CN114236601A - 基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法 - Google Patents

基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法，由正比计数器、超低功耗电荷灵敏前置放大器、脉冲甄别器等组成次级标准器；在辐射防护X/γ国家基准或次级标准装置实验室完成X和γ近似单能射线条件下的计数‑剂量转换因子刻度，并利用计数‑剂量转换因子刻度离散数据求解出计数‑剂量转换因子刻度曲线；采用次级标准器测量低剂量率辐射场固定位置处照射条件下的计数值和自然本底的计数值，利用照射条件下的计数值扣除自然本底计数值后的值与其对应能量条件下的计数‑剂量转换因子值或多特征能量条件下的加权计数‑剂量转换因子值相乘求出低空气比释动能率值。本发明可解决环境水平剂量仪低空气比释动能率量值溯源的难题。

Description

基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法
技术领域
本发明涉及电离辐射测试技术领域，具体为一种基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法。
背景技术
空气比释动能率辐射防护标准装置常采用自由空气电离室或球型石墨电离室进行量值传递工作，由于电离室灵敏度相对较低，当在低空气比释动能率量程段进行测量时存在准确度较差的问题。
正比计数器型核辐射探测器与电离室相比灵敏度高，温度稳定性与闪烁探测器和半导体探测器相比优势明显。通过正比计数器型核辐射探测器建立的次级标准器测量系统可有效解决低空气比释动能率的量值溯源测量难题。
本发明为四川省科技计划项目(重点研发项目)资金资助(项目名称：超低本底辐射环境下γ射线空气比释动能量值复现与传递，项目编号：2020YFG0019)。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法，通过采用正比计数器型次级标准器完成在近似单能和多特征能量射线放射源的低空气比释动能率测量，解决电离辐射计量辐射防护领域低空气比释动能率的量值溯源问题。技术方案如下：
一种基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法，包括以下步骤：
步骤1：利用计数-剂量转换因子刻度离散数据求解出计数-剂量转换因子刻度曲线
在辐射防护X/γ国家基准或次级标准装置实验室完成X和γ近似单能射线条件下的计数-剂量转换因子刻度；且在通过正比计数器型次级标准器测量系统进行计数-剂量转换因子刻度时，完成实验室自然本底测量；计数-剂量转换因子值等于空气比释动能剂量率约定真值除以次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值；
利用计数-剂量转换因子刻度离散数据，求解出计数-剂量转换因子刻度曲线，计数-剂量转换因子刻度曲线的横坐标对应国家辐射防护国家基准或次级标准实验室的X/γ射线的平均能量，纵坐标为计数-剂量转换因子值，即空气比释动能剂量率/计数率；
步骤2：用正比计数器型次级标准器在低剂量率辐射场进行低空气比释动能率测量
(a)当低剂量率辐射场与X/γ国家基准或次级标准装置射线平均能量一致时，直接利用计数-剂量转换因子值与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值相乘计算出低空气比释动能率标准值；
(b)当低剂量率辐射场放射源存在多个特征能量射线时：利用每个特征能量对应计数-剂量转换因子刻度曲线下的计数-剂量转换因子值进行加权处理计算出加权计数-剂量转换因子值，然后利用加权计数-剂量转换因子值与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值相乘计算出多个特征能量射线放射源的低空气比释动能率标准值。
进一步的，当低剂量率辐射场放射源存在多个特征能量射线时，低空气比释动能率测量的具体过程如下：
计算放射源每次衰变后通过次级标准器探测器区域的光子数的概率Pc，i：
Figure BDA0003361867370000021
其中，Pi为放射源第i个特征能量射线Ei的发射概率，
Figure BDA0003361867370000022
和
Figure BDA0003361867370000023
分别为放射源外壳的衰减系数和空气的衰减系数，A为放射源距离次级标准器一定位置处向次级标准器探测器区域方向发射粒子的概率；
L次衰变则在次级标准器探测器区域测量位置处的注量为
Figure BDA0003361867370000024
Figure BDA0003361867370000025
在次级标准器探测器区域位置处，放射源第i个特征能量射线为Ei，注量为
Figure BDA0003361867370000026
对应的能量转移系数为
Figure BDA0003361867370000027
则能量射线Ei的粒子对应的空气比释动能
