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輻射計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)的研究-輻射檢測(cè)儀,輻射劑量?jī)x,輻射巡測(cè)儀,輻射測(cè)量?jī)x,輻射監(jiān)測(cè)儀,輻射測(cè)試儀

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技術(shù)文章

輻射計(jì)校準(zhǔn)技術(shù)的研究

2005/10/31 19:48:00

         摘 要:  輻射計(jì)校準(zhǔn)是一種用校準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器對(duì)通用探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)的技術(shù)。它以絕對(duì)輻射計(jì)(標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)) 作為最高標(biāo)準(zhǔn), 通過選擇合適的輻射源標(biāo)準(zhǔn), 用標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)對(duì)傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器進(jìn)行校準(zhǔn)。輻射計(jì)校準(zhǔn)最核心的設(shè)備是標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)輻射源。介紹了使用標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)校準(zhǔn)探測(cè)器的基本原理。對(duì)提高光譜分辨率所用的標(biāo)準(zhǔn)選擇問題作了討論。通過討論, 解決了如何選擇探測(cè)器和輻射源的問題。通過探測(cè)器和輻射源類別的列表以及它們的性能比較, 并根據(jù)這些性能指標(biāo)進(jìn)行權(quán)衡, 以便選擇出合適的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和標(biāo)準(zhǔn)輻射源。
關(guān)鍵詞:  輻射計(jì); 校準(zhǔn)技術(shù); 探測(cè)器

引言
    用標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)進(jìn)行高準(zhǔn)確測(cè)量, 必須考慮以下3 個(gè)問題: 第1, 滿足輻射計(jì)工作范圍的輻射源; 第2, 用于測(cè)量性能可*且穩(wěn)定的工作標(biāo)準(zhǔn); 第3, 能夠完成工作標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的傳遞以及工作標(biāo)準(zhǔn)和一級(jí)、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)步驟(例如: 校準(zhǔn)操作步驟)。下面對(duì)這些問題進(jìn)行一一討論, 以便能夠選擇出最適合的且最好的工作標(biāo)準(zhǔn)。
1 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的選擇
    完成一項(xiàng)特殊測(cè)量任務(wù)時(shí), 應(yīng)該選擇最好的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通常選擇的標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的不確定度(如絕對(duì)輻射計(jì)) 應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)源(如黑體輻射源) 的不確定度。因此, 應(yīng)用探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)需首先考慮對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)的傳遞, 這樣將不會(huì)使不確定度大幅度增加。由此可以看出, 用以上所考慮的標(biāo)準(zhǔn)輻射計(jì)對(duì)非選擇性的熱電堆和功率計(jì)校準(zhǔn)顯然是可行的。它同樣也適用于確定選擇性探測(cè)器的響應(yīng)度, 甚至可以對(duì)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)燈的總輻射度進(jìn)行校準(zhǔn), 而二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)燈是檢測(cè)非選擇性熱電堆時(shí)間穩(wěn)定性很好的工具。根據(jù)以上考慮進(jìn)行操作并且保持環(huán)境恒定, 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)燈的輻照度穩(wěn)定在每小時(shí)3×105W öm 2。利用黑體校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)燈及濾波器將會(huì)限制投射到探測(cè)器的光譜范圍, 校準(zhǔn)不確定度將增加。這不僅是由于幾何測(cè)量和黑體大的光譜范圍的相對(duì)不確定度以及濾波器絕對(duì)光譜傳輸率的影響, 更準(zhǔn)確地說, 是由于濾波器自身的不確定度以及自身因環(huán)境的改變而改變。
      確定校準(zhǔn)燈光譜分布時(shí), 需考慮輻射源的光譜范圍。若將兩個(gè)儀器的光譜直接比較, 則不必考慮光譜選擇儀器的光譜傳輸率。確定被測(cè)燈的光譜分布方法與用已知標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)率確定另一未知探測(cè)器的光譜響應(yīng)率相同。
    總之, 輻射計(jì)校準(zhǔn)最基本的設(shè)備是一套標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和標(biāo)準(zhǔn)輻射源。適用于實(shí)際測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)越多,校準(zhǔn)時(shí)間越短, 工作標(biāo)準(zhǔn)范圍的傳遞不確定度就越小。為了確保不同標(biāo)準(zhǔn)的光譜范圍一致, 應(yīng)使光譜范圍重疊, 以便于不同校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)之間的比較。

