環(huán)境γ輻射劑量率儀現(xiàn)場校準用輻照裝置的研制

趙 超　楊 振　唐方東　何林鋒　徐一鶴　陸小軍

1（上海市計量測試技術研究院　上海 201203）2（復旦大學 公共衛(wèi)生學院　上海 200032）3（復旦大學 放射醫(yī)學研究所　上海 200032）

環(huán)境γ輻射劑量率儀現(xiàn)場校準用輻照裝置的研制

趙 超1,2楊 振3唐方東1何林鋒1徐一鶴1陸小軍1

1（上海市計量測試技術研究院上海 201203）
2（復旦大學 公共衛(wèi)生學院上海 200032）
3（復旦大學 放射醫(yī)學研究所上海 200032）

為開展環(huán)境γ輻射劑量儀的現(xiàn)場校準，研制了一套輻照裝置，其輻射場空氣比釋動能率可在0.27-34.86μGy·h-1范圍內(nèi)通過距離與減弱器來調(diào)節(jié)?；诖罅縂eant4蒙特卡羅模擬設計了一種輕便型輻射準直器，在保證輻射場品質(zhì)的前提下，大大降低了準直器重量，更適用于現(xiàn)場校準。此外，還研制了一套自動化支撐平臺與三片曲面輻射減弱器，可遠程實現(xiàn)輻射裝置空間定位以及輻射場強度和空間的調(diào)節(jié)，曲面輻射減弱器有利于保證輻射場均勻性。測試實驗及蒙特卡羅模擬結(jié)果顯示，該輻射裝置輻射場再現(xiàn)性、自散射、均勻性等性能良好，通過系統(tǒng)地計算地面散射對輻射場的影響，可為現(xiàn)場校準提供指導。

現(xiàn)場校準，輻照裝置，輻射準直器，散射，均勻性

環(huán)境γ輻射水平監(jiān)測是核安全監(jiān)測的基本內(nèi)容，我國環(huán)境輻射監(jiān)測網(wǎng)及核電站周圍環(huán)境監(jiān)測站均安裝有環(huán)境γ輻射劑量率儀，實時監(jiān)控環(huán)境γ輻射水平［1］。一旦發(fā)生核事故、核恐怖襲擊或境外大規(guī)模放射性核素遷移入境等情況，可在第一時間預警，是我國核與輻射安全監(jiān)管的重要組成。在線式環(huán)境γ輻射劑量率儀使用過程中，因環(huán)境氣象條件變化和設備老化等原因，性能參數(shù)可能隨時間而改變，為保證監(jiān)測結(jié)果的準確性，有必要開展定期校準。傳統(tǒng)校準方式是將環(huán)境γ輻射劑量率儀拆卸至劑量學實驗室內(nèi)進行校準，該方法可能帶來較長的監(jiān)測空檔期，且拆卸與運輸途中存在損壞儀器的風險，研制一套可現(xiàn)場校準的輻照裝置有利于改善上述問題。目前國外未見此類裝置的報道，國內(nèi)僅有中國原子能科學研究院高飛等研發(fā)了一套可用于現(xiàn)場校準的輻照裝置［2］。其研究的裝置采用了GB/T 12162.1-2000《用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射（第一部分：輻射特性及產(chǎn)生方法）》推薦的準直器設計方案［3］，使用較大的散射腔減弱散射，導致其質(zhì)量較大（接近35kg），一定程度上限制了其在復雜野外環(huán)境中的使用。

本研究通過蒙特卡羅模擬設計了同時滿足GB/T 12162.1-2000對輻射場的特性要求，又輕便易攜，適用于現(xiàn)場校準的準直器。同時基于自動化機械技術，研制集成測距、移動、輻射減弱器換檔、wifi遠程控制功能的自動化支撐平臺，為校準用輻射場的準確性與穩(wěn)定性提供保障，并為現(xiàn)場校準提供便利。

