GM计数管辐射特性与能量补偿研究

徐 阳, 高 飞, 赵 瑞, 倪 宁,黄少鹏, 王菲菲, 林 敏

(1.中国原子能科学研究院 计量与校准技术重点实验室,北京 102413；2.中国计量科学研究院,北京 100029)

1 引 言

在核反应堆、加速器、核与放射医学设施和放射性实验室等场所中使用的环境级与防护级X、γ辐射剂量监测设备主要有高气压电离室、GM计数管、硅光二极管及NaI晶体探测器等[1～10]。GM计数管因具有输出信号幅度大、前置电路简单、环境适应性强、价格低廉等优点而得到了广泛应用。本文拟研制一款选取GM计数管作为探测器的个人剂量仪,其前提是需对所选用的GM计数管的辐射特性(包括坪曲线、线性曲线)进行实验测定。

未采取能量补偿措施的GM计数管在低能段(约200 keV以下)存在响应偏高的缺点,本工作拟利用重金属包裹计数管灵敏区的方法进行能量补偿以改善其低能光子的过响应。利用中国原子能科学研究院国防科技工业电离辐射一级计量站X、γ射线参考辐射场开展GM计数管辐射剂量特性研究[11～16],结合中国计量科学研究院CT成像系统[17～19],精确测量计数管内部结构尺寸,对计数管灵敏区进行能量补偿研究。

2 GM计数管的结构及工作原理

目前常见的X、γ辐射个人剂量仪所选用的探测器通常为GM计数管或半导体,相比于半导体,GM计数管信噪比高、抗干扰能力强且灵敏度高,本研究选取GM计数管作为个人剂量仪的探测器。某厂家生产的j613r型GM计数管主要结构如图1所示,关键技术参数如表1所示。

图1 某厂家生产的j613r型GM计数管示意图

表1 GM计数管参数

GM计数管的基本结构及工作原理是:在一个密封的玻璃管内,中心张紧一根钨丝作为阳极,紧贴玻璃管的内表面设置一个金属圆筒作为阴极,阳极与阴极后端分别连接有用于信号输出的导线,管内充有惰性气体(如氩气或氖气)。工作时,当高速粒子射入管内,使管内气体电离导电,在阳极丝与管壁之间产生迅速的气体放电现象,从而输出脉冲信号,达到探测电离辐射的效果。

3 GM计数管辐射特性研究

本工作中GM计数管辐射特性研究主要包括坪曲线与剂量率线性研究。

3.1 坪曲线实验

坪曲线实验在国防科技工业电离辐射一级计量站内的中能X射线参考辐射场中进行,该辐射场由320 kV X光机、高压发生器、屏蔽系统、附加过滤等几部分构成,光管型号为HILIPS公司MCN 321型,靶角为22°,管电压调节范围为(16～320)kV。

GM计数管被焊接在自制的测试电路板上,且固定在一个30 cm×30 cm×15 cm的ISO标准板模体表面几何中心处,如图2所示。可通过调节高压模块上的旋钮改变GM计数管的外加偏置电压值,输出计数信号(每秒计数,cps)由外部读取软件获得。

图2 坪曲线实验实物图

图3 坪曲线实验测量结果

由图3可知,GM计数管在外加偏置电压大于350 V时基本进入坪区,在350～450 V范围内,坪斜率约为0.05%/V；在350～625 V范围内,坪斜率约为0.08%/V。与厂家给出的坪斜率参数(在380～450 V范围内≤0.3%/V)保持一致。最终确定外加偏置电压设置为400 V,可保证GM计数管在坪区范围内工作。

3.2 剂量率线性实验

剂量率线性实验在国防科技工业电离辐射一级计量站内的137Cs多源(即照射装置内部可放置不同活度的同位素137Cs源)γ射线参考辐射场中进行,通过调整参考点与源的距离可获得不同剂量率点,每个剂量率点测量20次,扣本底后求平均值,测量结果如表2所示。

