固定式環(huán)境 γ 輻射監(jiān)測及其量值溯源*

何林鋒趙超,2陸小軍徐一鶴陳建新/ . 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院；2. 復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院

固定式環(huán)境 γ 輻射監(jiān)測及其量值溯源*

何林鋒1趙超1,2陸小軍1徐一鶴1陳建新1/ 1. 上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院；2. 復(fù)旦大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院

介紹了我國固定式環(huán)境γ輻射監(jiān)測的現(xiàn)狀以及主要監(jiān)測設(shè)備的計(jì)量性能和量值溯源方法?；趯χ饕O(jiān)測設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)需求，在固定式環(huán)境γ輻射自動監(jiān)測站有限的空間距離內(nèi)建立了可靠的γ參考輻射場，并自主研發(fā)了RZH-2015 型環(huán)境輻射劑量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，實(shí)現(xiàn)了對固定式環(huán)境γ輻射監(jiān)測設(shè)備高氣壓電離室與NaI γ譜儀的現(xiàn)場校準(zhǔn)。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果驗(yàn)證了校準(zhǔn)裝置的適用性，為固定式環(huán)境γ輻射劑量監(jiān)測設(shè)備的現(xiàn)場量值溯源提供了解決方案。

固定式環(huán)境輻射監(jiān)測；高氣壓電離室；NaI γ譜儀；現(xiàn)場校準(zhǔn)

0　引言

我國固定式環(huán)境γ輻射監(jiān)測主要依托于全國輻射環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與各核電站外圍的輻射環(huán)境監(jiān)測站。該監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和眾多監(jiān)測站遍布全國各大城市與各核電站外圍［1］。固定式環(huán)境γ輻射監(jiān)測可實(shí)時(shí)連續(xù)地監(jiān)控環(huán)境γ輻射變化情況。一旦發(fā)生核恐怖襲擊、核事故或者境外大規(guī)模放射性核素遷移入境等情況，監(jiān)測系統(tǒng)可在第一時(shí)間預(yù)警，因此固定式環(huán)境γ輻射監(jiān)測是我國核與輻射安全監(jiān)管的重要組成部分。隨著我國環(huán)境輻射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，大量固定在監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的高氣壓電離室與NaI閃爍體探測器監(jiān)測設(shè)備投入環(huán)境γ輻射監(jiān)測［2］。這些設(shè)備的技術(shù)性能與測量結(jié)果需要可靠的量值溯源加以保證。

GB/T 14054-2013/ IEC 60532-2010《輻射防護(hù)儀器 能量在50 keV～7 MeV的X和γ輻射固定式劑量率儀、報(bào)警裝置和監(jiān)測儀》提出了對γ輻射劑量率儀的技術(shù)性能要求［3］。GB/T 12162.3-2004《用于校準(zhǔn)劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射》規(guī)定了校準(zhǔn)γ劑量率測量儀器用參考輻射的技術(shù)要求［4］。傳統(tǒng)上對γ劑量率測量儀的校準(zhǔn)是送至輻射劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室的γ參考輻射場中進(jìn)行的。我國幅員遼闊，而輻射劑量學(xué)實(shí)驗(yàn)室主要分布在北京、上海、成都等少數(shù)城市，這些監(jiān)測設(shè)備如果拆卸送至實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，將導(dǎo)致環(huán)境γ輻射在線監(jiān)測較長時(shí)間中斷，且容易在反復(fù)拆卸、安裝及長途運(yùn)輸中造成損壞，因此應(yīng)用現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)固定式輻射監(jiān)測設(shè)備的量值溯源更為合理，相關(guān)技術(shù)需求迫切。調(diào)研顯示中國原子能科學(xué)研究院高飛等曾研發(fā)相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置［5］，此外未見相關(guān)研究的報(bào)道，更無相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。

