不同測量方法對環境γ輻射空氣吸收劑量率測量結果的影響分析

許文琴 陳加濤 陳曉云 徐云鳳 龍 庚

(黔東南州輻射環境監測站，貴州 凱里 556000)

輻射包括天然本底水平和人為實踐活動引起的環境輻射水平變化，環境陸地γ輻射空氣吸收劑量率參數是用于評價環境中輻射水平優劣程度的指標之一，是輻射環境監測工作的重要組成部分。環境γ輻射空氣吸收劑量率可通過連續累積和即時(瞬時)等方式開展測量[1]。

連續累積測量方法是將熱釋光(TLD)探測器在野外環境布放一段時間，收回后用熱釋光劑量讀出器測量環境γ輻射累積劑量的一種方法。熱釋光作為一種固體發光的物理現象，在輻射防護和其他領域的應用越來越廣泛。簡單地說，就是熱釋光(TLD)探測器，在環境中不斷吸收和累積能量，該探測器在熱釋光劑量讀出器中加熱，能量會以光子的形式釋放(以計數為單位)，釋放光子強度與吸收的輻射劑量成線性關系。選取標準輻射場賦予熱釋光(TLD)探測器已知輻射劑量，通過熱釋光讀出器測量光子強度，可得出熱釋光劑量讀出器+(TLD)探測器劑量測量系統的刻度因子，由此就可對未知輻射劑量的環境開展監測[2]。熱釋光(TLD)探測器受環境影響因素小，其靈敏度較高，測量范圍寬，在輻射環境和個人劑量監測及核醫學研究方面應用較為普遍。目前(TLD)探測器類型主要有LiF(Mg，Cu，P)、LiF(Mg,Ti)，LiF(Mg，Cu，P)具有靈敏度高，組織等效性好的優點，廣泛用于個人和環境累積劑量監測。即時(瞬時)測量方法是用各種便攜式γ劑量率儀直接測量出點位上的γ輻射空氣吸收劑量率值[3]，具備測量快速、準確度高、便攜等特點。

1 測量儀器、方法及要求

1.1 測量儀器

1.1.1 測量儀器設備溯源

開展環境γ輻射空氣吸收劑量率測量前，將測量儀器設備送有資質的部門進行檢定/校準，合格后方可開展工作，測量過程中儀器設備均在檢定/校準有效期內。

(1)連續累積測量儀器設備

環境γ輻射空氣吸收劑量率連續累積測量使用BR2000D型熱釋光劑量讀出器，測量系統穩定性小于等于0.2%，加熱溫度重復性小于等于1%，加熱溫度偏差小于等于±1℃，加熱速率1～40℃/s。TLD-2000B型遠紅外精密退火爐，專為熱釋光(TLD)探測器退火的裝置，其特點是溫度控制較精確，性能穩定可靠，遠紅外加熱，溫度范圍：0～400℃任意設定，精度±0.5%滿刻度。熱釋光(TLD)探測器，材質為LiF(Mg，Cu，P)圓形片狀，其屬于無源固體積分式探測器。其特點是體積小(空間分辨率高)、有效原子序數接近于空氣和人體組織、不受電磁輻射的干擾、測量量程寬、可探測下限低、復現性能好[4]，主要技術參數如表1。

(2)即時(瞬時)測量儀器設備

環境γ輻射空氣吸收劑量率即時(瞬時)測量使用便攜式FH40G+FHZ672E-10型高靈敏度環境級γ劑量率儀，該儀器具有極寬的能量響應和極高的靈敏度，γ輻射空氣吸收劑量率劑量率指示固有誤差，不大于15%。

儀器設備及主要技術參數表1。

表1 不同方法測量所用儀器設備技術參數表

1.2 測量方法

參照《環境γ輻射劑量率監測技術規范》(HJ1157-2021)，《輻射環境監測技術規范》(HJ61-2021)，《個人和環境監測用熱釋光劑量測量系統》(GB/T10264-2014)相關技術規范執行。