1　蒙特卡羅模擬

隨著計算機技術的發(fā)展和計算機能力的大幅度提升，采用蒙特卡羅仿真模擬粒子與介質(zhì)的相互作用，完成輻射裝置、探測器的設計乃至實驗室中難以實現(xiàn)的實驗已經(jīng)成為可能。Geant4 （GEometry ANd Tracking）是由歐洲核子研究組織（European Organization for Nuclear Research, CERN）基于C++面向?qū)ο蠹夹g開發(fā)的開源蒙特卡羅應用軟件庫［4］，本研究采用蒙特卡羅庫Geant4.10.0?進行輻射場的仿真模擬，以完成裝置設計與輻射特性驗證。模擬采用適用于低能光子模擬的Penelope物理過程［5］。

2　準直器與減弱器設計

GB/T 12162.1-2000《用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射（第一部分：輻射特性及產(chǎn)生方法）》推薦的鉛制準直器設計［3］，采用了較大的散射腔以降低散射對輻射場的干擾，質(zhì)量較大，更適用于實驗室內(nèi)固定式輻射裝置使用。而根據(jù)本研究的前期調(diào)研，固定于野外的環(huán)境γ輻射劑量率儀，通常被安裝在輻射環(huán)境監(jiān)測站站房的屋頂，現(xiàn)場校準時需要攜帶校準裝置攀爬樓梯或直梯到屋頂完成校準，因此需要研發(fā)一類新的輕型準直器。本研究基于光子與高原子序數(shù)材料之間的相互作用規(guī)律，在蒙特卡羅模擬程序中反復調(diào)節(jié)散射腔形狀及137Cs源在散射腔內(nèi)的位置，并計算散射對輻射場的影響，最終設計方案見圖1。

圖1　準直器剖面圖Fig.1　Sectional view of the collimator.

如圖1所示，準直器主體部分為帶錐形口的鎢合金球（95% W，5% Ni），球半徑45 mm。錐形口錐角為56°，其錐頂處有一個?8 mm×16 mm的圓柱形散射腔。散射腔內(nèi)用熱熔膠固定著含源的不銹鋼包殼。不銹鋼包殼厚度為1mm。自制的薄膜狀137Cs放射源被泡沫填充物固定在圓柱形散射腔內(nèi)，放射源與散射腔后表面距離為10mm，與散射腔前表面距離為6mm。準直器不使用時，可以用一個鎢合金錐形蓋將鎢球錐形口關閉。整個鎢球被固定在一個不銹鋼底座上。本研究最大的改進在于基于蒙特卡羅模擬結(jié)果設計了一種可滿足散射要求的小型散射腔，大大降低了準直器的質(zhì)量。此外使用單位質(zhì)量屏蔽效果更好的鎢合金也進一步降低了準直器的質(zhì)量。整個準直器（含錐形蓋與不銹鋼底座）質(zhì)量約為7.2 kg。

GB/T 12162推薦的設計中，鉛制準直器還應包含一系列光柵，用于改善輻射場均勻性［3］。但由于光柵總厚度達90 mm，對于裝置的輕型化與小型化非常不利，影響現(xiàn)場校準操作的便利性。本研究同樣基于蒙特卡羅模擬設計了曲面鎢合金減弱器，兼具系列光柵與傳統(tǒng)減弱器的功能，其原理為將普通平板型減弱器的一側(cè)改為凸起的圓弧形，可增加中心處光子通過減弱器的厚度，進而增加其被吸收的概率，改善均勻性。利用Geant4計算隨著弧度的變化，得出射野均勻性的變化情況，獲得合理的弧度參數(shù)。設計的三種曲面鎢合金減弱器側(cè)視圖如圖2所示，減弱器均為一面平整，另一面有圓弧狀凸起的鎢合金圓盤。圓盤直徑為90 mm，其中凸起部分直徑為60mm。三種減弱器中心位置厚度分別為3.7mm、7.4mm和11.1mm，其凸起弧面半徑分別為198mm、183mm、173.5mm。該設計是為了減弱射野邊緣區(qū)域光子被吸收的概率以補償邊緣區(qū)域，由于斜入射造成的光子密度下降和光子損失，從而保證邊緣區(qū)域與中心區(qū)域劑量率的一致性。根據(jù)現(xiàn)場工作經(jīng)驗，準確測量并調(diào)整校準裝置與待校準儀器之間的距離相對耗時，通過切換不同減弱器可以在不改變校準裝置與儀器之間相對位置的前提下，實現(xiàn)劑量線性的校準，大大節(jié)約了校準時間?！?/p>

圖2　三種減弱器設計圖側(cè)視圖Fig.2　Side view of the three types of attenuation plates.