1　固定式環(huán)境 γ 輻射監(jiān)測調(diào)研

2002年～2005 年，原國家環(huán)保總局組織開展了全國輻射環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。自2006年起，在全國范圍內(nèi)布設(shè)全國輻射環(huán)境自動監(jiān)測站，2006年底到2007年初在全國設(shè)立了318個陸地γ輻射監(jiān)測點(diǎn)［1］。除此之外，依據(jù)GB 6249-2011 《核動力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》［6］，我國各核電站周圍也設(shè)立了核電站周圍環(huán)境輻射監(jiān)測站，其中秦山、福清、田灣、大亞灣、寧德、紅沿河6個核電廠（基底）周圍共建設(shè)有51個環(huán)境空氣吸收劑量率監(jiān)測站點(diǎn)，其監(jiān)測結(jié)果可在中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部數(shù)據(jù)中心實(shí)時(shí)查詢。目前這些站點(diǎn)普遍采用美國通用電氣公司生產(chǎn)的RSS-131型高氣壓電離室作為γ空氣比釋動能率探測器［2］，部分監(jiān)測站點(diǎn)配備的采集γ譜用NaI 閃爍體能譜儀也具有監(jiān)測γ空氣比釋動能率的功能［7］。

國家輻射環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)站點(diǎn)主要設(shè)立在全國44個城市內(nèi)，而核電站周圍環(huán)境輻射監(jiān)測站點(diǎn)按相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立在核電基地外圍5 km陸地范圍內(nèi)。這些監(jiān)測站點(diǎn)是以一個監(jiān)測站房為主體［7］，配備有高氣壓電離室、NaI γ譜儀、大流量氣溶膠采樣器、放射性沉積物采集器、氣態(tài)氚采樣（測量）裝置等放射性監(jiān)測設(shè)備及一些氣象監(jiān)測儀。監(jiān)測站房主要可以分為兩類：混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測站房與鋼框架結(jié)構(gòu)監(jiān)測站房。圖1展示了兩類典型監(jiān)測站房的照片。用于環(huán)境γ輻射劑量率監(jiān)測的高氣壓電離室與NaI探測器在線監(jiān)測裝置普遍設(shè)置在監(jiān)測站房的屋頂。

圖1　兩類典型監(jiān)測站房的照片

2　監(jiān)測設(shè)備的計(jì)量特性與現(xiàn)場校準(zhǔn)的技術(shù)關(guān)鍵

對于環(huán)境γ輻射劑量監(jiān)測設(shè)備，響應(yīng)因子及其非線性表征其測量性能，包括劑量響應(yīng)、能量響應(yīng)與角響應(yīng)。大量文獻(xiàn)表明，高氣壓電離室在環(huán)境γ輻射能量段具有優(yōu)良的響應(yīng)特性，基本形成一個響應(yīng)因子不變的平臺［8， 9］。環(huán)境γ輻射監(jiān)測的主要對象為γ放射性核素，特別是核電站外圍監(jiān)測站主要關(guān)注的是放射性惰性氣體（Kr、Xe）、氣載放射性碘、137Cs煙羽等γ放射性核素［10］。這些射線的能量基本處于高氣壓電離室的能量響應(yīng)平臺區(qū)，能量響應(yīng)對于量值準(zhǔn)確性的影響可以忽略。高氣壓電離室與NaI探測器的幾何結(jié)構(gòu)均為對稱設(shè)計(jì)，理論上其角響應(yīng)偏差很小，有文獻(xiàn)指出，高氣壓電離室角響應(yīng)小于等于1.2%［11］。此外，高氣壓電離室與NaI探測器普遍安裝在屋頂邊緣處，客觀上給角響應(yīng)的測定也帶來了難度。考慮其性能特點(diǎn)、使用需求與現(xiàn)場條件，高氣壓電離室與NaI探測器固定式γ輻射劑量在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校準(zhǔn)主要針對其劑量響應(yīng)。

