2；

Rq—— α、β表面污染仪的表面发射率响应；

s—— α、β表面污染仪探测器窗面积，cm2；

ε—— 测量表面发射率响应所用标准平面源的效率，s·Bq-1

标准平面源效率ε与粒子类型、标准平面源基材、标准平面源的制作方法等众多因素相关，其准确值需要通过实验方法获得。通常情况下，标准平面源效率ε常用的推荐值为：

对于α标准平面源，ε（α）= 0.51；对于β标准平面源，ε（β）= 0.62。

用α、β表面污染仪做表面污染监测时，测量条件应尽可能与检定测量条件一致，按式（2）计算被测对象单位面积活度As：

式中：As—— 被测对象单位面积的活度，Bq·cm-2；

—— α、β表面污染仪对被测对象的计数率，s-1；

—— α、β表面污染仪的本底计数率，s-1；

Ra—— α、β表面污染仪的表面活度响应，s-1Bq-1cm2

2 计量性能统计分析

2.1 分析样本

选择五种常见型号α、β表面污染仪在2013、2016、2019年度的检定结果作为样本，其中，Inspector、CoMo170与LB124为进口仪器，JB4100和FJ-2207为国产仪器；Inspector采用GM计数管探测器，并可做X、γ辐射剂量（率）测量，其余四种型号均采用闪烁体探测器。考虑α、β表面污染仪送检数量的差别，进口仪器每种型号每年度选择50个样本，国产仪器每种型号每年度选择30个样本。按样本数计算各参数的平均值进行统计分析，其中α、β表面污染仪的相对固有误差按其绝对值计算平均值。

2.2 计量性能参数

表征α、β表面污染仪主要计量性能的指标有：表面发射率响应、重复性以及相对固有误差。表面发射率响应主要反映了α、β表面污染仪对α、β粒子的响应能力（或探测效率）；相对固有误差由对同一核素不同表面发射率时测量的非线性表示；重复性则体现出α、β表面污染仪测量时计数的稳定情况。上述参数是α、β表面污染仪的固有特性，是影响其测量结果准确性的主要因素。

1）表面发射率响应

五种型号的α、β表面污染仪的α、β表面发射率响应历年间的变化情况如图1、图2所示。

图1 α、β表面污染仪α表面发射率响应历年变化

图2 α、β表面污染仪β表面发射率响应历年变化

对于同一种探测器，加载的电压值与电子学放大系数是影响表面发射率响应的主要因素。一方面较高的响应有利于更低的探测下限；另一方面偏压越高、放大系数越大则电子学噪声也越大，抬高了α、β表面污染仪的探测下限，并且高计数测量时，死时间也会增大，缩小了α、β表面污染仪的有效测量范围。图1显示国产型号JB4100的α表面发射率响应经历了一个比较明显的变化过程，由高至低与其他型号趋于一致；图2显示进口型号CoMo170的β表面发射率响应有较明显的提高。总体上，分析样本中五种型号α、β表面污染仪的α表面发射率响应平均值在0.23～0.37的范围内，差异呈明显缩小趋势，国产型号FJ-2207的β表面发射率响应相对较低，其余四种型号的β表面发射率响应都在0.4～0.5的范围内。

2）相对固有误差

五种型号仪器的相对固有误差历年间的变化情况如图3、图4所示。

图3 α、β表面污染仪对α放射性的相对固有误差历年变化

图4 α、β表面污染仪对β放射性的相对固有误差历年变化

相对固有误差反映了α、β表面污染仪响应的非线性，由图3、图4可以看出，2013年至今GM计数管探测器α、β表面污染仪的相对固有误差稍有改善，目前约为10%；闪烁体探测器α、β表面污染仪中，进口仪器对α放射性测量的相对固有误差无较大变化，对β放射性测量的相对固有误差则有了较明显的改善，国产仪器的相对固有误差则有大幅度的下降。至2019年度，分析样本中，国产和进口的闪烁体探测器α、β表面污染仪相对固有误差平均值接近，采用闪烁体探测器的四款α、β表面污染仪的相对固有误差都在5%左右。

源于发光晶体、光电倍增管性能的改善以及光电子计数模型的更新，闪烁体探测器α、β表面污染仪的相对固有误差得到显著的优化，国产与进口仪器间响应的非线性已处于同样的水平。

3）重复性

五种型号α、β表面污染仪的重复性历年间的变化情况如图5、图6所示。

图5 α、β表面污染仪α测量重复性历年变化

图6 α、β表面污染仪β测量重复性历年变化

弱放射性测量存在较大的统计涨落，重复性是反映α、β表面污染仪计量性能的重要参数，与探测器类型相关，通常采用电子学处理技术加以优化，图5、图6显示，分析样本中进口闪烁体探测器α、β表面污染仪的测量重复性平均值在2%左右，同类国产α、β表面污染仪则在6%以上，进口仪器对α、β放射性的测量重复性明显好于国产仪器。

3 结语

简要介绍了α、β表面污染仪的主要计量性能参数、日常使用方法要点和表面污染测量数据处理中涉及的计量单位转换。分析总结了2013、2016、2019三年间五种型号共630台α、β表面污染仪计量检定数据，结果显示：总体上国产α、β表面污染仪的计量性能有了较大的进步，目前在表面发射率响应和相对固有误差两项技术指标上，国产仪器的性能已接近进口仪器，而在测量重复性方面，则还存在着一定差距。