物理书 第4章 辐射监测仪器

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1、第四章辐射监测仪器G. RAJANMedical Physics and Safety Section,Bhabha Atomic Research Centre,Mumbai, Maharashtra, IndiaJ. IZEWSKADivision of Human Health,International Atomic Energy Agency,Vienna翻译 李光俊 李涛4.1. 导言人体接受的辐射分为内照射和外照射。密封放射源产生内照射的可能性很小，几乎完全专用于放射治 疗。本章主要涉及外照射监测。外照射监测是指辐射水平测量，包括：- 工作区内或其周围的辐射水平；- 放射治疗设备

2、或放射源容器周围的辐射水平;- 从事放射工作的个人接受的当量剂量。辐射监测的内容：- 评估工作环境和人员的辐射水平;- 保证工作环境辐射安全;- 保存长期的监测纪录，并形成规章制度。辐射监测仪可用来监测场所和个人辐射。用于测量场所辐射水平的设备称作场地辐射测量仪，用于记录 放射工作人员接受的当量剂量的设备称为个人剂量计。为了得到准确的数据，用于辐射防护测量的所有设 备必须经过校准。4.2. 辐射监测中用到的量国际辐射单位和计量委员会(ICRU )提出了一套关于辐射防护剂量学的量和单位的建议。国际辐射 防护委员会(ICRP)建立了关于这些量的实际应用的建议。这些量是为实际测量场所和人员辐射剂量而

3、定义的。在辐射防护中，根据剂量当量接近其限制值，辐 射被分为弱贯穿辐射和强贯穿辐射。在实际应用中，弱贯穿辐射通常指低于15keV的光子和0辐射。在场所监测中，定义了环境剂量当量H*(d)和定向剂量当量H(d,Q)。这就在外照射野的剂量当量和处于相应辐射场中的ICRU球内的深度d处或特定角度Q处的有效剂量当量之间建立了联系(见第16章)。对于强贯穿辐射，推荐d= 10mm,相应的环境剂量当量表示为H*(10),定向剂量当量表示为H (10, Q)。对于弱贯穿辐射，在皮肤内推荐d = 0.07mm，环境剂量当量和定向剂量当量分别表示为H*(0.07), H(0.07,Q)；在晶状体中推荐d = 3

4、mm，环境剂量当量和定向剂量当量分别表示为H*(3)，H(3, Q)。在个人监测中，引入了个人剂量当量Hp（d）,定义为人体特定点以下深度d处软组织中的剂量当量（见 第 16 章）。对于强贯穿辐射，推荐d = 10mm，个人剂量当量表示为Hp（10）。对于弱贯穿辐射，皮肤内推荐d = 0.07mm，个人剂量当量表示为Hp（0.07）；晶状体中推荐d = 3mm, 个人剂量当量表示为Hp（3）测量Hp（d）时，剂量计佩戴在皮肤表面，并覆盖适当厚度的组织等效材料。4.3. 场所辐射测量仪辐射测量仪分为充气探测器和固体探测器（如闪烁体或半导体探测器）。充气探测器通常为圆柱形， 有壁和中心电极，并彼此

5、绝缘；电离室的壁通常由组织等效材料制成，其他类型的气体探测器外壁为铜或 黄铜。根据气体探测器的设计原理和两个电极之间的电压，探测器工作于离子收集电流电压曲线（图 4.1） 中的以下三个区域中的一个区：电离室区B正比区C或盖格-米勒（Geiger - Muller，GM）区E；而复合区 A和受限正比区D不能用于测量。pToe-oa d uo-0eqLur!N图4.1充气探测器电压工作区。A复合区，B电离室区，c正比区，d受限正比区，e GM区。曲线（a ） 表示1 MeV B粒子，曲线（b ）表示100 keV B粒子。图4.2场所测量仪：电离室、正比计数器GM计数器。根据特定的用途，剂量计具有

