云南宇宙射线响应结果分析及预测应用

武荣国

（云南省辐射环境监督站，云南 昆明 650032）

0 引 言

在天然环境中，宇宙射线γ辐射对人类外照射剂量的贡献约为30% ～50%[1]。测量宇宙射线对正确评价环境γ辐射剂量贡献具有重要的意义。

钢壁高气压电离室能量响应线性范围宽，测量灵敏度高，性能稳定，仪器测量结果具有很好的可比性，其测量值可作为宇宙射线测量的标杆。本文就云南省2008—2021年，用该仪器对境内的7个湖泊宇宙射线响应测量结果进行统计分析，结合理论，提出云南省对宇宙射线预测计算校正方法，并对该预测进行了验证，效果良好。

1 研究方法

1.1 测量条件与历史数据查阅

宇宙射线测量使用美国RSS-131型高气压电离室进行，按检定周期每年均按期进行检定。每年宇宙射线测量湖面环境条件均满足《HJ/T 61-2021 辐射环境监测技术规范》的测量要求，同步记录经纬度和海拔。2008—2020年测量数据来源于每年云南省辐射环境质量报告，2021年测量结果来源于监测报告，数值见表1[2]。

表1 云南省2008—2017年高压电离室宇宙射线剂量率测量结果

1.2 理论计算

岳清宇等人于20世纪80年代末提出了高压电离室测量宇宙射线剂量率与地磁纬度、海拔高度、测量年代的经验公式[3]。该计算方法写进《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》中。2021年生态环境部发布了《HJT 61-2021 辐射环境监测技术规范》，对宇宙射线计算提出了新的计算公式。本文按两种方法进行计算，并比较计算值与测量值差异，提出修正方法。

1.3 测量值与计算结果差异分析

调研历年相关研究论文资料，分析云南高原宇宙射线测量数据，结合《HJ/ T 61-2001 辐射环境监测技术规范》和《HJ 61-2021 辐射环境监测技术规范》中宇宙射线计算公式，比较两种计算方法与实测值差异，分析存在差异的原因，结合统计学分析，提出云南省宇宙射线测量修正计算方法。并对2019—2021年云南宇宙射线测量地点相关参数提出用修正计算方法结果与实测值进行对比分析。

2 结果与讨论

2.1 宇宙射线测量结果与计算结果分析

根据10年测量点位数据，按《HJ/T 61-2001辐射环境监测技术规范》计算，其中I0取值，按文献[3,4]进行（称“方法1”）；同时按《HJT 61-2021辐射环境监测技术规范》进行了计算（称“方法2”），两种计算与测量结果对比见表2。

从表2数据对比可以看出：实测值均比方法1计算值大，10年测量值与计算值的差值波动不大，平均为14.6nGy/h。因此，对于云南高原环境来说，尝试在文献[3]基础上进行修正后进行宇宙射线及仪器本底响应预测，即在计算结果的基础上+14.6作为预测模型[5]。即：

表2 云南省2008—017年宇宙射线剂量率测量值与计算值对比

按方法2计算结果可看出，计算结果与实测值之差有正有负，且差值波动较大，不宜用直接加修正值的方法进行修正。考虑到地磁纬度对宇宙射线影响，将每年测点地磁纬度与对应差值进行相关分析，绘制散点图如图1。

图1 地磁纬度与方法2计算值和测值之差的相关关系

从图1可见：地磁纬度与方法2计算值和测值差值间不是线性关系，而是呈多项式关系，按多项式的三次方回归得到回归方程为：

式中：ΔD—方法二测量值与计算值差值；γm—地磁纬度。

因此，对云南省高原宇宙射线测量结果，按《HJT 61-2021 辐射环境监测技术规范》附录D计算公式，再加上式（2）进行修正，得出云南省宇宙射线预测计算模型如下式（3）：

式中：D宇（0）—计算点所在海平面处宇宙射线电离成分所致空气吸收剂量率，nGy/h；当γm≤30N时，取30，当γm＞30N时，取32。

2.2 计算值与实测值存在差值的原因分析

云南高原宇宙射线测量值平均比《HJ/T 61-2001辐射环境监测技术规范》推荐的计算公式计算结果平均高14.6nGy/h，且差值比较稳定。

据文献[1]，地面上宇宙射线辐射场具有周期性（11年），而在淡水湖面宇宙射线测量结果中，除宇宙射线外测量结果还包含了：① 测量点空气和水中γ照射剂量率［包括：由于宇宙射线在大气中的正负电子湮没产生的γ辐射（511keV）、Th系中228Ac产生的γ辐射（911.968keV）、U系中的214Bi产生γ辐射（1.12MeV）、水中40K产生辐射］；②测量人员的40K贡献；③仪器自身的本底；④水面空气中氡及子体的剂量率贡献。上述①～③项之和为3.9nGy/h。该数据是根据我国20世纪80年代末期岳清宇等人在华北大型水库上测量结果及结合高空探空气球测量结果进行分析总结得出[3]。

