固定式剂量率仪现场校准技术

2013/01/14于杭州2013/07/24于西宁2016/07/13于西宁（补充了相关内容）环境固定式剂量率仪现场校准技术中国原子能科学研究院计量测试部肖雪夫Tel:010-69357188(O),13693126455(手机)Email:[e-mail]报告内容一引言二仪器校准的概念和基本知识三现场校准技术四问题与建议五结语一、引言•计量是关于测量的科学•批量同类测量仪器设备→需要统一计量标准•计量是科学技术的重要组成部分，是与人类社会进步和科学发展同步发展的•计量应该是可溯源的，并由专门的计量技术机构进行传递，例如：米-原器•大批量电离辐射测量仪器设备和测量技术是因当时国防需要而建立起来的→许多的电离辐射计量标准最早是在国防科技口建立的。•上世纪80年代初、我国国防科技电离辐射计量建立起了三级计量技术机构•国防科技工业电离辐射一级计量站（2008年前为国防科工委放射性计量一级站）设立在中国原子能科学研究院。•国防科工委放射性计量一级站始建于1981年。•30年发展，建成22项国防计量一级标准校准装置。•其研究领域已覆盖电离辐射测量的主要量值，是目前国内电离辐射计量方面专业面最宽，计量标准数量最多，覆盖测量范围最广的单位。•许多装置和参数的测量水平与发达国家水平相当•现保存有14项国防最高计量标准校准装置X射线照射量标准装置Ex=8keV～300keV(连续可调)，X=(3×10-6～3×10-3)C·kg-1·h-1,U=3.5%(k=2)K=（）X标准、参考仪表检定，能响确定，性能研究、形式试验γ射线照射量标准装置(137Cs、60Co，防护级)X=(1×10-9～1×10-3)C·kg-1·h-1U=4.9%(k=2)国内量程最宽的X标准装置→各级X标准、参考仪表检定→能量响应→仪表性能研究、型式试验已推广应用核电站、辐照单位•二、仪器校准的概念和基本知识•仪器校准——剂量仪器的读数用相应的剂量(率)单位或比释动能(率)单位来表示•标准辐射场——射线的性质与剂量(率)或比释动能(率)已充分了解的辐射场•标准仪器——已经校准过的准确度较高的仪器•标准分级：初级(国家基准)、次级(二级)标准、实验室(三级)标准•校准常用标准点源：226Ra，60Co，137Cs等——溯源到国家基准•常规校准方法：①标准源法，②标准仪器法▲标准源法：R点源探测器K=(Γ·A)/R2·e-μR,D=8.73×10-3·X▲标准仪器法标准探测器点源待校探测器GB/T14583-93《环境地表γ辐射剂量率测定规范》：测定总不确定度＜20%二、仪器校准的概念和基本知识(续)•单能（E）辐射的空气吸收剂量率Da：Da=ψ•(μ/ρ)a=φ•E•(μ/ρ)a式中，ψ——辐射的能量注量密度，J/m2•s；φ——辐射的粒子注量密度，1/m2•s；(μ/ρ)a——能量为E的辐射的空气质量能量吸收系数，m2/kg。•多能（Ei）辐射的空气吸收剂量率Da：Da=Σψi•(μ/ρ)ia=Σφi•Ei•(μ/ρ)ia式中，ψi——辐射的能量注量密度，J/m2•s；φi——辐射的粒子注量密度，1/m2•s；(μ/ρ)ia——能量为Ei的辐射的空气质量能量吸收系数，m2/kg。•能谱连续分布辐射的空气吸收剂量率Da：Da≈Σψi•(μ/ρ)ia≈Σφi•Ei•(μ/ρ)ia二、仪器校准的概念和基本知识(续)•（1）需要进行环境γ能谱测量→设备、测量、数据处理极其复杂→限制了其大量使用；（2）需要不同能量的系列标准放射源校准给出所对应的探测效率→工作量大！•从另外一个角度来解决问题：改善探测器→使探测效率随不同能量基本不变化或变化很小，即获得“平坦的能量响应曲线”。•从理论上来说，只要探测器的“能量响应曲线是平坦的”，就可以通过任何一种能量的γ射线，建立其标准辐射场（已知其D分布），便可以开展校准工作。•∴对能量响应满足某一规定的要求的剂量率仪，采用单源进行剂量（率）校准。