核电厂辐射防护:第五章 辐射监测.pptx
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第五章辐射监测,1,5.1剂量测量5.1.1照射量的标准测量的方法使用自由空气电离室测量射线的照射量,使用空腔电离室测量射线的吸收剂量。
(1)自由空气电离室准确地测量照射量或照射量率,可以用自由空气电离室。
图5-1是自由电离的示意图。
光阑F用于限定X或射线束的截面积a0.射线从F射入,通过空气平板电离室由孔O射出。
A为电离室的高压电极,B为收集电极,B1、B2保护电极,B1、B2的电位与B电极相近。
A、B电极之间前缘到射线入口的距离L1和B电极后缘到射线出口的距离L2的长度至少应大于次级电子在空气中的射程,从而保证次级电子不会碰到电极,且使电子平衡条件得以满足。
这样,在保护丝和A、B电极所围的体积(称收集体积或电离体积)内所产生的全部离子对,都是由入射的X和射线在测量体积V(阴影部分)中释放出的次级电子所产生的。
2,测量体积V与收集电极长度L和有效体积中心处的束面积成正比。
由于入射束面积随着离开辐射源的距离平方而改变,而照射量与此距离的平方成反比,因此,在电离室的测量体积内产生的次级电子在电离室体积中产生的一种符号离子的总电荷量为QXa0L,这里X是入射X或射线在入射光阑F处的照射量,C-1;a0是入射光阑截面积,;L是收集电胡的有效长度,m:
是标准状况下空气密度,m3.于是,入射光阑位置处的照射量X可由下式给出;,(5-1),将=1.292m-3代入式(5-1)得,X0.773Q/V,(5-2),实际上,根据以上公式得到的测量结果还需对射线束在光阑和收集体积之间的减弱,离子复合过程造成的离子对损失,以及入射辐射的散射等进行修正。
考虑到全部有关因素后,用自由空气电离室测量照射量的准确度绚在1%以内。
3,大气压下的自由空气电离室已被用作照射量的标准计量装置。
但是适用的X或射线的能量范围一般限于50keV-3MeV之间,当射线能量大于3MeV时,由于次级电子射程较长,为满足电子平衡条件需要建立一个很大的自由空气电离室或高气压的电离室。
这在技术上有较大的困难。
当能量低于50KeV时的X或射线,因空气吸收严重,以致测量误差较大。
目前,较高能量的X或射线的照射量的测量,大多采用“空腔电离室”。
(2)空腔电离室设一束均匀的X或射线固体介质(如图5-2),假定介质内存一个充气体的小腔A。
空腔的线度足够小,使电子平衡条件满足,则当腔体不存在时,空腔位置上介质(m)的吸收剂量D(J-1)与空腔气体(g中由次级电子产生的电离之间有如下关系:
(5-3)式中,qg次级电子在单位质量空腔气体中所产生的电荷。
C-1;,Sm,g物质与腔内气体的平均质量碰撞阻止本领比,数值上等于次级电子分别授与单位质量介质的平均能量(Em)和腔内气体的平均能量(Es)的比值,即:
(5-4),4,5,以上所述的就是布拉格一戈瑞原理,式(5-3)称为布拉格一戈瑞公式。
该公式是剂量测量学中的一个基体公式,适用于任何介质和充满小腔的任何气体。
只要知道Sm,g和Wg/e值,通过测出腔体内的电离电荷qg,就可以按照式(5-3)算出相关位置上介质的吸收剂量。
图5-3所示的空腔电离室就是根据布拉格一戈瑞原理做成的。
当上述假设条件得到满足时,式(5-3)可改写成:
(),式中,D空腔位置上电离室室壁材料的吸收剂量;,。
Sw,g室壁材料和腔内气体对次级电子的平均质量阻止本领之比由第三章的式(3-24)、式(3-25)和式(5-5),可得:
(5-6)显然,用来测量照射量的空腔可以充入任何适当气体,只要式(5-6)中的各项参数能够求得就可。
最理想的情况是使用空气等效电离室,即室壁材料、腔内气体完全与空气等效,这时,式(5-6)可简6化为,7,图5-3典型的空腔电离室的剖视图,X=qg=Q/V,可见,此种情况下,空气等效电离室与自由空气电离室的情况:
即与式(5-1)完全等价。
实际上,室壁材料要完全做到与空气等效是十分困难的。
