剂量测量的仪器及原理

目前测量环境辐射外照射剂量，从测量方法上大体可分为三种：①瞬时剂量率测量；②累积剂量测量；③γ谱仪分析。

测量瞬时剂量率的仪器常采用电离室，GM计数管，闪烁剂量率仪等。测量累积剂量的仪器常采用热释光剂量计，近年国外发展使用驻极体电离室型探测器。γ谱分析仪器采用NaI（Tl），HP（Ge）为探测器的便携式就地测量γ谱仪。本节主要介绍瞬时测量及就地γ谱测量仪器及原理。

10.2.3.1 闪烁体型仪器测量剂量率

闪烁探测器是在环境外照射剂量测量中使用较广泛的一种仪器，主要由闪烁体和光电倍增管组成。所用的闪烁体主要有两类：塑料闪烁体和无机闪烁体。

用塑料闪烁体作为探测元件的闪烁型仪器，如德国产的PTB-7201，国产的FT620型和SG102型仪器，它的主要优点是：灵敏度高，能量响应好，质量轻，携带使用方便等。缺点是易受温度影响，自身本底较高，对宇宙射线响应存在问题。

塑料闪烁体型仪器的探测元件为圆柱型塑料闪烁体（φ75 mm×75 mm），其表面涂以ZnS（Ag）薄层。塑料闪烁体的能量响应曲线在很宽的光子能量范围（10 keV～3 MeV）内较为平坦。对于能量低于100 keV的光子，ZnS（Ag）的发光率约为塑料闪烁体的9～10倍，能够补偿塑料闪烁体对低能光子响应的降低。光电倍增管采用高增益低噪声的GDB-52LD型，以获得好的信噪比。光电倍增管外有一层磁屏蔽材料，使其不受外界磁场（包括地磁感应场）的影响。闪烁体外有一层蔽光套和一层保护套。整个探头要蔽光和密封。

仪器对宇宙射线的响应必须予以注意。其对宇宙射线的测量值与高压电离室测量值一般可在±10%之内相符合。对宇宙射线响应的仪器，在测量时，必须对测量值进行修正。当仪器在地面测量吸收剂量率为D测，则有下述关系

环境地球物理学概论

式中：Dγ为地面上辐射空气吸收剂量率；D宇响为仪器对宇宙射线的响应值。

环境地球物理学概论

式中：D总为地面辐射和宇宙射线的总空气吸收剂量率；D宇为测量点上宇宙射线实际空气吸收剂量率值。

10.2.3.2 高压电离室测量剂量率

在测量环境γ剂量率的各种仪器中，目前人们普遍认为高压电离室是一种灵敏度高，性能可靠，测量精确度高的仪器。高压电离室环境辐射剂量率仪由球形（或圆柱型）高压电离室、弱电流放大器和数据显示部分组成。

球形高压电离室是一个直径为200～250 mm，室壁厚度为1.5～3 mm的不锈钢球，内充高纯氩气体，收集极是置于球形电离室中心的小空心不锈钢球，用细不锈钢管支持于外球中心，经三轴金属-陶瓷绝缘子引出。

当射线在电离室的室壁和气体中产生电离时，气体中离子在电场作用下运动，被收集极收集产生输出电流讯号。在电子平衡的条件下，γ射线在电离室中产生的电流讯号与自由空气中的吸收剂量率有关。

充氩-钢壁电离室对γ辐射响应为

环境地球物理学概论

式中：（μen/ρ）Ar和（μen／ρ）Air分别是氩气和空气的质量吸收系数，该比值是γ辐射能量E的函数；WAir和WAr是在空气和氩气中形成一个离子对所需要的平均能量；p是在0℃时所充压力；V是电离室的体积；Bγ和Be分别是γ吸收剂量累积因子和电子吸收剂量累积因子，Bγ和Be与有效壁厚度、源能量和充氩量pV有关。而且，除了在低能与低气压之外，其依赖关系较小；（μ/ρ）是钢壁对γ射线的质量减弱系数；x是室壁有效厚度。

高压电离室对宇宙射线响应，可用下式表示

环境地球物理学概论

式中：S为气体对于宇宙射线带电粒子的碰撞阻止本领，氩气与空气对于宇宙射线μ介子和电子阻止本领比为0.85；ρ为气体密度，ρAr/ρAir=1.38；W为气体介质中产生一个离子对所消耗的平均能量，WAir/WAr=33.85／26.4。于是由式（10.2.40）得到

环境地球物理学概论

上式推导中，假设对于宇宙射线高能带电粒子，钢壁充氩电离室系统被视为在空气介质中的氩空腔，根据空腔电离理论原理推导得出。但是，实际上，在空气介质中围绕氩空腔的是钢壁。因此，由宇宙射线中高能电子在钢壁中产生的电磁簇射强于在空气介质中，从而发生过渡效应。从有关文献的理论计算和实际测量得到不同壁厚的过渡因子（或称“t”因子，原文为“Transitior Effect”），引入过渡因子后式（10.2.41）有

环境地球物理学概论

式中：T为电离室室壁的过渡因子。

在一般本底环境辐射场中电离室输出总电流可表示为

环境地球物理学概论

式中：Iγ为地球γ辐射产生的电离电流；Ic为宇宙射线产生的电离电流；Ib为绝缘子电压、漏电电流和电离室内壁放出的α粒子所产生的电离电流之和。

在天然环境辐射场中测量的吸收剂量率，可用下式表示：

环境地球物理学概论

式中忽略了Ib，因为国产的电离室自身本底一般不大于1×10-16A。

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