Метрологическое обеспечение дозиметрии фотонного излучения. Учебное пособие

АКАДЕМИЯ СТАНДАРТИЗАЦИИ, МЕТРОЛОГИИ И СЕРТИФИКАЦИИ

Е.И. Григорьев, С.Г. Кондратенко, И.В. Кувыкин, А.Н. Щипунов

МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДОЗИМЕТРИИ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Учебное пособие

Москва

2016

1

УДК 539.163

Григорьев Е.И., Кондратенко С.Г., Кувыкин И.В., Щипунов А.Н. Метрологическое обеспечение дозиметрии фотонного излучения: Учебное пособие. – М.: АСМС, 2016. – 24 с.

Рассматриваются основные положения метрологического обеспечения дозиметрии фотонного излучения, методы и средства поверки таких дозиметров.

© АСМС, 2016

2

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДОЗИМЕТРИИ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Физическими величинами в области дозиметрии ионизирующего излучения (ИИ), в частности, дозиметрии фотонного излучения, являются поглощенная доза, мощность поглощенной дозы и эквивалентная доза, мощность эквивалентной дозы. Временно допускаются к использованию величины: экспозиционная доза фотонного излучения и мощность экспозиционной дозы.

В настоящее время в области дозиметрии фотонного излучения действуют следующие стандарты, регламентирующие метрологическое обеспечение (МО) измерений:

ГОСТ 8.070–96. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений поглощенной и эквивалентной доз и мощности поглощенной и эквивалентной доз фотонного и электронного излучений;

ГОСТ 8.203–76. ГСИ. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений поглощенной дозы рентгеновского излучения с максимальной энергией фотонов от 3 до 9 фДж (от 20 до 60 кэВ);

ГОСТ 8.034–82. ГСИ. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений экспозиционной дозы, мощности экспозиционной дозы и потока энергии рентгеновского и гамма-излучений.

Передача размеров единиц от эталонов рабочим средствам измерений (СИ) регламентируется поверочной схемой. Во главе поверочной схемы расположены первичные, вторичные и рабочие эталоны.

Первичный эталон поглощенной дозы (ПД) и мощности поглощенной дозы (МПД) для энергий гамма-квантов 0,66–50 МэВ воспроизводит ПД в диапазоне 1–103 Гр и МПД в диапазоне 10–3–102 Гр/с. Среднее относительное квадратическое отклонение определения единицы ПД и МПД S0 = 2·10–3, а неисключенная относительная систематическая погрешность Θ0 = 4·10–3.

Рабочие эталоны воспроизводят ПД в диапазонах от 10–6 до 106 Гр, а МПД в диапазонах от 10–8 до 106 Гр/с.

Для эквивалентной дозы (ЭД) отдельная поверочная схема не предусмотрена. В ГОСТ 8.070–96 от первичного эталона ПД

3

отходит ветвь поверочной схемы с вторичными и рабочими эталонами для ЭД со следующими диапазонами: для ЭД – от 10–6 до 5·10–1 Зв, для мощности эквивалентной дозы (МЭД) – от 10–8 до

5·10–3 Зв/с.

Для технологической дозиметрии рабочие эталоны воспроизводят МПД в стандартных материалах с энергией фотонов 0,66

и1,25 МэВ в диапазоне от 10–2 до 102 Гр/с со средним относительным квадратическим отклонением 0,6 %.

Поверочная схема предусматривает два разряда рабочих эталонных СИ: 1-й и 2-й разряд.

Вкачестве эталонных средств измерений ПД 1-го разряда применяют установки с коллимированным и диффузным полем излучения с радионуклидными источниками, дозиметры с ионизационными камерами и калориметрами, термолюминесцентные дозиметры, химические и твердотельные дозиметры.

Доверительные интервалы относительной погрешности δ0 результата поверки эталонных СИ 1-го разряда при доверительной вероятности 0,95 составляют:

для эталонных установок и эталонных дозиметров от 2,5 до

4,0 %;

для эталонных установок и эталонных дозиметров в технологической дозиметрии от 2,5 до 10 %;

для эталонных установок и эталонных дозиметров ЭД и МЭД от 5 до 15 %.

Вкачестве эталонных СИ 2-го разряда применяют установки с коллимированным и диффузным полем излучения с радионуклидными источниками, дозиметры с ионизационными камерами

икалориметрами, термолюминесцентные дозиметры, химические и твердотельные дозиметры.

