高 飛,肖雪夫,倪 寧
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部,北京 102413)
固定式環(huán)境γ輻射劑量率儀現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)
高 飛,肖雪夫,倪 寧
(中國(guó)原子能科學(xué)研究院計(jì)量測(cè)試部,北京 102413)
固定式環(huán)境γ輻射劑量率儀是承擔(dān)環(huán)境連續(xù)監(jiān)測(cè)任務(wù)的主要設(shè)備,不便于拆卸送往計(jì)量實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校準(zhǔn)檢定,且送檢周期較長(zhǎng),影響連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。為按期校準(zhǔn)固定式儀表,本文結(jié)合蒙特卡羅方法研制了能量補(bǔ)償型高氣壓電離室和便攜式137Cs照射裝置,利用天然本底輻射(陸地γ射線和宇宙射線)和便攜式照射裝置產(chǎn)生的137Csγ射線參考輻射對(duì)固定式環(huán)境γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)儀表開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,采用環(huán)境比對(duì)和現(xiàn)場(chǎng)照射的方法能較好地解決固定式環(huán)境γ輻射劑量率儀的校準(zhǔn)問題,現(xiàn)場(chǎng)所得校準(zhǔn)因子與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中校準(zhǔn)因子的相對(duì)偏差小于5%。
現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn);高氣壓電離室;便攜式137Cs照射裝置;蒙特卡羅
隨著核能利用規(guī)模的不斷擴(kuò)大及核技術(shù)利用領(lǐng)域的拓展,為加強(qiáng)管理,實(shí)現(xiàn)環(huán)境常規(guī)γ輻射連續(xù)監(jiān)測(cè)、核事故早期預(yù)警及核事故的應(yīng)急監(jiān)測(cè),我國(guó)相關(guān)部門在全國(guó)相繼建立了150多個(gè)全天候連續(xù)運(yùn)行的環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)站,并在核電站反應(yīng)堆、研究型核反應(yīng)堆和實(shí)驗(yàn)快堆等大型核設(shè)施周圍均建立了輻射連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此類輻射監(jiān)測(cè)儀表大多固定于現(xiàn)場(chǎng),不便于拆卸和定期送檢。本文通過蒙特卡羅模擬和實(shí)驗(yàn)方法詳細(xì)研究高氣壓電離室對(duì)宇宙射線和陸地γ射線的響應(yīng)特性,研制能量補(bǔ)償型高氣壓電離室作為量值傳遞儀表(標(biāo)準(zhǔn)儀器),建立利用天然本底作為參考輻射場(chǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)的技術(shù),并研制一臺(tái)便攜式137Cs照射裝置,解決固定式環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀表本底輻射水平的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)問題。
高氣壓電離室因具有自身本底低、穩(wěn)定性好和精度高等優(yōu)點(diǎn),是國(guó)內(nèi)外環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)活動(dòng)中最常用的儀器。美國(guó)原子能委員會(huì)保健與安全實(shí)驗(yàn)室已將壁厚為3mm、內(nèi)充2.5× 106Pa氬氣的高氣壓電離室作為環(huán)境測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)電離室[1]。用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器需對(duì)低能γ輻射,如131I(80.183keV)、136Cs(66.91keV)和133Xe(80.997keV)具有足夠響應(yīng),因此在使用過程中電離室能量探測(cè)下限應(yīng)達(dá)60keV,并要求標(biāo)準(zhǔn)儀器在0.06~1.5MeV之間的響應(yīng)因子與137Cs的響應(yīng)因子的相對(duì)偏差S在30%以內(nèi),以滿足國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 521—2006《環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能(吸收劑量)率儀》的要求。另外,海平面附近宇宙射線的劑量率約占天然本底輻射外照射劑量率的30%~40%[2],為保證現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境輻射劑量率測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)宇宙射線的響應(yīng)因子KC與137Csγ射線的響應(yīng)因子Kγ的相對(duì)偏差應(yīng)在10%以內(nèi)。結(jié)合MCNP 4C對(duì)高氣壓電離室的能響特性進(jìn)行研究,計(jì)算模型對(duì)高氣壓電離室的結(jié)構(gòu)作適當(dāng)簡(jiǎn)化,模型主要包括電離室外壁、充壓氣體(高純氬氣)、平行輻射場(chǎng)、收集極和能量補(bǔ)償片等。另外,采用MCNPX程序模擬研究高氣壓電離室對(duì)宇宙射線的響應(yīng)特性,模擬計(jì)算不同壁厚、壁材料和充氣壓力對(duì)宇宙射線的響應(yīng)特性。綜合考慮高氣壓電離室的能量響應(yīng)和宇宙射線響應(yīng)特性,對(duì)高氣壓電離室的整體性能進(jìn)行模擬計(jì)算,研制能量補(bǔ)償型高氣壓電離室作為現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作的標(biāo)準(zhǔn)儀器。
