呂 寧，過惠平，尚愛國，周 城，呂金旭，趙 括，魏志浩，呂汶輝，劉 洋，李大吉，王 凱

(1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025； 2.中國人民解放軍96942部隊，北京 102200； 3.中國人民解放軍92609 部隊，北京 100077； 4.西安冠能中子探測技術(shù)有限公司，西安 710123； 5.中國人民解放軍96605 部隊，沈陽 110000； 6.中國人民解放軍96035 部隊，吉林 通化 134000)

民用、軍用核設(shè)施內(nèi)部及周圍安放有大量的固定式中子劑量儀器，用于實時監(jiān)測工作環(huán)境中子輻射水平[1]。根據(jù)《中華人民共和國強制檢定的工作計量器具檢定管理辦法》和《中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程：中子周圍劑量當(dāng)量(率)儀》(JJG 852—2006)等規(guī)定，中子劑量儀器定期標(biāo)校時間應(yīng)不超過12個月；按照“計量檢定規(guī)程”進行中子劑量儀器標(biāo)校的目的是獲取儀器“校準(zhǔn)系數(shù)”這一重要指標(biāo)。

通常，中子劑量儀器校準(zhǔn)在國家標(biāo)準(zhǔn)計量檢定中心進行，但這些固定式中子探頭數(shù)量多，處于分布式實時監(jiān)控狀態(tài)，將探頭頻繁拆卸移至標(biāo)準(zhǔn)實驗室運輸量較大、運輸過程中會增加儀器出現(xiàn)故障的概率；更重要的是，探頭外送檢定使核設(shè)施現(xiàn)場輻射環(huán)境處于“失管”狀態(tài)，影響了監(jiān)測測數(shù)據(jù)記錄的連續(xù)性。

本文探索了一種針對固定式中子劑量儀器進行現(xiàn)場標(biāo)校的方法，無須拆卸探頭，在中子探頭在線監(jiān)測的狀態(tài)下進行標(biāo)校。該方法以國家計量檢定規(guī)程為基礎(chǔ)，依據(jù)“相對標(biāo)校法”原理，采用中子管在標(biāo)校現(xiàn)場構(gòu)建輻射場；通過待校準(zhǔn)儀器與參考儀器的響應(yīng)比對，初步得到待校準(zhǔn)儀器的“校準(zhǔn)系數(shù)”；再對其進行能量修正，包括儀器能量響應(yīng)修正、注量-劑量轉(zhuǎn)換因子修正。

1 固定式中子劑量儀器的現(xiàn)場標(biāo)校

固定式中子劑量儀器的現(xiàn)場標(biāo)校，首先需要依托現(xiàn)場標(biāo)校系統(tǒng)完成固定式中子劑量儀器的線性范圍測試及校準(zhǔn)系數(shù)獲??；然后依據(jù)核設(shè)施現(xiàn)場中子能譜的特點對校準(zhǔn)系數(shù)進行能量修正。

1.1 線性范圍測試及校準(zhǔn)系數(shù)獲取

1.1.1儀器設(shè)備

依據(jù)“相對標(biāo)校法”原理，待校準(zhǔn)中子劑量儀器的線性范圍測試及校準(zhǔn)系數(shù)獲取，需要在高于環(huán)境本底的中子輻射場內(nèi)，在相同的測試條件下，通過與參考儀器進行響應(yīng)比對來實現(xiàn)。

(1)小型可控中子源

使用小型可控中子源在核設(shè)施現(xiàn)場構(gòu)建高于環(huán)境本底的中子輻射場。小型可控中子源包括GN40型氘氘(DD)中子管和與之配套的驅(qū)動盒、陽極電源箱、高壓控制箱、離子源控制箱。相對于同位素中子源，小型可控中子源在中子管不加電時，沒有中子輻射產(chǎn)生，避免了同位素中子源在攜帶、移動、保管過程中對人員、環(huán)境的輻射危害，減少了從事電離輻射計量工作的受照劑量。

