多閾值能響補償在ARD200劑量率儀中的應(yīng)用

任熠 郭喜榮 郭強

摘 ? 要：本文介紹了用多閾值能響補償方法對劑量率儀進行能量響應(yīng)補償?shù)脑?，并通過在ARD200劑量率儀進行實驗驗證，使其滿足國標和檢定規(guī)程的要求。本方法可看出多閾值能響補償方法可以有效減小低能輻射過響應(yīng)造成的劑量測量誤差，且無需其他形式的補償方式，半導(dǎo)體探測器、閃爍體探測器的能響補償有參考意義。

關(guān)鍵詞：多閾值 ?能響補償 ?劑量率儀

中圖分類號：TL81 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0099-04

一臺理想的輻射監(jiān)測儀表應(yīng)該是不論射線能量大小，只要輻射量相同，其儀表的響應(yīng)就應(yīng)相同，但事實上儀器的響應(yīng)總是隨著射線能量不同而有一定的差異，響應(yīng)對能量依賴性小，這種差異就小，即能響特性就好。

1 ?能響特性

能響特性是指輻射探測器的靈敏度與入射輻射能量的關(guān)系。最簡單的標定方法是利用系列能點的單能γ輻射源標定其相應(yīng)能點的靈敏度，然后擬合出靈敏度隨入射粒子能量變化曲線。

1.1 能響特性的影響因素

（1）與探測器的制作工藝有關(guān)。

（2）防止電磁干擾及避光所使用的金屬材料的固有遮擋有關(guān)。

（3）與探測器本身的質(zhì)量能量吸收系數(shù)有關(guān)。

1.2 能響特性的相關(guān)規(guī)定

在GB/T4835.1-2012輻射防護儀器 β、X和γ輻射周圍和/或定向劑量當量（率）儀和/或監(jiān)測儀第1部分：便攜式工作場所和環(huán)境測量儀與監(jiān)測儀[1]，中規(guī)定，在能量80keV～1.5MeV相對于參考方向0°～45°，要求相對響應(yīng)的變化限制為-29%～+67%。

1.3 常用能響補償方法

1.3.1 能量補償片

采用不同比例的鉛錫片，進行試驗和算法設(shè)計，計算開孔位置和開孔數(shù)量，來實現(xiàn)能響補償。

1.3.2 多種補償方式并用

采用補償片+雙探測器的補償方式，雙探測器一個設(shè)計為低能補償探測器，上面貼銅箔，另一個為高能補償探測器上面貼錫箔，通過實驗調(diào)整銅箔和錫箔的厚度來對輻射儀表進行能量補償。

1.3.3 G（E）函數(shù)方法

G（E）函數(shù)[2]的譜-劑量轉(zhuǎn)換法，是通過軟件來調(diào)整劑量率儀的能響，即先測出輻射的物理特性（能譜），然后通過專門的軟件計算出所定義的劑量值。一般情況下，探測器輸出脈沖簡單按高度積分來測量劑量，通常不能得到平坦的能量響應(yīng)。

G（E）函數(shù)方法提出在探測器的輸出脈沖按幅度加權(quán)的修正方法，即在進行按脈沖高度積分的過程中引入一個加權(quán)函數(shù)，來調(diào)整能量響應(yīng)。

2 ?多閾值能響補償方法實現(xiàn)

2.1 方法提出

多閾值能響補償方法是以G（E）函數(shù)為思路，進行簡化應(yīng)用。利用DAC轉(zhuǎn)換器設(shè)置多閾值，該閾值分別連接到多個比較器中，比較器的另一輸入端為探測器的信號輸出端[3]，通過記錄下每個比較器的輸出脈沖數(shù)，并進行分析，計算出所需的能響因子，來實現(xiàn)能響補償。

2.2 硬件設(shè)計

多閾值能響補償方法，采用四路比較器和DAC轉(zhuǎn)換器，如圖1所示。

其中兩路比較器為低能響應(yīng)貢獻所設(shè)計，兩路比較器為高能響應(yīng)貢獻設(shè)計，兩個比較器一個為下甄別閾值，一個為上甄別閾值，下甄別閾值的計數(shù)器減去上甄別閾值計數(shù)器為低/高能響應(yīng)貢獻區(qū)計數(shù)值[4]，示意圖如圖2所示。

2.3 閾值選擇

ARD200劑量率儀的探測器采用SiPM+CsI組合，探測器在不同閾值區(qū)間（40mV）、不同能量同一劑量率下的計數(shù)率如表1所示。

通過不同能量不同閾值的靈敏度的標準偏差，選擇標準偏差小的區(qū)間，確定為低能段的閾值區(qū)間：210～330mV且可通過靈敏度確定高能段的閾值區(qū)間970～1130mV。

2.4 計算能響因子

確定好閾值后，需要計算高能區(qū)和低能區(qū)的影響因子，為了減少低閾值區(qū)域高能部分的影響，則在計算低閾值區(qū)的計數(shù)時應(yīng)減去高閾值區(qū)的計數(shù)值。不同能量不同閾值探測器的靈敏度如表2所示：先確定高閾值區(qū)的影響因子為1，確定后可通過規(guī)劃求解求出低閾值區(qū)的影響因子。規(guī)劃求解為EXCEL自帶功能，實現(xiàn)方式如圖3和圖4所示。

通過規(guī)劃求解，求出低能貢獻區(qū)的影響因子為0.103，預(yù)期的能響曲線為圖5所示。

3 ?方法驗證

通過對無補償?shù)哪茼懱匦耘c多閾值能響補償方法能響特性的曲線圖進行對比，如圖6和圖7所示。

從測試圖可以看出，多閾值能響補償方法可有效地改善劑量儀的能響特性。

4 ?結(jié)語

通過實驗結(jié)論可看出多閾值能響補償方法可以有效減小低能輻射過響應(yīng)造成的劑量測量誤差，且無需其他形式的補償方式（能響補償片），只需DAC轉(zhuǎn)換器和比較器就可實現(xiàn)，簡單可行，此方法還需要進一步的多次實驗驗證才能確定其的適用性和其有效性，對半導(dǎo)體探測器、閃爍體探測器的能響補償有參考意義。

參考文獻

[1] GB/T4835.1-2012輻射防護儀器 β、X和γ輻射周圍和/或定向劑量當量（率）儀和/或監(jiān)測儀第1部分：便攜式工作場所和環(huán)境測量儀與監(jiān)測儀[S].

[2] 任曉娜，胡遵素. 用 NaI（Tl）探測器測量γ輻射場劑量特性的加權(quán)積分法研究[J]. 輻射防護，2003，23（2）：65-73.

[3] Lin Li， Anwen Long， Peng Xiao et al. An MVT based all-digital DAQ for energy determination[C]. Anaheim，CA：IEEE NuclearScience Symposium and Medical Imaging Conference （NSS/MIC），2012：1024-1027.

[4] 邢立騰，姜浩.多電壓閾值采樣方法在輻射探測器能量響應(yīng)補償中的應(yīng)用[Z].江蘇省計量測試學(xué)術(shù)論文集，2014（69）：101-104.