固定式环境 γ 辐射监测及其量值溯源*

何林锋赵超,2陆小军徐一鹤陈建新/ . 上海市计量测试技术研究院；2. 复旦大学公共卫生学院

固定式环境 γ 辐射监测及其量值溯源*

何林锋1赵超1,2陆小军1徐一鹤1陈建新1/ 1. 上海市计量测试技术研究院；2. 复旦大学公共卫生学院

介绍了我国固定式环境γ辐射监测的现状以及主要监测设备的计量性能和量值溯源方法。基于对主要监测设备现场校准需求，在固定式环境γ辐射自动监测站有限的空间距离内建立了可靠的γ参考辐射场，并自主研发了RZH-2015 型环境辐射剂量现场校准装置，实现了对固定式环境γ辐射监测设备高气压电离室与NaI γ谱仪的现场校准。校准实验的结果验证了校准装置的适用性，为固定式环境γ辐射剂量监测设备的现场量值溯源提供了解决方案。

固定式环境辐射监测；高气压电离室；NaI γ谱仪；现场校准

0　引言

我国固定式环境γ辐射监测主要依托于全国辐射环境监测网络与各核电站外围的辐射环境监测站。该监测网络和众多监测站遍布全国各大城市与各核电站外围［1］。固定式环境γ辐射监测可实时连续地监控环境γ辐射变化情况。一旦发生核恐怖袭击、核事故或者境外大规模放射性核素迁移入境等情况，监测系统可在第一时间预警，因此固定式环境γ辐射监测是我国核与辐射安全监管的重要组成部分。随着我国环境辐射监测网络的建设，大量固定在监测网点的高气压电离室与NaI闪烁体探测器监测设备投入环境γ辐射监测［2］。这些设备的技术性能与测量结果需要可靠的量值溯源加以保证。

GB/T 14054-2013/ IEC 60532-2010《辐射防护仪器 能量在50 keV～7 MeV的X和γ辐射固定式剂量率仪、报警装置和监测仪》提出了对γ辐射剂量率仪的技术性能要求［3］。GB/T 12162.3-2004《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射》规定了校准γ剂量率测量仪器用参考辐射的技术要求［4］。传统上对γ剂量率测量仪的校准是送至辐射剂量学实验室的γ参考辐射场中进行的。我国幅员辽阔，而辐射剂量学实验室主要分布在北京、上海、成都等少数城市，这些监测设备如果拆卸送至实验室校准，将导致环境γ辐射在线监测较长时间中断，且容易在反复拆卸、安装及长途运输中造成损坏，因此应用现场校准技术实现固定式辐射监测设备的量值溯源更为合理，相关技术需求迫切。调研显示中国原子能科学研究院高飞等曾研发相应的校准装置［5］，此外未见相关研究的报道，更无相应的技术规范。

1　固定式环境 γ 辐射监测调研

2002年～2005 年，原国家环保总局组织开展了全国辐射环境监测网络的建设。自2006年起，在全国范围内布设全国辐射环境自动监测站，2006年底到2007年初在全国设立了318个陆地γ辐射监测点［1］。除此之外，依据GB 6249-2011 《核动力厂环境辐射防护规定》［6］，我国各核电站周围也设立了核电站周围环境辐射监测站，其中秦山、福清、田湾、大亚湾、宁德、红沿河6个核电厂（基底）周围共建设有51个环境空气吸收剂量率监测站点，其监测结果可在中华人民共和国环境保护部数据中心实时查询。目前这些站点普遍采用美国通用电气公司生产的RSS-131型高气压电离室作为γ空气比释动能率探测器［2］，部分监测站点配备的采集γ谱用NaI 闪烁体能谱仪也具有监测γ空气比释动能率的功能［7］。

国家辐射环境监测网站点主要设立在全国44个城市内，而核电站周围环境辐射监测站点按相关国家标准设立在核电基地外围5 km陆地范围内。这些监测站点是以一个监测站房为主体［7］，配备有高气压电离室、NaI γ谱仪、大流量气溶胶采样器、放射性沉积物采集器、气态氚采样（测量）装置等放射性监测设备及一些气象监测仪。监测站房主要可以分为两类：混凝土结构监测站房与钢框架结构监测站房。图1展示了两类典型监测站房的照片。用于环境γ辐射剂量率监测的高气压电离室与NaI探测器在线监测装置普遍设置在监测站房的屋顶。

