輻射測量儀的宇宙射線響應和校準系數(shù)的陸地測算方法驗證

張 華 陳志東 徐潤龍 林煒偉 梁明浩

（廣東省環(huán)境輻射監(jiān)測中心 陽江529500）

輻射環(huán)境γ劑量率測量包括瞬時測量、連續(xù)測量以及累積劑量測量。測量的儀器類型有高氣壓電離室型、塑料閃爍體型、計數(shù)管型以及熱釋光劑量計（Thermoluminescent Dosimeter，TLD）等，不同類型的測量儀器，或是同一類型不同型號、不同批次的儀器因敏感體積、能量轉(zhuǎn)換方式和能量響應等因素不同，其在不同輻射場中的校準系數(shù)和對宇宙射線的響應也存在差異，從而導致不同儀器測量的γ輻射劑量率結(jié)果不一致。為使各監(jiān)測儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有可比性，有必要扣除測量儀器對宇宙射線的響應。

高能帶電粒子流是宇宙射線重要組成部分，對環(huán)境天然輻射照射貢獻不可忽視，在天然輻射源中，占環(huán)境外照射劑量的44%［1］?，F(xiàn)行標準《環(huán)境地表γ輻射劑量率測定規(guī)范》（GB/T14583-1993）［2］及《輻射環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》（HJ/T61-2001）［3］均要求，在進行γ輻射劑量率測量時需扣除儀表對宇宙射線的響應部分。儀器對宇宙射線的電離成分響應值的扣除方法一般在水深大于3 m、距岸邊大于1 km的淡水面上進行測量。當環(huán)境監(jiān)測點的海拔高度和經(jīng)緯度與宇宙射線測量點不同時，根據(jù)經(jīng)驗公式進行估算修正。但此測量過程費時費力，且受環(huán)境中的氡及其子體等因素的影響，不同季度測得結(jié)果偏差較大。

廖建華等［4］提出可以通過在不同輻射劑量水平的天然環(huán)境輻射場中對量值傳遞儀器和待測儀器進行比對測量，最終間接確定待測儀器的校準系數(shù)和宇宙射線響應值。該方法簡單、可行、易于操作，不僅可以獲得儀器的宇宙射線響應值，同時還能獲得儀器的校準系數(shù)，但此類型天然環(huán)境輻射場的尋找和確定也較為繁瑣。

通過建設穩(wěn)定且覆蓋一定劑量率范圍的輻射檢驗場［5］，利用量值傳遞儀器與待測儀器在該場內(nèi)比對測量，可快速計算出待測儀器的宇宙射線響應值和校準系數(shù)，從而解決輻射測量儀宇宙射線響應測量困難的問題，同時又能檢驗儀器校準系數(shù)的可用性，對于及時、快速判斷儀器（特別是不穩(wěn)定儀器）的穩(wěn)定性亦具有重要意義。

1 輻射檢驗場

1.1 理論依據(jù)

環(huán)境中，任何儀器測量所測得的陸地γ輻射劑量率理論上都應該相等。當測量點足夠多，且覆蓋一定劑量率范圍時，將兩臺儀器同時測量結(jié)果用最小二乘法線性擬合可得如下公式［4］：

式中：k為待測儀器校準系數(shù)計算值；k0為傳遞儀器校準系數(shù)，查看儀器有效檢定期的檢定證書，由儀器檢定單位給出；a為擬合直線斜率；Dc為待測儀器宇宙射線響應計算值；b為擬合直線截距；Dc0為傳遞儀器宇宙射線響應值，在水深大于3 m、離岸大于1 km的萬綠湖上測得。根據(jù)《輻射環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》HJ/T61-2001附錄B所示將宇宙射線響應測量值修正為輻射檢驗場［6］測量點的宇宙射線響應值。

由式（1）、（2）可分別計算待測儀器的校準系數(shù)及宇宙射線響應值。

本文宇宙射線響應的測量地點均為廣東河源萬綠湖上，測量地點及方法均滿足《輻射環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》HJ61-2001的要求。

1.2 放射源材料

輻射檢驗場用放射性物質(zhì)來源于某獨居石冶煉廠產(chǎn)生的固體廢渣，廢渣中含有較高放射性水平的238U、232Th及其子體。廢渣的核素比活度分別為238U 1.01×104Bq·kg?1、226Ra 1.34×105Bq·kg?1、232Th 7.87×105Bq·kg?1、40K<6.96×102Bq·kg?1，總α1.44×106Bq·kg?1，總β1.71×106Bq·kg?1。將固體廢渣裝入圓柱形不銹鋼樣品盒（直徑10 cm、高12.5 cm）作為輻射檢驗場的放射源，裝有廢渣的不銹鋼樣品盒表面及1 m處的劑量率分別約10μGy·h?1、1μGy·h?1。