6、不同的形状和尺寸（见图 4.2）。 气体通常为非负电性气体，以避免电子捕获作用导致负离子形成作用增加，负离子将延长探测器的收集 时间，从而限制气体探测器能够监测的最小剂量率。离子的迁移率比电子小 3 个量级，这种较慢的迁移率 会造成电荷收集时间的延长。因此气体探测器所充气体通常为惰性气体。 0 -Y测量仪的前端具有薄窗以记录弱贯穿辐射。这种探测器的Y效率通常仅为百分之几（由外壁吸收 率决定），而对进入探测器的0粒子的响应率接近100%。由于灵敏度高，基于GM管的y监测仪比电离室型探测器的体积更小。 根据所使用的电子器件不同，探测器可以工作在“脉冲”模式、“平均水平”模式或电流模式。正比计 数器

7、和 GM 计数器通常工作在脉冲模式。由于有限的分辨时间（探测器记录到一次脉冲以后恢复到正常状态所需的时间），这些探测器在高强度 辐射场中将会饱和。工作在电流模式下的电离室更适合高剂量率测量。4.3.1. 电离室在电流电压曲线的电离室区，搜集到的任一符号的初级离子数与探测器体积内带电粒子轨迹上沉积的 能量成正比。由于传能线密度（ LET ）不同，可以使用粒子判别函数（见图4.1 ）。测量高能光子辐射 时，为了提高探测效率，须要使用平衡帽；而测量低能量光子（10-100 keV）和0粒子时，不应使用平 衡帽。4.3.2. 正比计数器在电流电压曲线的正比区，由于离子和气体分子的电离碰撞，初级离子的信

8、号会被放大（电荷增殖） 初级离子位于中心电极附近时，在连续的碰撞之间能够获得足够的能量，从而在探测器内引起进一步的电 离，这时会出现电荷倍增现象。倍增约为103 - 104倍。正比计数器比电离室具有更高的灵敏度，适合测量低强度辐射场。每次相互作用中收集到的电荷量与 探测器内气体中沉积的能量成比正。4.3.3. 中子场地测量仪中子场地测量仪工作在电流电压曲线的正比区，这样可以更容易地把光子本底辐射区分开。在热中子测量仪的壁内侧，通常附加一层硼化合物，或者测量仪内充 BF3 气体。热中子和ioB核作用引起（n, a ）反映，a粒子由于电离作用很容易被探测到。探测器被一层含氢材料制成的慢化剂包围就形

9、成了快中子测量仪（图4.3），与慢化剂相互作用的快中子 被热化后可被慢化剂包围中的 BF3 计数器探测到。图4.3.中子剂量当量率测量仪，带有直径为Ocm的热化聚乙烯球过滤补偿器的作用是减少热化范围和过度反应，使反应符合ICRU的辐射加权因子w （见16章）。在中R子能谱的很宽的范围内（10 decades），输出信号与软组织中的剂量当量近似成正比。 其他的中子探测器（如3He探测器）的功能也符合同样的原理。4.3.4. GM 计数器在电流电压曲线的 GM 区，气体放电在整个探测器体积内的传播和脉冲高度不依赖于初级电离或相互 作用的粒子能量。在GM计数器内，气体放大在整个阳极长度范围内发生。由

10、于发生持续放电，气体探测器 不能工作在高于GM区的电压之下。由于大量的电荷倍增（9 到 10 个量级） ,GM 测量仪广泛应用于极低辐射水平的测量（如放射治疗室 周围的公众区），特别适用于泄漏测试和放射性污染的探测。GM计数器对低能光子表现出很强的能量依赖性，而且不能用来测量脉冲式辐射。所以GM计数器可以 作为辐射存在的指示器，而电离室则用于更加精确的测量。GM探测器有较长的死时间，约从几十到几百毫秒。因此，当计数率超过每秒几百次时，GM计数器不能 用于精确测量。便携式GM测量仪在很高的辐射场中可能会瘫痪，得到读数为零的结果。在高剂量率的辐射 场中，应使用电离室进行测量。4.3.5. 闪烁探测

11、器 基于闪烁体的探测器称为闪烁探测器，这类探测器属于固体探测器的范畴。有机或无机晶体（含有具有激活剂作用的原子）在吸收电离辐射后发出荧光光子，这种物质就是荧光粉。高原子序数的荧光粉多用 来进行测量Y辐射，而塑料闪烁体多用来测量0辐射。闪烁荧光粉包括固体有机材料和铊激活的无机荧光粉，前者如蒽、芪和塑料闪烁体，后者如 NaI（Tl）、 CsI（Tl）晶体。光电倍增管（PMT ）与闪烁体进行光学连接，把光脉冲转化为电脉冲。有些测量仪用光敏二极管代替光电 倍增管。4.3.6. 半导体探测器体积电导率探测器由纯半导体材料制成，有很高的体积电阻抗（如CdS、CdSe）。该类探测器在辐射场 中接受照射时工作