图1　两类典型监测站房的照片

2　监测设备的计量特性与现场校准的技术关键

对于环境γ辐射剂量监测设备，响应因子及其非线性表征其测量性能，包括剂量响应、能量响应与角响应。大量文献表明，高气压电离室在环境γ辐射能量段具有优良的响应特性，基本形成一个响应因子不变的平台［8， 9］。环境γ辐射监测的主要对象为γ放射性核素，特别是核电站外围监测站主要关注的是放射性惰性气体（Kr、Xe）、气载放射性碘、137Cs烟羽等γ放射性核素［10］。这些射线的能量基本处于高气压电离室的能量响应平台区，能量响应对于量值准确性的影响可以忽略。高气压电离室与NaI探测器的几何结构均为对称设计，理论上其角响应偏差很小，有文献指出，高气压电离室角响应小于等于1.2%［11］。此外，高气压电离室与NaI探测器普遍安装在屋顶边缘处，客观上给角响应的测定也带来了难度。考虑其性能特点、使用需求与现场条件，高气压电离室与NaI探测器固定式γ辐射剂量在线监测装置的现场校准主要针对其剂量响应。

在实验室参考辐射场中，采用137Cs、60Co点源产生一个辐射场，距离点源较远处，可近似获得均匀的辐射场。然而现场环境空间有限，根据调研，部分钢框架结构监测站房可用校准距离甚至只有1 m左右，因此在有限的空间距离内解决均匀场问题是现场校准的技术关键。RSS-131型高气压电离室探测球直径为25 cm［12］，RS250型在线式NaI γ谱仪晶体大小为Φ7.62 cm×7.62 cm［7］，因此现场校准装置至少应当提供Φ25 cm的均匀辐射场。

3　现场校准装置

为实现固定式环境γ辐射剂量在线监测装置的现场校准，本研究自主研发了一款RZH-2015型环境辐射剂量现场校准装置，如图2所示。RZH-2015的核心组件为一个辐照装置，由一个137Cs点源（可更换为其他放射源）与一个半径45 mm的带束口的钨球组成。137Cs点源位于钨球中心，钨球束口打开后可在前方形成一个张角约为56°的锥形辐射场。辐照装置被固定在一个云台上。云台安装有多个激光测距元件与远程控制模块，用于精确定位并调整辐照装置与待校准设备之间的距离和相对角度。辐照装置正前方安装有一个可远程控制的辐射调档器，可将不同厚度的钨屏蔽片切换至辐照装置正前方，以改变辐射场强度，实现剂量响应校准。

图2　RZH-2015 环境辐射剂量现场校准装置

RZH-2015辐射场的空气比释动能率量值溯源至γ辐射空气比释动能标准装置，改变校准距离 （1～3 m）与钨屏蔽片，其量值可在0.74～34.86 μGy/h范围内变化。多次重复实验的结果显示，同一距离与同一钨屏蔽片条件下空气比释动能率量值的复现性在2.5%以内。为解决有限空间距离内辐射场的均匀性问题，本项目创新性地采用曲面屏蔽片，显著改善了近距离辐射场的均匀性，1 m远处Φ25 mm范围内辐射场相对差异不超过2.4%，可更好地满足校准需求。辐射装置距离地面1 m时，不同校准距离下，地面反散射效应的影响均不超过3%。

4　现场校准实例与结果分析

2015年11月，利用RZH-2015型环境辐射剂量现场校准装置对某核电站外围11个辐射环境监测站的11台高气压电离室与10台NaI γ谱仪进行了现场校准，其校准因子箱体图见图3。如图3所示，高气压电离室与NaI γ谱仪校准因子的25%～75%箱体区间分别为［0.94，1.07］与［0.88，1.11］，其校准因子中位数分别为0.98、0.93，校准因子均值分别为1.00、0.99。无论从准确性还是从稳定性上来说，高气压电离室表现均优于NaI γ谱仪，这是因为NaI γ谱仪主要功能为能谱采集，剂量率测量只是附带功能，且NaI闪烁体的能量响应相对较差。根据研究者多年从事校准工作的经验，本次现场校准结果的校准因子波动范围略大于以往同类产品的实验室校准结果，但整体基本吻合。这一方面可能是因为现场条件复杂，受多因素干扰，现场校准装置不确定度相对较大；另一方面也可能因为这些固定式剂量率监测仪在长期使用过程中性能有所下降。