在實(shí)驗(yàn)室參考輻射場中，采用137Cs、60Co點(diǎn)源產(chǎn)生一個輻射場，距離點(diǎn)源較遠(yuǎn)處，可近似獲得均勻的輻射場。然而現(xiàn)場環(huán)境空間有限，根據(jù)調(diào)研，部分鋼框架結(jié)構(gòu)監(jiān)測站房可用校準(zhǔn)距離甚至只有1 m左右，因此在有限的空間距離內(nèi)解決均勻場問題是現(xiàn)場校準(zhǔn)的技術(shù)關(guān)鍵。RSS-131型高氣壓電離室探測球直徑為25 cm［12］，RS250型在線式NaI γ譜儀晶體大小為Φ7.62 cm×7.62 cm［7］，因此現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置至少應(yīng)當(dāng)提供Φ25 cm的均勻輻射場。

3　現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置

為實(shí)現(xiàn)固定式環(huán)境γ輻射劑量在線監(jiān)測裝置的現(xiàn)場校準(zhǔn)，本研究自主研發(fā)了一款RZH-2015型環(huán)境輻射劑量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置，如圖2所示。RZH-2015的核心組件為一個輻照裝置，由一個137Cs點(diǎn)源（可更換為其他放射源）與一個半徑45 mm的帶束口的鎢球組成。137Cs點(diǎn)源位于鎢球中心，鎢球束口打開后可在前方形成一個張角約為56°的錐形輻射場。輻照裝置被固定在一個云臺上。云臺安裝有多個激光測距元件與遠(yuǎn)程控制模塊，用于精確定位并調(diào)整輻照裝置與待校準(zhǔn)設(shè)備之間的距離和相對角度。輻照裝置正前方安裝有一個可遠(yuǎn)程控制的輻射調(diào)檔器，可將不同厚度的鎢屏蔽片切換至輻照裝置正前方，以改變輻射場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)劑量響應(yīng)校準(zhǔn)。

圖2　RZH-2015 環(huán)境輻射劑量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置

RZH-2015輻射場的空氣比釋動能率量值溯源至γ輻射空氣比釋動能標(biāo)準(zhǔn)裝置，改變校準(zhǔn)距離 （1～3 m）與鎢屏蔽片，其量值可在0.74～34.86 μGy/h范圍內(nèi)變化。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，同一距離與同一鎢屏蔽片條件下空氣比釋動能率量值的復(fù)現(xiàn)性在2.5%以內(nèi)。為解決有限空間距離內(nèi)輻射場的均勻性問題，本項(xiàng)目創(chuàng)新性地采用曲面屏蔽片，顯著改善了近距離輻射場的均勻性，1 m遠(yuǎn)處Φ25 mm范圍內(nèi)輻射場相對差異不超過2.4%，可更好地滿足校準(zhǔn)需求。輻射裝置距離地面1 m時(shí)，不同校準(zhǔn)距離下，地面反散射效應(yīng)的影響均不超過3%。

4　現(xiàn)場校準(zhǔn)實(shí)例與結(jié)果分析

2015年11月，利用RZH-2015型環(huán)境輻射劑量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置對某核電站外圍11個輻射環(huán)境監(jiān)測站的11臺高氣壓電離室與10臺NaI γ譜儀進(jìn)行了現(xiàn)場校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)因子箱體圖見圖3。如圖3所示，高氣壓電離室與NaI γ譜儀校準(zhǔn)因子的25%～75%箱體區(qū)間分別為［0.94，1.07］與［0.88，1.11］，其校準(zhǔn)因子中位數(shù)分別為0.98、0.93，校準(zhǔn)因子均值分別為1.00、0.99。無論從準(zhǔn)確性還是從穩(wěn)定性上來說，高氣壓電離室表現(xiàn)均優(yōu)于NaI γ譜儀，這是因?yàn)镹aI γ譜儀主要功能為能譜采集，劑量率測量只是附帶功能，且NaI閃爍體的能量響應(yīng)相對較差。根據(jù)研究者多年從事校準(zhǔn)工作的經(jīng)驗(yàn)，本次現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果的校準(zhǔn)因子波動范圍略大于以往同類產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)結(jié)果，但整體基本吻合。這一方面可能是因?yàn)楝F(xiàn)場條件復(fù)雜，受多因素干擾，現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置不確定度相對較大；另一方面也可能因?yàn)檫@些固定式劑量率監(jiān)測儀在長期使用過程中性能有所下降。