1.3 測量要求

連續累積和即時(瞬時)測量環境γ輻射空氣吸收劑量率測量時，無法避免宇宙射線致電離成分對儀器設備探測器的輻射貢獻，環境γ輻射空氣吸收劑量率測量值中包含了設備對宇宙射線響應值，不同類型儀器設備探測器對宇宙射線響應值有所不同，為使不同類型探測器測得的環境γ輻射劑量率的結果可比較，方便劑量評價，連續累積和即時(瞬時)測量結果均應扣除儀器設備探測器對當地宇宙射線響應貢獻。

1.3.1 連續累積測量要求

環境γ輻射空氣吸收劑量率測量，使用一批均勻性在5%以內的LiF(Mg，Cu，P)探測器若干，在TLD-2000B型遠紅外精密退火爐中240℃退火10min，冷卻后，裝入具有防水、防潮、防塵的個人劑量計(密封盒內)，樣品通過低本底鉛箱快速運輸至測量點位后，樣品布放在即時(瞬時)測量點位附近的樹枝上，LiF(Mg，Cu，P)探測器懸掛以距離地面1～2m為宜，放置時間1季度(約90天)為一個周期累積采樣，采樣周期結束后，收回的LiF(Mg，Cu，P)探測器用鉛箱運回實驗室進行測量，即可得到各測量點的環境γ輻射累積劑量。

1.3.2 即時(瞬時)測量要求

手持儀器或將儀器固定在三腳架上，監測前，儀器開機預熱不少于15min，保持儀器探頭垂直朝下，探頭中心距離測量點位地面(基礎面)為1m，儀器讀數穩定后，以約10s的間隔讀取/選取10個數據，記錄在測量原始記錄表，經過數據處理，即可得到測量點位環境γ輻射即時(瞬時)劑量率值。

1.3.3 設備(或探測器)對宇宙射線響應測量要求

在測量熱釋光(TLD)探測器對宇宙射線響應時，采用與環境監測時同樣材質的LiF(Mg，Cu，P)探測器若干，經過與環境測量探測器一樣的退火處理后，用鉛箱裝載快速運至淡水湖(庫)水深大于3m，距岸邊大于1km的中央水面布放，布放時間不少于3個月。收樣時，用鉛罐裝載熱釋光(TLD)探測器，立即運回實驗分析室，用BR2000D型熱釋光劑量讀出器測量，這批LiF(Mg，Cu，P)探測器的測量均值Xc(包含探測器本底)近似等于該探測器在水面布放期間的宇宙射線累積響應值，根據測量點位的經緯度和海拔高度，可計算出LiF(Mg，Cu，P)探測器在不同海拔高度測量點的宙射線響應值。

在測量便攜式儀器設備探測器對宇宙射線響應時，選擇黔東南州內淡水湖(庫)水深大于3m、距岸邊大于1km的中央水面，測量乘坐的船只應選取木質、玻璃鋼或橡膠材質的船體，測量時人遠離監測探頭，探頭伸出船體，盡量靠近水面，最大限度的減少測量誤差。正常測量均選擇天氣晴朗的情況下進行，讀數間隔為10s，至少讀取50～100個數據，取其平均值為該點的測量值，根據環境γ輻射測量點位的經緯度和海拔高度，可計算出便攜儀器設備探測器在不同海拔高度測量點的宙射線響應值[5]。

2 測量點位布設

環境γ輻射空氣吸收劑量率測量點位在黔東南州各縣(市)分別設1個，共設16個環境γ輻射測量點位，主要設在不易受人為活動影響，地勢平坦、開闊的地方，如污水處理廠、氣象局、飲用水源地等。

連續累積和即時(瞬時)測量宇宙射線響應測量點位布設在錦屏縣三板溪水庫中央。

3 質量保證

監測人員均經過考核，取得上崗證，掌握便攜式設備和熱釋光劑量讀出器的操作規程。

所用LiF(Mg，Cu，P)探測器為經一致性篩選后的新片，與送檢為同一批次，設備確保在檢定/校準周期內，并以熱釋光讀出器的光源計數參數開展期間核查，繪制質量控制圖。高靈敏度環境γ輻射劑量率儀在檢定期內，在能夠保持穩定的室內輻射場定期對便攜式高靈敏度環境γ輻射劑量率儀，以1次/月開展測量，繪制質量控制圖，檢驗環境γ輻射劑量率測量儀器工作狀態的穩定性。

