不同测量方法对环境γ辐射空气吸收剂量率测量结果的影响分析

许文琴 陈加涛 陈晓云 徐云凤 龙 庚

(黔东南州辐射环境监测站，贵州 凯里 556000)

辐射包括天然本底水平和人为实践活动引起的环境辐射水平变化，环境陆地γ辐射空气吸收剂量率参数是用于评价环境中辐射水平优劣程度的指标之一，是辐射环境监测工作的重要组成部分。环境γ辐射空气吸收剂量率可通过连续累积和即时(瞬时)等方式开展测量[1]。

连续累积测量方法是将热释光(TLD)探测器在野外环境布放一段时间，收回后用热释光剂量读出器测量环境γ辐射累积剂量的一种方法。热释光作为一种固体发光的物理现象，在辐射防护和其他领域的应用越来越广泛。简单地说，就是热释光(TLD)探测器，在环境中不断吸收和累积能量，该探测器在热释光剂量读出器中加热，能量会以光子的形式释放(以计数为单位)，释放光子强度与吸收的辐射剂量成线性关系。选取标准辐射场赋予热释光(TLD)探测器已知辐射剂量，通过热释光读出器测量光子强度，可得出热释光剂量读出器+(TLD)探测器剂量测量系统的刻度因子，由此就可对未知辐射剂量的环境开展监测[2]。热释光(TLD)探测器受环境影响因素小，其灵敏度较高，测量范围宽，在辐射环境和个人剂量监测及核医学研究方面应用较为普遍。目前(TLD)探测器类型主要有LiF(Mg，Cu，P)、LiF(Mg,Ti)，LiF(Mg，Cu，P)具有灵敏度高，组织等效性好的优点，广泛用于个人和环境累积剂量监测。即时(瞬时)测量方法是用各种便携式γ剂量率仪直接测量出点位上的γ辐射空气吸收剂量率值[3]，具备测量快速、准确度高、便携等特点。

1 测量仪器、方法及要求

1.1 测量仪器

1.1.1 测量仪器设备溯源

开展环境γ辐射空气吸收剂量率测量前，将测量仪器设备送有资质的部门进行检定/校准，合格后方可开展工作，测量过程中仪器设备均在检定/校准有效期内。

(1)连续累积测量仪器设备

环境γ辐射空气吸收剂量率连续累积测量使用BR2000D型热释光剂量读出器，测量系统稳定性小于等于0.2%，加热温度重复性小于等于1%，加热温度偏差小于等于±1℃，加热速率1～40℃/s。TLD-2000B型远红外精密退火炉，专为热释光(TLD)探测器退火的装置，其特点是温度控制较精确，性能稳定可靠，远红外加热，温度范围：0～400℃任意设定，精度±0.5%满刻度。热释光(TLD)探测器，材质为LiF(Mg，Cu，P)圆形片状，其属于无源固体积分式探测器。其特点是体积小(空间分辨率高)、有效原子序数接近于空气和人体组织、不受电磁辐射的干扰、测量量程宽、可探测下限低、复现性能好[4]，主要技术参数如表1。

(2)即时(瞬时)测量仪器设备

环境γ辐射空气吸收剂量率即时(瞬时)测量使用便携式FH40G+FHZ672E-10型高灵敏度环境级γ剂量率仪，该仪器具有极宽的能量响应和极高的灵敏度，γ辐射空气吸收剂量率剂量率指示固有误差，不大于15%。

仪器设备及主要技术参数表1。

表1 不同方法测量所用仪器设备技术参数表

1.2 测量方法

参照《环境γ辐射剂量率监测技术规范》(HJ1157-2021)，《辐射环境监测技术规范》(HJ61-2021)，《个人和环境监测用热释光剂量测量系统》(GB/T10264-2014)相关技术规范执行。