1.3 宇宙射線響應值修正方法

根據(jù)《輻射環(huán)境監(jiān)測技術規(guī)范》HJ/T61-2001附錄B所示，將某γ輻射測量儀在廣東河源萬綠湖實測得到的宇宙射線響應值進行修正，從而得到該設備在本實驗場所在地（廣東省環(huán)境輻射監(jiān)測中心粵西分部）的宇宙射線響應值。萬綠湖測量點海拔高度為110 m，緯度為23°47′38″，經(jīng)度114°35′21″；輻射檢驗場測量點海拔高度為26 m，緯度21°53′12″，經(jīng)度111°59′34″。

則：

式中：D'c為輻射測量儀在廣東河源萬綠湖實測得到的宇宙射線響應值；Dc為輻射測量儀在輻射檢驗場的宇宙射線響應值；D'r為萬綠湖宇宙射線電離成分在低大氣層中產(chǎn)生的空氣吸收劑量率，nGy·h?1；Dr為輻射檢驗場宇宙射線電離成分在低大氣層中產(chǎn)生的空氣吸收劑量率，nGy·h?1。

2 輻射檢驗場最佳使用條件

影響輻射檢驗場準確性的因素主要有傳遞儀器與待測儀器類型是否相同、輻射檢驗場劑量率水平高低等。以下通過實驗確定輻射檢驗場最佳使用條件，以提高測量計算結(jié)果的準確性。

實驗主要使用6150AD型和RSS-131型γ輻射測量儀，各儀器均按照本單位質(zhì)保體系要求，按時開展期間核查、檢定等質(zhì)控措施。

在進行實驗前，各儀器均送至有檢定資質(zhì)的單位進行檢定且獲得校準系數(shù)；在水深大于3 m、離岸邊大于1 km的萬綠湖上測得各儀器的宇宙射線響應值，并用式（3）將萬綠湖實測宇宙射線響應值修正為輻射檢驗場宇宙射線響應值。待測儀器的校準系數(shù)和粵西分部宇宙射線響應值分別作為各儀器的參考值（表1），以評價各儀器在輻射檢驗場中的測量結(jié)果。本 實 驗6150AD測量 結(jié) 果單 位為nSv·h?1，RSS-131測量結(jié)果的單位為nGy·h?1。

表1 γ輻射測量儀校準系數(shù)和宇宙射線響應參考值Table 1 The calibration coefficient and cosmic ray response of reference values ofγradiometer

2.1 測量點劑量率范圍影響

考察兩種劑量率范圍對宇宙射線響應值和校準系數(shù)的影響。高劑量率范圍：100～1 000 nGy·h?1；低劑量率范圍：100～500 nGy·h?1。實驗驗證時，儀器探頭離地1.0 m。

以儀器代碼5為傳遞儀器，驗證儀器代碼1、2、3三臺6150AD型輻射測量儀。擬合計算結(jié)果見表2，可以看出，在兩種劑量率范圍下，測量擬合的校準系數(shù)和宇宙射線響應值基本都能滿足要求，但相對而言，高劑量率范圍下測量擬合的校準系數(shù)相對偏差較小，低劑量率范圍下測量擬合的宇宙射線值相對偏差較小，后續(xù)實驗均在低劑量率范圍開展。

表2 測量點劑量率范圍影響的實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of the impact of the dose-rater angeat the measurement point

2.2 不同儀器類型的實驗結(jié)果

為考察不同類型傳遞儀器對宇宙射線響應值和校準系數(shù)的影響，分別以儀器代碼1、5為傳遞儀器，擬合計算儀器代碼2、3、4的校準系數(shù)和宇宙射線響應值，結(jié)果見表3。從結(jié)果可以看出，同類型儀器傳遞，校準系數(shù)結(jié)果明顯優(yōu)于不同類型儀器傳遞，且其宇宙射線響應值的相對偏差均在10%以內(nèi)。

表3 不同儀器類型實驗結(jié)果Table 3 Experimental results of different instrument types

2.3 輻射檢驗場穩(wěn)定性檢驗

為考察輻射檢驗場的穩(wěn)定性，以儀器代碼1為傳遞儀器，儀器代碼4為待測儀器，在輻射檢驗場進行測量，并對測量結(jié)果擬合計算待測儀器校準系數(shù)和宇宙射線響應值。傳遞儀器數(shù)據(jù)不變，4 d后重復測量待測儀器一次，再次計算待測儀器宇宙射線響應和校準系數(shù)。兩次計算結(jié)果見表4。

表4 穩(wěn)定性驗證結(jié)果Table 4 Stability verification results

輻射測量儀的宇宙射線響應數(shù)值在30左右，高劑量率范圍最大值大于1 000，是宇宙射線的幾十倍，測量引入誤差較大。另外，同類儀器傳遞，探測器類型、角響應及探測器幾何尺寸等一致性較好，幾何誤差亦比較小，有助于提高測量精度。

由實驗及理論分析可知，在輻射檢驗場低劑量率范圍進行同類型儀器傳遞，宇宙射線響應測量結(jié)果較為理想，且穩(wěn)定性較好。

3 方法驗證

輻射檢驗場最佳使用條件為：低劑量率范圍同類型儀器傳遞。為驗證“輻射測量儀的宇宙射線響應和校準系數(shù)的陸地測算方法”，對不同類型若干輻射測量儀進行輻射檢驗場測量和萬綠湖宇宙射線響應測量。

