地面放射性测量模型γ剂量率值空间分布规律研究

欧阳游张长兴刘姗姗杜晓立孙 陶

（核工业航测遥感中心，石家庄 050002）

1 引 言

地面放射性测量模型标准装置（简称地面模型）是20 世纪80年代根据IAEA174 号报告和309号报告研建的用于校准便携式γ 能谱仪、γ 辐射仪的计量装置，目前为国家授权、国防许可的计量标准。 为扩展地面模型的应用领域，使地面模型兼用于γ 辐射环境监测。 1999年～2001年，在项目支持下，通过高压电离室实测、HPGe γ 谱仪实测G（E）函数法计算和蒙特卡罗法（MC）理论计算等方法，确定了地面模型的空气吸收剂量率标准值（简称剂量率），建立了用于校准γ 辐射剂量率仪的饱和体源计量标准。

现有地面模型标准量值上限的设置是受限于过去铀矿地质勘查要求和模型建造工艺等因素，地面模型铀的含量上限仅为0.03 %，只达到了铀矿工业开采的边界品位；而钾模型主要是以往采用天然钾长石作为主要原材料，其钾含量一般在10 %左右。 因此，以钾长石为主要原材料建造的地面模型钾含量一般最高不超过7 %，比天然环境本底的钾含量略高点。 现有地面模型空气吸收剂量量值总体分布不均，且大多数接近于环境本底，量值上限不高，对现有宽量程环境辐射监测仪器的校准无法全量程覆盖，影响了环境高辐射水平监测结果的可比性。 为拓展地面模型量值上限，2016年～2018年新研建了钾含量30 %（YK3）和铀含量1 %（YU4）的两个模型，并通过实验室样品分析、模型上实测等方法，确定了模型量值。

2 模型简介

地面模型是饱和体源，能在平面和垂向上模拟无限延伸地质体，含钾、铀、钍、混合和本底，共5类，包含12 个饱和地面模型体源和配套标准仪器。每个模型由已知含量的天然放射性铀、钍、钾矿粉和低本底石英砂、水泥混合浇注而成，形状为直径220 cm、高60 cm 的圆柱体，重约5 t，如图1所示，模型中天然放射性元素分布均匀、含量已知，根据主次元素不同分别命名为铀（YU1、YU2、YU3）、钾（YK1、YK2）、钍（YTh1、YTh2）、混合（YM1、YM2、YM3）和本底（YB1、YB2）。 地面模型虽属于饱和模型，但因各种仪器形状、外壳厚度不同，导致探测器参考点（线）相对模型中心点（校准点）存在一定偏差，研究确定模型表面及不同高度上剂量率分布规律，对环境γ 剂量率仪量值的准确传递至关重要。

图1 地面模型结构图Fig.1 Structure diagram of the calibration pad

3 模型表面水平方向坪区研究

以模型表面几何中心位置为参考点，沿模型直径方向，共设8 条测线，相邻两条测线的夹角为22.5 °，距模型参考点位置距离为0 cm，10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm，60 cm，70 cm，80 cm，90 cm，100 cm，110 cm 处设点测量，如图2所示。 测量仪器为BH3103B 型环境X、γ 剂量率仪，测量高度为3.0 cm，测量结果（此结果为仪器测量示值而非真值）如表1、表2、图3和图4所示。

表1 YK3 坪区剂量率仪测量结果统计表Tab.1 Statistical table of measurement results of dose rate meter in YK3 plateau zones

表2 YU4 坪区剂量率仪测量结果统计表Tab.2 Statistical table of measurement results of dose rate meter in YU4 plateau zone

图2 地面模型表面水平方向测量点示意图Fig.2 Schematic diagram of horizontal measuring points on surface of the calibration pad

从图3和图4可以看出，远离模型表面中心位置的剂量率较低，随着中心点的接近，剂量率逐渐上升。 对于ϕ75 mm×82 mm 塑料闪烁体的环境X、γ 剂量率仪，YK3 和YU4 测量坪区以参考点半径约40 cm 和50 cm 范围内，在坪区内剂量率变化均不大于0.6 %，如表3所示。

表3 YK3 和YU4 坪区内剂量率变化情况Tab.3 Changes of dose rate in YK3 and YU4 plateau zones

图3 剂量率仪测量YK3 坪区曲线图Fig.3 The curve of YK3 plateau zone was measured by dose-rate meter

图4 剂量率仪测量YU4 坪区曲线图Fig.4 The curve of YU4 plateau zone was measured by dose-rate meter

因此，水平方向距模型表面中心位置一定范围内，量值相对稳定，一般进行仪器校准时，仪器探测器中心点在模型中心点正上方，即使略有偏差，也不会对结果造成影响。

4 模型参考点及量值确定

4.1 模型参考点确定

在实际测量工作中，通常采用1 m 标准监测高度上的照射量率或空气吸收剂量率来衡量天然辐射体上方的环境电离辐射水平。 但地面模型几何尺寸有限，为了在地面模型上校准环境电离辐射仪表时尽可能接近2π 测量条件，通常将环境电离辐射仪表的探测器直接置于模型表面进行校准，国内外现有的环境电离辐射仪表探测器几何中心到底面的高度一般在3.0 cm～6.0 cm 之间，将它们置于地面模型（ϕ2.2 m×0.6 m）表面中心点时，电离辐射体源对探测器所张立体角为1.93π ～1.97π，相对于2π 测量条件的电离辐射饱和度在97.9 %～99.1 %之间。