1.3 测量要求

连续累积和即时(瞬时)测量环境γ辐射空气吸收剂量率测量时，无法避免宇宙射线致电离成分对仪器设备探测器的辐射贡献，环境γ辐射空气吸收剂量率测量值中包含了设备对宇宙射线响应值，不同类型仪器设备探测器对宇宙射线响应值有所不同，为使不同类型探测器测得的环境γ辐射剂量率的结果可比较，方便剂量评价，连续累积和即时(瞬时)测量结果均应扣除仪器设备探测器对当地宇宙射线响应贡献。

1.3.1 连续累积测量要求

环境γ辐射空气吸收剂量率测量，使用一批均匀性在5%以内的LiF(Mg，Cu，P)探测器若干，在TLD-2000B型远红外精密退火炉中240℃退火10min，冷却后，装入具有防水、防潮、防尘的个人剂量计(密封盒内)，样品通过低本底铅箱快速运输至测量点位后，样品布放在即时(瞬时)测量点位附近的树枝上，LiF(Mg，Cu，P)探测器悬挂以距离地面1～2m为宜，放置时间1季度(约90天)为一个周期累积采样，采样周期结束后，收回的LiF(Mg，Cu，P)探测器用铅箱运回实验室进行测量，即可得到各测量点的环境γ辐射累积剂量。

1.3.2 即时(瞬时)测量要求

手持仪器或将仪器固定在三脚架上，监测前，仪器开机预热不少于15min，保持仪器探头垂直朝下，探头中心距离测量点位地面(基础面)为1m，仪器读数稳定后，以约10s的间隔读取/选取10个数据，记录在测量原始记录表，经过数据处理，即可得到测量点位环境γ辐射即时(瞬时)剂量率值。

1.3.3 设备(或探测器)对宇宙射线响应测量要求

在测量热释光(TLD)探测器对宇宙射线响应时，采用与环境监测时同样材质的LiF(Mg，Cu，P)探测器若干，经过与环境测量探测器一样的退火处理后，用铅箱装载快速运至淡水湖(库)水深大于3m，距岸边大于1km的中央水面布放，布放时间不少于3个月。收样时，用铅罐装载热释光(TLD)探测器，立即运回实验分析室，用BR2000D型热释光剂量读出器测量，这批LiF(Mg，Cu，P)探测器的测量均值Xc(包含探测器本底)近似等于该探测器在水面布放期间的宇宙射线累积响应值，根据测量点位的经纬度和海拔高度，可计算出LiF(Mg，Cu，P)探测器在不同海拔高度测量点的宙射线响应值。

在测量便携式仪器设备探测器对宇宙射线响应时，选择黔东南州内淡水湖(库)水深大于3m、距岸边大于1km的中央水面，测量乘坐的船只应选取木质、玻璃钢或橡胶材质的船体，测量时人远离监测探头，探头伸出船体，尽量靠近水面，最大限度的减少测量误差。正常测量均选择天气晴朗的情况下进行，读数间隔为10s，至少读取50～100个数据，取其平均值为该点的测量值，根据环境γ辐射测量点位的经纬度和海拔高度，可计算出便携仪器设备探测器在不同海拔高度测量点的宙射线响应值[5]。

2 测量点位布设

环境γ辐射空气吸收剂量率测量点位在黔东南州各县(市)分别设1个，共设16个环境γ辐射测量点位，主要设在不易受人为活动影响，地势平坦、开阔的地方，如污水处理厂、气象局、饮用水源地等。

连续累积和即时(瞬时)测量宇宙射线响应测量点位布设在锦屏县三板溪水库中央。

3 质量保证

监测人员均经过考核，取得上岗证，掌握便携式设备和热释光剂量读出器的操作规程。

所用LiF(Mg，Cu，P)探测器为经一致性筛选后的新片，与送检为同一批次，设备确保在检定/校准周期内，并以热释光读出器的光源计数参数开展期间核查，绘制质量控制图。高灵敏度环境γ辐射剂量率仪在检定期内，在能够保持稳定的室内辐射场定期对便携式高灵敏度环境γ辐射剂量率仪，以1次/月开展测量，绘制质量控制图，检验环境γ辐射剂量率测量仪器工作状态的稳定性。