3　自動化支撐平臺

為了更好地完成現(xiàn)場校準工作，為準直器研發(fā)了一套自動化支撐平臺，見圖3。該平臺主要包括三部分功能：1） 利用品字形激光組測量準直器與待校準儀器之間的距離（稱為輻照距離），測量精度可達1mm；2） 利用伺服電機驅(qū)動調(diào)整準直器的空間位置與角度；3） 利用伺服電機驅(qū)動切換減弱器檔位。由于輻射場強度與輻照距離平方呈反比關系，輻照距離的準確性直接決定了校準工作的準確性，采用內(nèi)置的激光測距元件可保證距離測量的精確性。品字形的激光組一方面可以避免激光歪斜所致測距誤差，另一方面可以測量輻射場準直方向與儀器表面之間的夾角，可用于儀器角度響應的測量。如果儀器表面不平整，影響激光測距，可以在儀器前方放置一平整接收板，完成定位后再撤去。平臺可直接放在地上，也可安裝在高度可調(diào)的三角支架上，以適應于不同高度的校準需求。平臺總質(zhì)量約為15kg（含三片減弱器）。平臺的控制可通過無線局域網(wǎng)用遠處電腦操作，以起到降低操作者所受輻射劑量的作用。

圖3　自動化支撐平臺Fig.3　Automated supporting platform.

4　量值標準

研究以上海市計量測試技術研究院的X、γ射線空氣比釋動能計量標準器PTW UNIDOSwebline及配套石墨空腔電離室（LS-10）的測量值為量值標準，該標準器由中國計量科學研究院γ射線輻射量（防護水平）一級標準刻度。每次使用前，充分預熱后測量本底，完成測量后再次測量本底，確保測量期間標準器狀態(tài)是穩(wěn)定可信的。

5　性能測試與分析

5.1參考輻射場空氣比釋動能率

利用PTW UNIDOSwebline刻度輻射裝置的輻射場，刻度后的輻射場作為參考輻射場用于環(huán)境γ輻射劑量率儀現(xiàn)場校準。為盡量減少刻度實驗中其它物體散射的影響，刻度實驗在一個長15m、寬5.5m、高 4m的空曠大房間內(nèi)完成，刻度時石墨空腔電離室距離前后墻均大于5m，石墨空腔電離室與準直器中心高度均為1.6m。參考輻射場空氣比釋動能率的刻度結(jié)果見表1，表1內(nèi)數(shù)據(jù)已去除本底，并考慮本底誤差對刻度誤差的貢獻，表1同時還列出了無衰減器時Geant4模擬結(jié)果。如表1所示，改變距離與衰減器檔位，參考輻射場的空氣比釋動能率變化范圍為0.27-34.86 μGy·h-1，覆蓋兩個數(shù)量級。在1-34.86 μGy·h-1范圍內(nèi)，刻度相對誤差基本低于1.5% （k=2），最大不超過2.0% （k=2）；在0.27-1μGy·h-1范圍內(nèi)，刻度相對誤差基本低于3.0% （k=2），最大不超過4.0% （k=2）。該數(shù)據(jù)可以滿足環(huán)境γ輻射劑量率儀現(xiàn)場校準的需求。Geant4模擬結(jié)果與測量結(jié)果的差別最大不超過3%，驗證了本研究中Geant4模擬的準確性及其用于設計準直器的可靠性。

表1　輻照裝置參考輻射場空氣比釋動能率刻度值（μGy·h-1）及其不確定度（k=2）Table 1　The calibrated air kerma rate （μGy·h-1） in the reference radiation filed of the irradiation device and its uncertainty （k=2）.