標(biāo)準(zhǔn)儀器研制成功后在北京密云水庫(kù)對(duì)其宇宙射線響應(yīng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。宇宙射線劑量率的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量通常在水深大于3m、距岸邊大于1km的內(nèi)陸湖泊和水庫(kù)的開闊水面上的小船上進(jìn)行[3-4]。在開闊水面上進(jìn)行宇宙射線測(cè)量,雖避開了地殼γ輻射的直接影響,但對(duì)水中40K以及U、Th、Ra核素的γ射線,空氣中氡子體的γ射線,探測(cè)器的自身本底,乃至測(cè)量者體內(nèi)40K等影響因素均需進(jìn)行測(cè)量和估計(jì)[3]。標(biāo)準(zhǔn)儀器的能量響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)刻度工作在國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站的X、γ射線標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中開展。在X射線參考輻射場(chǎng)中,高氣壓電離室球心到X光機(jī)焦斑的距離為3m。X射線經(jīng)附加過濾后產(chǎn)生了滿足ISO 4037.1[5]要求的過濾束X射線,通過調(diào)節(jié)X光機(jī)的高壓獲得平均能量為48~211keV的X射線。為避免高氣壓電離室對(duì)不同劑量率的響應(yīng)差別的影響,調(diào)節(jié)X光機(jī)的輸出功率,確保在參考點(diǎn)處的劑量率的約定真值約為44μGy/h。在γ射線參考輻射場(chǎng)中,可調(diào)節(jié)高氣壓電離室到放射源之間的距離來獲得相同的劑量率,實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表1。
表1 標(biāo)準(zhǔn)儀器響應(yīng)特性Table 1 Response characteristics of standard instrument
從表1可見,標(biāo)準(zhǔn)儀器在60~1 250keV范圍內(nèi),與137Cs的響應(yīng)因子的相對(duì)偏差不大于16%,滿足國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程JJG 521—2006《環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能(吸收劑量)率儀》中±30%的要求,能量探測(cè)下限為60keV。該標(biāo)準(zhǔn)儀器的宇宙射線響應(yīng)因子為1.96μA·Gy-1·h,137Csγ射線的響應(yīng)因子與宇宙射線響應(yīng)因子的相對(duì)偏差不大于10%,滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。
放射性同位素產(chǎn)生的參考輻射場(chǎng)是電離輻射計(jì)量檢定工作重要的條件,具有輸出射線強(qiáng)度穩(wěn)定、重復(fù)性好和操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。采用準(zhǔn)直設(shè)計(jì)的便攜式137Cs照射裝置具有良好的輻射特性,本研究為解決固定式環(huán)境γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)儀表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)難題,結(jié)合蒙特卡羅模擬方法對(duì)便攜式照射裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),研制一套新型便攜式137Cs照射裝置。便攜式照射裝置能安裝活度為1.85×108Bq的137Cs放射源,表面接觸劑量率不大于2.5μGy/h,產(chǎn)生的準(zhǔn)直輻射場(chǎng)中散射輻射的劑量率不大于總劑量率的5%,射束軸心±11cm范圍內(nèi)均勻性好于5%,滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[5]的要求,考慮到照射裝置的便攜性,其重量不大于35kg,如圖1所示。
照射裝置主要由鉛、鎢合金和不銹鋼構(gòu)成,具有較好的屏蔽效果,內(nèi)置137Cs放射源(活度為1.85×108Bq)時(shí)能將透過輻射的注量減小到有用射線束的0.1%,滿足GB/T 12162.1—2000[6]的要求。外壁采用7mm厚的鋼板作支撐,鋼板內(nèi)壁加裝鋼絲倒鉤,防止在搬運(yùn)過程中鉛與外壁松動(dòng),從而提高了裝置整體的強(qiáng)度。放射源放入鋁合金源盒內(nèi),照射裝置快門采用可升降式設(shè)計(jì),使用時(shí)配合裝置頂部的定位裝置完成照射。使用完畢后將快門按到底部,蓋上塞子并加以固定。便攜式γ照射裝置側(cè)部安裝激光定位器,確保放射源正對(duì)待檢儀表進(jìn)行照射,放射源與待檢儀表參考點(diǎn)之間的距離由激光測(cè)距儀確定。根據(jù)蒙特卡羅模擬計(jì)算的結(jié)果,完成對(duì)便攜式137Cs照射裝置的設(shè)計(jì)和加工,利用參考儀器(PTWUNIDOS劑量計(jì)配TW32002型和TW32003型電離室)對(duì)便攜式照射裝置產(chǎn)生的輻射場(chǎng)空氣比釋動(dòng)能率進(jìn)行標(biāo)定,結(jié)果列于表2。
