不同探测器便携式X、γ辐射剂量当量（率）仪的计量特性*

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

辐射安全保障是核与同位素技术应用的必要前提，核与辐射监测结果的准确性是辐射安全保障的重要基础。便携式X、γ剂量当量（率）仪是辐射防护领域应用最广的辐射监测仪器，其常用的探测器类型有电离室、GM计数管、闪烁体和半导体探测器等，最主要的计量性能为相对固有误差和能量响应。JJG 393-2003《辐射防护用X、γ辐射剂量当量（率）仪和监测仪》规定了便携式X，γ剂量当量（率）仪的检定项目、检定方法与技术要求[1]。

实验将测量并统计各仪器的相对固有误差与能量响应两个主要计量性能参数，分析评估不同探测器性能差异与合格率水平。

1 实验条件与方法

1.1 环境条件

实验室环境温度为18～22 ℃，相对湿度为50%～70%，大气压为100～103 kPa，γ辐射本底为空气比释动能率为 0.14～0.19 μGy/h。

1.2 实验设备

测量用标准装置为“X、γ射线空气比释动能(防护水平)标准装置”，包括137Csγ参考辐射场和标准电离室剂量计，量值溯源至X、γ辐射空气比释动能率国家基准。标准装置的主要技术参数如表1所示[2]。

主要参数名称 技术指标 不确定度装置测量范围 1×10-6 ～ 1 Gy·h-1 U=4.4% (k=2)辐射场均匀性 ≤3% /射野范围 在1 m处有效直径大于30 cm（5%均匀性） /标准电离室剂量计30 mL 重复性 0.06% U=4.4% (k=2)1 L 重复性 0.06% U=4.4% (k=2)10 L 重复性 0.06% U=4.4% (k=2)

1.3 测量方法

1）相对固有误差的测量方法

相对固有误差的测量方法参照JJG 393-2003第7.3.2条，根据辐射防护用便携式X、γ剂量当量（率）仪的测量范围，在参考辐射场中确定测量点，用计量标准器测定各个测量点的空气比释动能率，并转换为周围剂量当量率，然后以由便携式X、γ剂量当量（率）仪在各个测量点的示值，按照式（1）计算相对误差，取其中绝对值最大的相对误差作为该仪器的相对固有误差I。

式中：Ht—— 周围剂量当量率的参考值，Sv/s；

Hi—— 仪器的示值，Sv/s

2）能量响应的测量方法

能量响应的测量方法参照JJG 393-2003第7.3.3条，仪器示值与测量点参考值的比值随辐射能量的变化就是能量响应。实验测量时使用窄谱系列过滤X参考辐射和137Cs γ参考辐射，不同的辐射能量下采用相似的剂量当量率，仪器对平均能量为E的各种辐射的响应RE均以它对137Cs γ参考辐射的响应归一。X、γ的转换系数h*k(10)的推荐值见表2。

表2 窄谱系列过滤X参考辐射的h＊k(10)的推荐值（扩展齐向场，ICRU球）

2 实验结果与分析

2.1 实验结果

实验对象包括电离室、GM计数管、闪烁体和半导体探测器的14种型号，309台辐射防护用便携式X、γ剂量当量（率）仪，测量结果见表3。

1）相对固有误差

JJG 393-2003规定相对固有误差的技术要求为不超过±20%，判定方式为如果任一测量点的I值不超过±（20% +U），则认为仪器的相对固有误差满足技术要求，U是剂量当量率参考值的扩展不确定度（k= 2），以百分比表示。实验测量中剂量当量率参考值的不确定度U为4.7% （k= 2）。由表5可知，309台便携式X、γ剂量当量（率）仪中有272台（占总数88%）的相对固有误差不超过±24.7%，符合JJG 393-2003的技术要求。比较各类探测器的便携式辐射防护用X、γ剂量当量（率）仪，其相对固有误差的中位值和平均值：半导体探测器仪器的中位值和平均值较小且相近，显示其相对固有误差整体水平较好，且极端值较少；电离室、半导体和GM管探测器仪器相对固有误差的合格率均在90%左右，高于闪烁体探测器的便携式X、γ剂量当量（率）仪；闪烁体探测器仪器相对固有误差的中位值和平均值较低但合格率相对低，说明其相对固有误差整体水平较好，但仍存在数量较多的相对固有误差超出技术要求。