•早期用226Ra源（平均E≈0.8MeV），现在多用137Cs(E=0.662MeV)源、60Co源（平均E=1.25MeV）和241Am源(E=59.5keV)。二、仪器校准的概念和基本知识(续)•相关标准要求环境电离辐射剂量率测量仪器，以137Cs(E=0.662MeV)为参考点，在60keV～3MeV范围内，能量响应误差≤±30%，可满足要求。•探测器改善能量响应的途径之一：贴（或包裹）重金属片主要针对低能响应起“鼓包”的探测器，一定厚度的重金属对低能γ射线的吸收比对高能γ射线的吸收要大，∴相当于将能量响应曲线“拉平了”。•例如：高气压电离室剂量率仪球型高气压电离室便携式高气压电离室剂量率仪•量程范围：10nGy/h~10μGy/h•能量响应：≤±30%(60keV~2MeV)能量补偿后≤±15%(60keV~2MeV)•用于环境γ剂量率测量•中国原子能科学研究院能量响应特性——响应对能量的依赖性以137Cs662keV的响应为参照，能量响应相对误差：δ≤±30%为获得准确的环境电离辐射剂量率值环境电离辐射剂量率仪，探测器的能量响应必须满足相关标准要求！三、现场校准技术3.1背景情况：环保部于2006年在原子能院、中核404厂、清华大学、中核202厂拥有反应堆核设施的单位周边建立环境γ辐射连续监测系统全国范围内首批建立了135个环境γ辐射连续监测点三、现场校准技术3.2问题提出：为保证测量结果的可靠性，监测仪器需要定期送计量技术机构进行检定或校准，《中华人民共和国强制检定的工作剂量器具检定管理办法》38条，GB521-2006《环境监测用Χ、γ辐射空气比释动能（吸收剂量）率仪》我国在1992年-2006年，固定式环境辐射剂量仪表的受检率只有20%，“固有误差”单项合格率也只有64%2007年调研结果表明，我国自主研建的某民用核设施周围的多台固定式环境γ辐射监测仪仍然没有有效的校准方法覆盖全国范围的135个环境辐射连续监测点，也同样存在现场校准的技术难题，环境监测部门对此提出强烈需求三、现场校准技术3.3解决方案：GB12162.1-2000《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射第1部分：辐射特性及产生方法》:计量标准实验室多枚不同活度的同位素放射源以建立多种参考辐射设计符合相关标准的便携式照射器，利用便携式照射器和量值传递仪表进行现场校准采用天然本底辐射作为校准现场环境辐射监测仪表的参考辐射场，结合新型高气压电离室作为量值传递仪表对现场固定仪表进行比对校准，解决固定式环境辐射监测仪表的送检难题拆卸困难周期较长数据中断放射源运输问题最终方案三、现场校准技术3.4工作成果：利用天然本底（陆地γ射线和宇宙射线）作为参考辐射，结合新型高气压电离室作为剂量（率）量值传递仪表开展了环境γ辐射连续监测仪表的现场校准技术研究工作；2013年～2015年，全面完成了全国范围内首批建立了135个环境γ辐射连续监测仪表的现场校准工作，为我国环境监测数据的可靠性做出了贡献。3.5前期准备及实验验证高气压电离室高气压电离室原理图自身本底小；稳定性好；角响应好；精度高等优点；Kc≈KRa；低能光子响应偏高。3.5前期准备及实验验证高气压电离室能量响应美国RSS131高气压电离室能响曲线对数坐标系3.5前期准备及实验验证能量补偿型高气压电离室三种主要相互作用与γ射线能量及吸收物质原子序数的关系低能区光电效应起主导作用，随着入射X、γ射线能量的降低而升高，在能量响应曲线的低能区形成一个“鼓包”；3.5前期准备及实验验证能量补偿型高气压电离室三种主要相互作用与γ射线能量及吸收物质原子序数的关系改变电离室的室壁厚度，并在外壁上贴上不同材料、不同厚度及不同敷贴面积的屏蔽片，可以不同程度地压低能量响应曲线的这个“鼓包”；充气种类和压力也将对其能量响应特性有着一定的影响；3.5前期准备及实验验证能量补偿型高气压电离室JLZ-III能量补偿型高气压电离室：•陆地环境γ射线（能量在60keV～3MeV之间）；•137Csγ射线（能量为662keV）和宇宙射线的响应近似相等；•重复性好于1%。