5.2參考輻射場再現(xiàn)性

輻射場良好的再現(xiàn)性是校準結(jié)果可靠的基本前提。本研究分別在三次實驗中測量輻照裝置參考輻射場空氣比釋動能率，以確定其再現(xiàn)性。每次實驗均重新安裝輻照裝置與石墨空腔電離室，重新測量距離并調(diào)整輻照裝置空間位置，以體現(xiàn)每次操作由于距離、入射角等條件的細微差異帶來的影響。分別在1 m、3 m、5 m三個距離點、不同衰減器檔位條件下測試了輻射場的再現(xiàn)性，結(jié)果見圖4，圖4中N、A、B、C分別表示無衰減器、一檔衰減器、二檔衰減器、三檔衰減器。如圖4所示，三次結(jié)果間吻合程度很高，除空氣比釋動能率極低的5m、三檔衰減器這一條件下的極差均值比達4.7%外，其余條件下極差均值比均小于或等于2.6%，在輻射場刻度的不確定度范圍內(nèi)。5m、三檔衰減器這一條件下三次刻度實驗的刻度值差別較大，主要是因為該條件下空氣比釋動能率已經(jīng)非常接近本底值，測量誤差對其的影響較大?？傮w而言輻射裝置輻射場具有非常優(yōu)秀的再現(xiàn)性，這主要得益于裝置內(nèi)置了一組品字形激光測距儀，保證了距離與入射角度的準確性。

圖4　參考輻射場再現(xiàn)性Fig.4　Reproducibility of reference radiation filed.

5.3參考輻射場散射情況

根據(jù)GB/T 12162.1-2000要求，輻射場散射輻射的貢獻不能超過總空氣比釋動能率的5%，其試驗方法為判斷空氣比釋動能率經(jīng)空氣衰減修正后，是否在5%范圍內(nèi)與距離平方呈反比關系［3］?？諝鈱?37Cs主射線（0.662 MeV）的吸收系數(shù)為7.72×10-2cm2·g-1［6］，實驗室氣溫（20 °C）下，標準大氣密度為1.205×10-3g·cm-3。據(jù)此修正輻照裝置輻射場空氣比釋動能率，并作其隨距離平方倒數(shù)變化關系圖，見圖5。不同衰減器檔位下，對空氣比釋動能率與距離平方倒數(shù)作截距為零的線性擬合，結(jié)果顯示擬合相關系數(shù)R2均大于（或等于）0.99996，實測值與擬合直線之間的差異在［-2.3%, 2.0%］范圍內(nèi)。該結(jié)果表明，輻照裝置參考輻射場很好地滿足了GB/T 12162.1-2000對散射輻射貢獻的要求。

圖5　修正空氣比釋動能率與距離平方倒數(shù)間線性關系Fig.5　Linear relationship between the corrected air kerma rate and the inverse square of distance.

5.4參考輻射場均勻性

鑒于輻照裝置輻射場輻射強度不高，難以用小型劑量率測量儀（如指形電離室）直接測量其劑量場分布。本研究采用蒙特卡羅模擬方法計算不同衰減器下2m遠處劑量場的空氣比釋動能率隨著距軸線距離的變化情況，見圖6。如圖6所示，隨著距軸線距離的增大，輻射場的空氣比釋動能率將逐漸減弱。距離軸線15 cm范圍以內(nèi)（即?30cm射野范圍內(nèi)），輻射場衰減小于1.1%；距離軸線25cm范圍以內(nèi)（即?50cm射野范圍內(nèi)），輻射場衰減小于2.4%。根據(jù)空間張角換算，輻射場距離改變至1 m，其?25cm射野范圍內(nèi)均勻性應與2 m遠處?50cm射野范圍內(nèi)均勻性一致，衰減小于2.4%。該輻射裝置的主要校準儀器中尺寸相對較大的儀器是RSS-131型高氣壓電離室，其探測器為直徑25cm的球形體?？梢妼τ谡５男使ぷ鳎狙b置輻射場的均勻性可以滿足校準需要。

圖6　參考輻射場均勻性Fig.6　Homogeneity of the reference radiation filed.