2 探測(cè)器的校準(zhǔn)步驟
   為了準(zhǔn)確校準(zhǔn)探測(cè)器, 首先通過一個(gè)例子討論存在的一些問題。例如, 為了確定一個(gè)硅光電二極管的絕對(duì)光譜響應(yīng)度, 以探測(cè)器標(biāo)準(zhǔn)作為出發(fā)點(diǎn),選擇發(fā)射源, 通常選用一個(gè)有色激光器作為光源(如圖1 所示)。它產(chǎn)生單色輻射, 其波長(zhǎng)能夠通過波長(zhǎng)計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量, 其功率同硅光電二極管相比足夠
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高。由于激光的發(fā)散角很小, 經(jīng)歷的光學(xué)路徑又長(zhǎng),從而避免了由于熱輻射產(chǎn)生的誤差; 另一方面, 普通的激光源有兩個(gè)缺點(diǎn), 即它的功率比其它輻射計(jì)使用的白織燈的功率穩(wěn)定性差, 而且標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器和硅光電二極管是交替使用的。為了解決這兩個(gè)問題, 通常采用電光平臺(tái)或參考信號(hào)法: 第一種方法使輻射功率大量減小且對(duì)頻率重新作了調(diào)整; 第二種方法使用參考電路補(bǔ)償?shù)霓k法(圖1 中采用)。

    一定比例的輻射通過分束鏡進(jìn)入?yún)⒖纪ǖ? 應(yīng)滿足以下4 條件。
(1) 分束鏡分光的比例對(duì)時(shí)間和溫度來說是常量, 使用這種辦法時(shí), 由于光束進(jìn)入?yún)⒖继綔y(cè)器的光線是楔入的, 避免了干涉。如果光束有側(cè)移, 那么參考探測(cè)器應(yīng)當(dāng)有非常好的空間均勻性, 且溫度應(yīng)保持恒定, 以確保對(duì)偏移不敏感。
(2) 主光路和參考光路的信號(hào)必須同步讀出,最好能通過2 個(gè)計(jì)算機(jī)控制數(shù)字電壓值。
(3) 參考信號(hào)通常通過參考探測(cè)器的光電二極管產(chǎn)生。這個(gè)參考信號(hào)是對(duì)時(shí)間常數(shù)積分而得到的, 積分通過R 2C 電路執(zhí)行, 通過編程器積分器數(shù)字電壓表可實(shí)現(xiàn)積分容量時(shí)間常數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)整。
(4) 激光功率的變化不能太快。輻射計(jì)吸收產(chǎn)生的熱從產(chǎn)生的地方到被傳感的地方傳播時(shí)間需要短。這個(gè)過程中, 輻射計(jì)接受的功率不僅被時(shí)間常數(shù)所平均, 而且被延遲了。為了解決這個(gè)問題, 測(cè)量信號(hào)的數(shù)字電壓表應(yīng)有相應(yīng)的延遲。否則, 光路中探測(cè)器的輸出信號(hào)與參考光路中參考探測(cè)器的輸出信號(hào)之比率對(duì)激光器功率的波動(dòng)變化不靈敏。
   如果考慮上述4 個(gè)條件, 用標(biāo)準(zhǔn)絕對(duì)輻射計(jì)測(cè)量的“歸一化”激光功率5 n 為


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   確定探測(cè)器光譜響應(yīng)度存在的另一個(gè)問題是激光光源的非均勻性。如果光源不均勻, 那么將有可能導(dǎo)致被校光電二極管結(jié)果的非均勻性。例如對(duì)v (K) 曲線進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí), 高照度水平下, 光源的非均性與非線性相關(guān)。因?yàn)樵谠S多情況下, 曲線的非線性是照度而不是輻射功率的函數(shù), 所以評(píng)價(jià)一個(gè)好的同類輻射是否在線性范圍內(nèi)是必要的。實(shí)際應(yīng)用中, 一個(gè)非常均勻的輻射通常是通過從高斯光束中分割出一個(gè)孔徑, 用一個(gè)被校準(zhǔn)的長(zhǎng)焦鏡頭將分割的孔徑成像在探測(cè)器表面來獲得的。另外, 許多類似輻射的獲得也可以積分球作為二級(jí)輻射源(參見圖1)。為了減小損失, 積分球的入口應(yīng)當(dāng)小, 并且內(nèi)表面的涂層反射率應(yīng)盡可能地高。硅光電二極管光譜響應(yīng)度通常是利用汞燈或石英鹵素?zé)魜硗瓿傻�。因�(yàn)樗妮椛涫峭ㄟ^雙色儀進(jìn)行選擇的(如圖2 所示) , 因此更適用于寬的波長(zhǎng)范圍。此外, 光源的光譜范圍寬也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。