圖1 便攜式137Cs照射裝置Fig.1 Portable137Cs irradiation facility
表2列出了輻射場(chǎng)中空氣比釋動(dòng)能率分布的測(cè)量結(jié)果并對(duì)空氣衰減進(jìn)行修正。輻射場(chǎng)中空氣比釋動(dòng)能率實(shí)測(cè)值(空氣衰減修正后)在3%以內(nèi)與放射源中心到探測(cè)器有效中心距離平方的倒數(shù)成正比,滿足GB/T 12162.1—2000[6]的設(shè)計(jì)要求,可用于現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。
表2 參考輻射場(chǎng)中劑量率分布Table 2 Dose rate distribution in reference radiation filed
考慮到現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)工作的難度,在研究現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法時(shí)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化步驟、減少攜帶的設(shè)備數(shù)量。因此現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)主要包括環(huán)境輻射劑量率比對(duì)校準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)輻照器參考輻射的準(zhǔn)直場(chǎng)校準(zhǔn)。首先,利用研制的標(biāo)準(zhǔn)儀器作為傳遞儀表與現(xiàn)場(chǎng)固定式環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行環(huán)境比對(duì)校準(zhǔn)[712],完成環(huán)境本底水平現(xiàn)場(chǎng)儀表的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。其次,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況架設(shè)便攜式137Cs照射器,利用便攜式參考輻射對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行照射,研究現(xiàn)場(chǎng)儀表中、高量程段的響應(yīng)能力并進(jìn)行校準(zhǔn)。最后,將現(xiàn)場(chǎng)固定式環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀表拆下,送往標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行檢定,并與環(huán)境比對(duì)和準(zhǔn)直場(chǎng)校準(zhǔn)得到的校準(zhǔn)因子進(jìn)行分析比較。
3.1 環(huán)境比對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
選擇中國(guó)原子能科學(xué)研究院放射性廢物總排放口的環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)和氣象站監(jiān)測(cè)點(diǎn)兩處γ劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為典型現(xiàn)場(chǎng)開展環(huán)境比對(duì)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。總排放口和氣象站的固定式環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀表均為高氣壓電離室,國(guó)產(chǎn)型號(hào)為H/FJG-γⅠ型,出廠編號(hào)分別為N10-03和N10-04。根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際情況將標(biāo)準(zhǔn)儀器置于現(xiàn)場(chǎng)儀表旁邊0.4~2m范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)儀器與現(xiàn)場(chǎng)固定式儀表同高度(1.4m),實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示,測(cè)點(diǎn)①~⑦分別距現(xiàn)場(chǎng)儀表40、100、100、100、40、100、200cm。
圖2 現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)校準(zhǔn)布置圖Fig.2 On-site intercomparison calibration arrangement diagram
待儀表架設(shè)完成后,利用天然輻射(包括陸地γ射線和宇宙射線)作為參考輻射場(chǎng),標(biāo)準(zhǔn)儀器(JLZ-Ⅲ型高氣壓電離室)作為傳遞儀表對(duì)現(xiàn)場(chǎng)固定式環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)固定式輻射監(jiān)測(cè)儀表的采樣間隔為1min,連續(xù)采樣10min,現(xiàn)場(chǎng)儀表的環(huán)境輻射本底校準(zhǔn)因子N由下式給出。
