核安全监管中辐射剂量测量研究

苏祥华 曹汉卿

摘要：开展辐射测量是为加强辐射防护监测，判断和评估电离辐射和放射性物质的存在水平和对人体可能造成的危害。本文在阐述了电离辐射种类的基础上，研究了开展辐射剂量测量原理，对三种不同探测器进行分析，并介绍了常见的四种测量仪器，为开展辐射测量工作提供支持。

关键字：电离辐射；探测器；仪器

一、引言

核安全作为总体国家安全观当中的重要内容，是指核装备与核设施在设计、建造、运行、维修及退役期间为保护工作人员、社会及环境受到可能的放射性伤害所采取的全部措施的总和。开展核安全监管是保障核装备和核设施正常运行的有效途径，辐射剂量的测量是保障公众和工作人员免受超出标准的辐射剂量的方法之一，在相关涉核活动中发挥着十分重要的作用。

二、电离辐射种类

电离辐射是指受作用的介质在高速微观粒子作用下发生电离和激发的现象（实质是粒子与介质之间的动量和能量交换），相互作用通常会产生带电粒子（如α粒子、β粒子）和不带电粒子（X射线、γ射线和中子）两种。

α衰变是原子核自发地发射出α粒子而发生的转变，α粒子是由两个质子和两个中子组成的，带两个正电荷，能量分布一般在（4~9MeV）之间。β衰变是指原子核自发地放射出β粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变，β粒子有两种存在形式：正电子和负电子，均带一个电荷，最大能量为几个MeV。

X射线也叫阴极射线，由伦琴教授发现，是人类最早发现的射线，其本质是核外电子在不同的能级上发生跃迁释放出的一种电磁波，能量一般在1MeV以下。γ射线与X射线本质上都是电磁波，但γ射线是原子核从激发态跃迁到较低能态中产生的，能量一般在1MeV以上。中子是构成原子核的重要组成部分，呈电中性，中子的能量区间很大，通常由核反应产生。人类目前使用的中子源大致分为四类：同位素中子源、裂变中子源、加速器中子源和反应堆中子源。

三、辐射剂量测量原理

不同粒子由于质量、电荷和能量的不同，与物质相互作用被探测到的机理也不相同，针对不同粒子的差异特性，根据探测介质的不同，探测器主要分为气体探测器、闪烁探测器和半导体探测器。

（一）气体探测器

入射粒子进入气体探测器中，与其中的气体分子产生碰撞逐步丧失能量，最后被阻止下来，碰撞的结果使得气体分子发生电离或者激发，并产生大量的带电粒子。带电粒子通常由电子和离子组成，并产生两种定向运动。一是在外加电场的作用下，沿电场方向进行漂移。二是在分布不均匀的空间，由密度大的向密度小的空间扩散。漂移和扩散的结果是可以被记录并被计算出来的。

气体探测器就是通过收集这些电离电荷来探测辐射强度的探测器。它通常由高压电极和收集电极所组成，并密封于容器中。两个绝缘电极之间含有外加气体，辐射使得气体发生电离，生成的带电粒子在电场作用下漂移，并被收集下来，在输出回路中形成电流，电流的强度取决于被收集到的电荷的对数。在恒定强度的辐照下，外加电压与电流的关系可划分为5个区段，分别为：复合区、电离室区、正比区、G-M区和连续放电区。根据这种特性，常见的气体探测器有电离室、正比计数器和G-M计数器，分别用于不同的辐照场合。

（二）闪烁探测器

闪烁体探测器是利用辐射与某些透明物质发生相互作用，使其电离、激发而产生荧光的特性制作成的，通常由闪烁体、光电倍增管和电子线路三个部分组成。射线进入闪烁体后，与闪烁体分子发生相互作用并使其受激，受激的闪烁体分子在退激过程中产生大量的光子并向四周发射。在闪烁体周围包裹反射物质，使得光子朝光电倍增管方向运动并被其中的光阴级收集起来。光电倍增管由光阴级、打拿级和阳极组成。光子打到光阴级使其发生光电效应产生光电子，在电场作用下，光电子打到第一个打拿级上，并产生多个二次电子。这些电子在同样的方式下，通过多个打拿级的作用，最终实现倍增，被阳级收集到并在后续的电子仪器中产生电信号，通过记录和分析实现对辐射的探测。

