CN105353399B - 一种α/β射线流气式正比计数器高压工作点快速测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明所提出的一种α/β流气式正比计数器高压工作点快速测定方法，用于核辐射探测领域，为解决同时探测α与β射线时，测量稳定性和准确度随工作高压变化的矛盾。方法以国标有关要求或实际需要确定满足精度，每次迭代测定都可减少一半的测试区间，能够快速有效的测定到符合相关要求的高压工作点，在满足基本的仪器稳定性前提下，尽可能地降低了射线串道比，保证了探测结果的准确性，减少了测试人员在放射源周围的暴露时间，提高了此类仪器的调试效率。

Description

一种α/β射线流气式正比计数器高压工作点快速测定方法

技术领域

本发明属于核辐射探测领域，具体涉及到一种用于反符合甄别流气式正比计数器高压工作点的快速测定方法，可以解决同时测量α、β放射性沾染时追求探测稳定性与准确性之间矛盾的问题。

背景技术

随着核能和核技术的快速发展，核辐射危害与防护成为人们日益关注的焦点。流气式正比计数器技术成熟，广泛应用于涉核场所α、β放射性沾染测量。

流气式正比计数器主要由上阴极、阳极丝、下阴极组成(如图1所示)。下阴极为探测α、β射线的2π立体角透射面。腔体内部充有P-10工作气体，成分为90％Ar+10％CH₄。α射线与β射线在工作气体中电离本领不同，产生数目不等的离子对，经放大后在输出端形成幅度不等的脉冲。通常情况下，一次α或β辐射事件输出一个脉冲；由于α射线电离本领大于β射线，故相同工作状态下，α射线在输出端形成的脉冲幅度大于β射线。

某些情况下，在正比计数器的主脉冲后还可能产生一些跟随脉冲。这些跟随脉冲与入射辐射无关，而是由离子对初级雪崩中某些效应引起的次级过程产生的，导致本该记录一个脉冲的情况下多次计数，是计数器计数不稳的重要原因。产生虚假跟随脉冲的几率随工作电压的增高而变大。在“电压—计数率”曲线上，计数率随气体工作电压的升高变化不大时，呈现坪区；当电压升高到能够记录这些跟随脉冲时，所对应的电压值即为计数坪的终点(如图2所示)。

对于α与β放射源共存的情况，计数率曲线呈现两个坪(如图3所示)。由于α粒子电离本领强，随工作电压的升高，α坪首先起坪，故在第一个坪上的工作点只能记录α粒子；第二个坪上的工作点既能记录α粒子，又能记录β粒子。为达到α与β射线同时探测的目的，《GB/T 20131-2006α/β流气式正比计数器的标定和使用》提供了探测器高压调解法、脉冲高度甄别法、上升时间甄别法等三种常用的α/β甄别方法。本案采用脉冲高度甄别法，将高压工作点设置在V₃～V₄之间，即β坪上(如图3所示)，并通过后续的“反符合电路”根据α粒子与β粒子所成脉冲幅度的不同加以甄别。

核电子学信号采集系统接收来自计数管微弱的α、β脉冲信号，经过放大、甄别、成形、反符合，送给数据采集卡(如图4所示)。

经主放大器后，α粒子输出脉冲幅度高于β粒子，设计两个甄别器加以区分：α甄别器下阈应设置为刚好高于任何β事件预计引起的脉冲高度，但低于最低α能量预计引起的脉冲高度。β甄别器上阈则应设置为与α甄别器下阈的电压值相同。β甄别器下阈应设置为正好高于电子学噪声电压。

当α脉冲到来时，触发α甄别阈，在α输出端得到有效信号。但由于α甄别阈远高于β甄别阈，α信号在触发α甄别阈的同时一定也会触发β阈，造成β道计数。所以，应采用“反符合”技术剔除β甄别器输出信号中的α成分。α脉冲先触发β甄别阈形成脉冲V_(α+β),之后触发α甄别阈形成脉冲V_(α)。为保证反符合道信号在时间上能完全覆盖符合道信号，用V_(α+β)下降沿触发单稳态电路形成2μs脉冲作为符合道输入，V_(α)上升沿触发单稳态电路形成30μs脉冲作为反符合道输入(如图5所示)。这样β道无输出。