测量仪器按规定开展期间核查。

现场测量和挂片点位标注明确，具有可重现性。

4 数据处理方法

4.1 环境γ辐射空气吸收剂量率测量结果计算

(1)累积连续测量法环境γ辐射空气吸收剂量率测量结果计算

式中：

D—测点处环境γ辐射累积剂量测量结果，mSv；

Cf—热释光剂量探测器的刻度因子，由法定计量部门校准时给出；

X—实际监测时某一布放点热释光剂量探测器测量读数的平均值，mSv；

T—实际监测时的布放时长；

Tc—水面上的布放时长；

X′c—实际布放点处热释光剂量探测器的宇宙射线累积剂量响应值，mSv；

K—参照JJG393，使用137Cs为检定参考辐射源，换算系数取1.20Sv/Gy。

(2)即时(瞬时)测量法环境γ辐射空气吸收剂量率测量结果计算

式中：

K1—仪器检定/校准因子；

K2—仪器检验源效率因子[k2=A0/A(当0.9≤K2≤1.1时，对结果进行修正；当k2<0.9或k2>1.1时，应对仪器进行检修，并重新检定/校准)，其中A0、A分别是检定/校准时和测量当天仪器对同一检验源的净响应值(需考虑检验源衰变校正)；如仪器无检验源，该值取1]；

Rγ—仪器测量读数值均值(空气比释动能和周围剂量当量的换算系数参照JJG393，使用137Cs和60Co作为检定/校准参考辐射源时，换算系数分别取1.20Sv/Gy和1.16Sv/Gy)，Gy/h；

K3—建筑物对宇宙射线的屏蔽修正因子，楼房取0.8，平房取0.9，原野、道路取1；

X′c—测点处宇宙射线响应值，nGy/h。

4.2 宇宙射线修正计算

式中：

K1—仪器检定/校准因子；

K—参照JJG393，使用137Cs为检定参考辐射源，换算系数取1.20Sv/Gy。

式中：

D宇=D宇(0)[0.21e-1.649h+0.7e0.4528h]

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；

h—计算点的海拔高度，km；

λm—计算点的地磁纬度，N；

地磁纬度由计算点的地理纬度λ和地理经度φ按下式计算：

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

4.3 有效数字和修约规则

《辐射环境监测技术规范》(HJ61-2021)中规定，在对监测数据进行计算时，有效数字位数一般可多留几位。结果最终报出的有效数字位数，应限制在一个合理范围内，即实际的相对误差与有效数字位数反映的相对误差限要相当；对于一般环境辐射水平的测量结果，取2～3位有效数字，测量误差取1～2位有效数字。在实际测量工作中还应考虑测量仪器的精密度、准确度和读数误差[6]。

5 测量结果

5.1 仪器探测器对宇宙射线响应的测量结果

BR2000D型热释光剂量读出器+LiF(Mg，Cu，P)探测器连续累积测量方法在锦屏县三板溪水库测点对宇宙射线响应累积剂量范围为7.66×10-3～8.74×10-3mSv， 平均值为8.20×10-3mSv，累积时间2592h，根据本文4.1中累积连续测量法环境γ辐射空气吸收剂量率测量结果计算公式，得出BR2000D型热释光剂量读出器+LiF(Mg，Cu，P)探测器的宇宙射线γ辐射空气吸收剂量率值范围为25～28nGy/h，平均值为26nGy/h。便携式FH40G型高灵敏度环境γ辐射剂量率仪在同一湖(库)测量点处的所有有效监测数据平均值为该设备在该测点的宇宙射线响应值,便携式仪器FH40G型探测器在三板溪水库中央测量点处γ辐射空气吸收剂量率值范围为12～16nGy/h，平均值为14nGy/h。不同方法选用仪器探测器在同一点位对宇宙射线响应测量结果如表2所示。

表2 仪器设备探测器在湖(库)水面处对宇宙射线响应测量结果

5.2 测量点位对宇宙射线响应计算结果

表3 黔东南州16县(市)测量点位处不同方法选用仪器探测器对宇宙射线响应贡献值计算结果(nGy/h)

