低水平α、β放射性测量仪器计量性能的测试分析*

宋家斑 李小双 陆小军 韩刚 刘佳煜 唐方东/上海市计量测试技术研究院

0 引言

伴随着核与同位素技术利用、核能资源应用的日益广泛，低放废物在自然环境中出现的可能性与日俱增，环境放射性监测领域低水平α、β放射性测量的重要性越来越凸显。目前常用的低水平α、β放射性测量仪器主要采用闪烁体探测器和流气式正比计数器，由此，上述两种类型的仪器分别称为“低本底α、β测量仪”和“流气正比计数器总α、总β测量仪”，国家计量检定规程 JJG 853-2013《低本底α、β测量仪》[1]与 JJG 1100-2014《流气正比计数器总α、总β测量仪》[2]规定了上述两类仪器的检定项目、技术要求与检定方法。

参照计量检定规程对低水平α、β放射性测量仪器的仪器本底、探测效率、串道比等主要计量性能参数作实验测量，基于测量数据分析评价其性能特点，对于低水平α、β放射性测量仪器在环境放射性监测中更好的应用、保障监测结果的准确可靠具有指导意义。

1 实验

1.1 实验设备

测量标准为α、β标准平面源，技术性能指标见表1。低本底α、β测量仪和流气式正比计数器总α、总β测量仪均为多个探测器模块式组合结构，每个探测器为1个独立探测单元（俗称“测量通道”），实验选用的低本底α、β测量仪和流气正比计数器总α、总β测量仪的型号、测量通道数见表2。

表1 α、β标准平面源的技术性能参数

表2 实验用仪器的型号与数量

1.2 实验方法

低本底α、β测量仪计量性能参数参照JJG 853-2013中7.3条规定的方法进行检测。

流气式正比计数器总α、总β测量仪计量性能参数参照JJG 1100-2014中7.3条规定的方法进行检测。

1）仪器本底

将无放射性核素污染的样品盘放入测量室，设置测量时间，按照式（1）计算仪器本底。

式中：N0α(β)——α（或 β）本底总计数；

T0α(β)——α（或 β）本底累计测量时间，min；S——有效探测面积，cm2

2）探测效率

将α（或β）标准平面源放置于样品盘中心，使源表面尽量接近但不超过样品盘的上沿，固定平面源。设置仪器的测量次数及单次测量时间，按照式（2）计算仪器的探测效率。

式中：Nα(β)——α（或 β）累计计数；

Tα(β)——测量 α（或 β）源的累计时间，min；

Aα(β)——α（或 β）标准平面源在测量时的表面发射率，（min·2πsr）-1

3）串道比

根据1.2.2测量数据，按式（3）计算α射线对β道的串道比χα→β以及β射线对α道的串道比χβ→α。

式中 ：Nα→β(β→α)——测量α（β）标准平面源时，β（α）道的计数；

Nα(β)——测量 α（β）标准平面源时，α（β）道的计数

2 实验结果与分析

2.1 实验数据

10种型号低本底α、β测量仪的共计232个探测器（测量通道）各参数的测量结果见表3，5种型号流气正比计数器总α、总β测量仪的共计267个探测器（测量通道）各参数的测量结果见表4。

表3 低本底α、β测量仪性能参数测量结果

表4 流气式正比计数器总α、总β测量仪性能参数测量结果

2.2 结果分析

1）本底

JJG 853-2013和 JJG 1100-2014中，对低本底α、β测量仪和流气正比计数器总α、总β测量仪的α本底要求是：单位面积的α粒子计数率小于等于0.017 min-1cm-2和 0.008 min-1cm-2；对 β 本底要求是：单位面积的β粒子计数率小于等于0.5 min-1cm-2和0.05 min-1cm-2，对比于低本底α、β测量仪，检定规程对流气式正比计数器总α、总β测量仪本底的要求更为严格。由表3和表4可知，低本底α、β测量仪的α本底要比流气式正比计数器总α、总β测量仪高出10%，β本底高出约300%。

