能谱-剂量转换法用于环境辐射剂量测量

曹 蕾，李德红，杨 扬，黄建微，张晓乐，张 璇，成建波

(1.中国计量科学研究院，北京 100013；2.北京师范大学，北京 100875)

为了有效开展环境监测仪表的量值溯源[1]，建立覆盖环境水平的参考辐射场十分必要。环境水平辐射剂量(率)的准确测量是建立参考辐射场的关键和难点。常见的谱仪型γ剂量率仪表[2-6]测量剂量率原理是将辐射计数线性转换得到剂量率值，该方法未考虑不同能量计数产生的剂量率权重不同，因此常规仪表存在能量响应的问题[7]。为了改善谱仪型探测器的能量响应问题，本文使用能谱-剂量转换方法[8-9]进行剂量(率)的求解。

1 计算原理

1.1 能谱-剂量转换

G(E)函数法是能谱-剂量转换方法中的一种常见方法[10-11]，通过对脉冲高度谱进行加权积分得到空气吸收剂量率。不同能量的计数对剂量率的贡献权重不同，这里通过转换系数G进行表征。G(E)函数法求解剂量率如公式(1)所示。

(1)

能谱-剂量转换系数G常见的求解方法有最小二乘法、共轭梯度法[12]等，由于共轭梯度法在迭代过程中存在计算效率低、耗时长、误差难以评估的问题，因此在实际应用中存在困难。本文通过无卷积全谱转换法进行G函数的求解。

1.2 无卷积全谱转换法

无卷积全谱转换法在G(E)函数法的基础上通过多组能谱-剂量率值求解转换系数G值，该方法无需对能谱进行卷积处理[13]。考虑到不同能量的能谱-剂量转换系数G不同，将能谱划分为z个区域，每个能量区域对应一个G值，因此将公式(1)离散化处理得到公式(2)。

G1·n1+G2·n2+…+Gz·nz

(2)

由于能谱划分为z个区域，每个区域至少存在一个能量峰位，利用一一对应的能谱和剂量率值依次求解每个区域的G值，最终得到整个能谱的z个转换系数，计算如公式(3)所示。

(3)

2 X/γ能谱和剂量率测量

为实现测量能谱的峰位能量处于55 keV～3 MeV能量范围的目标，低能部分(≤300 keV)通过构建的“L系”X射线实现能谱、剂量率测量。但由于使用的X射线光机最大管电压不超过300 kV，因此中高能部分(>500 keV)需要使用γ放射源60Co、137Cs进行能谱、剂量率测量。

2.1 X射线实验

使用电制冷高纯锗探测器和10 L球空腔电离室测量X射线的能谱及剂量率。选取X射线管电压55、70、100、125、170 kV，在稳定管电流的情况下，通过增减过滤片使4 m处的剂量率降至仪器可测范围。

在X射线标准低空气比释动能率系列(L系)的实验条件[14-15]下，高纯锗探测器测量的能谱堆积严重，为了实现电制冷高纯锗探测器与10 L球空腔电离室可以在同一条件下测量X射线的能谱和剂量率，在标准条件的基础上，通过增加附加过滤保证探测器测量条件。为了降低周围环境的散射影响，将高纯锗探测器的探头处侧面包裹0.02 mm的铅皮。高纯锗探测器测量X射线实验装置如图1a所示。

利用10 L球空腔电离室和UNIDOS静电计测量剂量率，并以3次120 s累积剂量读数结果的平均值为最终剂量率结果。10 L球形空腔电离室测量X射线实验装置如图1b所示。

a——高纯锗探测器测量X射线实验装置图；b——10 L球形空腔电离室测量X射线实验装置图

2.2 γ射线实验

在中国科学计量院γ辐射空气吸收剂量参考辐射场上，使用高纯锗探测器和10 L球空腔电离室对放射源60Co、137Cs进行能谱及剂量率测量。将测量仪器置于辐照器正前方2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m处进行测试。能谱测量保证全能峰统计涨落小于1%；剂量率测量以3次120 s UNIDOS累积量读数的平均值作为剂量率测量结果，实验装置如图2所示。

a——高纯锗探测器测量放射源实验装置图；b——10 L球空腔电离室测量放射源实验装置图

3 结果与讨论

3.1 X射线实验

调节X射线管电压为55、70、100、125、170 kV，管电流选取最小稳定电流时，在L系辐射质的基础上增加新的过滤，得到该实验条件下4 m处剂量率如表1所示，X射线能谱如图3所示。

表1 X射线实验参数及剂量率测量结果

从图3中可以看到，在能谱低能端相对计数较高，分析认为主要是X射线散射的影响；对于管电压高于100 kV的能谱，可以在50～80 keV之间看到四条较明显的峰，主要成分为：(1) 高纯锗探头外侧屏蔽用铅层的特征X射线(73 keV，75 keV)；(2) X射线光机钨靶的特征X射线(59 keV，67 keV)。综合可知，经过对附加过滤的设计，得到的X射线谱是准单能。