2）能量响应

JJG 393-2003规定辐射防护用X、γ剂量当量（率）仪能量/入射角响应的技术要求为变化极限不超过±40%。能量响应实验时以入射角固定为0°角进行。由表3可知，309台便携式X、γ剂量当量（率）仪中，有185台（占总数60%）的能量响应在0.60～1.40之间，其中电离室和半导体探测器X、γ剂量当量（率）仪能量响应的中位值与平均值相近，数值均在0.8左右，且合格率较高，表明该两种探测器的能量响应较好；GM管探测器X、γ剂量当量（率）仪能量响应的中位值与平均值分别大于2和3，且能量响应在（0.60～1.40）范围内的合格率不到50%，平均值明显大于中位值，说明其能量响应偏差大，存在一些能量响应过高的情况；闪烁体探测器X、γ剂量当量（率）仪能量响应在（0.60～1.40）范围内的合格率最低，且中位值0.59、平均值0.96，表明该类探测器能量响应离散度较大，响应偏高和偏低的情况同时较多地存在。

表3 不同探测器便携式辐射防护用X、γ剂量当量（率）仪的主要计量性能

3）合格率

由表3可得，在统计的309台辐射防护用便携式X、γ辐射剂量当量（率）仪中，相对固有误差符合JJG 393-2003技术要求的为88%，能量响应在（0.60～1.40）范围内的为60%，相对固有误差合格并且能量响应在（0.60～1.40）范围内的有55%。

图1 不同探测器类型相对固有误差与能量响应的合格率

2.2 结果分析

分析上述结果，电离室与半导体相对固有误差与能量响应性能较好。从探测器原理来分析，半导体探测器是利用载流子在不同能量粒子作用下产生导电性的原理进行探测的，其具有很高的能量分辨率与线性的剂量响应。电离室利用收集粒子与气体相互作用产生的二次电子进行测量，是可以准确测量的剂量计，也拥有很好的能量响应。闪烁体探测器利用的是透明物质发生电离辐射作用以后产生的闪烁之光，再利用光探测器进行信号的读取，响应时间快、探测灵敏度高，但是它仅记录脉冲信息，不记录能量信息，故能量响应性能较弱[3]。GM管结构简单、使用成本低、环境适应性强，仅由电离事件触发，产生电脉冲大小几乎相同且与初始时间无关，故难以获得良好的相对固有误差及能量响应性能。从表3可见，GM管剂量当量（率）仪能量响应偏高，原因是大多数GM管都是用原子序数比组织或空气高的材料制造的，因此会对约100 keV以下的光子呈现强烈的光电效应，需要用适当的高Z过滤材料包裹GM管来展平低能情况下的超响应。经作能量补偿后GM计数管可在一定范围内改善其响应特性[4]。

3 结语

不同探测器的辐射防护用便携式X、γ剂量当量（率）仪，其相对固有误差与能量响应测量统计结果与探测器原理特性相符，电离室与半导体探测器便携式X、γ剂量当量（率）仪能量响应好、相对固有误差合格率较高。

GM管、电离室、闪烁体和半导体探测器共14款309台辐射防护用便携式X、γ辐射剂量当量（率）仪相对固有误差，能量响应测量结果统计显示，相对固有误差满足JJG 393-2003技术要求的为272台，合格率88%，能量响应在JJG 393-2003对能量/入射角响应的技术要求极限范围内的为185台，合格率60%，同时符合上述技术要求的为170台，占总数的55%。以上统计结果表明，有接近一半的便携式X、γ剂量当量（率）仪主要计量性能不满足计量检定规程的要求，检定校准的必要性与重要性极为显著。

[1]全国电离辐射计量技术委员会.JJG 393-2003 辐射防护用X、γ辐射剂量当量（率）仪和监测仪检定规程[S].北京：中国计量出版社，2004.

[2]孙训. 常用型号直读式X、γ辐射个人剂量当量监测仪主要计量性能的比较与评价[J].上海计量测试，2017（3）：28-30.

[3]（美）Frank Herbert Attix.放射物理和辐射剂量学导论[M].雷家荣译.北京：中国原子能出版社，2013：346.

[4]丁洪林. 核辐射探测器[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.