Доверительные интервалы относительной погрешности δ0 результата поверки эталонных СИ 2-го разряда при доверительной вероятности 0,95 составляют:

для эталонных установок и эталонных дозиметров от 5 до

10,0 %;

для эталонных установок и эталонных дозиметров в технологической дозиметрии от 6,0 до 8,0 %;

для эталонных установок и эталонных дозиметров ЭД и МЭД от 10 до 15 %.

4

Доверительные интервалы относительной погрешности эталонных СИ 2-го разряда при доверительной вероятности 0,95 составляют от 5 до 10 %.

В качестве рабочих СИ применяют: терапевтические дозиметры с погрешностью 3–5 %; аварийные дозиметры с погрешностью 5–20 %;

дозиметры техники безопасности с погрешностью 10–50 %; дозиметры повышенной точности с погрешностью 2–5 %; технологические дозиметры с погрешностью 8–30 %; дозиметрические установки облучательные с погрешностью

5–10 %.

Государственная поверочная схема допускает применение эталонных СИ 1-го разряда, заимствованных из других поверочных схем (ГОСТ. 8.034–82).

2. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПОВЕРОЧНЫЕ УСТАНОВКИ ФОТОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1.Устройство дозиметрических поверочных установок

иих характеристики

Дозиметрические поверочные установки предназначены для поверки дозиметров гаммаили рентгеновского излучения, эталонных или рабочих, а также источников гамма-излучения, используемых в качестве эталонной меры.

Известно, что интенсивность любого фотонного излучения в вакууме от точечного источника уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Этот факт используется в типовых поверочных установках гамма- и рентгеновского излучения.

Однако эксплуатация установок осуществляется не в вакууме, а в воздухе, в котором за счет взаимодействия гамма-квантов с атомами воздуха происходит вымывание потока излучения. Это является причиной отклонения от закона обратных квадратов. Но на расстоянии до 5–7 м вклад погрешности от отклонения закона невелик. Поэтому поверочные установки имеют ограничение по длине в 5–7 м.

Дозиметрическая поверочная установка гамма-излучения состоит из следующих основных узлов (рис. 1):

5

диафрагмирующего устройства – коллиматора 1, предназначенного для размещения в нем держателя 2 для источника. Коллиматор предназначен для уменьшения рассеяния в помещении излучения и выделения узконаправленного пучка гаммаизлучения. Коллиматор к тому же обеспечивает защиту персонала от излучения;

источника гамма-излучения 3, установленного в коллимато-

ре;

контейнера 4 с набором эталонных источников гаммаизлучения;

градуировочной линейки 5, служащей для отсчета расстояний от центра источника гамма-излучения до геометрического центра блока детектирования СИ;

передвижного стола 6 для установки на нем блока детектирования 7 дозиметра.

Рис. 1. Схема поверочной установки типа УПГД

Основные требования к установке:

цена деления градуировочной линейки 1 мм; продольная ось пучка должна быть параллельна продольной

оси градуировочной линейки и не должна отклоняться более чем на 5 мм на 1 м;

расстояние между блоком детектирования прибора и источником гамма-излучения должно фиксироваться с погрешностью не более ±0,2 %;

однородность поля гамма-излучения по МЭД в пределах геометрических размеров блоков детектирования поверяемого СИ не должна меняться более чем на 3 % для установок 1-го разряда, более чем на 6 % для установок 2-го разряда.

6

Канал типового коллиматора должен иметь цилиндрическую форму: длина коллиматора от центра источника по направлению выхода излучения не должна быть менее 150 мм.

Коллиматоры могут иметь только три типа размеров, при этом отношение диаметра канала к его длине должно быть равным 0,2; 0,4 и 0,6 с погрешностью не хуже ±10 %.

Дозиметрические установки, реализующие метод подобия радиационных полей, должны иметь набор фильтров или набор источников гамма-излучения.

Геометрия измерений в установках, использующих метод подобия, должна быть неизменной. Установки должны быть снабжены компаратором.

2.2. Рентгеновские поверочные установки

Рентгеновская поверочная установка состоит из следующих основных узлов (рис. 2):

источника рентгеновского излучения 1 (анода); диафрагмы 2, обеспечивающей экранировку побочных излу-

чений рентгеновской трубки и получение нужного размера равномерного поля излучения;

камеры-свидетеля (монитора) 3, предназначенной для контроля над постоянством режима работы источника рентгеновского излучения;

дополнительной диафрагмы 4; блока детектирования поверяемого СИ 5; передвижного стола 6; градуировочной линейки 7.

Рис. 2. Схема рентгеновской поверочной установки

7

Экранировка нерабочих участков пучка излучения осуществляется дополнительными диафрагмами 4, которые устанавливаются между блоками детектирования поверяемого СИ и диафрагмой 2.