当β脉冲到来时，只能触发β甄别阈，形成V_(α+β)脉冲给符合道，而反符合道无输入，这时仅β道有信号输出。

高压工作点设置在V₃～V₄之间。对β源的响应，β道计数随工作电压的升高先增加后减少，并不是一个的典型β坪(典型β坪如图3所示)。原因是正比计数器的放大倍数M随工作电压的升高而增加，经主放大器后，β脉冲幅度便会超过α甄别阈，受甄别—反符合电路的作用，形成对α道的计数贡献。在β道计数减少的同时，α道计数增加，但实际上均为β粒子的贡献。这也是图中实线表示的α道与β道计数之和会出现坪区的原因(如图6所示)。在这一工作区间，对α源的响应依然会保持坪区，但对β源的响应会随高压升高，β信号会向α道发生串道，使α道计数增加；而本身β道计数减少。为了确保计数准确，尤其是对β射线，高压工作点应设置在坪头附近。但这会在计数“稳定性”与“准确性”之间出现一对矛盾：随高压升高，计数稳定性变好，但串道比变大使计数准确性变差；随高压降低，串道比变小使计数准确性变好，但计数稳定性变差(如图7所示)。

GB/T20131-2006规定，采用脉冲高度甄别原理的正比计数管，β进入α道的交叉干扰，即串道比应在3％以内；另外，GB/T 11682-2008规定，Ⅲ级低本底α/β测量仪，β射线对α道的串道比应小于1.0％。

对测量典型单种放射源来说，流气式正比计数器的高压工作点通常设置在坪区的1/2～1/3处某一点，目的是远离坪头以避免高压晃动使得计数不稳，同时远离坪尾以避免虚假跟随脉冲产生乱真计数，在克服工作高压对放射性计数的影响，增强流气式正比计数器的工作稳定性的同时，提高抗干扰能力，提高测试精度。但是在采用反符合甄别技术同时测量α、β时，仍将高压工作点设置在坪区的1/2～1/3处，则测量的串道比或计数稳定性可能不满足相关标准的国标要求。为有效减少测试人员在放射源周围的暴露时间，需要研究一种流气式正比计数器高压工作点的快速测定方法。

发明内容

针对基于反符合技术使用一对上下甄别阈值同时探测α与β射线的流气式正比计数器，本发明提出了一种以(α+β)总计数坪曲线为依据，综合考虑计数稳定性(变异系数)和准确性(串道比)两方面因素的流气式正比计数器高压工作点的快速测定方法，所测定高压工作点可以满足国标中对准确性和计数稳定性的要求。

现将本发明构思及技术方案叙述如下：

步骤1：测量流气式正比计数器对β放射源的计数率响应，得到α道净计数率、β道净计数率，和α道与β道总净计数率α+β，以α+β建立坪曲线；

步骤2：由α+β坪曲线判断探测器工作是否正常，即流气式正比计数器坪特性的物理指标—坪长PL和坪斜K是否合格，如合格，则执行步骤3，如不合格则重新设计调试流气式正比计数器，之后执行步骤1；

步骤3：根据国标和实际需要设定“准确性”指标—β射线对α道的串道比k_αβ，和“稳定性”指标—变异系数S；

步骤4：以α+β坪起坪电压为V_L0，终止电压为V_H0，取[V_L0，V_H0]的中点V_M，测量并计算在V_M工作点下的k_αβ和S；

步骤5：判断k_αβ和S是否满足要求，如果k_αβ和S均满足要求，则执行步骤5.1；如果k_αβ不满足要求，S满足要求，则执行步骤5.2；如果k_αβ满足要求，S不满足要求，则执行步骤5.3；如果k_αβ和S均不满足要求，则执行步骤1；

步骤5.1：V_M为测定高压工作点，输出V_M值；

步骤5.2：令V_H＝V_M，V_L＝V_L0，并重复步骤4、5；

步骤5.3：令V_L＝V_M，V_H＝V_H0，并重复步骤4、5。

具体实施步骤如下：

步骤1：测量建立流气式正比计数器对β源的计数率响应，得到α道净计数率、β道净计数率，和α道与β道总净计数率(α+β)；

步骤2：以α道与β道总净计数率(α+β)确定坪区为[V_L0，V_H0]，坪区的起点对应为(V_L0，N_L0)，终点为(V_H0，N_H0)(如图2所示)，则坪长PL为：

PL＝V_H0-V_L0 (1)

其中，PL为坪长，V_L0为坪头的电压，N_L0为坪头的计数率，V_H0为坪尾的电压，N_H0为坪尾的计数率，每百伏坪斜K为：

判断检测探测器工作是否正常，即流气式正比计数器坪特性的物理指标坪长PL和坪斜K是否合格，探测器物理合格的判据是：β坪长不小于150V；坪斜不大于5％/100V。否则，流气式正比计数器不正常，应重新设计调试，并重复上述步骤；

步骤3：满足探测器合格判据的前提下，α道和(α+β)的坪特性满足随工作电压升高的正相关性，β道满足随工作电压升高的负相关性(如图6所示)。通常情况下，在(α+β)坪区，α射线对β道的串道比k_βα很小，可忽略，故以下只需考查β射线对α道的串道比k_αβ与变异系数S这对变化趋势相反的参量即可；