低水平α、β放射性测量仪器为了屏蔽宇宙射线的干扰，除了外加铅室之外，还采用了反符合屏蔽技术。即在主探测器周围附加一个或一组反符合屏蔽探测器，反符合探测器与主探测器同时有信号输出时，反符合电路输出信号阻止主探测器输出信号的记录和分析，即仅当主探测器单独有输出时，该信号才被记录和分析[3]。一般而言，流气正比计数器总α、总β测量仪的反符合探测器分布于主探测器正上方和四周，可以探测到绝大部分直射及散射入主探测器的宇宙射线；而低本底α、β测量仪的反符合探测器只设置在主探测器正上方，对散射进入主探测器宇宙射线的探测效果相对较弱，因此流气正比计数器总α、总β测量仪的本底明显低于低本底α、β测量仪。

2）探测效率

JJG 853-2013和JJG 1100-2014中对两类仪器α粒子探测效率的要求都是大于等于65%，但是对于β粒子探测效率，JJG 1100-2014规定流气正比计数器总α、总β测量仪的β探测效率应大于等于65%，JJG 853-2013规定低本底α、β测量仪的β探测效率应大于等于35%。表3和表4显示，实验测得低本底α、β测量仪的α探测效率的平均值为75.9%，流气正比计数器总α、总β测量仪的α探测效率的平均值为74.4%，两者较为接近；而β探测效率，低本底α、β测量仪测量结果的平均值为58.4%，流气正比计数器总α、总β测量仪为89.5%，流气式正比计数器总α、总β测量仪对α粒子的探测效率要比低本底α、β测量仪高出约30%。

从探测器原理分析，低本底α、β测量仪采用的闪烁体探测器利用的是透明物质发生电离辐射作用之后产生的闪烁光，通过光探测器进行信号读取，受闪烁体发光效率的影响，当β粒子的能量较低时，探测效率偏低[4]。而流气式正比计数器总α、总β测量仪则是工作于正比区的气体探测器，在离子收集过程中将出现气体放大现象，即被加速的原电离电子在电离碰撞过程中逐次倍增，因此该探测器灵敏度较高，原则上只要有一对原电离离子就可被分辨[5]，因此流气式正比计数器总α、总β测量仪对于β粒子的探测效率高于低本底α、β测量仪。

3）串道比

JJG 1100-2014规定流气正比计数器总α、总β测量仪α对β串道应小于等于10%；β对α串道应小于等于3%。JJG 853-2013规定低本底α、β测量仪α对β串道应小于等于3%；β对α串道应小于等于1%。由表3、表4可见，流气正比计数器总α、总β测量仪α粒子对β串道比低本底α、β测量仪高出约3倍，而β对α串道两者的测量结果相近。

两种仪器串道比的差异同样是由于气体放大的影响。在流气正比计数器总α、总β测量仪中的带电粒子在收集电极上感生的脉冲幅度比原电离感生的脉冲幅度放大数倍，带电粒子入射时的带电量即带电粒子的类型更加难以区分；而低本底α、β测量仪使用的闪烁体探测器则是通过发光强弱来区分入射粒子类型，因此低本底α、β测量仪的串道比相对较低。

3 结语

10种型号低本底α、β测量仪的232个探测器（测量通道）和5种型号流气正比计数器总α、总β测量仪的267个探测器（测量通道），本底、探测效率与串道比的实验测量结果显示，流气正比计数器总α、总β测量仪与低本底α、β测量仪的α本底和α探测效率无明显差异，但流气正比计数器总α、总β测量仪的β较低、β探测效率较高，低本底α、β测量仪的α对β串道比较低，性能参数的差异与两种仪器的结构及探测器原理特性相符。实验结果表明流气正比计数器总α、总β测量仪对β放射性的测量下限低，在低水平放射性测量上性能更优，而低本底α、β测量仪α对β的串道比小，较适用于α、β放射性混合样品的测量。