从理论上讲，很难直接得到电离辐射体源计量标准模型的表面中心点（即表面0 m 处）空气吸收剂量率的量值，蒙特卡罗（MC）理论计算只能无限趋于表面0 m 高度。 以原有的YU1 和YK1 的蒙特卡罗模拟计算的不同高度曲线为例来分析，0 cm～3.0 cm 高度的空气吸收剂量率与高度曲线明显发生畸变，且这种畸变对不同的主导元素的模型体源差异较大，如图5和图6所示。

图5 YU1 模型空气吸收剂量率的MC 计算值与实测值比较曲线图Fig.5 Comparison diagram between MC calculated value of YU1 air absorbed dose rate and measured value

图6 YK1 模型空气吸收剂量率的MC 计算值与实测值比较曲线图Fig.6 Comparison diagram between MC calculated value of YK1 air absorbed dose rate and measured value

因此，3.0 cm 高度以下的定值结果没有实际意义。 造成这种现象的主要原因是在靠近模型体源表面时，来自模型体源内部的γ 射线的能量衰减主要是模型体源内部的自吸收，γ 射线在空气中的衰减已不是主要影响因素，而γ 射线在介质内部的自吸收除与γ 射线的能量有关，还与介质的物质成分、物性参数有着及其密切的关系。

目前，用于铀矿地质勘查的仪器，大多数的探测器几何中心线距离模型表面中心点的距离为3.0 cm左右，选择距离电离辐射体源计量标准装置表面上方3.0 cm 高度的空气吸收剂量率或照射量率作为电离辐射体源计量标准装置的基本标准值，既可以避免因距离模型体源表面太近而受模型和仪器本身自吸收带来的影响，同时这一高度与各类环境电离辐射仪表探测器的实际高度基本一致，可以有效减小几何修正引入的误差。

新研建的铀模型YU4 和钾模型YK3 在几何尺寸、密度等物性参数，及模型表面密封材料与原地面放射性测量模型基本一致。 因此，选择铀模型YU4 和钾模型YK3 以模型表面几何中心点3.0 cm高度为量值参考点，这样可以避免因距离模型体源表面太近而受模型体源和仪器自身自吸收带来的影响，这一高度与各类环境辐射仪探测器实际高度基本一致，而且与现有地面模型量值参考点也保持一致。

4.2 模型参考点量值的确定

采用三成分法和高气压电离室实测法给模型定值，由于两种方法彼此独立，定值结果不确定度接近，故模型YU4 和YK3 的空气吸收剂量率定值结果用两种方法的算术平均值确定。

由辐射体中天然放射性元素铀、钍、钾含量换算成地面上方空气吸收剂量率的方法简称三成分法，距离地面上方处的空气吸收剂量率可按式（1）计算：

式中：S，S，S——钾、铀、钍的在模型表面3.0 cm高处的换算系数，分别为10.786 nGy·h／%，4.666 nGy·h／10，2.1515 nGy·h／10；Q，Q，Q——模型的钾、铀、钍含量，%，10，10。

式（1）中通过蒙特卡罗法来计算不同放射性核素在地面模型表面上方3.0 cm 高度的空气吸收剂量率，通过最小二乘法与地面模型已知的放射性核素含量拟合得到单位放射性核素含量的空气吸收剂量率，即单位含量放射性核素钾、铀（U ＋Ra）、钍在模型表面3.0 cm 高处的空气吸收剂量率换算系数。 YU4 和YK3 空气吸收剂量率三成分法定值结果如表4所示。

表4 YK3 和YU4 空气吸收剂量率定值结果Tab.4 Changes of dose rate in YK3 and YU4 plateau zones

高气压电离室（型号：RS－S131－ER000）校准结果溯源至国防科技工业电离辐射一级计量站，高气压电离室校准因子为1.01，高气压电离室实测模型空气吸收剂量率按式（2）进行计算。 用高气压电离室测量模型YU4、YK3 的空气吸收剂量率，高气压电离室探测器有效几何中心线距模型表面几何中心点0 cm 高度处的距离为19.15 cm。

式中：——距地面模型表面19.15 cm 高度处的空气吸收剂量率，nGy·h；——修正因子，1.01；——高气压电离室地面模型空气吸收剂量率测 量 结 果， nGy·h； N——环 境 综 合 本 底，nGy·h。

根据4.2 节测试研究成果，表明模型表面中心点γ 辐射场分布是按指数规律分布的，其上方空气吸收剂量率随高度的修正按式（4）进行计算。 YU4和YK3 空气吸收剂量率高气压电离室实测法定值结果如表4所示。 用两种方法对模型定值，可得：在参考点3.0 cm 上的剂量率分别为320.8 nGy·h和4.3 ×10nGy·h。

