X射线环境辐射监测仪器校准方法的研究

宋 飞, 赵 瑞, 丁卫撑, 张德亮, 杨 扬, 吴金杰

(1.成都理工大学 核技术与自动化工程学院, 四川 成都 610059； 2.中国计量科学研究院,北京 100029)

1 引 言

随着核技术的广泛应用,环境辐射的监测对于医疗公众卫生、科研、能源及工业等领域起到了巨大作用。特别是在福岛核事故之后,放射性环境的监测对于社会和公众具有重要影响。为保证广大人民的生命健康与财产安全,目前我国辐射环境质量监测国控点包括辐射环境自动站、陆地辐射点、水样监测点、土壤监测点以及电磁辐射环境监测点,基本覆盖了中国大陆主要城市及江河湖泊。各个地区的辐射环境监测站通过辐射环境监测确定环境中的辐射物质含量及分布等数据,从而进一步有效评估辐射物质对当地环境的影响[1～3]。

环境辐射的监测与评价需要采用监测仪器对环境中的辐射物质进行准确测量,监测的数据能够确定当地的辐射影响等级,通过这些数据能够对当地的环境辐射进行有效评估,达到及时控制和预防的目的。根据JJG 521—2006,环境辐射监测仪器需要溯源的剂量率范围达到30 nGy/h～10 μGy/h。为了逐步解决国内环境辐射监测仪在低剂量率水平上的量值溯源问题,本研究首先利用60～250 kV X射线空气比释动能基准电离室完成了重过滤窄谱X射线辐射质空气比释动能的绝对测量，然后通过逐级替代法完成了较大体积环境辐射监测仪的校准,评估了仪器的性能,同时验证了逐级替代法应用于X射线环境辐射监测仪器校准中的可行性。本研究对于实现环境水平60～250 kV X射线空气比释动能测量量值溯源提供参考。

2 实验方法与原理

2.1 环境辐射剂量仪的测量原理

通常用来测量环境辐射剂量率的仪器主要包括常压电离室和高压电离室,以及部分能谱仪。对于环境辐射,通常其电离电流信号较弱,需要增加收集效率,常采用大体积常压的电离室。本研究使用的球形电离室灵敏体积为10 L,电离室外径为276 mm,该球形电离室由两个同心圆组成,这两个球代表中心测量电极和包围灵敏体积的室壁,测量电极杆旁的中心电极电位的防护可限制漏电流。测量时通过剂量仪施加高压,这样高压极和内部的收集电极就会形成电场,特定能量的X射线与空气发生相互作用会产生电离电荷,产生的电子离子对在灵敏体积电场中运动而形成输出信号[4]。

充气高压电离室的工作原理与其它电离室的工作原理基本相同,当X射线进入到充气高压电离室后,射线会与电离室中的气体发生反应,将工作气体分离。表征环境辐射监测仪性能的响应因子包括剂量响应、能量响应与角响应。大量文献表明,高气压电离室在环境辐射能量段具有优良的响应特性,基本形成1个响应因子不变的平台[5,6]；另外高气压电离室的几何结构是对称设计,故角响应偏差极低,一般高气压电离室角响应小于等于1.2%[7],并且可以在极端恶劣环境下持续稳定运行[8]。因此，对于极弱的辐射剂量率测量通常采用充压和充惰性气体的高气压电离室。

2.2 实验条件

对于辐射防护和环境辐射监测类仪器,其测量量通常是需要溯源到相应的空气比释动能基准或者标准上。目前我国建立了10～60 kV X射线空气比释动能基准和60～250 kV X射线空气比释动能基准。60～250 kV X射线空气比释动能基准电离室是平板型自由空气电离室,由光阑、高压极、收集极、保护极和屏蔽外壳等组成。X光子与自由空气电离室内部的空气进行相互作用,产生的电子和正离子在电场作用下分别向正负两极漂移,从而被收集极收集。基准电离室的相关参数如表1所示。

表1 60～250 kV X射线空气比释动能基准 电离室的相关参数Tab.1 Related parameters of X rays air-kerma reference ionization chamber in 60～250 kV mm

针对环境辐射低剂量率的监测,无法采用基准电离室直接复现量值,通常需要在高剂量率下进行量值复现,再通过传递电离室完成较低剂量率下的响应过渡,最后用高气压电离室对其进行量值传递和刻度。环境辐射能量测量范围通常为30 keV～7 MeV,因此根据JJG 521—2006《环境监测用X、γ辐射空气比释动能(吸收剂量)率仪检定规程》,在中能X射线辐射装置上进行实验。装置主要由X光机、限束光阑、过滤装置、定位装置、控制系统等组成[9]。采用MG325型X射线光机,靶材料为钨，管电压的调节范围为15～320 kV,管电流的调节范围为0～22.5 mA,在距离X射线焦斑1 m处辐射野直径约为10 cm。

根据GB 12161-1,建立了用于辐射防护和环境监测用X射线参考辐射质,通常称作重过滤窄谱系列(N系列)和低空气比释动能率系列(L系列)参考辐射质,其辐射质参数分别如表2和表3所示。

表2 N系列参考辐射质特性Tab.2 Characteristic of N series reference radiation

表3 L系列参考辐射质特性Tab.3 Characteristic of L series reference radiation

根据空气比释动能的定义,采用自由空气电离室完成了N系列辐射质X射线空气比释动能的绝对测量[10],并通过逐级替代法完成环境监测仪器在L系列的校准实验。

2.3 逐级替代法的测量原理

根据JJG 2043—2010《60～250 kV X射线空气比释动能计量器具检定系统表》,对于环境辐射监测仪器在X射线能量段的量值传递,通常采用替代法进行检定和校准。替代法的原理就是在参考点处首先利用基准电离室进行量值复现,然后将传递电离室放置于同一位置,保证测量条件完全一致,测量得到传递电离室的示值,通过计算得到传递电离室在特定辐射质下的校准因子。其原理公式为：