但是,在一定条件下可以做到近似空气等效。
在一级近似条件下,式(5-6)中S的相关物质的有效原子序数Z相对原子质量(或相对分子质量)A有如下关系。
将上述关系式代和主(5-6),并假定空腔内气体为空气,则:
(57),电离室壁(W)是用如碳、铝一类的低Z材料(Z30)做成,则上面公式中的(Ze/A)w/(Ze/A)a1,若入射光子与室壁作用是在康普顿散射为主的能量范围内时,则式(5-7)中的(en/)a/(en/)w1,于是,根据式(5-7)和式(5-1)算得的结果两者差别就很小,即:
xQ/V,8,因此,目前国际上都以石墨电离室作为测量X或射线照射量的标准装置,这类电离室对Co的射线照射量的测量精度好于0.7%。
5.1.2中子剂量测量中子剂量测量和射线一样,都是基于它们与物质要互作用时所产生的次级带电粒子的电离效应。
不过,中子与物质作用所产生的次级粒子种类累多(如a粒子、质子和光子等),而且中子与物质作用截面随中子能量变化十分复杂,不同能量中子的辐射权重因数也相差较大。
所以,中子剂量的测量要比射线困难得多。
5.1.2.1中子吸收剂量的测量用空腔电离室测量中子剂量仍然是中子吸收剂量测量中比较准确的方法。
但是,由于中子与物质作用所产生的次级带电粒子(如质子)射程非常短,要使电离室空腔的线度比这些次级带电粒子射程小很多,实际上是难以做到的。
因此,需要使用匀质电离室,亦即电离室室壁和腔内气体由相同的原子组成,这时电离室壁和腔内七体对入射中子有相同的质量能量转移系数,对次级带电粒子也有相同的质量碰撞阻止本领,如果用组织等效匀质电离室,则能直接测量组织中的吸收剂量Dr,9,(),式中,空腔内单位质量组织等效气体产生的电离电荷,C其它量的意义同前。
在实际测量中,为了区分中子、射线混合场中的中子和射线的剂量,可以采用双电离室,其中一个电离室内没有含氢材料,它对中子不灵敏,而另一个电离室含有氢材料,它对中子、射线都是灵敏的。
于是,利用这两个电离室的读数差别就可以分别测出中子和射线的吸收剂量。
如果使用正比计数器进行中子剂量的测量,则可以用脉冲辐度甄别法消除射线的影响。
10,5.1.2.2中子有效剂量的测量在辐射防护中,需要测出以Sv为单位的剂量。
原则上可用空腔电离分别测出辐射场中不同能量范围内的中子吸收剂量,然后乘以相应的辐射权重因子,最后相加,其结果就是要求的剂量。
如果辐射场中的中子能谱无关。
下面简要讨论后一种仪器的工作原理当中子束作用于肌体时,根据中子能量E和对应的辐射权重因子,可以计算出不同能量的单位中子注量率在组织中的剂量因子值。
于是,只需要知道辐射场的中子能谱(E),即可用下式算出剂量:
(5-9)但是,实际上中子能谱(En)往往是不清楚的。
需在一定能量范围内,调整仪器的响应,使仪器的探测效率(En)正比于fH(En)即(En)=KfH(En)。
这样,辐射场中探测器测到的中子计数率Nn,正比于中子的剂量即Hn即,根据这一原理,测量剂量的方法有两种;一种是利用中子在某些含氢物质中产生反冲质子,通过记录质子而探测中子;另一种是快中子通过含氢物质慢化后对热中子在10B(n,a)7Li和6Li(n,a)H反应中产生的a粒子进行计数。
属于这类探测器的有BF3正比计数管及LiI、ZnS(Ag)等闪烁计数器。
11,利用后一种方法制作的中子剂量仪的一般结构是:
中央有一个漫中子计数器,外面加一层带有小孔的热中子吸收体(如金属镉或含硼塑料),吸收体的外面再包一层较厚的含氢慢化体,入射中子只有经过慢化变成热中子后才能被计数器记录。
由于慢化体较厚且又含有热中子吸收层,所以它对能量高的中子探测效率较高,对能量低的中子探测效率就低。
适当调节慢化体的厚度和热中子吸收层的开孔面积,可使其能量响应符合中子剂量转换因子随中子能量E变化的趋势,从而达到组织等效,直接测出以v变化的趋势,从而达到组织等效,直接测出以Sv为单位的剂量值。
剂量仪可做成球形或圆柱形。
