大面积表面污染测量仪主要性能测试与分析

张 菁，侯 磊，饶贤明，刘晋瑾，杜向阳，张 佳，乔敏娟

(1.山西中辐核仪器有限责任公司，太原 030006；2.中国辐射防护研究院，太原 030006；3.中核霞浦核电有限公司，福建 宁德 355100)

当前在核电、核燃料循环产业链等领域，存在放射性表面污染的风险，为保护工作人员免受辐射照射有害效应[1-2]，可使用便携式表面污染测量设备来对工作人员手、脚及全身进行监测，进而达到防止污染扩散，保证工作人员安全，实现辐射防护最优化的目的。基于此，山西中辐核仪器有限责任公司自主研发了便携式α、β大面积表面污染测量仪，仪器可应用于各类放射性表面污染场所的检测。

为确保仪器测量的准确性和测量数据的可靠性，本文参照国际国内相关规定[3-4]，对大面积α、β表面污染测量仪器探测器的均匀性、探测效率、探测限、响应时间和温度稳定性等主要性能进行了测试分析。

1 便携式大面积表面污染测量仪

便携式大面积、表面污染测量仪为山西中辐核仪器有限责任公司自主研发的一种大面积[5]表面污染测量仪，为一体式设计，有效探测面积为170 cm2。仪器采用灵敏层厚度为0.5 mm的复合塑料闪烁体探测器，可同时测量α、β射线，并分别显示测量值。仪器由探测器单元、电子学单元和外壳构成，仪器结构如图1所示。探测器单元包括网格、铝膜、塑料闪烁体、光电倍增管、运放电路等。电子学单元包括显示器、按键面板、锂电池、主板电路、USB数据接口等。外壳材料选用ABS塑料。

图1 仪器结构图Fig.1 Structure diagram of the meter

本仪器的工作原理：探测器将收集到的射线转换为电信号，经运放电路处理，用幅度甄别法将信号脉冲分为α和β两道计数，分别送至单片机系统，经由算法处理后将测量结果发送到显示屏。用户还可通过按键设置仪器的测量参数。

2 性能测试与分析

对本文便携式大面积表面污染测量仪测试依据JJG 478—2016 《α、β表面污染仪检定规程》和 GB/T 5202—2008 《辐射防护仪器 α、β和α/β(β能量大于60 keV)污染测量仪与监测仪》。测试环境温度为25 ℃左右，相对湿度为65%左右，测试实验于中国辐射防护研究院校准实验室内完成。测试过程中所用到的放射源列于表1。

表1 放射源列表Tab.1 Radioactive sources list

表1中，除2号源为直径10 mm的点源外，其余源规格均为10 cm×15 cm的长方形面源。1号、2号、6号源的溯源机构为中国辐射防护研究院放射性计量站，3号源溯源机构为中国计量科学研究院，4号和5号源溯源机构为国防科技工业电离辐射一级计量站。

2.1 本底计数率

本底测量工作于中国辐射防护研究院校准实验室完成，本底重复测量10次，每次测量时间为10 s，计算得α本底计数率平均值为0.1 s-1；β本底平均值为5.9 s-1。

2.2 表面发射率响应

分别用α、β系列标准面源测定大面积表面污染测量仪对α、β粒子的响应。测量时，采用10 cm×15 cm的长方形面源，放入专用源架内进行测试。依据标准JJG 478—2016[3]，用α源时，α标准平面源距探测器窗表面距离为5 mm；用β源时，β标准平面源距探测器窗表面距离为10 mm。对应每个放射源取10个计数率测量值(每秒1次)求平均值。α、β表面污染仪扣除本底后得到的净计数，与探测器窗对应的标准平面源活性区域面积上表面发射率的商，即为被检仪器的表面发射率响应。可由公式(1)计算得出，结果列于表2。

(1)

由表2可以可看，探测器对α、β源的表面发射率响应满足标准JJG 478—2016中对于α粒子和β粒子表面发射率响应的技术要求。

表2 探测器表面发射率响应(测量时间：10 s)Tab.2 Surface emission rate response of meter ( measure time:10 s)

2.3 探测器的均匀性测试

探测器的均匀性表示单位面积上测量的数据可以在整个表面重复的一种性能，为了区分探测器单位面积对放射源表面发射率的响应的均匀性，可认为探测器是由许多相同表面积的部分组成[6,7]。均匀性定义为整个表面上各独立部分的表面发射率响应的变异系数，每个小部分的面积应在10 cm2左右，分区如图2所示。

图2为探测器上均匀性测试的16个点位，使用表面发射率为72 s-1的90Sr-90Y点源，对16个点位分别进行5次重复测量，每次测量时间为10 s，点源距离探测器窗每个点位距离为10 mm。表3给出了16个点位β表面发射率响应的值。

