2πα、2πβ粒子发射率副基准装置关键技术研究

杨杰斌，黄 秋，黄 平，谭益宁，杨 勇，张从华

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

2πα、2πβ粒子发射率副基准装置关键技术研究

杨杰斌，黄 秋，黄 平，谭益宁，杨 勇，张从华

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

为解决目前在用的α、β平面放射源活度计量检定和校准问题，保障α、β污染检测仪的量值准确性，对2πα、2πβ粒子发射率副基准装置进行深入研究，更新前置放大器、主放大器，研制大面积的流气正比计数装置和高速计数器，提高整个系统装置的分辨时间，拓展测量范围。该系统首次采用实时数据处理技术去除异常数据，提高测量结果的重复性，减小测量结果的不确定度。实验结果表明：整体装置系统稳定，测量过程实现自动化，优化数据处理、不确定度计算评估，为国内计量部门、专业实验室提供量值溯源和检测服务。

基准；粒子发射率；计量；检定；校准

0 引 言

α、β带电粒子探测技术经过一百多年的发展，技术成熟，研发α、β表面污染仪得到较快发展[1-4]。随着人们健康意识的增强，α、β表面污染检测仪得到了推广，使之成为放射防护的基本设备，广泛应用到放射性物质生产企业、核电站、环境检测站、核医学工作场所。关于α、β表面污染仪的检测和校准工作，一直为放射性工作人员所关注[5-7]。

目前，α、β表面污染检测仪的刻度、检定、校准是以α、β标准平面源作为参考，实现量值的准确和溯源，而开展平面放射源的检定工作和科学研究的单位较少，中国计量科学研究院拥有2πα、2πβ粒子发射率基准，中国测试技术研究院拥有2πα、2πβ粒子发射率副基准[2，7]，并且其装置都能进行正常工作。中国测试技术研究院在2008年至2010年对2πα、2πβ粒子发射率副基准装置的关键技术进行了深入研究，更新了测试设备和软件，提高了测量范围和测量结果的不确定度。根据国际计量局（BIPM）公布的校准测量能力（CMCs）数据，各国国家实验室的表面粒子发射率参量测试能力见表1，扩展不确定度的覆盖范围为1.0%～6.0%（包含因子k=2）。与表1的数据对比，中国测试技术研究院的2πα、2πβ粒子发射率副基准的粒子发射率测量值的扩展不确定度指标0.8%～1.5%（包含因子k=3）到达世界先进水平，能为广大α、β平面放射源使用单位提供更好的溯源和校准服务。

表1 BIPM公布的表面粒子发射率测试能力

1 工作原理

2πα、2πβ粒子发射率副基准装置的工作原理是利用大面积的流气正比计数装置测量放射源在2π立体角内的粒子发射率，通过各项修正计算表面粒子发射率，确定放射性活度[5]。表面粒子发射率计算采用式（1）：

式中：n——计数系统实际测试的计数率，计数/（min·2π）；

n0——待测源的表面粒子发射率，计数/（min·2π）；

n本底——本底计数率，计数/（min·2π）；

k分辨——计数系统分辨时间校正因数，由装置的分辨时间确定；

k小能量——小能量α、β粒子漏计数损失效应因数，由实验测试计算所得。

2πα、2πβ粒子发射率副基准整体装置包括流气多丝正比计数管、高压电源、前置放大器、甑别器、计数器、计算机等部分组成，如图1所示。工作的气体介质一般为甲烷或者甲烷与氩气的混合物。

图1 仪器框图

2 硬件配置

2.1 放射源

面状的α、β放射源10个，面积小于168mm×130mm。选择2个放射源作为长期监督源，考查测量装置的稳定性，一个为α放射源235U，另一个为β放射源90Sr+90Y。

