云南宇宙射線響應結果分析及預測應用

武榮國

（云南省輻射環境監督站，云南 昆明 650032）

0 引 言

在天然環境中，宇宙射線γ輻射對人類外照射劑量的貢獻約為30% ～50%[1]。測量宇宙射線對正確評價環境γ輻射劑量貢獻具有重要的意義。

鋼壁高氣壓電離室能量響應線性范圍寬，測量靈敏度高，性能穩定，儀器測量結果具有很好的可比性，其測量值可作為宇宙射線測量的標桿。本文就云南省2008—2021年，用該儀器對境內的7個湖泊宇宙射線響應測量結果進行統計分析，結合理論，提出云南省對宇宙射線預測計算校正方法，并對該預測進行了驗證，效果良好。

1 研究方法

1.1 測量條件與歷史數據查閱

宇宙射線測量使用美國RSS-131型高氣壓電離室進行，按檢定周期每年均按期進行檢定。每年宇宙射線測量湖面環境條件均滿足《HJ/T 61-2021 輻射環境監測技術規范》的測量要求，同步記錄經緯度和海拔。2008—2020年測量數據來源于每年云南省輻射環境質量報告，2021年測量結果來源于監測報告，數值見表1[2]。

表1 云南省2008—2017年高壓電離室宇宙射線劑量率測量結果

1.2 理論計算

岳清宇等人于20世紀80年代末提出了高壓電離室測量宇宙射線劑量率與地磁緯度、海拔高度、測量年代的經驗公式[3]。該計算方法寫進《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》中。2021年生態環境部發布了《HJT 61-2021 輻射環境監測技術規范》，對宇宙射線計算提出了新的計算公式。本文按兩種方法進行計算，并比較計算值與測量值差異，提出修正方法。

1.3 測量值與計算結果差異分析

調研歷年相關研究論文資料，分析云南高原宇宙射線測量數據，結合《HJ/ T 61-2001 輻射環境監測技術規范》和《HJ 61-2021 輻射環境監測技術規范》中宇宙射線計算公式，比較兩種計算方法與實測值差異，分析存在差異的原因，結合統計學分析，提出云南省宇宙射線測量修正計算方法。并對2019—2021年云南宇宙射線測量地點相關參數提出用修正計算方法結果與實測值進行對比分析。

2 結果與討論

2.1 宇宙射線測量結果與計算結果分析

根據10年測量點位數據，按《HJ/T 61-2001輻射環境監測技術規范》計算，其中I0取值，按文獻[3,4]進行（稱“方法1”）；同時按《HJT 61-2021輻射環境監測技術規范》進行了計算（稱“方法2”），兩種計算與測量結果對比見表2。

從表2數據對比可以看出：實測值均比方法1計算值大，10年測量值與計算值的差值波動不大，平均為14.6nGy/h。因此，對于云南高原環境來說，嘗試在文獻[3]基礎上進行修正后進行宇宙射線及儀器本底響應預測，即在計算結果的基礎上+14.6作為預測模型[5]。即：

表2 云南省2008—017年宇宙射線劑量率測量值與計算值對比

按方法2計算結果可看出，計算結果與實測值之差有正有負，且差值波動較大，不宜用直接加修正值的方法進行修正。考慮到地磁緯度對宇宙射線影響，將每年測點地磁緯度與對應差值進行相關分析，繪制散點圖如圖1。

圖1 地磁緯度與方法2計算值和測值之差的相關關系

從圖1可見：地磁緯度與方法2計算值和測值差值間不是線性關系，而是呈多項式關系，按多項式的三次方回歸得到回歸方程為：

式中：ΔD—方法二測量值與計算值差值；γm—地磁緯度。

因此，對云南省高原宇宙射線測量結果，按《HJT 61-2021 輻射環境監測技術規范》附錄D計算公式，再加上式（2）進行修正，得出云南省宇宙射線預測計算模型如下式（3）：

式中：D宇（0）—計算點所在海平面處宇宙射線電離成分所致空氣吸收劑量率，nGy/h；當γm≤30N時，取30，當γm＞30N時，取32。

2.2 計算值與實測值存在差值的原因分析

云南高原宇宙射線測量值平均比《HJ/T 61-2001輻射環境監測技術規范》推薦的計算公式計算結果平均高14.6nGy/h，且差值比較穩定。

據文獻[1]，地面上宇宙射線輻射場具有周期性（11年），而在淡水湖面宇宙射線測量結果中，除宇宙射線外測量結果還包含了：① 測量點空氣和水中γ照射劑量率［包括：由于宇宙射線在大氣中的正負電子湮沒產生的γ輻射（511keV）、Th系中228Ac產生的γ輻射（911.968keV）、U系中的214Bi產生γ輻射（1.12MeV）、水中40K產生輻射］；②測量人員的40K貢獻；③儀器自身的本底；④水面空氣中氡及子體的劑量率貢獻。上述①～③項之和為3.9nGy/h。該數據是根據我國20世紀80年代末期岳清宇等人在華北大型水庫上測量結果及結合高空探空氣球測量結果進行分析總結得出[3]。