5.1.3剂量测量的其他方法5.1.3.1G-H计数器在剂量测量中的应用作为一种灵敏的辐射探测器,G-M计数器已被广泛采用,但G-M计数器的响应与吸收剂量D或照射量X,一般没有直接联系。
然而,若对计数器壁的材料进行适当选择或者计数器外附加某些屏敝过滤,则在一定的能量范围内,能使G-M计数器的响应正比于空气的吸收剂量、空气的比释动能或照射量。
12,设一束能量为E的X或射线入射到G-M计数器上,光子注量率为,计数器对光子的探测效率为,于是,计数器的计数率为n=(5-10)假定计数器所在处的照射量率为X;X或射线在空气中的质量能量吸收系数为(en/)a。
在带电粒子产生的致辐射可以忽略的条件下,则由第三章的式(3-26),式(3-27)和式(5-10)可得:
(5-11),用不同阴极材料(AICu、Pb)做成的G-M计数器,在一定能量范围内,其探测效率几乎与光子能量成正比,即式(5-11)中的,近似是一个常数,又,空气中射线的质量能量吸收系数(en/)a,在一定能量范围内变化不大,因此,式(5-11)可写成(5-12)式中,K=(Wa/Ee)/(en/)a,且在上述条件下看k1,k2分别都近似为一常数,即照射量率、空气的吸收剂量率与计数器的计数率大致成正比,这样,就可以用测得的计数率确定照,射量率和空气的吸收剂量率。
13,不同阴极材料的G-M计数器,对单位照射量的X或射线的响应随能量而变化,在0.5-2.5MeV能量范围内,Cu阴极的G-M计数器的读数与平均值的偏差在15%以内,这已满足辐射防护监测对准确度的要求。
同时,在低能区域,由于入射光子与阴极材料主要发生的是光电效应,以致与单位照射率(X)、空气吸收剂量率(D)相应的计数率,随E的降低而急剧上升。
因此,G-M计数器很少用于低能X、辐射场的测量。
但是,如果G-M计数器事先已用与待测辐射场能谱相同的辐射源作过校准,然后再用它测量待测辐射场中的有关量的数值,那么所得到的结果不是可靠的。
此外,还可在计数管外附加一些金属材料做成的过滤片,以改善它对低能光子的响应。
G-M计数器的死时间较长,不适宜在强辐射场中工作,因为这时漏计数十分严重,以致发生“阻塞)现象。
但是,由于G-M计数器灵敏度高,结构简单,可以做成轻便的可携带式巡回监测仪器,适应于低水平剂量的监测,所以目前它在辐射监测中的应用还较广泛。
5.1.3.2热释光剂量计,14,具有晶格结构的固体,常因含有杂质或其中的原子、离子缺位、错位造成晶格缺陷从而成为带电中心。
带电中心具有吸引甚至束缚电子的本领,称为陷阱铺获为止。
如果陷阱深度很大,那么在常温下,电子将长久地留在陷阱中。
只有当固体材料加热到一定温度时,落在陷阱中的电子因得到能量才能从陷阱中逸出。
当逸出电子返回禁带时,即发出蓝绿色的可见光,发光强度与陷阱中的电子数目有关,而电子数又取决于固体所受的剂量。
因此,可用热释光强度来量度剂量的大小。
热释光材料很多,目前用于剂量测量的热释光元件多为:
LIF、LI2B4O7(Mn)、BeO、CaSO4(Mn)、CaSO4(Dy)等。
发光强度与加热温度的关系曲线,称为发光曲线。
不同材料的热释光元件有不同形状的发光曲线,其中有单峰的,也有呈现双峰和多峰的,这是由于有的热释光元件存在着几个不同能级深度的陷阱,LiF(Mg,Ti)的发光曲线如图5-4所示,当LIF(Mg,Ti)受热时,存在于较线陷阱里的电子首先被释放出来,当这些陷阱中贮存的电子全部释放完时就形成第一个发光峰。
15,16,随着温度的升高,较深陷阱中的电子相继被释放出来,依次形成了其他的发光峰。
一般来说,低温峰不稳定,有严重的衰退现象。
对应很高温度的发光峰是红外辐射贡献的,也不适合用作剂量测量。
因此,选择热释光峰所对应的温度不宜太低也不宜太高,对的,也不适合用作剂量测量。
因此,选择热释光峰所对应的温度不宜太低也不宜太高,对LiF(Mg.Ti)而言,最好在200左右。
实际上不少热释光元件都有几个发
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