2.2 正比计数器

大面积的流气正比计数管由中国计量科学研究院工厂制作，结构示意图如图2所示。计数管：阴极材料为不锈钢；体积为220 mm×160 mm×32 mm；源插板为不锈钢，厚4 mm；阳极为康铜丝5根，长度220 mm，直径0.05 mm；流气选择甲烷气体，纯度99.9%；计数管的屏蔽室为5cm厚的铅室；阳极丝的绝缘体材料采用聚四氟乙烯。工作时将甲烷气体从进气口通入，出气口排出。首先将内部空气排出后，然后气流速度控制在大约每3s一个气泡，进入测量状态。在2008年至2010年，将计数管的内部表面进行了抛光处理，更换了阳极丝和绝缘材料，对源插板进行了去污处理，改进了正比计数管。

图2 2π计数管示意图（单位:mm）

2.3 功能模块

除了正比计数器外，还需配置其他功能模块，如：高压电源Model-659、低压电源Model-4002D、交流精密净化稳压电源2.0 kVA、放大器FH-1043、前置放大器FH-1042、单道分析器FH-1007A、计数分析器。

高压电源、低压电源、前放放大器、主放放大器、单道分析器为更新设备，调整脉冲宽度，分辨时间由5μs提高到1μs左右，提高硬件的性能。

计数分析器为中国测试技术研究院研制，具有信号采集、处理模块。计数率到1M以上，通过串口与上位机进行通信和数据传输，定时向上位机发送采集的计数，实现长时间连续测试。

3 测量软件及信号处理

3.1 测量软件

图3 系统软件设计框图

测量软件的基本功能是采集单道分析器输出的脉冲信号，统计采集脉冲信号的个数，将每秒的测量计数进行显示、记录、保存[8]。由测量数据计算总计数、平均发射率、测量结果的不确定度评估等，软件的基本模块组成见图3。测量软件的主要功能包括：1）通信设置和数据协议，实现串口的初始化和串口的读写操作；2）数据的处理，实现数据的读取、判断、后台的存放，实现屏幕数据显示、曲线显示；3）不确定的评估，考虑不确定的分量并进行不确定度合成计算，不确定度分量包括：小能量粒子计数校正不确定度、计时不确定度、测量装置短期稳定性、计数的统计涨落、分辨时间校正不确定度、本底校正不确定度；4）实现长时间连续测量，数据自动存储；5）实现异常数据的分析处理，保障数据的复现性和稳定性。

3.2 信号处理

测量软件的核心是信号数据处理和分析[9]，针对粒子发射率副基准装置的数据处理，主要工作是数据的实时采集和处理，去掉异常数据，保存正常数据，完成测量结果的不确定度评估计算。在数据处理中，首次引入实时数据分析技术，该技术直接剔除异常数据，采用基本逻辑如图4所示。在逻辑框图中，A、B分别是出现异常数据的判断边界的上下限。计数在A和B之间视为正常数据，执行记录，否则为异常数据，直接剔除。在测量过程中，A、B值随着放射源活度的不同而改变，也可以根据实际工作环境中的信号噪声或者电路偶然的冲击变化幅度（如启动空调、大的电机等）进行调整，排除异常值。这在实际测量中保证数据的正确性，克服常规计数器在一段时间内只取总计数而忽略了异常数据处理的缺点。

图4 除去异常数据逻辑

表2 技术指标对比

4 计量性能

通过系统升级，更新前置放大器、主放大器，改进正比计数管，提升了整体装置的硬件水平。研制数据采集和数据处理系统，实现了测量和数据处理过程的自动化、微机化。为了确定系统的计量性能，采用10个标准放射源以及送检的放射源，分别进行测试。通过实验测试，分辨时间由原来的5 μs提高到0.99μs，测量范围上限提高了一倍以上，测量不确定度得到了提高，总体计量性能见表2。从表2的数据可以看出，采用异常数据的处理，测量数据更加稳定，系统升级后的测量结果不确定数值减小一半左右。

5 监督源测试考查

系统升级后，从2010年至2014年，每年都进行系统装置的稳定性考核。采用的放射源为：α放射源为235U，半衰期为（7.038±0.005）108y；β放射源为90Sr+90Y，半衰期为（28.99±0.25）y。