3.2 準(zhǔn)直場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)
采用準(zhǔn)直場(chǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表開展校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)直場(chǎng)法是利用參考儀器對(duì)便攜式137Cs照射裝置提供的輻射場(chǎng)中某點(diǎn)的劑量率進(jìn)行標(biāo)定,并對(duì)放射源的半衰期進(jìn)行修正,如圖3所示。在輻射場(chǎng)中某檢驗(yàn)點(diǎn)空氣比釋動(dòng)能率˙K已知的情況下,儀器的校準(zhǔn)因子可用下式得到:
根據(jù)總排放口和氣象站兩處典型現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況將便攜式照射裝置中的放射源置于距現(xiàn)場(chǎng)儀表檢驗(yàn)點(diǎn)1.5~3m的范圍內(nèi),照射裝置與現(xiàn)場(chǎng)儀表同高(1.4m),利用激光對(duì)準(zhǔn)器將現(xiàn)場(chǎng)儀表的檢驗(yàn)點(diǎn)放置在輻射場(chǎng)中的參考點(diǎn)上進(jìn)行照射。在距照射裝置10m范圍內(nèi)不應(yīng)有人員和建筑物,以減小周圍物體的散射輻射,現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)如圖4所示。
圖4 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of on-site calibration
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)因子的準(zhǔn)確性,將兩處典型現(xiàn)場(chǎng)的固定式儀表拆卸后送往國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站的X、γ射線空氣比釋動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn),實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表3、4。
表3 現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)Table 3 On-site intercomparison calibration data
表4 準(zhǔn)直場(chǎng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Collimated field calibration data
表3中1~3號(hào)為中國(guó)原子能科學(xué)研究院放射性廢物總排放口環(huán)境γ輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù),4~7號(hào)為氣象站環(huán)境γ輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。S300表示照射裝置位于現(xiàn)場(chǎng)儀表的南部,放射源距現(xiàn)場(chǎng)儀表參考點(diǎn)300cm,其他類似。由表3可知,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)儀器距離現(xiàn)場(chǎng)儀表1~2m時(shí),現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)因子的相對(duì)偏差最小,分別為-2.22%(3號(hào)位置)、-0.67%(4號(hào)位置)和-2.57%(7號(hào)位置)。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)儀器與現(xiàn)場(chǎng)儀表的距離<0.5m時(shí),校準(zhǔn)因子的相對(duì)偏差變大,分別為-16.30%(1號(hào)位置)和-9.61%(5號(hào)位置)。如圖2所示,現(xiàn)場(chǎng)儀表位于樓頂距離北側(cè)1m的位置,此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表會(huì)對(duì)位于1號(hào)位置的標(biāo)準(zhǔn)儀器產(chǎn)生影響,阻擋了來自樓體北面陸地γ的照射,降低了標(biāo)準(zhǔn)儀器的響應(yīng),從而造成了現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)因子較實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)因子偏低16.30%。2號(hào)位置受現(xiàn)場(chǎng)儀表的影響較小,但由于位于樓頂中心位置,樓體本身會(huì)對(duì)陸地γ產(chǎn)生阻擋,同樣會(huì)降低標(biāo)準(zhǔn)儀器對(duì)陸地γ射線的響應(yīng),此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)因子較實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)因子低10.61%。3、4號(hào)位置分別位于現(xiàn)場(chǎng)儀表東西兩側(cè)1m處,并不會(huì)受現(xiàn)場(chǎng)儀表和樓體的阻擋,因此這兩個(gè)位置的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)因子與實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)因子的偏差最小。綜上所述,在現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況將標(biāo)準(zhǔn)儀器置于現(xiàn)場(chǎng)儀表周圍1~2m的范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn),盡量避免因建筑物、樓板或屋頂?shù)纳⑸浜臀兆饔迷斐傻妮椛浣M分差異。另外,還應(yīng)充分考慮儀表自身和周圍建筑物對(duì)陸地γ和宇宙射線的影響,選擇與現(xiàn)場(chǎng)儀表參考點(diǎn)處輻射組分最相近的位置進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn)。