(1)

根据国家检定规程JJG 521—2006,考虑到实际测量需求,环境辐射剂量率的测量范围通常不超过100 μGy/h。一方面要想达到电子平衡,电离室必须处在均匀辐射场中,故需要将参考点选在距离X光机较远位置,通常为4 m才能保证测量要求；另一方面,为了达到较低剂量率,需要将X光机管电流下调,建立测量条件。为了实现量值溯源,根据自由空气电离室的结构参数,其测量范围均在pA量级以上,这样在环境辐射剂量仪校准参考点处无法直接利用基准进行绝对测量[11],故采用逐级替代的方法对电离室进行刻度。

逐级替代法是避免因测量范围有限不能对环境辐射剂量达到准确测量和量值复现的缺点,利用不同体积的电离室的逐次传递在不同位置处进行剂量率的测量和刻度,从而实现环境辐射监测仪器的量值溯源[12～14]。逐级替代法的具体原理和实验过程如图1所示。

图1 实验装置及仪器的搭建Fig.1 Construction of experimental apparatus and instruments

用基准电离室在距X射线光机1 m处测得N系列下各个辐射质的空气比释动能率后,采用30 mL球形电离室在相同位置进行校准测量,得到校准因子,其原理为：

(2)

(3)

由于距离X光机4 m处30 mL球形电离室实验测量的电离电流较小,故选用测量体积较大的1 L球形电离室完成测量。用30 mL球形电离室在距X射线光机2 m处测得N系列下各个辐射质的空气比释动能率后,再用1 L球形电离室在相同位置即距离X射线光机2 m处进行刻度,计算公式为：

(4)

式中：NK2是所求的1 L球形电离室在N系列辐射质下的刻度因子；I3是由1 L球形电离室在距离X射线光机2 m处测得的电流,由微电流测量系统获得。

3 测量结果

3.1 N系列下基准电离室空气比释动能量值复现及传递电离室测量结果

表4 N系列基准电离室距X光机1 m处测得的空气比释动能率Tab.4 The air-kerma rate measured at 1 m distance from optomechanical device of ionization chamber in N series reference radiation

表5 逐级校准测量结果汇总Tab.5 Summary of step-by-step calibration measurement results

3.2 L系列测得的空气比释动能率

表6 L系列各个辐射质下传递电离室测得的空气比释动能率Tab.6 The air-kerma rate measured in L series reference radiation

表7 L系列参考辐射质下高气压电离室的校准Tab.7 Calibration of high pressure ionization chamber under L series reference radiation

为了更好地评价高气压电离室性能特性,在137Cs辐射场中完成该高气压电离室的校准,计算其能量响应[15,16],并将所有测量结果按照137Cs测量进行归一处理。高气压电离室在137Cs辐射场中的能量响应结果为：有效能量为662 keV, 能量响应为1.001。由高气压电离室在低空气比释动能率下和在137Cs辐射场中的能响测量结果制成能响曲线,如图2所示。

图2 高气压电离室的能响曲线图Fig.2 Energy response curve of high pressure ionization chamber

3.3 测量结果不确定度分析

电离室在测量和校准过程中由于温度和气压等诸多不确定性因素,导致电离室的测量和校准存在不准确度[17～21],表8～表15分别为测量与计算得到的不确定度。

表8 N系列下基准电离室测得的空气比 释动能率的不确定度

表9 N系列下30 mL球形电离室刻度因子(NK1)不确定度

表10 N系列下30 mL球形电离室在2 m处测得 空气比释动能率不确定度

表11 N系列下1 L球形电离室刻度因子(NK2)不确定度Tab.11 Uncertainty of calibration coefficient of 1 L spherical chamber in N series reference radiation (%)

表12 N系列下1 L球形电离室在4 m处测得 空气比释动能率不确定度Tab.12 Uncertainty of air-kerma rate at 4 m measured by 1 L spherical chamber in N series reference radiation (%)

表13 N系列下10 L球形电离室刻度因子(NK3)不确定度Tab.13 Uncertainty of calibration coefficient of 10 L spherical chamber in N series reference radiation (%)

表14 L系列下10 L球形电离室在4 m处测得 空气比释动能率不确定度

表15 L系列下高气压电离室在4 m处校准因子的不确定度

4 结 论

本文在已建立的用于辐射防护和环境监测用的重过滤窄谱系列(N系列)和低空气比释动能率系列(L系列)参考辐射质的基础上，采用60～250 kV X射线空气比释动能基准电离室,完成重过滤窄谱X射线辐射质空气比释动能的绝对测量,通过逐级替代法完成不同体积大小传递电离室的刻度；最后得到在N系列各个辐射质下10 L球形电离室的刻度因子，再通过插值法得到在L系列各个辐射质下该电离室的刻度因子,从而实现环境水平60～250 kV X射线空气比释动能的测量。完成高气压电离室在L系列参考辐射质下的校准,测量结果不确定度为5.6%(k=2)，并计算得到其能量响应,最后根据137CS辐射场中的能响测量归一处理,把其结果制成能响曲线。可以看出高气压电离室校准之后具有较好的稳定性以及能量响应,也证明了逐级替代法应用于X射线环境辐射监测仪器校准中的可行性。本研究为后续更多的环境辐射监测仪器在环境水平X射线空气比释动能条件下的校准提供了参考。