步骤4：以(α+β)坪起坪电压为V_L0，终止电压为V_H0，取[V_L0，V_H0]的中点V_M，测量并计算在V_M工作点下的k_αβ和S。

准确性指标β射线对α道的串道比k_αβ为：

k_αβ为β射线对α道的串道比，N_αβ为β信号在α道的计数率，N_ββ为β信号在β道的计数率，N_α0为β的本底计数率，N_β0为β的本底计数率。

稳定性指标—变异系数为一组n次测量值(x_i)的标准差(s)与其算数平均值之比：

变异系数应小于1％。对于服从高斯分布的观测，将各次测量值出现的次数与理论高斯分布进行比较：数据落在1倍方差之间的大约有68.3％；2倍方差之间的大约有95.5％；3倍方差之间 的大约有99.7％；3倍标准差范围之外几乎没有数据。即大部分数据应落在±3倍标准差之间。

步骤5：判断k_αβi和S_i是否满足要求，如果k_αβi和S_i均满足要求，则执行5.1；如果k_αβi不满足要求，S_i满足要求5.2；如果k_αβi满足要求，S_i不满足要求，则执行5.3；如果k_αβi和S_i均不满足要求，重新设计调整探测器后，执行步骤1。

步骤5.1则V_Mi为测定高压工作点，结束测定；

步骤5.2V_H(i+1)＝V_M(i)，V_L(i+1)＝V_L(i)，即工作点左移；令i＝i+1，转到步骤4、5；

步骤5.3V_L(i+1)＝V_M(i)，V_H(i+1)＝V_H(i)，即工作点右移；令i＝i+1，转到步骤4、5。

本发明同现有技术相比的优越性在于，现有技术中确定流气式正比计数器高压工作点主要是针对测量α或β单种放射源，用现有技术确定的高压工作点在同时探测α与β射线时不能同时满足稳定性(变异系数)和准确度(串道比)的要求，本发明所提出的一种α/β流气式正比计数器高压工作点快速测定方法，充分考虑了稳定性和准确度随测量高压变化的单调性和矛盾性，以国标有关要求或实际需要确定满足精度，每次迭代测定都可减少一半的测试区间，能够快速有效的测定到符合相关要求的高压工作点，在满足基本的仪器稳定性前提下，尽可能地降低了射线串道比，保证了探测结果的准确性，提高了此类仪器的调试效率，减少了测试人员在放射源周围的暴露时间。该发明的应用，对于快速、准确、高效地区分α与β辐射，指导后续有针对性地开展表面放射性沾染去除具有重要的意义。

附图说明

图1流气式正比计数器结构示意图

图2正比计数器坪特性曲线(针对单种放射源)

图3α、β放射源共存时坪特性曲线

图4核电子学信号采集系统示意图

图5脉冲幅度甄别反符合逻辑

图6正比计数器对β源响应坪特性示意图

图7计数稳定性与准确性随工作高压变化趋势

图8α/β流气式正比计数器高压工作点测定方法流程图

图9实验测试一例

具体实施方式

下面结合附图，对α/β流气式正比计数器高压工作点快速测定方法进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图8是本发明α/β流气式正比计数器高压工作点测定方法流程图，本发明的计算方法包括以下步骤：

步骤1：通入工作气体，调节气体流量，使气体流量稳定在30mL/min左右。待正比计数器腔体内空气排净后，逐渐升高工作电压，测量正比计数器的坪特性。用活性面积为15cm×10cm，表面发射率为3.04×10³s^-1·2π的⁹⁰Sr-⁹⁰Y标准源测试计数器坪特性。将标准源置于入射窗的几何中心位置，紧贴阴极镀铝薄膜放置。采样周期为20s，分别记录β道与α道的计数值，测量多次取平均，将结果绘制成坪曲线(如图9所示)。

步骤2：根据(α+β)坪曲线，β坪的起坪电压V_L0取1440V，坪尾电压V_H0取1720V，坪头的总计数率N_L0为43201，坪尾的总计数率N_H0为44233。根据公式1计算坪长为：

PL＝V_H0-V_L0＝1720-1440＝280V

每百伏坪斜为：

这一坪区跨越的工作电压范围内，在β主脉冲外，不会产生跟随脉冲。以计数率表示的测量结果可以线性反应出所测地表面的β出射率。

步骤3：根据国标要求：探测器物理合格的判据是：β坪长不小于150V；坪斜不大于5％/100V。

本例中，坪长为280V，大于150V；坪斜为0.8％/100V，小于5％/100V；均满足国标要求。故1440V～1720V可以作为该α/β流气式正比计数器的坪区间，即V_L0＝1.44kV，V_H0＝1.72kV。

步骤4：由V_L0和V_H0值可得

调节探测器高压值V_M0＝1.58kV，测量α道和β道的计数。正比计数器对β源每次测量时间20s，选取24组测量值，样本均值为44197；变异系数

β道的计数均值标准差三倍方差范围 为(43567，44827)。经统计，大约有61.7％的数据落在1倍方差内，96.7％的数据落在2倍方差内，全部数据落在3倍方差内。