通過調(diào)節(jié)中子管的靶壓與陽流控制GN40型DD中子管出射中子束流的大小，在一定距離下，可產(chǎn)生中子周圍劑量當(dāng)量率范圍為10 nSv·h-1～40 μSv·h-1的線性可控中子輻射場，跨4個數(shù)量級，能夠覆蓋一般核設(shè)施現(xiàn)場中子周圍劑量當(dāng)量率水平。經(jīng)實際測定，以中子管為中心、軸向向前為0°的各角度出射中子注量率水平如圖1所示，中子管±30°范圍內(nèi)出射中子注量率與0°相比，偏差在0.8%以內(nèi)，對稱性好。這是GN40型DD中子管及配套設(shè)備可用作現(xiàn)場標(biāo)校激勵源的前提和保證。

圖1 中子管出射中子注量率角分布

(2)參考儀器

首選與核設(shè)施內(nèi)部或周圍布放的固定式中子劑量儀器同類型的儀器——如HANM型高靈敏度中子監(jiān)測儀，按照國家計量檢定規(guī)程檢定合格，作為現(xiàn)場標(biāo)校比對用的參考儀器[2-3]。

參考儀器在中國原子能科學(xué)研究院電離輻射國防一級計量站進行校準(zhǔn)。Cf-252中子源活度為1.46×107/s，分別在距源100 cm、130 cm、160 cm處測量周圍劑量當(dāng)量率值MA1，使用影錐扣除散射MA2后，與該標(biāo)準(zhǔn)輻射場的約定真值H*(10)相比，按照公式(1)得到每一距離下的校準(zhǔn)系數(shù):

(1)

對3個距離下的校準(zhǔn)系數(shù)取平均：

(2)

得到參考儀器的劑量校準(zhǔn)系數(shù)NA為1.143。

1.1.2方法及試驗

在校準(zhǔn)現(xiàn)場，將待校準(zhǔn)儀器與參考儀器(同為HANM型)呈空間幾何對稱置于中子管出射軸線方向兩側(cè)，中子管距離兩臺儀器1.5 m左右；兩臺儀器距離盡可能接近，分別與中子管軸線夾角小于30°，以減小角響應(yīng)差異，如圖2所示。待標(biāo)校儀器與參考儀器的響應(yīng)示數(shù)由攝像頭傳回控制間；標(biāo)校現(xiàn)場與控制間的儀器通過長線相連接。

幾何對稱的空間擺放保證了參考儀器與待校準(zhǔn)儀器處于相同能譜的中子輻射場內(nèi)；同類型儀器保證了能量響應(yīng)曲線的一致性。待校準(zhǔn)儀器的校準(zhǔn)系數(shù)NB為：

圖2 中子劑量儀器現(xiàn)場標(biāo)校系統(tǒng)框圖

(3)

式中，中子管出射中子時，MA為參考儀器的劑量率響應(yīng)示數(shù)；MB為待校準(zhǔn)儀器的劑量率響應(yīng)示數(shù)；NA為參考儀器在國家一級計量站標(biāo)準(zhǔn)輻射場內(nèi)校準(zhǔn)獲得的校準(zhǔn)系數(shù)。其中，MA/MB反映的是由于中子探測器中工作氣體氣壓不同、后續(xù)核電子學(xué)電路死時間、閾值等差異導(dǎo)致的探測效率不同，是探測裝置本身的物理屬性，與所測量輻射場的中子能量分布無關(guān)。由于NA為劑量校準(zhǔn)系數(shù)，則NB亦為劑量校準(zhǔn)系數(shù)，但需注意，傳遞給NB的是對參考儀器校準(zhǔn)時所在的國家標(biāo)準(zhǔn)計量檢定中心參考輻射場中子能譜響應(yīng)特征。

試驗中，通過調(diào)節(jié)中子管的靶壓與陽流，產(chǎn)生跨4個數(shù)量級周圍劑量當(dāng)量的中子輻射場。對比待校準(zhǔn)儀器與參考儀器的劑量率響應(yīng)，實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 參考儀器與待校準(zhǔn)儀器示數(shù)比對

由圖3可知：R2為0.9998，說明待校準(zhǔn)儀器的線性范圍能夠很好地跟隨參考儀器，并保持一致，能夠滿足需要；MA/MB=0.749，代入(3)，得到待校準(zhǔn)儀器的劑量校準(zhǔn)系數(shù)為：

NB=1.143 ×0.749 =0.856

(4)