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  如果不滿足以上4 個(gè)條件, (6) 式將不適用。為了提高光譜分辨率, 要求雙單色儀的光譜帶寬僅在幾納米內(nèi), 其結(jié)果是僅有幾毫瓦的激光功率可以利用。這對(duì)一個(gè)絕對(duì)輻射計(jì)同光電二極管直接比較是行不通的, 因此必須在其中間加入更靈敏的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為傳遞。
    確定二級(jí)傳遞標(biāo)準(zhǔn)最簡(jiǎn)單的辦法是使用一個(gè)與被測(cè)硅光電二極管尺寸相同的已校準(zhǔn)的硅光電二極管作為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn), 但由于二極管時(shí)間穩(wěn)定性很短, 對(duì)實(shí)驗(yàn)不利, 因此我們使用高靈敏的真空熱電堆作為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。它們有較高的響應(yīng)率和較小的時(shí)間常數(shù), 通常取很小的靈敏面并作成細(xì)縫型。但這樣做的缺點(diǎn)是, 它不可能可*地將輻射聚焦到雙單色儀的出射狹縫處并在靈敏面上以量的形式表示,并且對(duì)于光譜靈敏度來說, 由于沒有準(zhǔn)直, 故而產(chǎn)生百分之一的損耗(是不能接受的)。另一方面, 這種損耗在相對(duì)光譜校準(zhǔn)上沒有負(fù)面影響。對(duì)于相對(duì)測(cè)量來說, 損耗僅與波長(zhǎng)有關(guān), 對(duì)于系統(tǒng)而言可忽略(如圖2 所示)。這意味著將熱電堆作為二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)僅適合于相對(duì)光譜靈敏度的測(cè)量。對(duì)于絕對(duì)光譜響應(yīng)度的測(cè)量要使用其它的辦法, 例如, 同時(shí)用汞發(fā)射器和濾光片可確定絕對(duì)光譜響應(yīng)度。
   相對(duì)光譜響應(yīng)度測(cè)量用的傳遞標(biāo)準(zhǔn)是非選擇性的腔形熱電堆, 為了保持它的非選擇性, 熱電堆必須在窗口外操作。但由于沒有窗口, 探測(cè)器隨外界空氣波動(dòng)很靈敏, 它將產(chǎn)生一個(gè)毫瓦級(jí)的等效噪聲功率。為了準(zhǔn)確測(cè)量, 必須提供幾十毫瓦的輻射功率, 該輻射功率對(duì)雙單色儀來說是不能接受的。如果使用單個(gè)單色儀, 則將會(huì)產(chǎn)生大量的雜散輻射, 但不會(huì)影響測(cè)量準(zhǔn)確度, 因?yàn)楸恍?zhǔn)的熱電堆與腔探測(cè)器一樣無選擇性。
    從另一方面講, 使用腔探測(cè)器對(duì)選擇性探測(cè)器( 如光電二極管v (K) ) 進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí), 由于雜散輻射的存在導(dǎo)致校準(zhǔn)失敗(但使用已校準(zhǔn)的同類型v (K) 探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)除外)。同理可知, 單個(gè)單色儀的高帶寬不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差, 且(6) 式仍適用。