5.3 不同测量方法对环境γ辐射空气吸收剂量的监测结果

根据黔东南州16县(市)测量点位的监测结果，结合连续累积和即时(瞬时)测量方法在各测量点位处仪器探测器对宇宙射线响应值的计算结果进行统计,得出黔东南州16县(市)测量点位处，未扣除宇宙射线响应值和扣除宇宙射线响应值的环境γ辐射空气吸收剂量率统计结果，如表4所示。环境γ辐射空气吸收剂量率未扣除方法选用仪器在各测量点位处的宇宙射线响应前，连续累积测量和即时(瞬时)测量范围分别为75～135nGy/h和63～130nGy/h。环境γ辐射空气吸收剂量率扣除方法选用仪器设备在各测量点位处的宇宙射线响应值后，连续累积测量和即时(瞬时)测量结果范围为28～83nGy/h和34～94nGy/h。

6 结果分析

根据表5，可看出，在锦屏县三板溪水库中央测点处宇宙射线响应γ辐射空气吸收剂量率测量结果：BR2000D型热释光剂量读出器+LiF(Mg，Cu，P)探测器连续累积测量方法结果为26nGy/h，便携式FH40G型高灵敏度环境γ辐射剂量率仪即时(瞬时)测量方法结果为14nGy/h，两种方法的相对平均偏差为60.0%，连续累积与即时(瞬时)测方法在同一测量点位处对宇宙射线响应的结果相差大。

表5 不同测量方法和不同仪器设备在同一水库对宇宙射线响应的测量结果(nGy/h)

根据表4，黔东南州16县(市)各测量点位未扣除宇宙射线响应值的环境γ辐射空气吸收剂量率结果数据，绘制连续累积和即时(瞬时)测量方法结果对比图，如图1所示。环境γ辐射剂量率测量点位共16个，测量结果未扣除宇宙射线响应值时，连续累积测量方法结果高出即时(瞬时)测量方法结果的测量点位数量15个，占比93.7%，整体趋势是连续累积测量方法结果大部分点位高出即时(瞬时)测量方法结果。

图1 未扣宇宙射线响应，连续累积和即时(瞬时)测量环境γ辐射空气吸收剂量率结果比对图(测量点位序号及点位对应见表4)

表4 黔东南州16县(市)各测量点位处环境γ辐射空气吸收剂量率结果(nGy/h)

根据表4，黔东南州16县(市)各测量点位扣除宇宙射线响应值的环境γ辐射空气吸收剂量率结果数据，绘制连续累积和即时(瞬时)测量方法结果对比图，如图2所示。环境γ辐射剂量率测量点位共16个，测量结果扣除宇宙射线响应值后，连续累积测量方法结果低于即时(瞬时)测量方法结果的测量点位数量14个，占比87.5%，整体趋势是连续累积测量方法结果小于即时(瞬时)测量方法结果。

图2 扣除宇宙射线响应值，连续累积和即时(瞬时)测量环境γ辐射空气吸收剂量率结果比对图(测量点位序号及点位对应见表4)

7 结论

根据上述分析结果，得出如下结论：

(1)环境γ辐射空气吸收剂量率测量时，不同的测量方法选用仪器设备对宇宙射线响应值不同而导致环境γ辐射空气吸收剂量率测量结果不同。

(2)在利用连续累积和即时(瞬时)测量方法测量时，未扣除测量方法选用仪器设备在各测量点位处的宇宙射线响应值时，环境γ辐射空气吸收剂量率整体趋势是连续累积测量结果大于即时(瞬时)测量结果；扣除测量方法选用仪器设备在各测量点位处的宇宙射线响应后，环境γ辐射空气吸收剂量率整体趋势是连续累积测量结果小于即时(瞬时)测量结果。

(3)不管是用连续累积或即时(瞬时)测量方法开展环境γ辐射空气吸收剂量率测量时，应扣除测量方法选用仪器探测器对宇宙射线的响应值，得出测量点位处环境陆地γ辐射空气吸收剂量率，这样才能更好的对当地环境辐射水平进行评价和比对。