图3 X射线能谱测量结果

3.2 γ射线实验

在60Co、137Cs参考辐射场下，在距源2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 m处能谱测量结果如图4所示，能谱由上到下分别代表探测器距放射源由近至远的能谱，相应地，源探距越大，能谱死时间率越小。图4(a)为60Co放射源能谱测量结果，能谱死时间率的范围为16.7%～4.1%，图中可明显看到1.17 MeV和1.33 MeV处60Co γ全能峰和1.46 MeV处环境40K的γ全能峰，图中0～0.97 MeV为1.17 MeV能量射线的康普顿平台，0～1.13 MeV为1.33 MeV能量射线的康普顿平台，并且在0.2 MeV处为60Co的反散射峰。图4(b)为137Cs放射源能谱测量结果，能谱死时间率的范围为74.3%～24.7%，图中可以看到0.662 MeV处137Cs γ全能峰以及0.184 MeV处的反散射峰，图中0～0.477 MeV 为能量0.662 MeV射线的康普顿平台。

a——不同距离下60Co能谱；b——不同距离下137Cs能谱

10 L空腔电离室剂量率测量结果列于表2。由表2可知，剂量率结果与探测器距放射源的距离符合平方反比的关系，且测量剂量率与标准剂量率的相对误差在±2%范围内。

表2 60Co、137Cs放射源剂量率测量结果

考虑到死时间过高会引起较多符合计数为求解带来误差，因此在进行能谱-剂量转换系数求解时选取4 m处的137Cs，3 m的60Co能谱与剂量率值进行计算，其他距离下的能谱和剂量率值用于进行转换系数验证。

3.3 转换系数求解

根据X射线(管电压：55、70、100、125、170 kV)和γ射线(4 m的137Cs，3 m的60Co)的能谱和对应剂量率值，通过公式(3)进行转换系数求解。将整个能量区域划分为10、60、80、110、150、200、700 keV与1.5 MeV，使得能谱峰位处在所选能量区域内，选取能谱数据的下阈值为10 keV进行计算。转换系数G的求解结果示于图5。由图5可以看出，能谱-剂量转换系数整体呈先下降后上升的趋势，在100～180 keV范围内存在极小值点，说明高纯锗探测器在该能量区域内对计数的权重最低，表明其对该能量范围射线的探测效率较高，即对该能量范围的射线“敏感”。

图5 能谱-剂量转换系数G的求解结果

3.4 剂量测量残差

3.4.1方法验证 为了验证无卷积全谱转换法应用于能谱-剂量(率)的可行性，将得到的转换系数代入求解转换系数的能谱中，通过公式(2)进行剂量率求解，得到G(E)函数法求解的剂量率与实际剂量率的残差，结果列于表3。

表3 G(E)函数法求解的剂量率与实际剂量率的残差

由表3可知，在1～3 μGy/h的剂量率范围内，死时间率低于28.3%的条件下，通过G(E)函数和无卷积全谱转换法计算得到的剂量率与实测剂量率的残差近似为0，反映了该方法用于求解剂量率自洽。

3.4.2线性验证 为了验证求解得到的能谱-剂量转换系数的正确性，应用该转换系数在参考辐射场下探测137Cs、60Co的能谱进行剂量率求解，并与标准值进行对比，结果列于表4。

由表4可知，在137Cs和60Co参考辐射场下，能谱转剂量率与标准剂量率由能量引起的差异小于10%。在137Cs参考辐射场下，将死时间率从74.3%降至24.7%，测量结果的相对误差由9.2%变为2.3%；同时，在死时间率相近(137Cs死时间率24.7%)和(60Co死时间率16.7%)的情况下，在137Cs和60Co参考辐射场下的测量结果的相对误差分别为2.3%和-0.9%，差异缩小至约3%。

表4 137Cs，60Co辐射场下的剂量率验证

综合分析，认为死时间较高是造成剂量率相对误差较大的主要原因，后续应考虑由死时间引起的符合计数的问题以修正死时间的影响。

3.4.3截距的影响 考虑到选取能量区间的下阈值对求解能谱-剂量转换系数的影响，设置能量下阈值10、20、30 keV进行转换系数求解，认为低于该下阈值的射线对计数没有贡献。能量下阈值对能谱-剂量转换系数G的影响结果示于图6。由图6可以看出，不同能量下阈值主要对70 keV以下的能量区域有影响，选取下阈值越高，对应的转换系数越大。因此对低能分支比较大的能谱进行剂量率转换时，应合理考虑能量下阈值的选择。

图6 能量下阈值对能谱-剂量转换系数G的影响

4 结论

通过实验对“L系”X射线和放射源进行能谱和剂量率的测量，利用无卷积全谱转换法进行能谱-剂量转换系数求解，通过G(E)函数法实现能谱-剂量率的转换。在60Co和137Cs标准辐射场下进行剂量率验证，得到G(E)函数法求解的剂量率与标准值由能量引起的误差小于±10%，认为该方法求解剂量率可行；死时间引起的符合计数对能谱转剂量产生较大影响，因此后续对死时间修正开展进一步的研究。