5.5輻射場受地表散射影響

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，環(huán)境γ輻射劑量率儀大多安裝在地表或屋頂上，當儀器距離地面表（屋頂）高度不夠時，地表（屋頂）散射可能對輻射場帶來一定影響。本研究利用蒙特卡羅模擬方法系統(tǒng)地探討了地表散射對輻射場的影響，分別用10 m厚的泥土（散射效果等價于無窮厚的泥土）和10 cm厚的混凝土代表地表與屋頂，模擬了不同距離、不同衰減器下輻射場受地表（屋頂）散射的影響，限于篇幅，本文僅展示無衰減器條件下，1m遠處及3m遠處空氣比釋動能率隨高度變化情況，分別見圖7（a）、（b）。

圖7　不同高度下地面反散射影響　（a） 1m遠處，（b） 3m遠處Fig.7　Scattering effect of the ground at the distance of 1 m （a） and 3 m （b）.

如圖7（a）所示，10 cm厚混凝土散射效果與10 m厚泥土基本等價。對1 m遠處輻射場，準直器高度極低（0.2 m）時，散射貢獻達16.6%，但隨著準直器高度的升高，散射影響迅速下降，準直器高度達0.4m時，散射貢獻即已經(jīng)降低至3.0%。研究還用一組實驗驗證了模擬結(jié)果的準確性，該試驗保持準直器與石墨空腔電離室之間距離為1 m，分別在準直器高0.3 m與1.6 m條件下測量空氣比釋動能率，測量結(jié)果繪于圖7（a）中，實測結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，驗證了蒙特卡羅模擬的可靠性。

如圖7（b）所示，對于3 m遠處輻射場，準直器高度極低（0.2 m）時，散射貢獻達12.3%，隨著準直器高度的升高，散射影響逐步下降，準直器高度達1.0 m時，散射貢獻降低至3.9%。利用蒙特卡羅方法對其余情況下（不同照射距離、減弱器檔位）地面散射的影響也分別進行了計算，地面散射貢獻基本類似于這兩種情況。針對地面散射貢獻的蒙特卡羅模擬計算結(jié)果可為現(xiàn)場校準的修正提供理論系數(shù)，研究結(jié)果還可為環(huán)境γ輻射劑量率儀的安裝高度提供指導。

5.6現(xiàn)場試驗

利用本研究研制的輻照裝置對某核電站外圍11個輻射環(huán)境監(jiān)測站的11臺高氣壓電離室與10臺NaI γ譜儀進行現(xiàn)場校準，以驗證該裝置現(xiàn)場適用性。試驗結(jié)果顯示，11臺高氣壓電離室校準因子分布在［0.90, 1.19］區(qū)間，其校準因子中位數(shù)為0.98，均值為1.00。10臺NaI γ譜儀校準因子分布在［0.67, 1.27］區(qū)間，其校準因子中位數(shù)為0.93，均值為0.99，均值和中位數(shù)均接近1，但個別極端值偏離較遠，結(jié)果基本合理?，F(xiàn)場校準工作的順利開展與校準結(jié)果的合理性均表明，本研究研制的校準裝置對現(xiàn)場校準適用性好。從現(xiàn)場校準結(jié)果可以看出，使用中的固定式γ輻射監(jiān)測設備測量有必要進行校準以保證其監(jiān)測結(jié)果的準確性。

6　結(jié)語

研制了一個適用于現(xiàn)場校準用的便攜式輻照裝置，其主要特點在于基于大量蒙特卡羅模擬設計了一種新型輻射準直器，大大降低了重量，特別適用于現(xiàn)場校準用。裝置輻射場的再現(xiàn)性、自散射、均勻性等特性均表現(xiàn)良好?，F(xiàn)場試驗驗證了該裝置的現(xiàn)場校準的適用性。研究結(jié)果有助于保證環(huán)境γ輻射劑量率監(jiān)測量值的統(tǒng)一。