对所测得的n组计数值，求平均，得到N_αβ0、N_ββ0、N_α00、N_β00，由串道比公式4可计算得出，β源对α道的串道比为：k_αβ0＝12.70％。

步骤5：判断k_αβ和S是否满足要求。

k_αβ0＝12.70％>1％，不满足国标对串道比的要求。

S_β0＝0.0046<1％。三倍方差全部数据落在3倍方差内。仪器对β计数符合稳定性的要求。

执行步骤5.2：V_H1＝V_M0＝1.58kV，V_L1＝V_L0＝1.44kV。重复步骤4与5。

此时V_M1＝1.51kV。在V_M1＝1.51kV工作点下，正比计数器对β源每次测量时间20s，选取24组测量值，样本均值为44673；变异系数

小于1％。β道的计数均值N＝44673，标准差三倍方差范围 为(44040，45306)。经统计，全部数据落在3倍方差内。仪器对β计数符合稳定性的要求。

对所测得的n组计数值，求平均，得到N_αβ1、N_ββ1、N_α01、N_β01，由串道比公式4可计算得出k_αβ1＝1.60％>1％，不满足串道比的相关规定。

继续执行步骤5.2：V_H2＝V_M1＝1.51kV，V_L2＝V_L1＝1.44kV。重复步骤4与5。

此时V_M2＝1.48kV。在V_M2＝1.48kV工作点下，正比计数器对β源每次测量时间20s，选取24组测量值，样本均值为44673；变异系数

小于1％。β道的计数均值N＝43795，标准差三倍方差范围 为(43168，44422)。经统计，全部数据落在3倍方差内。仪器对β计数符合稳定性的要求。

对所测得的n组计数值，求平均，得到N_αβ2、N_ββ2、N_α02、N_β02，由串道比公式(4)可计算得出k_αβ2＝0.49％<1％，符合国标对串道比1％的限值要求。

流程结束。

从上面的实施例可以看出经过本方法，两次就测得符合要求的高压工作点，最后测定的正比计数器的高压工作点为1480V。

Claims (5)

1.一种同时测量α/β射线流气式正比计数器高压工作点快速测定方法，其特征包括以下步骤：

步骤1：测量流气式正比计数器对β放射源的计数率响应，得到α道净计数率、β道净计数率，和α道与β道总净计数率α+β，以α+β建立坪曲线；

步骤2：由α+β坪曲线判断探测器工作是否正常，即流气式正比计数器坪特性的物理指标—坪长PL和坪斜K是否合格，如合格，则执行步骤3，如不合格则重新设计调试流气式正比计数器，之后执行步骤1；

步骤3：根据国标和实际需要设定“准确性”指标—β射线对α道的串道比k_αβ，和“稳定性”指标—变异系数S；

步骤4：以α+β坪起坪电压为V_L，初始值为V_L0；终止电压为V_H，初始值为V_H0；取[V_L，V_H]的中点V_M；测量并计算在V_M工作点下的k_αβ和S；

步骤5：判断k_αβ和S是否满足要求，如果k_αβ和S均满足要求，则执行步骤5.1；如果k_αβ不满足要求，S满足要求，则执行步骤5.2；如果k_αβ满足要求，S不满足要求，则执行步骤5.3；如果k_αβ和S均不满足要求，则执行步骤1；

步骤5.1：V_M为测定高压工作点，输出V_M值；

步骤5.2：令V_H＝V_M，V_L＝V_L0，并重复步骤4、5；

步骤5.3：令V_L＝V_M，V_H＝V_H0，并重复步骤4、5。

2.根据权利要求1所述的一种同时测量α/β射线流气式正比计数器高压工作点快速测定方法，其特征在于步骤2中坪长PL和坪斜K的获取方法为：PL＝V_H0-V_L0，N_L0为坪头的计数率，N_H0为坪尾的计数率，

<mrow> <mi>K</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>N</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> <mo>/</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>.</mo> </mrow>

3.根据权利要求1所述的一种同时测量α/β射线流气式正比计数器高压工作点快速测定方法，其特征在于步骤2中坪长PL不小于150V，坪斜K不大于5％/100V。

4.根据权利要求1所述的一种同时测量α/β射线流气式正比计数器高压工作点快速测定方法，其特征在于步骤3中串道比k_αβ小于1％，变异系数S小于1.0％。

5.根据权利要求1所述的一种同时测量α/β射线流气式正比计数器高压工作点快速测定方法，其特征在于步骤四中k_αβ和S的获取方法为：

k_αβ为β射线对α道的串道比，N_αβ为β信号在α道的计数率，N_ββ为β信号在β道的计数率，N_α0为β的本底计数率，N_β0为β的本底计数率。