測量儀器按規定開展期間核查。

現場測量和掛片點位標注明確，具有可重現性。

4 數據處理方法

4.1 環境γ輻射空氣吸收劑量率測量結果計算

(1)累積連續測量法環境γ輻射空氣吸收劑量率測量結果計算

式中：

D—測點處環境γ輻射累積劑量測量結果，mSv；

Cf—熱釋光劑量探測器的刻度因子，由法定計量部門校準時給出；

X—實際監測時某一布放點熱釋光劑量探測器測量讀數的平均值，mSv；

T—實際監測時的布放時長；

Tc—水面上的布放時長；

X′c—實際布放點處熱釋光劑量探測器的宇宙射線累積劑量響應值，mSv；

K—參照JJG393，使用137Cs為檢定參考輻射源，換算系數取1.20Sv/Gy。

(2)即時(瞬時)測量法環境γ輻射空氣吸收劑量率測量結果計算

式中：

K1—儀器檢定/校準因子；

K2—儀器檢驗源效率因子[k2=A0/A(當0.9≤K2≤1.1時，對結果進行修正；當k2<0.9或k2>1.1時，應對儀器進行檢修，并重新檢定/校準)，其中A0、A分別是檢定/校準時和測量當天儀器對同一檢驗源的凈響應值(需考慮檢驗源衰變校正)；如儀器無檢驗源，該值取1]；

Rγ—儀器測量讀數值均值(空氣比釋動能和周圍劑量當量的換算系數參照JJG393，使用137Cs和60Co作為檢定/校準參考輻射源時，換算系數分別取1.20Sv/Gy和1.16Sv/Gy)，Gy/h；

K3—建筑物對宇宙射線的屏蔽修正因子，樓房取0.8，平房取0.9，原野、道路取1；

X′c—測點處宇宙射線響應值，nGy/h。

4.2 宇宙射線修正計算

式中：

K1—儀器檢定/校準因子；

K—參照JJG393，使用137Cs為檢定參考輻射源，換算系數取1.20Sv/Gy。

式中：

D宇=D宇(0)[0.21e-1.649h+0.7e0.4528h]

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；

h—計算點的海拔高度，km；

λm—計算點的地磁緯度，N；

地磁緯度由計算點的地理緯度λ和地理經度φ按下式計算：

sinλm=sinλcos11.7°+cosλsin11.7°(φ-291°)

4.3 有效數字和修約規則

《輻射環境監測技術規范》(HJ61-2021)中規定，在對監測數據進行計算時，有效數字位數一般可多留幾位。結果最終報出的有效數字位數，應限制在一個合理范圍內，即實際的相對誤差與有效數字位數反映的相對誤差限要相當；對于一般環境輻射水平的測量結果，取2～3位有效數字，測量誤差取1～2位有效數字。在實際測量工作中還應考慮測量儀器的精密度、準確度和讀數誤差[6]。

5 測量結果

5.1 儀器探測器對宇宙射線響應的測量結果

BR2000D型熱釋光劑量讀出器+LiF(Mg，Cu，P)探測器連續累積測量方法在錦屏縣三板溪水庫測點對宇宙射線響應累積劑量范圍為7.66×10-3～8.74×10-3mSv， 平均值為8.20×10-3mSv，累積時間2592h，根據本文4.1中累積連續測量法環境γ輻射空氣吸收劑量率測量結果計算公式，得出BR2000D型熱釋光劑量讀出器+LiF(Mg，Cu，P)探測器的宇宙射線γ輻射空氣吸收劑量率值范圍為25～28nGy/h，平均值為26nGy/h。便攜式FH40G型高靈敏度環境γ輻射劑量率儀在同一湖(庫)測量點處的所有有效監測數據平均值為該設備在該測點的宇宙射線響應值,便攜式儀器FH40G型探測器在三板溪水庫中央測量點處γ輻射空氣吸收劑量率值范圍為12～16nGy/h，平均值為14nGy/h。不同方法選用儀器探測器在同一點位對宇宙射線響應測量結果如表2所示。

表2 儀器設備探測器在湖(庫)水面處對宇宙射線響應測量結果

5.2 測量點位對宇宙射線響應計算結果

表3 黔東南州16縣(市)測量點位處不同方法選用儀器探測器對宇宙射線響應貢獻值計算結果(nGy/h)