圖3　某核電站外圍劑量率監(jiān)測儀校準(zhǔn)因子

總之，現(xiàn)場校準(zhǔn)工作的順利開展與校準(zhǔn)結(jié)果的合理性均表明，研究開發(fā)的RZH-2015型環(huán)境輻射劑量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置對現(xiàn)場校準(zhǔn)具有良好的適用性。從現(xiàn)場校準(zhǔn)結(jié)果可以看出，使用中的固定式γ輻射監(jiān)測設(shè)備有必要進(jìn)行校準(zhǔn)。

4　結(jié)語

固定式環(huán)境γ輻射監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性對于環(huán)境與公眾輻射安全保障至關(guān)重要。根據(jù)對輻射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及核電站周圍輻射監(jiān)測站點(diǎn)現(xiàn)場情況深入細(xì)致的調(diào)研，并基于我國固定式環(huán)境γ輻射監(jiān)測的基本現(xiàn)狀，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)了RZH-2015型環(huán)境輻射劑量現(xiàn)場校準(zhǔn)裝置和相關(guān)技術(shù)，為固定式環(huán)境γ輻射劑量在線監(jiān)測設(shè)備的量值溯源提供了解決方案，并進(jìn)一步完善了我國環(huán)境γ輻射監(jiān)測量值溯源體系。

［1］ 劉華，趙順平，梁梅燕，等. 我國輻射環(huán)境監(jiān)測的回顧與展望［J］. 輻射防護(hù)，2008（06）：362-376.

［2］ 劉建，楊斌. 秦山核電基地外圍環(huán)境γ輻射連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)［J］. 輻射防護(hù)，2005（05）：296-304.

［3］ 全國核儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC 30）. GB/T 14054-2013，輻射防護(hù)儀器能量在50 keV～7 MeV的X和γ輻射固定式劑量率儀、報(bào)警裝置和監(jiān)測儀［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003.

［4］ 中國核工業(yè)總公司. GB/T 12162.1-2000，用于校準(zhǔn)劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射（第一部分：輻射特性及產(chǎn)生方法）［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.

［5］ 高飛，肖雪夫，倪寧. 固定式環(huán)境γ輻射劑量率儀現(xiàn)場校準(zhǔn)技術(shù)［J］. 原子能科學(xué)技術(shù)，2015，49（2）：212-217.

［6］ 中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部. GB 6249-2011，核動力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

［7］ 曾廣建，葉際達(dá)，馬永福，等. 秦山核電基地外圍環(huán)境γ輻射水平［J］. 輻射防護(hù)通訊，2006（02）：21-26.

［8］ 劉怡. 高氣壓電離室能量響應(yīng)的模擬計(jì)算［J］. 輻射防護(hù)通訊，2009，29（1）：34-36.

［9］ 李錦玉，李桂珍，劉天恩，等. 用于環(huán)境輻射劑量測量的圓柱形高氣壓電離室對光子能量響應(yīng)的測定［J］. 輻射防護(hù)，1983 （06）：430-434.

［10］ 國家環(huán)境保護(hù)總局. GB 11217-1989，核設(shè)施流出物監(jiān)測的一般規(guī)定［S］. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1990.

［11］ 鄭國棟，宋建鋒，楊維耿. 環(huán)境γ輻射連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析及探討［J］. 中國輻射衛(wèi)生，2013（01）：85-87.

［12］ 宋建鋒，胡丹，丁遜，等. 秦山核電基地第二代外圍環(huán)境γ輻射連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行10年回顧［J］. 核電子學(xué)與探測技術(shù)，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

國家質(zhì)檢總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015QK046），上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2015-2x001）