3.1 萬綠湖宇宙射線響應測量及輻射檢驗場宇宙射線響應計算結(jié)果

組 織4臺 高 壓 電 離 室、7臺6150AD、2臺BH3103和1臺RED-100型γ輻射測量儀進行輻射檢驗場及萬綠湖宇宙射線響應測量，利用式（3）將萬綠湖宇宙射線響應值修正至粵西分部輻射檢驗場宇宙射線響應值。詳細結(jié)果見表5。

3.2 陸地測算宇宙射線響應和校準系數(shù)結(jié)果及分析

將表5所示14臺γ輻射測量儀進行輻射檢驗場測量，以儀器代碼1、5、13為傳遞儀器，分別計算同類型儀器的宇宙射線響應值和校準系數(shù)。其中RED-100無同類型儀器，以儀器代碼1高壓電離室為傳遞儀器計算其宇宙射線響應值和校準系數(shù)，計算結(jié)果見表6。

從表6可見，校準系數(shù)計算結(jié)果共有11個，相對偏差范圍為?8.3%～8.1%，均小于10%。宇宙射線響應值計算結(jié)果共有11個，絕對偏差范圍為?4.3～11.4，其中同類型儀器傳遞的偏差范圍為?4.3～6.5，即宇宙射線響應值絕對偏差均小于7。

表5 萬綠湖宇宙射線響應測量及輻射檢驗場宇宙射線響應修正結(jié)果Table 5 Cosmic ray response measurement of Wanlu Lake and correction results of cosmic ray response of radiation inspection field

表6 陸地測算宇宙射線響應和校準系數(shù)結(jié)果Table 6 Terrestrial measurement of cosmic ray response and calibration coefficient results

3.3 陸地γ輻射劑量率比對結(jié)果及分析

將表5所示14臺γ輻射測量儀進行同點位測量比對，監(jiān)測點位4個，監(jiān)測數(shù)據(jù)56個。將各儀器讀數(shù)均值扣除對應點位宇宙射線響應值、乘以有效校準系數(shù)后，監(jiān)測結(jié)果見表7。

依據(jù)《利用實驗室間比對進行能力驗證的統(tǒng)計方法》（GB/T 28043-2019）［7］和《能力驗證結(jié)果的統(tǒng)計處理和能力評價指南》（CNASGL02）［8］的要求，采用穩(wěn)健Z比分數(shù)法評價γ輻射劑量率比對結(jié)果（扣除宇響值），評價結(jié)果做柱狀圖展示，見圖1。可見，56個監(jiān)測數(shù)據(jù)中有54個數(shù)據(jù)取得滿意的比對結(jié)果，占總數(shù)的96%。其中，儀器代碼14在道路三的監(jiān)測結(jié)果為離群值，該儀器在道路二監(jiān)測結(jié)果為可疑值。

表7 γ輻射劑量率監(jiān)測結(jié)果Table 7 The results ofγradiation dose rate(nGy·h?1)

圖1 道路一(a)、道路二(b)、草地(c)、道路三(d)Z值柱狀圖Fig.1 Road 1(a),road 2(b),grassland(c),road 3(d)Z-value bar chart

從表5可知，儀器代碼14檢定單位為“上海計量測試技術研究院華東國家計量測試中心”，傳遞儀器檢定單位為“廣東省輻射劑量計量檢定站”?？紤]是否因檢定單位不同引入系統(tǒng)誤差，采用表6中儀器代碼14的計算系數(shù)作為校準系數(shù)重新計算其測量結(jié)果，并對各點位監(jiān)測結(jié)果進行穩(wěn)健Z比分數(shù)法評價，評價結(jié)果見表8。

表8 Z比分數(shù)值結(jié)果匯總Table 8 Z score numerical result summary

從表8可見，將儀器代碼14測量結(jié)果溯源至傳遞儀器同一家檢定單位進行重新計算后，監(jiān)測結(jié)果Z比分數(shù)值均小于2，即56個監(jiān)測數(shù)據(jù)均取得滿意的比對結(jié)果。

4 結(jié)語

通過系列實驗確定輻射檢驗場最佳使用條件：在低劑量率范圍進行同類型儀器傳遞，此時測量結(jié)果較為理想，且穩(wěn)定性較好。

在輻射檢驗場最佳使用條件下，通過4種類型，14臺儀器驗證了“輻射測量儀的宇宙射線響應和校準系數(shù)的陸地測算方法”可行：

1）利用輻射檢驗場進行“輻射測量儀的宇宙射線響應和校準系數(shù)的陸地測算”，能方便、快速計算輻射測量儀的宇宙射線響應值，且測量結(jié)果絕對偏差較小。

2）利用輻射檢驗場測量能有效驗證輻射測量儀的校準系數(shù)，便于查找及解決測量結(jié)果不可比的問題。

該方法可有效解決某些輻射測量儀或探測器不具備或不便于在大水面開展宇宙射線測量的困難，如高壓電離室、TLD等類型探測器，今后亦將持續(xù)開展該方面的實驗。