图2 探测器分区示意图(单位：mm)Fig.2 Detector diagram (unit:mm)

表3 探测器均匀性测试结果Tab.3 Test results of uniformity

由表3可知，仪器各点位对90Sr-90Y表面发射率响应为35.8%～58.3%，探测器各部分表面发射率响应测量值标准偏差为5.8%，均匀性好于13.0%，与文献[8]均匀性测试结果相当。

2.4 最低可探测下限

根据标准GB/T 5202—2008和JJG 478—2016，对特定核素的最低可探测下限DL的计算如式(2)所示：

(2)

式中，R0为本底计数率，见2.1节；t0为本底计数的预选时间，10 s；tb为测量的预选时间，10 s；k1-α为第一类误差风险正态分布的分位数，k1-β为第二类误差风险正态分布的分位数，置信度为95%时，选k1-α=k1-β=1.65；η是仪器的表面发射率响应；ε是平面源效率，根据JJG 478—2016，239Pu平面源取0.51，90Sr-90Y平面源取0.62，36Cl平面源取0.5；A为探测器灵敏面积，此处为170 cm2。

使用上述数据和表2中表面发射率响应数据，根据式(2)计算可得，仪器的最低可探测下限对α源239Pu为0.15 Bq/cm2，对β源90Sr-90Y(面源)为0.07 Bq/cm2，对β源36Cl为0.09 Bq/cm2。满足标准GB/T 18871—2002[9]中关于工作场所的放射性表面污染控制水平的要求。

2.5 响应时间

根据标准GB/T 5202—2008[4]，响应时间按下述方法确定：被测污染突然发生变化时，如果仪器指示的辐射值增加，则指示值在7 s内达到式(3)的数值M；如果仪器指示的辐射减少，则在10 s内达到式(3)的数值M：

(3)

式中，Mi为仪器的初始指示值，Mf为仪器的最终指示值，M为时间响应判断值。

根据标准 GB/T 5202—2008[4]，将正常工作的仪器放在带源(90Sr-90Y面源)的源架上，仪器指示的辐射值增加，β计数率指示初始值为877.3 s-1，最终指示值为6 111.7 s-1，仪器指示值列于表4。由式(3)可知，M=5 588.2 s-1。由表4可以看出，指示值可在4 s内达到M值，时间响应<7 s。

表4 仪器时间响应指示值变化(1) (90Sr-90Y)Tab.4 Indicated values as contamination increasing(90Sr-90Y)

移除放射源时，仪器指示的辐射值减少，β计数率指示初始值为6 111.7 s-1，最终指示值为7.25 s-1，仪器指示值列于表5。计算得M=617.7 s-1。

表5 仪器时间响应指示值变化(2) (90Sr-90Y)Tab.5 Indicated values as contamination decreasing (90Sr-90Y)

由表5可以看出，指示值在4 s内可以达到M值，时间响应<10 s。

综上所述，仪器整体时间响应<4 s，符合标准GB/T 5202—2008的规定。

2.6 温度稳定性

根据标准GB/T 8993—1998[10]的规定，选择仪器工作温度为-10 ℃～40 ℃。本测试在环境试验箱内进行，测量时间均为4 h，测试源为90Sr-90Y(面源)。仪器在每个极限温度下(-10 ℃和40 ℃)至少保持4 h并在最后30 min内进行所要求参数的测量，每10 s记录一次数据。测试结果列于表6。

表6 温度稳定性测试表(测量时间：10 s)Tab.6 The test results of temperature stability (time:10 s)

由表6可知，仪器在40 ℃和-10 ℃时，本底计数率、β计数率与室温条件下的计数率差异在-5.9%、5.1%之间，均在GB/T 5202—2008规定的40 ℃时指示值的变化限值为±7%和-10 ℃时指示值的变化限值为±20%的范围内，说明仪器温度稳定性符合标准要求。

3 结论

本工作对大面积表面污染测量仪表面发射率响应的均匀性、最低可探测下限、时间响应和温度稳定性等各项指标进行了测试与分析。结果表明，该仪器的表面发射率响应均匀性良好；最低可探测下限对α源239Pu为0.15 Bq/cm2，对β源90Sr-90Y为0.07 Bq/cm2，对β源36Cl为0.09 Bq/cm2，满足标准GB/T 18871—2002关于放射性表面污染控制水平的要求；响应时间小于4 s，符合GB/T 5202—2008标准的规定；极限温度条件下，仪器测量数值变化范围在-5.9%到5.1%之间，满足标准GB/T 5202—2008要求，仪器可在极限温度下正常工作。