1.2 對校準(zhǔn)系數(shù)NB的能量修正

由于待校準(zhǔn)儀器所獲得的劑量校準(zhǔn)系數(shù)NB是通過參考儀器傳遞的國家標(biāo)準(zhǔn)計量檢定中心參考輻射場中子能譜響應(yīng)特征，為了完成校準(zhǔn)系數(shù)從國家標(biāo)準(zhǔn)計量檢定中心到核設(shè)施現(xiàn)場的傳遞，使其能夠準(zhǔn)確響應(yīng)核設(shè)施現(xiàn)場的中子能譜特征，需要對校準(zhǔn)系數(shù)NB進行能量修正。

1.2.1原理

中子探測器的能量響應(yīng)函數(shù)不平坦，中子監(jiān)測儀器的計數(shù)率響應(yīng)與中子能注量分布，即中子能譜有關(guān)；另外，中子注量向周圍劑量當(dāng)量的轉(zhuǎn)換系數(shù)也強烈依賴于中子能量。對于以周圍劑量當(dāng)量為輸出單位的中子監(jiān)測儀器來說，待測輻射場的中子能譜差異將通過探測器的能量響應(yīng)、中子注量向周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換兩個因素影響測量結(jié)果。因此，針對輻射場轉(zhuǎn)換、中子能譜改變所進行的儀器校準(zhǔn)系數(shù)傳遞，也必須從探測器能量響應(yīng)、中子注量向周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換兩個方面加以修正。

首先應(yīng)該獲取中子監(jiān)測儀器的能量響應(yīng)函數(shù)，在已知儀器結(jié)構(gòu)的前提下，可通過蒙特卡羅模擬方法獲取；條件允許的情況下，可以在單能中子線束上加以實驗驗證。以HANM型高靈敏度中子監(jiān)測儀為例，中子探測器為直徑50 mm、有效長度310 mm的三氟化硼(BF3)正比計數(shù)管；慢化體為65 mm厚的圓柱體聚乙烯。中子能量在1.0×10-9MeV至1.0×10-1MeV之間，每個數(shù)量級選取一個中子能量點；1.0 MeV至16MeV之間，每間隔1 MeV選取一個中子能量點，運用Geant4 軟件模擬中子經(jīng)聚乙烯慢化、與中子探測器相互作用的物理過程。模擬結(jié)果經(jīng)擬合，得到HANM型中子監(jiān)測儀的注量率響應(yīng)曲線ε(E)，如圖4所示。

圖4 HANM型中子監(jiān)測儀注量率響應(yīng)曲線

HANM型中子監(jiān)測儀的計數(shù)率:

(5)

式中，R(E)表示中子監(jiān)測儀的計數(shù)率， s-1；φ(E)表示輻射場中各能量段中子注量率， cm-2·s-1；ε(E)表示中子監(jiān)測儀的注量率響應(yīng)，cm2；φT(E)表示輻射場中全能量段中子注量率，cm-2·s-1。

(6)

則計數(shù)率可表達為：

(7)

儀器顯示的實用量——周圍劑量當(dāng)量率可由中子注量率轉(zhuǎn)換得來，中子注量-周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)hΦ如圖5所示[4]。

圖5 中子注量-周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)曲線

儀器所顯示的中子周圍劑量當(dāng)量率：

(8)

式中，H*(10)表示中子劑量監(jiān)測儀所測得的的周圍劑量當(dāng)量率，pSv·s-1；hΦ(E)表示中子注量-周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)，pSv·cm2。

(9)

則儀器所顯示的中子周圍劑量當(dāng)量率可表達為：

(10)

由(7)和(10)式，可得中子周圍劑量當(dāng)量率與儀器計數(shù)率之間的關(guān)系：

(11)

定義儀器計數(shù)率向中子周圍劑量當(dāng)量率的轉(zhuǎn)換因子為k：

(12)

k與中子能譜ΦE、響應(yīng)曲線ε(E)、中子注量-周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)hΦ三者有關(guān)，其中，中子能譜ΦE起決定性作用。

將劑量校準(zhǔn)系數(shù)NB裝訂到待校準(zhǔn)儀器中，置于核設(shè)施現(xiàn)場進行環(huán)境中子劑量監(jiān)測，能準(zhǔn)確反應(yīng)輻射場中子劑量水平的前提是：核設(shè)施現(xiàn)場具有與國家標(biāo)準(zhǔn)計量檢定中心參考輻射場相同的中子能譜，但這幾乎不可能。輻射場中子能譜的差異將導(dǎo)致裝訂有NB的待校準(zhǔn)儀器不能夠準(zhǔn)確反映核設(shè)施現(xiàn)場的中子劑量水平，需要對NB進行進一步的修正。