Figure BDA0003361867370000028
为：
Figure BDA0003361867370000029
利用所述计数-剂量转换因子刻度曲线查找出第i个特征能量射线Ei对应的次级标准器的计数-剂量转换因子值为
Figure BDA00033618673700000210
则次级标准器在第i个特征能量射线Ei对应的计数值为：
Figure BDA00033618673700000211
则n个特征能量射线全部的计数值
Figure BDA00033618673700000212
为：
Figure BDA00033618673700000213
则n个特征能量射线对应的总的空气比释动能
Figure BDA00033618673700000214
为：
Figure BDA00033618673700000215
次级标准器对应n个特征能量射线的加权计数-剂量转换因子值
Figure BDA00033618673700000216
为：
Figure BDA0003361867370000031
利用加权计数-剂量转换因子值
Figure BDA0003361867370000032
与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底后的值CE相乘计算出低空气比释动能率标准值KE：
Figure BDA0003361867370000033
更进一步的，所述空气比释动能剂量率标准值采用国家基准或次级标准装置进行量值传递；x射线主要包含N60，N80，N100，N150，N200，N250窄谱系列，其平均能量覆盖48keV～207.5keV；γ射线则采用同位素Cs-137和Co-60进行计数-剂量转换因子刻度，其平均能量覆盖662keV～1.25MeV。
一种正比计数器型次级标准器，包括正比计数器、高压模块、超低功耗电荷灵敏前置放大器、脉冲甄别器和计数器；
所述正比计数器内部采用高原子序数氙和氮的混合气体进行填充，作为X/γ射线的高灵敏度探测器；
所述高压模块采用正高压可调的模块实现，提供给正比计数器形成内部电场，收集射线在探测器内部的电离信号；超低功耗电荷灵敏前置放大器完成正比计数器电离信号的脉冲放大处理；
所述脉冲甄别器通过设置阈值电压完成核信号的噪声去除；所述计数器采用单片机进行测量控制，用于定时、计数以及计数值显示，完成单位时间内核脉冲的计数。
本发明的有益效果是：本发明首先利用大体积正比计数器结合电压可调正高压模块、超低功耗电荷灵敏前置放大器、脉冲甄别器和计数器组成的次级标准器测量系统；然后在辐射防护X/γ国家基准或次级标准装置实验室完成X和γ近似单能射线条件下次级标准器系统的计数-剂量转换因子刻度(48keV～1.25MeV)，并利用计数-剂量转换因子刻度离散数据采用多项式样条插值方法求解出计数-剂量转换因子刻度曲线；最后采用正比计数器型次级标准器完成低剂量率辐射场固定位置处的计数值测量，利用测量值扣除自然本底计数值后的值与其对应能量条件下的计数-剂量转换因子值或多特征能量条件下的加权计数-剂量转换因子值相乘即可求出低空气比释动能率值；本发明可利用正比计数器型核辐射探测器建立的次级标准器解决环境水平剂量仪低空气比释动能率量值溯源的难题。
附图说明
图1为次级标准器测量系统结构及低空气比释动能率测量方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。首先，利用大体积正比计数器型核辐射探测器结合高压模块、超低功耗电荷灵敏前置放大器、脉冲甄别器和计数器组成次级标准器测量系统，如图1所示。
正比计数器内部采用高原子序数氙和氮的混合气体进行填充，实现对X/γ射线的高灵敏度探测；高压模块采用正高压(0～+5000V)可调的模块实现，提供给正比计数器形成内部电场，收集射线在探测器内部的电离信号；超低功耗电荷灵敏前置放大器完成电离信号的脉冲快速放大，功耗低于500μW，成形脉冲宽度小于10μs；脉冲甄别器和计数器完成脉冲计数和LCD显示处理，计数单位时间最小间隔为1s，连续可调。
次级标准器测量系统在辐射防护X/γ国家基准或次级标准装置实验室完成X和γ射线近似单能条件下的计数-剂量转换因子(空气比释动能剂量率(μGy/h)/计数率(cps))刻度。X射线主要包含N60，N80，N100，N150，N200，N250窄谱系列，其平均能量覆盖48keV～207.5keV；γ射线则采用同位素Cs-137和Co-60放射源进行计数-剂量转换因子刻度，其平均能量覆盖662keV～125MeV。
计数-剂量转换因子定义：由于正比计数型次级标准器系统的输出单位是计数值(cps)，而剂量值的单位是μGy/h，故采用计数-剂量转换因子((μGy/h)/cps)可完成正比计数型次级标准器输出计数值(cps)转换为剂量值(μGy/h)。
x和γ射线空气比释动能剂量率标准值选择在10μGy/h～100μGy/h量程范围，次级标准器测量系统在1～10000cps范围内计数率线性良好。采用次级标准器进行计数-剂量转换因子刻度时，需完成实验室自然本底测量，其计数-剂量转换因子值DE等于空气比释动能剂量率约定真值TE除以次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值CE。