Общие требования к поверочным рентгеновским установкам аналогичны требованиям к дозиметрическим поверочным установкам гамма-излучения.

2.3. Поверка эталонных поверочных установок

Поверка эталонных поверочных установок заключается в определении значения МД на расстоянии 1 м от центра каждого источника, входящего в комплект установки и установлении погрешности значения МПД.

С р е д с т в а п о в е р к и :

Рабочие эталоны единицы МПД фотонного ионизирующего излучения в воде в соответствии с ГОСТ 8.073–83.

Эталонные дозиметры, поверенные по поглощенной дозе (или мощности дозы) в воде или по эквивалентной дозе.

В с п о м о г а т е л ь н ы е с р е д с т в а : Барометр по ГОСТ 23696–79.

Термометр с ценой деления не более 0,5 °С по ГОСТ

27544–87.

Психрометр по ГОСТ 112–78.

Секундомер с ценой деления не более 0,1 с по ГОСТ

5072–79.

Линейка металлическая длиной 1 м с ценой деления 1 мм.

У с л о в и я п о в е р к и должны обеспечивать работоспособность применяемых для поверки СИ.

При проведении поверки должны выполняться требования норм радиационного контроля и безопасности.

Перед определением метрологических параметров поверяемой установки необходимо провести внешний осмотр установки в соответствии с методикой поверки.

Поверка СИ осуществляется лицом, аттестованным в качестве поверителя (ГОСТ 56069–2014 от 01.08.2014).

8

При поверке дозиметров на данных установках вследствие различных причин (несоосность оси коллиматора и оси установки, вклад в поле коллимации рассеянных (комптоновских) квантов) поток квантов в поле коллимации неоднороден. Поэтому необходимо определить относительные размеры однородности поля (дозное распределение).

Размеры однородности поля определяются методом прямых измерений в плоскости, перпендикулярной оси пучка на расстоянии 1 м от центра источника.

Применяемые СИ: эталонные или рабочие дозиметры с ионизационной камерой минимального объема, имеющей достаточную чувствительность.

Распределение определяется с использованием источника, создающего максимальное значение МПД или МЭД.

Измерения мощности дозы проводят, перемещая ионизационную камеру вправо-влево и вверх-вниз перпендикулярно оси пучка. Конечная цель измерений – определение размеров поля, имеющих спад в 3, 6, 9 и 15 %.

При других расстояниях от источника (R, м) размеры поля для каждой дозы определяют по соотношению

где dR – диаметр равномерного поля на расстоянии R от источника;

d1 – диаметр поля с заданной неравномерностью на расстоянии 1 м от источника.

Взависимости от типа поверяемой установки и используемых средств поверки допускается определять дозное распределение на других расстояниях от источника, приводя результаты к

1м по формуле (1).

Вдиффузном поле дозное распределение определяют в точках поля, в которых должны находиться поверяемые СИ. Устанавливают координаты поля, для которых неравномерность не превышает 3, 6 и 16 %.

9

Для определения погрешности установки, источником которой является отклонение от закона обратных квадратов, используют источник гамма-излучения, создающий наибольшую мощность поглощенной дозы. На различных расстояних Ri от источника измеряют мощность дозы. При исследовании погрешности на расстояниях более 1 м от источника измерения выполняют с шагом 0,5 м. При меньших расстояниях шаг выбирают в зависимости от проводимых на установке работ.

Отклонение от закона обратных квадратов i определяют по формуле

где Мi, М1 – средние значения результатов наблюдений мощности поглощенной дозы на расстоянии Ri (м) и 1 м соответственно;

μ – линейный коэффициент ослабления гамма-излучения данного радионуклида в воздухе.

Число наблюдений при этом подбирают таким образом, чтобы среднее квадратическое отклонение результатов измерений не превысило 0,3 % для эталонных установок 1-го разряда и 1 % – для установок 2-го разряда.

За искомое значение погрешности установки из-за отклонения от закона обратных квадратов выбирают наибольшее значение θк из ряда рассчитанных Θi по формуле (2).

Предельное значение θ вследствие отклонения от закона обратных квадратов 1 % для установок 1-го разряда и 3 % для установок 2-го разряда.

2.6. Определение основной погрешности установки

Основным поверяемым параметром установки для поверки гамма-дозиметров является МПД или МЭД на фиксированном расстоянии. Обычно это 1 м. Погрешность определения этого параметра является основной погрешностью установки, если поверка проводится при нормальных условиях.

10