從表4可知,兩處固定式環(huán)境γ輻射劑量率儀的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)因子與實(shí)驗(yàn)室得到的校準(zhǔn)因子的相對(duì)偏差在1%以內(nèi),說明利用便攜式137Cs照射裝置能較好地解決固定式環(huán)境γ輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題。
在中國(guó)原子能科學(xué)研究院選擇兩處典型現(xiàn)場(chǎng)(總排放口和氣象站)開展現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)研究,利用研制的標(biāo)準(zhǔn)儀器作為量值傳遞儀表與現(xiàn)場(chǎng)兩臺(tái)固定式高氣壓電離室進(jìn)行比對(duì)校準(zhǔn),比對(duì)所得校準(zhǔn)因子與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室中的校準(zhǔn)因子的相對(duì)偏差小于5%,解決了現(xiàn)場(chǎng)儀表低量程范圍內(nèi)(尤其是環(huán)境本底劑量率水平)的溯源問題。另外,結(jié)合蒙特卡羅方法研制了便攜式137Cs照射裝置,該裝置能很好地解決固定式環(huán)境γ輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表的中、高量程段的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)問題,保證了環(huán)境γ輻射劑量率監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確可靠。
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On-site Calibration Technology for Fixed Environmental Gamma Radiation Ratemeter
GAO Fei,XIAO Xue-fu,NI Ning
(China Institute of Atomic Energy,P.O.Box275-20,Beijing102413,China)
The fixed environmental gamma radiation ratemeter is the main equipment to undertake environmental continuous monitoring tasks and not easy to move for metrology laboratory calibration,and the submission of a longer period affects the continuity of the continuous monitoring data.For the on time calibration of fixed environmental gamma radiation ratemeter,combined with the Monte Carlo method,the energy-compensated high-pressure ionization chamber and portable137Cs irradiation facility were developed.Using natural background radiation(including cosmic rays and terrestrial gamma rays)and137Cs gamma rays reference radiation field,the on-site calibration for fixed environmental gamma radiation ratemeter was carried out.The results show that the environment intercomparison and on-site irradiation can solve the calibration problem of fixed environmental gamma radiation ratemeters,and the relative deviation of calibration factors obtained from on-site calibration and in standard laboratory is less than 5%.
on-site calibration;high-pressure ionization chamber;portable137Cs irradiation facility;Monte Carlo
TL72
A
:1000-6931(2015)02-0212-06
10.7538/yzk.2015.49.02.0212
2014-06-03;
2014-08-12
高 飛(1983—),男,山東武城人,助理研究員,博士,電離輻射劑量專業(yè)