α、β表面污染仪计量准确度的影响因素分析及解决方法

α、β表面污染仪计量准确度的影响因素分析及解决方法
摘要：本文通过对辐射防护领域大量使用的α、β表面污染仪计量技术性能的综合分析，针对影响污染仪表面活度响应、基本误差、重复性等项目计量准确度的诸多因素进行深入研究，提出了解决问题的有效方法，可大幅度提高污染仪计量检定的准确度。

关键词：表面污染仪；表面活度响应；能量响应；探测器
The Effect Reason Analysis and Settle Method of Alpha Beta Surface Contamination Int rument’s Measurement Accuracy
Abstract: The paper carry through measurement technique capability analysis aims at in using alpha beta surface contamination intrument in mainly introduces the design of automatic test system for surface emissivity of alpha、beta plane source, gives the main technical indicators and performance test analysis. The system is an intelligent automatic test system base on computer test platform, achieves automatic collection of the measured signal、automatic adjust of measurement range、automatic control of measurement process、automatic conduct of measurement result in the process of measurement for alpha、beta surface emissivity. Reduces systematic errors in the process of measurement, improves work efficiency and measurement accuracy.
Key:plane source; surface emissivity; test; automatic control
引言
在辐射防护领域，通常使用α、β表面污染仪对放射性工作场所及工作人员的手、衣服、鞋等表面的α或β放射性污染活度进行监测，这是现今评价工作场所及工作人员在辐射场所中所受α、β表面污染程度的主要技术手段。

监测设备各项参数指标的检定结果是否准确可靠，将直接关系到广大工作人员的辐射防护安全。

本文在对长期计量检定工作实践经验全面总结的基础上，通过对辐射防护领域部分单位当前大量装备的α、β表面污染仪计量技术性能的深入分析，研究了污染仪计量检定过程中存在的表面活度响应测量准确度影响因素多、基本误差检定时标准源的数量和活度范围难以满足规定要求、重复性测量时灵敏档位的正确选取、能量响应检定时机的选择等问题，提出了切实可行的解决方法，使α、β表面污染仪的计量检定结果更加准确可靠。

1 α、β表面污染仪计量检定方法
α、β表面污染仪的主要检定项目包括表面活度响应、基本误差、重复性和能量响应。

表面活度响应的检定，必须按说明书上要求的时间预热，预热后将探测器安装在检定架上，使其保护栅网与标准源表面之间的距离在5mm至10mm之间，确定表面活度响应时，应记下探测器的工作电压或调压电位器的指示[1]；基本误差的检定，必须使用同一参考核素的系列标准源进行，将各检定点的基本误差中的最大者作为仪器的基本误差；重复性的检定，可采用任一种适当活度的放射源，使仪器示值在最灵敏刻度，在相同条件下，测量20次；能量响应的检定，此项目仅对β表面污染仪进行，检定结果以参考核素的测量值归一，做出表面活度响应随射线能量变化的图或表。

所有检定项目均按相关计量检定规程的要求执行，检定合格的，发给检定证书；检定不合格的，发给检定结果通知书。

2 表面活度响应测量准确度影响因素及克服方法
在放射性监测过程中，α、β表面污染仪是用来测量或监视放射性工作场所表面及工作人员体表所受放射性污染的仪器，表面污染水平应该以-2
来表示。

但该类仪器的读数刻
Bq cm
度常以计数率为单位（计数/分或计数/秒），这种描述表面放射性污染水平的方法不够直观和
准确，这就需要给仪器标定一个量，通过它将测得的计数率换算到被污染表面的单位面积活度。

目前很多单位配备的α、β表面污染仪一直采用计数效率这个量，它是相对于放射源2π立体角表面发射率而言，就测量目的来说，使用起来很不方便。

因此，应该统一采用表面活度响应[2]R 这个量：
b N N R =A
- （1） 式中：N 为仪器每个检定点测得的计数率的平均值；
b N 为平均本底计数率；
A 为检定时标准源的单位面积活度。

显而易见，R 表示在一定的几何条件下，参考核素的单位面积活度为1-2Bq cm ⋅时，仪器测得的计数率。

在污染仪表面活度响应计量检定过程中，其测量准确度常会受到多种因素的影响，经过长期系统研究与测试验证，逐步确定了影响因素来源，找出了克服这些影响因素的有效方法，主要有以下几项：
(1) 污染仪探测器窗厚度的影响。