在2010年，副基准测得α和β发射率在一天内短期稳定性都为±0.08%，α在35年内、β在33年内长期稳定性为±0.23%。α和β长期监督源的测量值与初建时（α：1975年；β：1977年）的测量值及1977年中国计量科学研究院的测量值最大相差±0.56%，在测量误差范围内一致。另外，也间接地同1995年国内比对的平均值在测量不确定度范围内一致，说明升级后的副基准装置稳定可靠。

从2010年至2014年，每年的稳定性测试数据见表3。可以看出，测试所得α和β长期监督源的量值稳定性平均值为0.30%，β放射源的最大波动为0.42%，α放射源的最大波动为0.97%，稳定性小于最大允许误差的1.4%，符合国家计量基准要求。

表3 2010年至2014年稳定性

6 结束语

在2πα、2πβ粒子发射率副基准装置的基础上，改进了正比计数器，提高绝缘性，更新了高压电源、前置放大器、主放大器，研制了计数分析器，提高了系统装置的硬件水平，将系统分辨时间提高到了0.99μs，拓展了测量范围。经测试，副基准装置具有良好的稳定性。在数据采集和处理软件中，将异常数据处理引入到实时数据处理中，保持测量数据的稳定性，提高了测量结果的不确定度，从而提高了副基准装置的技术水平。通过深入研究粒子发射率副基准装置，提高技术水平，为全国计量部门、放射源使用单位提供更准确的量值，保障量值传递更科学、合理。

[1]GB/T 16698—2008α粒子发射率的测量大面积正比计数管法[S].北京：中国标准出版社，2008.

[2]JJF 1344—1990 2πα、2πβ粒子发射率副基准装置操作技术规范[S].北京：中国计量出版社，1990.

[3]饶贤明.多丝正比计数器核电子学电路研制[J].核电子学与探测技术，2003（9）：471-472.

[4]王志刚，邓长明，张世让.一种用于2π多丝正比计数器的放大电路设计及性能测试[J].核电子学与探测技术，2010（8）：152-154.

[5]陈宽基，倪伟清，徐孝恩，等.计量测试技术手册[M].北京：中国计量出版社，1997：75-93.

[6]JJF 1059.1—2012测量不确定度评定与表示[S].北京：中国质检出版社，2012.

[7]黄秋，方方，杨勇，等.2πα、2πβ粒子发射率副基准复现单位量值研究[J].核电子学与探测技术，2012（4）：471-474.

[8]Knglinski D J.Programming Visaual C++6.0技术内幕（修订版）[M].5版.北京：希望电子出版社，2001：63-119.

[9]吴学超.核物理实验数据处理[M].北京：原子能出版社，1988：102-137.

Research on key technologies in vice primary national standard of α and β emission rate in 2π sr

YANG Jie-bin，HUANG Qiu，HUANG Ping，TAN Yi-ning，YANG Yong，ZHANG Cong-hua
（National Institute of Measurement and Testing Technology，Chengdu 610021，China）

In order to solve verification and calibration problems of theαand β plane source activity to ensure the accuracy ofαandβcontamination testing equipment，Vice primary national standard of α andβemission rate in 2π sr is researched deeply.Preamplifier and main amplifier are updated.The large area gas-flow proportional counter and high-speed counter are developed to improve time resolution of the whole system devices and expand the range of measurement.Realtime data processing techniques to remove the abnormal data is firstly used in the testing system software to improve the reproducibility ofthe measurementresults and reduce measurement uncertainty.The whole device system is stable to automate data collection and optimize data processing and uncertainty assessment.It is used to provide traceability and testing services for domestic metrology departments and professional laboratories

primary national standard；particle emission rate；metrology；verification；calibration

TB98；TM930.113；O571；TL818

：A

：1674-5124（2014）05-0001-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.001

2014-03-17；

：2014-05-05

国家重大科学仪器设备开发专项（2013YQ090811）中央补助地方科技基础条件专项（JG2008023Z）

杨杰斌（1965-），男，四川成都市人，高级工程师，主要从事基准、标准、工程等领域的计量测试与研究工作。