1 劉華, 趙順平, 梁梅燕, 等. 我國輻射環(huán)境監(jiān)測的回顧與展望［J］. 輻射防護, 2008, 28（6）: 362-376

LIU Hua, ZHAO Shunping, LIANG Meiyan, et al. Review and prospect of environmental radiation monitoring in China［J］. Radiation Protection, 2008, 28（6）: 362-376

2 高飛, 肖雪夫, 倪寧. 固定式環(huán)境γ輻射劑量率儀現(xiàn)場校準技術［J］. 原子能科學技術, 2015, 49（2）: 212-217

GAO Fei, XIAO Xuefu, NI Ning. On-site calibration technology for fixed environmental gamma radiation ratemeter［J］. Atomic Energy Science and Technology, 2015, 49（2）: 212-217

3 國家質(zhì)量技術監(jiān)督總局. GB/T 12162.1-2000: 用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應的X和γ參考輻射（第一部分: 輻射特性及產(chǎn)生方法）［S］. 北京: 中國標準出版社, 2001

The State Administration of Quality and Technical Supervision. GB/T 12162.1-2000: X and gamma reference radiation for calibrating dosemeters and doserate meters and for determining their response as a function of photon energy Part 1: radiation characteristics and production methods［S］. Beijing: Standard Press of China, 2001

4Geant4 Collaboration. Geant4 user’s guide for application developers［M］. CERN, 2015: 1

5Geant4 Collaboration. Physics reference manual［M］. CERN, 2015: 182

6 National Institute of Standards and Technology. XCOM program［CP/OL］. 2016-5-18. http://physics.nist.gov/ PhysRefData/Xcom/Text/chap4.html

Development of an irradiation device for on-site calibration of environmental gamma radiation dose rate meter

ZHAO Chao1,2YANG Zhen3TANG Fangdong1HE Linfeng1XU Yihe1LU Xiaojun1

1（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology, Shanghai 201203, China）
2（School of Public Health, Fudan University, Shanghai 200032, China）
3（Institute of Radiation Medicine, Fudan University, Shanghai 200032, China）

Background: With the development of the nuclear safety technology in China, more and more environmental gamma radiation dose rate meters were fixed in the field to monitor the environmental radiation in real time. Calibration of these meters is inconvenient to do on-site. Purpose: This study aims to design and implement a portable irradiation device for on-site calibration of these dose rate meters. Methods: An irradiation collimator was designed through Monte Carlo simulation as the kernel component of the irradiation device, and an automated supporting platform with functionalities of ranging, shifting, switching attenuation plates and remote control of intensity and position was developed as the additional component. Experiments and Monte Carlo simulations were conducted to test the performance of the irradiation device and calibrate the air kerma rate in the radiation filed of it. Field-testing was also performed to check the practicability of this irradiation device on condition of on-site calibration. Results: The adjustable range of the air kerma rate in the reference radiation filed was 0.27-34.86μGy·h-1. The self-developed irradiation device had good performance on reproducibility, self-scattering,homogeneity and practicability in field application. Conclusions: A portable irradiation device was designed and developed through Monte Carlo simulation for the calibration of on-site dose rate meter, it can be used to achieve the traceability of the fixed environmental gamma radiation dose rate meter.

On-site calibration, Irradiation device, Irradiation collimator, Scattering, Homogeneity

ZHAO Chao, male, born in 1987, graduated from Fudan University with a doctor’s degree in 2014, engaged in ionizing radiation metrology

TANG Fangdong, E-mail: tangfd@simt.com.cn

TL84

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090201

——

質(zhì)檢總局科技計劃項目（No.2015QK046）、上海市質(zhì)監(jiān)局科研項目（No.2015-2X001）資助

趙超，男，1987年出生，2014年于復旦大學獲博士學位，從事電離輻射計量學工作

唐方東，E-mail: tangfd@simt.com.cn

Supported by AQSIQ Science and Technology Planning Project （No.2015QK046）, Shanghai Municipal Quality Supervision Bureau Research Project

（No.2015-2X001）

work

2016-06-06，

2016-07-14