α、β表面污染仪的探测器窗有一定厚度，α或β粒子要进入灵敏体积必须穿过这一区域，在穿越过程中射线能量有损耗，仪器的响应会随射线能量的减小而下降。

针对探测器窗厚度带来的影响，可以通过选择合适参考核素进行校准的方式来克服，根据不同核素射线能量的不同，选择射线能量适中，测量结果具有代表性的标准源。

经过大量实验验证，α标准平面源可选择241Am ，β标准平面源可选择204Tl ，在测量能量大于150KeV 而小于250KeV 的β粒子时，则用14C 标准源[3]。

只有在此条件下确定的R ，对放射性污染的测量结果才能准确或较安全。

(2) 探测器窗保护栅网与标准源表面之间距离的影响。

仪器的响应是随探测距离的增加而减小的，所以在确定仪器的表面活度响应时，应该说明标准源表面与探测器窗保护栅网之间的距离。

对于探测器窗保护栅网与标准源表面之间距离造成的影响，根据α射线能量强射程近和β射线能量小射程远的特点，通过实验验证，确定选择α标准源的测试距离应为5mm ，β标准源应为10mm ，这样比较切合两种射线各自的特点和辐射防护工作实际使用情况，测量结果较为准确合理。

测试距离太远，射线能量损耗较大，测量结果不够准确，距离太近，探测器窗有遭受放射性核素污染甚至损坏的危险。

(3) 测量方法的影响。

如果检定实验室缺乏大面积标准源，可以利用“点源”(例如直径为10mm )进行检定。

通常情况下，出于工作效率及检定操作复杂程度的考虑，多采用单点法进行污染仪表面活度响应的测量，但这种检定方法的突出问题是检定结果准确度不够。

对于测量方法的带来的影响，由于探测器窗面积大于标准源的活性区，放射源发射的粒子全部被探测器接收，式(1)中的A 应为点源的表面活度除以探测器的窗面积。

考虑到探测器窗表面各点的灵敏度不同，检定时应该选取足够多的测量点，以进一步提高计量检定结果的准确度，具体可采用多点法进行测量，以算出仪器的平均表面活度响应值。

但在保证测量准确度的前提下，也可以用少数几个测量点，利用插值法进行测量，以克服大面积源活度均匀性不好的缺点，提高工作效率。

(4) 标准源衬底材料的影响。

仪器的响应与标准源衬底材料有关，计量检定时使用的标准源大多为薄平面放射源，α粒子的反散射系数很小，其本身的自吸收可以忽略。

但应该考虑β粒子的反散射，因为β粒子在与物质的相互作用过程中存在较强的反散射现象，尤其是介质为高原子序数材料制成时，反散射现象更为明显，可超过50%。

针对标准源衬底材料造成的影响，在检定β探头时，应对β粒子的反散射进行修正。

β源的单位面积活度A 与其发射率0N 的关系为：
02N A=K 反
（2） 其中，K 反为反散射修正因子，它与射线能量、衬底材料和标准源的结构等因素有关。

(5) 探测器工作电压的影响。

表面活度响应与探测器的工作电压有关，对污染仪这种有高压调整和指示装置的仪器，检定结果必须说明测量时所用的高压值。

针对探测器工作电压带来的影响，如果检定时仪器的表面活度响应太低，可以取得污染仪的使用单位同意后，先调整高压使其表面活度响应接近说明书上的给定值，再逐项进行检定。

对既没有低压指示，又没有高压指示的仪器，要注意及时更换电池，避免由于电池电压低而引起测量值失准。

3 基本误差检定时标准源数量和活度范围难以满足要求的解决方法
仪器各检定点的表面活度响应值往往不相同，即仪器具有基本误差E （固有误差），它主要反映量程和刻度的线性，其定义：
100%R R E =R
-⨯ （3） 式中，R 为各检定点表面活度响应值；
R 为各检定点表面活度响应平均值。

检定基本误差时，应使用同一参考核素的系列标准源，以免引进能量响应误差。

但是，有时标准源的数量和活度范围难以满足要求，基于这种实际情况，本文给出一种测量污染仪基本误差的新方法：电脉冲法测量基本误差。

由于基本误差主要取决于仪器的电性能(除了统计涨落和漏计数外)，如果标准源的数量或活度范围不能满足全量程检定的要求，则可用电脉冲代替放射源进行检定。

电脉冲的波形尽可能模拟探测器输出信号的波形，同时要注意探测器与电路之间的连接方式—电压藕合或电流藕合，以使脉冲发生器的电压信号能正确的输入测量电路，电流耦合的一种具体接法示于下图。