首先將待校準(zhǔn)儀器的劑量校準(zhǔn)系數(shù)NB除以kA進行能量解耦，得到待校準(zhǔn)儀器的本征計數(shù)校準(zhǔn)系數(shù)(NB/kA)，再乘以核設(shè)施現(xiàn)場中子能譜作用下的計數(shù)率向中子周圍劑量當(dāng)量率轉(zhuǎn)換因子kB，得到中子劑量儀器的現(xiàn)場標(biāo)校系數(shù)NB′，如(13)式所示:

(13)

其物理意義是：核設(shè)施現(xiàn)場中子劑量儀器標(biāo)校過程中的輻射場中子能譜影響因素向國家標(biāo)準(zhǔn)計量檢定中心參考輻射場中子能譜影響因素的“歸一化”。為了進一步概括校準(zhǔn)系數(shù)的修正因素，在公式(13)中，定義kε為待校準(zhǔn)儀器的能量響應(yīng)修正因子：

(14)

定義kΦ為待校準(zhǔn)儀器的中子注量-周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換修正因子：

(15)

可見：對待校準(zhǔn)儀器的劑量校準(zhǔn)系數(shù)NB的能量修正因子包括儀器的能量響應(yīng)修正因子和中子注量-周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換因子。

1.2.2試驗

由于傳遞校準(zhǔn)系數(shù)的參考儀器是在電離輻射國家一級計量站Cf-252標(biāo)準(zhǔn)輻射場完成校準(zhǔn)的，因此，可直接采用國標(biāo)推薦的Cf-252標(biāo)準(zhǔn)輻射場中子注量-周圍劑量當(dāng)量平均轉(zhuǎn)換系數(shù)[5]：

(16)

使用國標(biāo)推薦的Cf-252能譜數(shù)據(jù)與圖4所示的HANM型中子監(jiān)測儀注量率響應(yīng)曲線，依據(jù)(6)式算得儀器的平均能量響應(yīng)因子：

(17)

以Am-Be同位素中子源出射中子輻射場模擬核設(shè)施現(xiàn)場中子輻射場，Am-Be中子源產(chǎn)額為104·s-1量級。使用德國FST SENSORTECHNIK公司的REM500型多球中子譜儀測量Am-Be中子源輻射場能譜，該套多球中子譜儀采用英國Centronic 公司SP9型球形3He 正比計數(shù)器作為熱中子探測器，聚乙烯慢化球直徑從7.62 cm至30.48 cm不等，經(jīng)德國標(biāo)準(zhǔn)計量機構(gòu)PTB校準(zhǔn)后投入使用。測得的全能段中子能譜，如圖6所示[6]。

依據(jù)(9)式算得中子注量向周圍劑量當(dāng)量的平均轉(zhuǎn)換系數(shù)為：

(18)

使用圖6 現(xiàn)場中子源能譜與圖4 所示的HANM型中子監(jiān)測儀注量率響應(yīng)曲線，依據(jù)(6)式算得儀器能量響應(yīng)平均因子：

(19)

將(16)～(19)式結(jié)果代入(13)式，得到待校準(zhǔn)儀器修正后的校準(zhǔn)系數(shù)：

(20)

圖6 現(xiàn)場中子源能譜

2 結(jié)果檢驗

待校準(zhǔn)儀器測得Am-Be中子源輻射場中某點處的周圍劑量當(dāng)量率為12.306 μSv·h-1；使用修正后的校準(zhǔn)系數(shù)NB′對待校準(zhǔn)儀器的測量結(jié)果進行校準(zhǔn)，得到該點處的中子周圍劑量當(dāng)量率為:

12.306 ×NB′=12.306 ×0.714=8.786 μSv·h-1

(21)

使用前文所述REM500型多球中子譜儀測量該點處的中子周圍劑量當(dāng)量率，結(jié)果為9.002 μSv·h-1。校準(zhǔn)結(jié)果與之相比，相對偏差為-2.4%。