2 工作標(biāo)準(zhǔn)和校準(zhǔn)環(huán)境的選擇
      對(duì)工作標(biāo)準(zhǔn)的選擇普遍采用以下準(zhǔn)則: 第一,從標(biāo)準(zhǔn)到其它測(cè)量?jī)x器校準(zhǔn)的傳遞容易且準(zhǔn)確, 設(shè)備要小。第二, 用戶用不熟悉的設(shè)備執(zhí)行常規(guī)校準(zhǔn)時(shí), 盡可能選擇與曾經(jīng)用過的相似的設(shè)備, 并且在校準(zhǔn)工作標(biāo)準(zhǔn)和后續(xù)設(shè)備時(shí), 測(cè)量環(huán)境應(yīng)盡可能相同(包括輻射面位置和面積、輻照度量級(jí)、光束發(fā)散角、溫度、探測(cè)器的阻抗及相對(duì)濕度)。
    更嚴(yán)格的要求是找出工作標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間穩(wěn)定性極限目前。使用黑色燃料的涂層不僅比光電二極管穩(wěn)定, 也比熱探測(cè)器穩(wěn)定, 因?yàn)楹笳叱3S脴O易碎的黑金涂層。
    探測(cè)器的其它選擇準(zhǔn)則是處理的方便性和對(duì)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境以及測(cè)量電子裝置的要求。若考慮上面準(zhǔn)則, 則光電二極管優(yōu)于熱探測(cè)器。例如, 對(duì)于無窗口的熱電堆, 需要一個(gè)不隨波動(dòng)變化的空氣房。為了避免測(cè)量誤差, 探測(cè)器視場(chǎng)內(nèi)的溫度必須保持恒定。這些要求對(duì)于熱電探測(cè)器來說是不嚴(yán)格的, 因?yàn)槭褂眠@種探測(cè)器會(huì)出現(xiàn)其它的誤差源。例如, 對(duì)聲音噪聲的靈敏, 調(diào)制器的發(fā)熱和空間不均勻性,探測(cè)器的輸出信號(hào)依賴于光束尺寸的大小和形狀。
3 結(jié)束語
    主要探討研究了利用輻射計(jì)校準(zhǔn)時(shí)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)——標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的校準(zhǔn)過程及如何選擇最好工作標(biāo)準(zhǔn)裝置的問題。對(duì)這兩個(gè)問題的討論結(jié)果是,選擇最好的輻射源和標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器可有效地減小輻射計(jì)校準(zhǔn)過程中的不確定度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 以熱電堆作為探測(cè)器是一個(gè)比較好的選擇。

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    產(chǎn)品名稱:REN-SN型半導(dǎo)體超高量程射線探頭

    產(chǎn)品描述:REN系列智能化輻射探頭均可和REN300、REN300A、REN300B系列主機(jī)配套使用,也可以單獨(dú)配套R(shí)enRiArea輻射區(qū)域監(jiān)測(cè)軟件使用。且具有RS485/RS232的通訊能力。所有探頭均可單獨(dú)外接報(bào)警燈,在超閾值的情況下就地給出聲光報(bào)警。 1、測(cè)量射線類型:X、γ射線2、探測(cè)器:半導(dǎo)體探

  • REN500L型環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能率儀

    產(chǎn)品名稱:REN500L型環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能率儀

    產(chǎn)品描述:REN500L環(huán)境監(jiān)測(cè)用X、γ輻射空氣比釋動(dòng)能率儀采用超大尺寸、高靈敏的閃爍晶體作為探測(cè)器,反應(yīng)速度快。主機(jī)內(nèi)置探測(cè)器使得整機(jī)有更寬的測(cè)量范圍。儀器滿足《環(huán)境地表γ輻射劑量率測(cè)定規(guī)范》中低劑量部分的要求。該儀器除能測(cè)高能、低能γ射線外,還能對(duì)低能X射線進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量,具有良好的能量響應(yīng)特性。此外通過

  • REN200型X-γ個(gè)人劑量報(bào)警儀

    產(chǎn)品名稱:REN200型X-γ個(gè)人劑量報(bào)警儀

    產(chǎn)品描述:   REN200型X、γ個(gè)人劑量報(bào)警儀(又叫X、γ輻射個(gè)人劑量當(dāng)量HP(10)監(jiān)測(cè)儀)內(nèi)置高靈敏度蓋格計(jì)數(shù)管為探測(cè)器,主要用來監(jiān)測(cè)各種放射性工作場(chǎng)所的X、γ以及硬β射線的輻射,具有響應(yīng)快,測(cè)量范圍寬的特點(diǎn)。能顯示工作場(chǎng)所的劑量當(dāng)量率和累積劑量,更換電池時(shí),日期及累積數(shù)據(jù)能永久保

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