5 不同高度γ 辐射剂量率分布规律研究

5.1 测试方法及仪器

用地面模型校准环境γ 剂量率仪时，虽大多数探测器几何中心线距离模型表面中心位置的距离为3.0 cm 左右，但仍还有许多大型仪器和绝大多数高气压电离室的探测器几何中心线远大于3.0 cm，为了使模型所确定的量值满足各种仪器的量值传递需要，有必要对模型表面中心点上方γ 辐射场分布规律进行测试。 以模型表面几何中心为参考点，测量范围5 cm～120 cm，每隔5.0 cm 设点测量。 测试结果均用检定证书提供的校准因子进行修正。

测试仪器共计5 台，包括高气压电离室1 台，环境γ 剂量率仪4 台。 4 台环境γ 剂量率仪均在地面模型上依据JJG（军工） 43—2014 检定合格，高气压电离室溯源至国防科技工业电离辐射一级计量站，测试仪器统计及其测量参数如表5和表6所示。

表5 测试仪器统计一览表Tab.5 List of test instrument statistics

表6 测试仪器测量参数一览表Tab.6 List of measuring parameters of testing instruments

5.2 不同高度γ 辐射场测试研究

在模型参考点上方空气吸收剂量率的测量结果与模型的半径、探测器有效几何中心距模型参考点的高度有关，即在模型半径尺寸不发生变化的情况下探测器有效几何中心距模型表面几何中心的高度越高，相对于2π 测量条件的电离辐射饱和度越小。 根据测量仪器探测器的有效几何中心线至模型参考点的高度和模型半径，按式（3）计算得到几何修正系数P。 再利用几何修正系数对实测计数率进行几何修正，可得到等效于相应模型体源在平面上无限延伸时测得的计数率，在实际测量中按式（4）将不同高度的空气吸收剂量率的测量结果修正到3.0 cm 高度。

式中：P——几何修正系数；——探测器有效几何中心线分别至模型体源表面中心点连线和模型体源表面边界点连线的夹角，（°）。

式中：——3.0 cm 高度的空气吸收剂量率，nGy·h；N——高度的空气吸收剂量率，nGy·h；——饱和模型体源的半径，cm；——探测器几何中心到饱和模型体源表面的距离，cm；。

从式（4）和5 台仪器的测量结果（如表7和表8所示）可以看出，模型参考点上方γ 辐射场程非线性变化，γ 辐射场的变化符合指数变化规律，如图7和图8所示，从图中可看出，在120.0 cm 高度范围内，由于YU4 空气吸收剂量率高，环境综合本底对仪器的测量结果影响相对较小，YU4 正上方不同高度空气吸收剂量率仪器实测结果与理论计算结果相对偏差在2 %范围以内；而YK3 空气吸收剂量率低，受环境综合本底影响较大，测量最佳高度范围在40 cm 内，此时YK3 正上方不同高度空气吸收剂量率仪器实测结果与理论计算结果相对偏差在3 %范围以内，主要原因是YK3 空气吸收剂量率低，受环境综合本底影响较大，YU4 空气吸收剂量率高，受环境综合本底影响小。 而绝大部分的环境电离辐射仪表的探测器几何中心到底面的高度一般不超过40 cm，因此，新建YU4 和YK3 正上方不同高度的空气吸收剂量率量值可以按理论计算结果使用。

图7 YU4 参考点上方不同高度γ 剂量率实测结果曲线图Fig.7 The curve of measured results of γ dose rates at different heights above YU4 reference point

图8 YK3 参考点上方不同高度γ 剂量率实测结果曲线图Fig.8 The curve of measured results of γ dose rates at different heights above YK3 reference point

表7 YU4 参考点上方不同高度γ 剂量率实测结果统计Tab.7 Statistics of measured results of γ dose rates at different heights above YU4 reference point

表8 YK3 参考点上方不同高度γ 剂量率实测结果统计Tab.8 Statistics of measured results of γ dose rates at different heights above YK3 reference point

对YK3 上测量结果的平均值进行拟合，可得＝35706（＝0.998 7），如图9所示；对YU4 上测量结果的平均值进行拟合，可得＝48243（＝0.999 6），如图10 所示。

图9 YK3 参考点上方不同高度γ 剂量率实测结果平均值曲线图Fig.9 The curve of average value of measured γ dose rates at different heights above YK3 reference point

图10 YU4 参考点上方不同高度γ 剂量率实测结果平均值曲线图Fig.10 The curve of average value of measured γ dose rates at different heights above YU4 reference point

6 结束语

综上所述，通过对新研建YK3 和YU4 地面模型的γ 剂量率值空间分布规律进行研究，确定了水平方向和垂直方向剂量率值的变化规律，为环境电离辐射计量仪器的检定／校准提供了可靠的计量保证，解决了用天然辐射模型体源校准高量程环境辐射监测仪器的问题，为铀资源勘查、铀矿采冶、矿山退役、放射性废渣治理等领域提供了计量技术保障。