若使用未加以能量修正的校準(zhǔn)系數(shù)NB對待校準(zhǔn)儀器的測量結(jié)果進行校準(zhǔn)，得到該點處的中子周圍劑量當(dāng)量率為:

12.306×NB=12.306 ×0.856=10.534 μSv·h-1

(22)

與多球中子譜儀測算結(jié)果相比，相對偏差為17.0%。

由文獻[1]可知，以核電站為代表的常見核設(shè)施環(huán)境中子能量范圍為熱中子～10 MeV，與試驗中Am-Be中子源輻射場的中子能量范圍一致，尤其是快中子部分，這也就是工程上常使用Am-Be中子源來模擬核設(shè)施環(huán)境中子輻射場的原因。同樣依據(jù)文獻[1]，核電站典型點位中子周圍劑量當(dāng)量主要來源于100 keV～10 MeV能量段中子的貢獻，因此可以認(rèn)為這一能量段也是固定式中子劑量儀器校準(zhǔn)時主要的誤差貢獻段。將文獻[1]中典型點位的中子能譜與本文圖6相比較，發(fā)現(xiàn)本文試驗中Am-Be中子源輻射場100 keV～10 MeV能量段中子注量的份額要遠高于核電站典型點位，因此可以斷定：將本文的校準(zhǔn)系數(shù)修正方法應(yīng)用于核電站等常見核設(shè)施中固定式中子劑量儀器校準(zhǔn)工作中，相對偏差的絕對值不會高于2.4%。

3 結(jié)論

本文探索了一種針對核設(shè)施中布設(shè)的固定式中子劑量儀器進行現(xiàn)場標(biāo)校的方法，無須拆卸探頭，在中子探頭在線監(jiān)測的狀態(tài)下即可完成標(biāo)校。

該方法采用小型可控中子源——中子管在標(biāo)?，F(xiàn)場構(gòu)建中子周圍劑量當(dāng)量率范圍為10 nSv·h-1～40 μSv·h-1的線性可控中子輻射場，跨4個數(shù)量級，滿足通常條件下環(huán)境監(jiān)測級中子劑量儀器的動態(tài)響應(yīng)范圍。

固定式中子劑量儀器現(xiàn)場標(biāo)校的過程可歸納為：首先，選擇一臺與核設(shè)施中固定式中子劑量儀器同類型的中子劑量儀器，經(jīng)國家標(biāo)準(zhǔn)計量檢定中心參考輻射場校準(zhǔn)后，作為后續(xù)現(xiàn)場標(biāo)校的參考儀器，其劑量校準(zhǔn)系數(shù)為NA；其次，在核設(shè)施現(xiàn)場，在對稱的幾何空間條件下，得到參考儀器與待校準(zhǔn)儀器對中子管出射中子的響應(yīng)之比MA/MB，連同NA得到NB；最后，為了完成參考儀器的周圍劑量當(dāng)量校準(zhǔn)系數(shù)從國家計量檢定中心(如Cf-252標(biāo)準(zhǔn)輻射場)到核設(shè)施現(xiàn)場的傳遞，必須針對核設(shè)施現(xiàn)場特定的中子輻射場，對校準(zhǔn)系數(shù)NB進行能量響應(yīng)修正，得到修正后的校準(zhǔn)系數(shù)NB′，其中，能量修正因子包括：(1)儀器能量響應(yīng)修正因子kε；(2)中子注量向中子周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換的修正因子kΦ。

試驗證明，使用未經(jīng)修正的校準(zhǔn)系數(shù)NB對待校準(zhǔn)儀器的測量結(jié)果進行校準(zhǔn)，周圍劑量當(dāng)量率相對REM500型多球中子譜儀測量該點處的中子周圍劑量當(dāng)量率偏差為17.0%；使用修正后的校準(zhǔn)系數(shù)NB′對待校準(zhǔn)儀器的測量結(jié)果進行校準(zhǔn)，相對偏差為-2.4%，將本文的校準(zhǔn)系數(shù)修正方法應(yīng)用于核電站等常見核設(shè)施中固定式中子劑量儀器校準(zhǔn)工作中，相對偏差不會超過該水平?？梢姡瑢χ凶又車鷦┝慨?dāng)量率測量儀器的現(xiàn)場標(biāo)校中，進行能量修正是必要的。