本次研究所進行的測量數據，使用儀器類型與文獻[1]一致，測量人員的40K貢獻與文獻[1]條件一致（距離約0.5 m），但測量點空氣和水中γ照射劑量率可能會有所不同：云南湖泊海拔遠比文獻[1]測量的湖泊高，宇宙射線在大氣中的正負電子湮沒產生γ輻射（511keV）的劑量貢獻應該比文獻[1]大，空氣中Th系中228Ac產生的γ輻射（911.968keV）、U系中的214Bi產生γ輻射（1.12MeV）、水中40K產生輻射的劑量率貢獻也有差異；本次研究使用儀器為美國產RSS-131型高壓電離室儀器自身本底，根據云南省輻射站參與環保部組織在四川錦屏地下超低本底實驗室測量結果為2.0nGy/h，是文獻[1]數據0.24nGy/h的8.3倍。因此，本次研究的測量條件中除測量人員的40K貢獻與文獻[1]條件一致外，其它環境條件均有不同。

對空氣中氡及子體的劑量率貢獻，文獻[1]沒有研究結果，本次由于條件所限也沒有。國內外的相關研究很少，文獻[6]報導在強混合、正常湍流、弱混合和強逆溫幾種氣象條件下在地面高1 m處氡及子體γ射線產生照射的劑量率分別為0.52nGy/h、1.22nGy/h、2.62nGy/h、12.22nGy/h，相差很大。關于室外氡濃度，文獻[9]給出全國測量值范圍為（3.9～48.7）Bq/m3，相差約12.5倍；云南2016—2020年16個州市氡濃度（累積測量）研究性監測結果顯示，各州市城區多年平均值為（25.1～41.5）Bq/m3，全省多年平均值為32.4Bq/m3[8]。

通過對比本次研究和文獻[1]測量條件，可以看出，測量儀器自身本底、空氣中氡濃度、測量點空氣和水中γ照射劑量率貢獻差異可能是導致云南省測量結果與文獻[1]計算結果有14.6nGy/h差異的主要原因。

實測值與《HJT 61-2021 輻射環境監測技術規范》附錄的計算公式比較，其差值比《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》計算結果小，即計算結果更接近于測量值，但測量值與計算值之差變動較大，差值變化不是簡單的線性關系而是呈多項式。其原因個人認為：《HJT 61-2021 輻射環境監測技術規范》附錄的計算公式，僅單純以地磁緯度是否＞30°N確定D（0）宇的具體數值，對地磁緯度的影響考慮偏簡單。

2.3 云南部分高原湖泊宇宙射線測量結果的預測與模型的驗證

根據上述公式（1）和公式（3）對2019年、2020年通海杞麓湖、2021年昆明滇池宇宙射線響應值[7]進行了預測計算，計算結果與實測值比較見表3。

從表3監測數據與預測結果對比可以看出：對于云南高原湖泊宇宙射線測量而言，按本文中的修正方法對《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》和《HJ 61-2021 輻射環境監測技術規范》附錄中的計算公式進行修正后，均有很好的預測效果，預測結果與實測值非常接近，說明兩種經修正后的計算方法均有較好的預測效果。

表3 云南省杞麓湖、滇池宇宙射線響應值預測與實測值比較

2.4 結論與討論

（1）云南省多年宇宙射線實測值與《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》附錄計算公式計算結果平均相差14.6nGy/h。測量儀器自身本底、空氣中氡濃度、測量點空氣和水中γ照射劑量率貢獻與文獻[3]測量條件差異是主要原因。

（2）從以上計算結果與實測值比較來說，《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》附錄計算公式與《HJT 61-2021 輻射環境監測技術規范》附錄計算公式結果與實測值均有明顯差異，且這種差異非測量誤差造成。

（3）《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》附錄計算公式是我國在20世紀80年代進行的測量結果，測量時間長，主要在我國華北地區湖面進行測量，結合探空氣球攜帶儀器的測量結果分析總結出的經驗公式，公式中考慮了地磁緯度、海拔高度及太陽活動對宇宙射線的調制影響。《HJ 61-2021 輻射環境監測技術規范》附錄計算公式源于UNSCEAR2000報告中的經驗公式。公式中考慮了海拔高度和地磁緯度影響，對地磁緯度影響考慮得比較簡單。

（4）采用本文提出的《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》附錄計算公式修正值和《HJT 61-2021 輻射環境監測技術規范》修正后的計算公式，其結果與實測值均有較好的符合性。但《HJ/T 61-2001 輻射環境監測技術規范》已經廢止，如采用《HJT 61-2021 輻射環境監測技術規范》附錄中的公式計算經修正后使用，更符合云南高原湖泊宇宙射線測量實際情況。

（5）本文研究結果僅限于在云南高原湖泊中測量結果，地點包括了九大高原湖泊中的六個，研究結果可用于高原地區環境γ輻射劑量率測量結果評價參考。也為高原宇宙射線γ輻射測量工作提供參考，在其它地區適用性尚待研究。