DE＝TE/CE (1)
利用计数-剂量转换因子刻度离散数据，采用多项式样条插值方法求解出计数-剂量转换因子刻度曲线，计数-剂量转换因子刻度曲线的横坐标对应辐射防护X/γ国家基准或次级标准装置实验室的X/γ射线的平均能量，纵坐标为计数-剂量转换因子值(空气比释动能剂量率(μGy/h)/计数率(cps))。利用计数-剂量转换因子刻度曲线可实现48keV～1.25MeV范围内的探测器计数-剂量转换因子计算。
低剂量率辐射场与辐射防护X/γ国家基准或次级标准装置实验室应在辐射装置结构、实验环境条件方面基本一致。
当低剂量率辐射场与X/γ国家基准或次级标准装置实验室计数-剂量转换因子刻度射线平均能量一致时，则直接利用计数-剂量转换因子值DE与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值CE相乘即可求出低空气比释动能率标准值KE。
EK＝CE*DE (2)
当低剂量率辐射场放射源存在多个特征能量射线时，则利用每个特征能量对应计数-剂量转换因子刻度曲线下的计数-剂量转换因子值进行加权处理计算出加权计数-剂量转换因子值，然后利用加权计数-剂量转换因子值与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值相乘即可求出多个特征能量射线放射源的低空气比释动能率标准值。
利用低剂量率辐射场放射源第i个特征能量射线Ei对应计数-剂量转换因子刻度曲线下的计数-剂量转换因子值
Figure BDA0003361867370000051
进行加权处理计算出加权计数-剂量转换因子值
Figure BDA0003361867370000052
Figure BDA0003361867370000053
公式(3)中，
Figure BDA0003361867370000054
为n个特征能量射线对应的总的空气比释动能值，
Figure BDA0003361867370000055
为n个特征能量射线全部的计数值。
放射源第i个特征能量射线Ei的发射概率为Pi，放射源外壳和空气的衰减系数分别为
Figure BDA0003361867370000056
和
Figure BDA0003361867370000057
A为放射源距离次级标准器一定位置处向次级标准器探测器区域方向发射粒子的概率，则放射源每次衰变后通过次级标准器探测器区域的光子数的概率为：
Figure BDA0003361867370000058
L次衰变则在次级标准器探测器区域测量位置处的注量为
Figure BDA0003361867370000059
Figure BDA00033618673700000510
在次级标准器探测器区域位置处，放射源第i个特征能量射线为Ei，注量为
Figure BDA00033618673700000511
对应的能量转移系数为
Figure BDA00033618673700000512
则能量射线Ei的粒子对应的空气比释动能为：
Figure BDA00033618673700000513
利用多项式样条插值方法求解出的计数-剂量转换因子刻度曲查找出第i个特征能量射线Ei对应的次级标准器的计数-剂量转换因子值为
Figure BDA00033618673700000514
则次级标准器在第i个特征能量射线Ei对应的计数值为：
Figure BDA00033618673700000515
则n个特征能量射线全部的计数值
Figure BDA00033618673700000516
为：
Figure BDA00033618673700000517
则n个特征能量射线对应的总的空气比释动能
Figure BDA0003361867370000061
为：
Figure BDA0003361867370000062
次级标准器对应n个特征能量射线的加权计数-剂量转换因子值
Figure BDA0003361867370000063
为：
Figure BDA0003361867370000064
通过计算出的加权计数-剂量转换因子值
Figure BDA0003361867370000065
然后利用加权计数-剂量转换因子值与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除 然本底后的值CE相乘即可求出低空气比释动能率标准值。
Figure BDA0003361867370000066
通过上述步骤即可采用正比计数器型次级标准器完成近似单能和多个特征能量射线放射源条件下的低空气比释动能率测量。

Claims (4)

1.一种基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用计数-剂量转换因子刻度离散数据求解出计数-剂量转换因子刻度曲线