12、原理与固态电离室相似；半导体探测器与闪烁探测器同样属于固体探测器。含微量磷或锂杂质的半导体探测器，如硅和锗，被用来制作结型探测器。这类探测器接受辐照时工作 原理也如固体电离室，同样工作在反偏压下。固体探测器的灵敏度约为气体探测器的104倍，这是因为固体探测器产生一个离子对需要的平均能量比 气体探测器更低（通常低一个量级），同时固体探测器材料密度比气体密度大（通常大三个量级）。这些特 点有利于固体辐射监测设备的小型化。4.3.7. 场所剂量仪的一般特性电池低电量警示 自动调零，自动转换量程，自动背照式工具 适当的反应时间和数据存储空间;剂量率和累积剂量两种工作模式可以选择 模拟或数字显示，标注相

13、应量的单位，包括常规的照射量/空气比释动能、环境剂量当量或个人剂量当量 辐射水平的声音指示（发出不同频率的“嘀嘀”声） 可重设或非可重设警示功能，并且警示水平可调可视的闪烁 LED 辐射指示 远距离操作和读数显示4.3.8. 测量仪的校准用于防护水平测量的场所剂量仪必须经过校准，用于校准的参考测量仪剂量传递直接或间接追溯到国 家标准实验室。Y辐射的参考剂量仪通常为带有测量附件的电离室（图4.4）。参考剂量仪不直接给出用于校准辐射 防护监测设备的剂量当量H，而是用参考电离室测量基础辐射量如空气中光子的空气比释动能，剂量当量H 用适当的转换系数h定义：H = hNM (4.1) RR图4.4参考电

14、离室，用于在37CS y辐射场中校准场地剂量计N：参考电离室在参考条件下的校准因子(空气比释动能或空气比释动能率)M：经过影响因素修正的参考电离室读数R参考电离室在空气中的校准在参考辐射质范围(由国际标准委员会ISO定义)内进行，辐射防护监测 仪的校准应使用相同的参考辐射质。以环境剂量当量H*(10)校准测量仪分三步：用参考电离室在参考射野中测量空气中的比释动能。转换系数的确定：h = H*(10)/(K )H*air air该关系式在理论上成立，通过校准射野射线质的相关数据，参考电离室的读数可以转换为 H*(10)。被校准的剂量计放在校准点，得到读数M。环境剂量当量的校准因子HN由公式Nh*

15、= H*(10)/M定义。4.3.9. 测量仪特性4.3.9.1. 灵敏度灵敏度S定义为校准系数N的倒数。使用十进制电阻，探测器体积越大，气压越大，电离室型测量仪 覆盖的当量剂量率范围越大(如lp Sv/h-Sv/h)。由于分辨时间的限制，当计数率达到每秒几千次以上时，GM计数器将会饱和。短死时间计数器或死时 间修正电路使得这类探测器能在更高强度的辐射场中工作。闪烁探测器比GM计数器的灵敏度更高，这是因为闪烁探测器具有更高的Y转换效率和倍增电极的放 大作用。闪烁探测器一般用于测量非常低水平的辐射(如辐射污染监测和失源的探测)。然而，与GM计数 器相比闪烁探测器的分辨时间非常短(几微秒或更低)，所以闪烁探测器也可以用于较高辐射水平的测量。4.3.9.2. 能量依赖性测量仪是在一种或几种辐射质的射野中进行校准的，但是经常使用于更加复杂或未知的辐射场中。所 以测量仪应该在较宽的能量范围内具有低的能量依赖性。过去，测量仪被设计为具有恒定不变的能量响应，包括照射量或空气比释动能。 为测量当量剂量有：NH* = H*(l0)/M = H*(l0)/(Kair)air/(Kair)air/M测量仪的能量响应应随H*(l0)/(Kair)air而变化。GM计数器