图3　某核电站外围剂量率监测仪校准因子

总之，现场校准工作的顺利开展与校准结果的合理性均表明，研究开发的RZH-2015型环境辐射剂量现场校准装置对现场校准具有良好的适用性。从现场校准结果可以看出，使用中的固定式γ辐射监测设备有必要进行校准。

4　结语

固定式环境γ辐射监测结果的准确性对于环境与公众辐射安全保障至关重要。根据对辐射监测网络及核电站周围辐射监测站点现场情况深入细致的调研，并基于我国固定式环境γ辐射监测的基本现状，本项目设计研发了RZH-2015型环境辐射剂量现场校准装置和相关技术，为固定式环境γ辐射剂量在线监测设备的量值溯源提供了解决方案，并进一步完善了我国环境γ辐射监测量值溯源体系。

［1］ 刘华，赵顺平，梁梅燕，等. 我国辐射环境监测的回顾与展望［J］. 辐射防护，2008（06）：362-376.

［2］ 刘建，杨斌. 秦山核电基地外围环境γ辐射连续监测系统［J］. 辐射防护，2005（05）：296-304.

［3］ 全国核仪器仪表标准化技术委员会（SAC/TC 30）. GB/T 14054-2013，辐射防护仪器能量在50 keV～7 MeV的X和γ辐射固定式剂量率仪、报警装置和监测仪［S］.北京：中国标准出版社，2003.

［4］ 中国核工业总公司. GB/T 12162.1-2000，用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射（第一部分：辐射特性及产生方法）［S］. 北京：中国标准出版社，2001.

［5］ 高飞，肖雪夫，倪宁. 固定式环境γ辐射剂量率仪现场校准技术［J］. 原子能科学技术，2015，49（2）：212-217.

［6］ 中华人民共和国环境保护部. GB 6249-2011，核动力厂环境辐射防护规定［S］.北京：中国环境科学出版社，2011.

［7］ 曾广建，叶际达，马永福，等. 秦山核电基地外围环境γ辐射水平［J］. 辐射防护通讯，2006（02）：21-26.

［8］ 刘怡. 高气压电离室能量响应的模拟计算［J］. 辐射防护通讯，2009，29（1）：34-36.

［9］ 李锦玉，李桂珍，刘天恩，等. 用于环境辐射剂量测量的圆柱形高气压电离室对光子能量响应的测定［J］. 辐射防护，1983 （06）：430-434.

［10］ 国家环境保护总局. GB 11217-1989，核设施流出物监测的一般规定［S］. 北京：中国标准出版社，1990.

［11］ 郑国栋，宋建锋，杨维耿. 环境γ辐射连续监测系统数据分析及探讨［J］. 中国辐射卫生，2013（01）：85-87.

［12］ 宋建锋，胡丹，丁逊，等. 秦山核电基地第二代外围环境γ辐射连续监测系统运行10年回顾［J］. 核电子学与探测技术，2014 （01）：98-102.

Fixed environmental gamma radiation monitoring and its traceability

He Linfeng1， Zhao Chao1，2，Lu Xiaojun1， Xu Yihe1， Chen Jianxin1
（1. Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology； 2. Institute of Public Health， Fudan University）

This paper introduces the domestic current situation of the fixed environmental gamma radiation monitoring and the metrological performance of main monitoring devices as well as their traceability methods. Based on the on-site calibration demands for the monitoring devices， a reliable radiation feld is established within the limited space in the environmental radiation monitoring station， and an on-site calibration device for the environmental radiation dose monitoring ， namely RZH-2015， is developed. The research realizes the on-site calibration for high-pressure ionization chambers and NaI gamma spectrometers. The results of calibration experiments prove the applicability of the RZH-2015， which provides a solving scheme for the on-site traceability of the fxed environmental gamma radiation dose monitoring devices.

fxed gamma radiation monitoring； high-pressure ionization chamber； NaI gamma spectrometer； on-site calibration

国家质检总局科技计划项目（2015QK046），上海市质量技术监督局科技计划项目（2015-2x001）