闪烁体根据其化学性质可分为无机晶体闪烁体和有机闪烁体。无机晶体闪烁体是含有少量杂质（激活剂）的无机盐晶体，常见的有碘化纳（铊激活）单晶体、碘化铯（铊激活）单晶体和硫化锌（银激活）多晶体。有机闪烁体分为有机晶体闪烁体、有机液体闪烁体和塑料闪烁体。根据闪烁体的物理性能可分别用于测量不同的辐射。

（三）半导体探测器

半导体探测器相似于气体探测器，只不过探测介质是半导体材料。相较于其他探测器，半导体探测器的主要优点是辐照在半导体中产生带电粒子所需的能量很低，使得探测器的能量分辨率很高，同时其电离密度大，所需尺寸较小，因而其时间响应和空间分辨可以做的很好。常见的半导体探测器有金硅面垒探测器、高纯锗探测器和碲化镉探测器等。

不同于气体介质，半导体介质本身特有的PN结使得漏电流大幅降低，测量精度有效提升。当辐射进入结区后，与半导体材料发生相互作用损失能量，并传递给电子，通过PN结上电子-空穴对的作用，实现电信号的传递。通过测量电子线路中信号的脉冲幅度，就实现了对辐射强度和带电粒子能量的测定。

四、常见辐射测量仪器

根据探测器不同的探测机理，可以制作形成各类辐射测量仪器，用于测量不同场景的辐射场和特性各异的粒子，实现对电离辐射的准确研究。随着对电离辐射认识的不断深化和技术的不断更新，生产出了场景多样、功能全面的辐射测量仪器。

（一）R500手持式数字辐射检测仪

R500手持式数字辐射检测仪采用2英寸卤素G-M计数器，能够检测辐射场中存在的α、β、X和γ射线，实现对电离辐射的快速测量。该检测仪具有灵敏度高，能量响应好等特点，量程范围为（0.01~1000）Sv/h。仪器内电子线路具有抗干扰，自校正等功能，方便用于辐射场所的测量。该仪器小巧轻便，能够快速识别场所辐射程度并给予提示，有利于避免公众和工作人员接受电离辐射。

（二）FJ-2207 α、β表面污染测量仪

FJ-2207小型可携式α、β表面污染测量仪采用闪烁探测法，可以用来检测放射性工作场所和实验室的工作台面、地板、墙面、衣物等物体表面的α和β放射性污染的程度。该仪器测量时能发出音响讯号，在对α放射污染和β放射污染发出不同的音调。当探头上的屏蔽薄膜破裂或处于具有较大辐射的场所时，就能发出报警音响，同时点亮数字显示。该仪器电子线路采用微分测量法，实现将入射的带电粒子影响减到最小。

（三）高纯锗探测器

高纯锗探测器常用来测量X射线和γ射线，具有较高的能量分辨率，能够实现对能谱的测量，通常有平面型和同轴型两种构造，适用于不同能量范围的带电粒子。高纯锗探测器具有工艺简单、制作周期短等优势，可以在常温下保存，但应在液氮中进行使用，其电子线路也应保存于低温状态。

（四）热释光个人剂量测量仪器

热释光个人剂量测量仪器主要由热释光退火炉、辐照器和热释光剂量计三者组成，搭配使用，用于测量公众和工作人员的累积剂量。热释光退火炉主要用于经过辐射照射后的热释光剂量计的退火处理，用来消除残留本底，恢复其原有的灵敏度。辐照器主要提供相对标准的辐照场，用来标定经过辐照后退火处理的热释光剂量计。热释光剂量计（读出器）可对经过射线辐照后的热释光剂量元件进行测量，读出其累积剂量值，具有数据处理、自动校准、数据库编辑与检索等功能，可以独立使用，又可与计算机通讯，在计算机控制下工作。

五、辐射测量目的及意义

辐射测量是指利用辐射测量仪器对环境和特定场所进行测量，判断是否符合相关法规要求，避免人员接受未知的电离辐射。加强对辐射场所监测和测量，消除电离辐射危害，从而实现保护环境和人员安全的目的。

作者简介：苏祥华（1996-01），男，汉族，籍贯：湖南岳阳，当前职称：助理工程师，学历：硕研，研究方向：核安全监管