在辐射防护X/γ国家基准或次级标准装置实验室完成X和γ近似单能射线条件下的计数-剂量转换因子刻度；且在通过正比计数器型次级标准器测量系统进行计数-剂量转换因子刻度时，完成实验室自然本底测量；计数-剂量转换因子值等于空气比释动能剂量率约定真值除以次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值；
利用计数-剂量转换因子刻度离散数据，求解出计数-剂量转换因子刻度曲线，计数-剂量转换因子刻度曲线的横坐标对应国家辐射防护国家基准或次级标准实验室的X/γ射线的平均能量，纵坐标为计数-剂量转换因子值，即空气比释动能剂量率/计数率；
步骤2：用正比计数器型次级标准器在低剂量率辐射场进行低空气比释动能率测量
(a)当低剂量率辐射场与X/γ国家基准或次级标准装置射线平均能量一致时，直接利用计数-剂量转换因子值与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值相乘计算出低空气比释动能率标准值；
(b)当低剂量率辐射场放射源存在多个特征能量射线时：利用每个特征能量对应计数-剂量转换因子刻度曲线下的计数-剂量转换因子值进行加权处理计算出加权计数-剂量转换因子值，然后利用加权计数-剂量转换因子值与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底计数值后的值相乘计算出多个特征能量射线放射源的低空气比释动能率标准值。
2.根据权利要求1所述的基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法，其特征在于，当低剂量率辐射场放射源存在多个特征能量射线时，低空气比释动能率测量的具体过程如下：
计算放射源每次衰变后通过次级标准器探测器区域的光子数的概率Pc,i：
Figure FDA0003361867360000011
其中，Pi为放射源第i个特征能量射线Ei的发射概率，
Figure FDA0003361867360000012
和
Figure FDA0003361867360000013
分别为放射源外壳的衰减系数和空气的衰减系数，A为放射源距离次级标准器一定位置处向次级标准器探测器区域方向发射粒子的概率；
L次衰变则在次级标准器探测器区域测量位置处的注量为
Figure FDA0003361867360000014
Figure FDA0003361867360000015
在次级标准器探测器区域位置处，放射源第i个特征能量射线为Ei，注量为
Figure FDA0003361867360000016
对应的能量转移系数为
Figure FDA0003361867360000021
则能量射线Ei的粒子对应的空气比释动能
Figure FDA0003361867360000022
为：
Figure FDA0003361867360000023
利用所述计数-剂量转换因子刻度曲线查找出第i个特征能量射线Ei对应的次级标准器的计数-剂量转换因子值为
Figure FDA0003361867360000024
则次级标准器在第i个特征能量射线Ei对应的计数值为：
Figure FDA0003361867360000025
则n个特征能量射线全部的计数值
Figure FDA0003361867360000026
为：
Figure FDA0003361867360000027
则n个特征能量射线对应的总的空气比释动能
Figure FDA0003361867360000028
为：
Figure FDA0003361867360000029
次级标准器对应n个特征能量射线的加权计数-剂量转换因子值
Figure FDA00033618673600000210
为：
Figure FDA00033618673600000211
利用加权计数-剂量转换因子值
Figure FDA00033618673600000212
与低剂量率辐射场次级标准器测量值扣除自然本底后的值CE相乘计算出低空气比释动能率标准值KE：
Figure FDA00033618673600000213
3.根据权利要求1所述的基于正比计数器型次级标准器的低空气比释动能率测量方法，其特征在于，所述空气比释动能剂量率标准值采用国家基准或次级标准装置进行量值传递；X射线主要包含N60，N80，N100，N150，N200，N250窄谱系列，其平均能量覆盖48keV～207.5keV；γ射线则采用同位素Cs-137和Co-60进行计数-剂量转换因子刻度，其平均能量覆盖662keV～1.25MeV。
4.一种正比计数器型次级标准器，其特征在于，包括正比计数器、高压模块、超低功耗电荷灵敏前置放大器、脉冲甄别器和计数器；
所述正比计数器内部采用高原子序数氙和氮的混合气体进行填充，作为X/γ射线的高灵敏度探测器；
所述高压模块采用正高压可调的模块实现，提供给正比计数器形成内部电场，收集射线在探测器内部的电离信号；超低功耗电荷灵敏前置放大器完成正比计数器电离信号的脉冲放大处理；
所述脉冲甄别器通过设置阈值电压完成核信号的噪声去除；所述计数器采用单片机进行测量控制，用于定时、计数以及计数值显示，完成单位时间内核脉冲的计数。
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