表2 j613r型GM计数管线性实验测量结果

图4 线性实验分段拟合结果

表3 拟合公式与R2值

根据表3中剂量率与计数率的对应关系,即可通过计数率推导出剂量率的大小。对于相邻剂量率范围之间的衔接部分,需后续在电子学线路中加入相应的逻辑判断。

4 GM计数管能量补偿研究

4.1 裸管的能量响应曲线

能量响应曲线实验中,选取的系列能量点为X射线机产生的窄谱系列N-40～N-250与137Cs γ射线,具体参数信息如表4所示。

表4 能量响应曲线实验所用系列能量点参数

通过调节管电流大小,使实验中参考点处参考剂量率约为7.44 mSv/h保持不变,将各能量点的计数归一化至137Cs,所得裸管的能量响应曲线如图5所示。

由图5可知,裸管条件下(未经能量补偿)的GM计数管在低能区存在一个“鼓包”(即过响应)。拟利用金属材料(通常为Pb、Sn)包裹计数管的灵敏区以减少低能光子进入GM计数管的数量,使射线与管壁材料产生光电子的概率减少,进入灵敏区的光电子数目减少,从而抑制低能区的过响应。

图5 裸管条件下的能量响应曲线

4.2 GM计数管能量补偿

GM计数管的能量补偿主要针对于探测器灵敏区,制定补偿方案之前需要了解GM计数管的结构和尺寸。利用中国计量科学研究院建立的CT成像系统对计数管的内部结构尺寸进行精确测量,该成像系统如图6(a)所示,主要由一个COMET公司生产的MXR-451HP/11型X射线机、载物台及一个16位的PerkinElmer公司生产的XRD1621 AN14 ES型平板探测器组成,图6(b)为计数管的CT成像效果图。

图6 计数管CT成像

利用CT扫描所得GM计数管各结构尺寸参数如表5所示。相关研究表明,计数管的灵敏区位于阴极管与阳极钨丝之间,且靠近阴极附近[11]。由于实验中射线垂直于管壁入射,故将射线在阴极上的投影面积(即不锈钢管长度)作为能量补偿范围。

表5 GM计数管CT扫描结构参数

采用重金属材料Pb对计数管灵敏区进行能量补偿,计数管中央开有狭缝,如图7所示。该方法的优势在于,在降低能量响应曲线过响应的同时,可改善低能区计数率过低的问题。

图7 能量补偿方式示意图

对比能量补偿前后计数管的能量响应曲线(图5与图8)可以看出,随着补偿面积的逐渐增加,“鼓包”高度相对于裸管高度由最初的39.8%(对应于80%补偿面积)减小到21.0%(对应于94%补偿面积),说明Pb补偿层可有效抑制低能区的过响应。由图8还可看出,当补偿面积为88%～90%时,能量响应曲线中各能量点(除33 keV能量点之外)相对于137Cs相对计数率的相对偏差在±20%以内,可满足个人剂量仪研制的技术要求。

图8 不同补偿面积条件下的能量响应曲线

5 结 论

本文基于国防科技工业电离辐射一级计量站X、γ射线参考辐射场对某厂家生产的j613r型GM计数管辐射特性进行研究,得到以下结论:(1)通过坪曲线实验确定了计数管的外加偏置电压为400 V,坪斜率在350～450 V范围内约为0.05%/V,测量结果与厂家提供参数保持一致；(2)通过线性实验得到了3个不同剂量率范围内平均计数率与剂量率的对应关系,拟合曲线相关系数R2≥0.99,表明该计数管在10.62 μSv/h～161.52 mSv/h以内可用于剂量测定；(3)结合中国计量科学研究院CT成像系统确定了GM计数管的能量补偿范围,采用0.81 mm厚Pb补偿层开中央狭缝的方式,通过能量响应曲线实验确定了灵敏区最佳补偿面积为88%～90%。本文所得结论为后续个人剂量仪的研制提供了依据和参考。