本次研究所进行的测量数据，使用仪器类型与文献[1]一致，测量人员的40K贡献与文献[1]条件一致（距离约0.5 m），但测量点空气和水中γ照射剂量率可能会有所不同：云南湖泊海拔远比文献[1]测量的湖泊高，宇宙射线在大气中的正负电子湮没产生γ辐射（511keV）的剂量贡献应该比文献[1]大，空气中Th系中228Ac产生的γ辐射（911.968keV）、U系中的214Bi产生γ辐射（1.12MeV）、水中40K产生辐射的剂量率贡献也有差异；本次研究使用仪器为美国产RSS-131型高压电离室仪器自身本底，根据云南省辐射站参与环保部组织在四川锦屏地下超低本底实验室测量结果为2.0nGy/h，是文献[1]数据0.24nGy/h的8.3倍。因此，本次研究的测量条件中除测量人员的40K贡献与文献[1]条件一致外，其它环境条件均有不同。

对空气中氡及子体的剂量率贡献，文献[1]没有研究结果，本次由于条件所限也没有。国内外的相关研究很少，文献[6]报导在强混合、正常湍流、弱混合和强逆温几种气象条件下在地面高1 m处氡及子体γ射线产生照射的剂量率分别为0.52nGy/h、1.22nGy/h、2.62nGy/h、12.22nGy/h，相差很大。关于室外氡浓度，文献[9]给出全国测量值范围为（3.9～48.7）Bq/m3，相差约12.5倍；云南2016—2020年16个州市氡浓度（累积测量）研究性监测结果显示，各州市城区多年平均值为（25.1～41.5）Bq/m3，全省多年平均值为32.4Bq/m3[8]。

通过对比本次研究和文献[1]测量条件，可以看出，测量仪器自身本底、空气中氡浓度、测量点空气和水中γ照射剂量率贡献差异可能是导致云南省测量结果与文献[1]计算结果有14.6nGy/h差异的主要原因。

实测值与《HJT 61-2021 辐射环境监测技术规范》附录的计算公式比较，其差值比《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》计算结果小，即计算结果更接近于测量值，但测量值与计算值之差变动较大，差值变化不是简单的线性关系而是呈多项式。其原因个人认为：《HJT 61-2021 辐射环境监测技术规范》附录的计算公式，仅单纯以地磁纬度是否＞30°N确定D（0）宇的具体数值，对地磁纬度的影响考虑偏简单。

2.3 云南部分高原湖泊宇宙射线测量结果的预测与模型的验证

根据上述公式（1）和公式（3）对2019年、2020年通海杞麓湖、2021年昆明滇池宇宙射线响应值[7]进行了预测计算，计算结果与实测值比较见表3。

从表3监测数据与预测结果对比可以看出：对于云南高原湖泊宇宙射线测量而言，按本文中的修正方法对《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》和《HJ 61-2021 辐射环境监测技术规范》附录中的计算公式进行修正后，均有很好的预测效果，预测结果与实测值非常接近，说明两种经修正后的计算方法均有较好的预测效果。

表3 云南省杞麓湖、滇池宇宙射线响应值预测与实测值比较

2.4 结论与讨论

（1）云南省多年宇宙射线实测值与《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》附录计算公式计算结果平均相差14.6nGy/h。测量仪器自身本底、空气中氡浓度、测量点空气和水中γ照射剂量率贡献与文献[3]测量条件差异是主要原因。

（2）从以上计算结果与实测值比较来说，《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》附录计算公式与《HJT 61-2021 辐射环境监测技术规范》附录计算公式结果与实测值均有明显差异，且这种差异非测量误差造成。

（3）《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》附录计算公式是我国在20世纪80年代进行的测量结果，测量时间长，主要在我国华北地区湖面进行测量，结合探空气球携带仪器的测量结果分析总结出的经验公式，公式中考虑了地磁纬度、海拔高度及太阳活动对宇宙射线的调制影响。《HJ 61-2021 辐射环境监测技术规范》附录计算公式源于UNSCEAR2000报告中的经验公式。公式中考虑了海拔高度和地磁纬度影响，对地磁纬度影响考虑得比较简单。

（4）采用本文提出的《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》附录计算公式修正值和《HJT 61-2021 辐射环境监测技术规范》修正后的计算公式，其结果与实测值均有较好的符合性。但《HJ/T 61-2001 辐射环境监测技术规范》已经废止，如采用《HJT 61-2021 辐射环境监测技术规范》附录中的公式计算经修正后使用，更符合云南高原湖泊宇宙射线测量实际情况。

（5）本文研究结果仅限于在云南高原湖泊中测量结果，地点包括了九大高原湖泊中的六个，研究结果可用于高原地区环境γ辐射剂量率测量结果评价参考。也为高原宇宙射线γ辐射测量工作提供参考，在其它地区适用性尚待研究。