JLZ-III型高气压电离室能响比较3.5前期准备及实验验证量值传递仪表最终采用自研JLZ-III型高气压电离室和外购美国RSS-131型高气压电离室作为量值传递仪表并于国防科技工业电离辐射一级站完成了能量响应、相对固有误差、宇宙射线响应、角响应和校准因子等实验工作3.5前期准备及实验验证量值传递仪表Co-60（1.173、1.332MeV）；Cs-137（0.661MeV）；3.5前期准备及实验验证量值传递仪表低空气比释动能系列X射线（L70/L100/L125/L170/L210/L240）管电压(kV)平均能量(keV)过7060滤10087X125109辐170149射2101852402113.5前期准备及实验验证量值传递仪表高气压电离室宇宙射线响应实验（密云水库）3.5前期准备及实验验证实验验证为了确保现场校准技术的准确性和可靠性，采用两台用作剂量（率）量值传递仪表对中国原子能科学研究院院区周界建立的两套环境γ辐射连续监测系统进行校准技术的实验验证：1.原子能院总排口固定式环境γ辐射连续监测仪；2.原子能院气象站固定式环境γ辐射连续监测仪；3.5前期准备及实验验证实验验证为了确保现场校准技术的准确性和可靠性，采用两台用作剂量（率）量值传递仪表对中国原子能科学研究院院区周界建立的两套环境γ辐射连续监测系统进行校准技术的实验验证：1.原子能院总排口固定式环境γ辐射连续监测仪；2.原子能院气象站固定式环境γ辐射连续监测仪；使用上述两台量值传递仪表进行现场校准，再将环境γ辐射连续监测仪拆下送至实验室进行实验室校准，将两次校准因子进行分析比较，验证现场校准因子的准确性。3.5前期准备及实验验证实验验证1.原子能院总排口固定式环境γ辐射连续监测仪：探测器类型：高气压电离室（型号H/FJG-γI型）；生产厂家：中国船舶公司重工集团公司第七一九研究所；剂量率范围：10-8Gy/h～10-1Gy/h；能量响应：70keV-3MeV误差≤±25%（相对137Cs，662keV）2.原子能院气象站固定式环境γ辐射连续监测仪：探测器类型：高气压电离室（型号H/FJG-γI型）；生产厂家：中国船舶公司重工集团公司第七一九研究所；剂量率范围：10-8Gy/h～10-1Gy/h；能量响应：70keV-3MeV误差≤±25%（相对137Cs，662keV）3.5前期准备及实验验证实验验证现场校准布点研究：通过踏勘，根据房顶场地及环境γ辐射连续监测仪的实际布置情况，将剂量（率）量值传递仪表分别置于环境γ辐射连续监测仪旁侧0.4m～2m范围内，剂量（率）量值传递仪表与环境γ辐射连续监测仪探测器的高度相等（1.4m）。数据采集要求：环境γ辐射连续监测仪的采样间隔为1min，连续采样10min；传递仪表在校准点位置与环境γ辐射连续监测仪同时测量，30s读取一个测量值，20个剂量率测量值取其平均值3.5前期准备及实验验证实验验证校准因子：为环境γ辐射连续监测仪的环境辐射本底剂量率测量结果的平均值，nGy/h；为剂量率量值传递仪表环境本底辐射剂量率测量结果的平均值，nGy/h。KKC00KK3.5前期准备及实验验证实验验证原子能院气象观测站平房顶现场校准实验布置图3.5前期准备及实验验证实验验证原子能院气象观测站连续监测点现场校准实验3.5前期准备及实验验证实验验证原子能院工业下水总排口平房顶现场校准实验布置图原子能院工业下水总排口连续监测点现场校准实验3.5前期准备及实验验证实验验证实验室校准：现场拆卸下来的环境γ辐射连续监测仪送至国防科技工业电离辐射一级计量站校准实验室采用标准“准直场”进行校准；“替代法”校准3.5前期准备及实验验证实验验证实验室校准：环境连续测量仪表拆卸后送实验室进行校准实验环境连续测量仪表拆卸