设标准源照射探测器时，仪器的指示值为I ，去掉探测器后，输入频率为Q 的电脉冲使仪器产生同样指示值I ，再输入另一频率为q 的电脉冲，使仪器产生另一指示值i ，则检定点的基本误差为：
i Q E q I
⋅=⨯⋅（-1）100% （4） 按该方法测出各检定点的表面活度响应值，再取其表面活度响应的平均值或常用量程档的表面活度响应值作为参考点值，以便判断仪器在整个有效测量范围内，其任何一个基本误差E 值是否小于±35 %，应将各检定点的基本误差中最大者作为仪器的基本误差。

结果只要落在下述两个限值之间，即可满足要求：任何一个E 值都不超过±35%；任何两个E 值之差都不超过±50 %。

R
C
4 重复性测量时灵敏档位的正确选取
仪器的重复性是在实际相同的条件下，很短时间间隔内，对同一被测量进行多次测量，其测量结果的一致程度，它反映计数值统计涨落的大小[4]。

在进行重复性检定时，仪器灵敏档位的正确选择尤为重要，一般可采用以下方法进行选择。

选取任一种适当活度的放射源，使仪器示值在最灵敏量程（线性刻度）或最灵敏量级（对数刻度）上满度值的1/3～1/2之间，或者在第二最低有效位（数字显示）里给出一个数字显示，因为这一档计数值统计涨落最大。

在相同条件下，连续测量20次，按公式（5）计算单次测量值的相对标准偏差：
V=（5）
式中：
i
x：第i次测量的仪器示值；
x：n次（n=20）测量的算术平均值。

对表头指示类仪器，统计涨落与仪器的时间常数τ
有关，表示为，其中n为计数率，
所以对时间常数有快慢档之分的仪器，可以采用慢档检定。

但在巡检中，携带式污染仪响应时间过长是不允许的，要结合实际情况综合考虑。

5 能量响应检定时机的选择及要求
对初次检定、经过修理而更换了重要部件或改变了电路参数的β表面污染测量仪，原则上应进行能量响应检定，α表面污染测量仪则无此项规定。

测量表面活度响应随β射线能量的变化，要求所选用不同核素β源的活度准确度之差应不大于±5%，测量时应避免引进基本误差。

另外，实际检定过程中难以做到指示值都在同一点(量程中点附近)，应该用此指示值下参考核素所确定的基本误差进行修正，必要时可用内插法。

如果仪器备有监督源，每次检定结果都应给出参考读数，在放射性监测过程中，可以经常使用监督源检验仪器各项技术指标是否稳定、正常。

由于监督源总是采用低活度的，如果其读数在最灵敏档，由上述对重复性的分析可知，20 次测量平均值的不确定度可达13.5%( 置信概率大于99%)，再加上仪器的灵敏度变化，相对几何条件的不重复等，对这类防护仪器，参考读数(对半衰期修正后)变化只要不大于20%是在允许范围内的。

6 结束语
实际对放射性工作场所表面的α或β放射性污染活度进行测量时，将仪器测得的计数率除以检定结果中给出的表面活度响应值，就可获得被测表面的放射性污染程度，必要时可对被测表面和标准源衬底材料的反散射不同进行修正，可进一步提高测量结果准确度。

α、β表面污染仪在长期使用过程中，光电倍增管等部件也会逐渐老化。

通过长期的计量检定工作实践发现，对于同一型号的仪器，其表面活度响应值也可相差1倍。

因此，对于污染仪的使用单位，要加强仪器设备的管理，仪器不用时应存放在干燥背光处，定期通电去潮，有故障的仪器要及时维修，仪器使用过程中，严谨磕碰，保护好探测器；对于计量技术机构，污染仪计量检定要在操作规程和实践经验基础上，尽可能克服影响污染仪表面活度响应、基本误差、重复性等项目计量准确度的因素，以提高污染仪计量检定的准确度，进一步增强污染仪监测性能的稳定性和可靠性，确保工作场所和人员的辐射防护安全，切实提高电离辐射监测设备的计量检定能力。

参考文献
[1] 国家技术监督局.JJG478-1996 α、β和γ表面污染仪检定规程[S].北京：中国计量科学研究院，1997.
[2] 容超凡.电离辐射计量[M] .原子能出版社，2002.
[3] 韩奎初.实用电离辐射计量学[M].原子能出版社，1996.
[4] 李宗扬.计量技术基础[M].原子能出版社，2002.。