5.3 不同測量方法對環境γ輻射空氣吸收劑量的監測結果

根據黔東南州16縣(市)測量點位的監測結果，結合連續累積和即時(瞬時)測量方法在各測量點位處儀器探測器對宇宙射線響應值的計算結果進行統計,得出黔東南州16縣(市)測量點位處，未扣除宇宙射線響應值和扣除宇宙射線響應值的環境γ輻射空氣吸收劑量率統計結果，如表4所示。環境γ輻射空氣吸收劑量率未扣除方法選用儀器在各測量點位處的宇宙射線響應前，連續累積測量和即時(瞬時)測量范圍分別為75～135nGy/h和63～130nGy/h。環境γ輻射空氣吸收劑量率扣除方法選用儀器設備在各測量點位處的宇宙射線響應值后，連續累積測量和即時(瞬時)測量結果范圍為28～83nGy/h和34～94nGy/h。

6 結果分析

根據表5，可看出，在錦屏縣三板溪水庫中央測點處宇宙射線響應γ輻射空氣吸收劑量率測量結果：BR2000D型熱釋光劑量讀出器+LiF(Mg，Cu，P)探測器連續累積測量方法結果為26nGy/h，便攜式FH40G型高靈敏度環境γ輻射劑量率儀即時(瞬時)測量方法結果為14nGy/h，兩種方法的相對平均偏差為60.0%，連續累積與即時(瞬時)測方法在同一測量點位處對宇宙射線響應的結果相差大。

表5 不同測量方法和不同儀器設備在同一水庫對宇宙射線響應的測量結果(nGy/h)

根據表4，黔東南州16縣(市)各測量點位未扣除宇宙射線響應值的環境γ輻射空氣吸收劑量率結果數據，繪制連續累積和即時(瞬時)測量方法結果對比圖，如圖1所示。環境γ輻射劑量率測量點位共16個，測量結果未扣除宇宙射線響應值時，連續累積測量方法結果高出即時(瞬時)測量方法結果的測量點位數量15個，占比93.7%，整體趨勢是連續累積測量方法結果大部分點位高出即時(瞬時)測量方法結果。

圖1 未扣宇宙射線響應，連續累積和即時(瞬時)測量環境γ輻射空氣吸收劑量率結果比對圖(測量點位序號及點位對應見表4)

表4 黔東南州16縣(市)各測量點位處環境γ輻射空氣吸收劑量率結果(nGy/h)

根據表4，黔東南州16縣(市)各測量點位扣除宇宙射線響應值的環境γ輻射空氣吸收劑量率結果數據，繪制連續累積和即時(瞬時)測量方法結果對比圖，如圖2所示。環境γ輻射劑量率測量點位共16個，測量結果扣除宇宙射線響應值后，連續累積測量方法結果低于即時(瞬時)測量方法結果的測量點位數量14個，占比87.5%，整體趨勢是連續累積測量方法結果小于即時(瞬時)測量方法結果。

圖2 扣除宇宙射線響應值，連續累積和即時(瞬時)測量環境γ輻射空氣吸收劑量率結果比對圖(測量點位序號及點位對應見表4)

7 結論

根據上述分析結果，得出如下結論：

(1)環境γ輻射空氣吸收劑量率測量時，不同的測量方法選用儀器設備對宇宙射線響應值不同而導致環境γ輻射空氣吸收劑量率測量結果不同。

(2)在利用連續累積和即時(瞬時)測量方法測量時，未扣除測量方法選用儀器設備在各測量點位處的宇宙射線響應值時，環境γ輻射空氣吸收劑量率整體趨勢是連續累積測量結果大于即時(瞬時)測量結果；扣除測量方法選用儀器設備在各測量點位處的宇宙射線響應后，環境γ輻射空氣吸收劑量率整體趨勢是連續累積測量結果小于即時(瞬時)測量結果。

(3)不管是用連續累積或即時(瞬時)測量方法開展環境γ輻射空氣吸收劑量率測量時，應扣除測量方法選用儀器探測器對宇宙射線的響應值，得出測量點位處環境陸地γ輻射空氣吸收劑量率，這樣才能更好的對當地環境輻射水平進行評價和比對。