云南宇宙射線響應(yīng)結(jié)果分析及預(yù)測應(yīng)用

武榮國

（云南省輻射環(huán)境監(jiān)督站，云南 昆明 650032）

0 引 言

在天然環(huán)境中，宇宙射線γ輻射對人類外照射劑量的貢獻(xiàn)約為30% ～50%[1]。測量宇宙射線對正確評價(jià)環(huán)境γ輻射劑量貢獻(xiàn)具有重要的意義。

鋼壁高氣壓電離室能量響應(yīng)線性范圍寬，測量靈敏度高，性能穩(wěn)定，儀器測量結(jié)果具有很好的可比性，其測量值可作為宇宙射線測量的標(biāo)桿。本文就云南省2008—2021年，用該儀器對境內(nèi)的7個(gè)湖泊宇宙射線響應(yīng)測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合理論，提出云南省對宇宙射線預(yù)測計(jì)算校正方法，并對該預(yù)測進(jìn)行了驗(yàn)證，效果良好。

1 研究方法

1.1 測量條件與歷史數(shù)據(jù)查閱

宇宙射線測量使用美國RSS-131型高氣壓電離室進(jìn)行，按檢定周期每年均按期進(jìn)行檢定。每年宇宙射線測量湖面環(huán)境條件均滿足《HJ/T 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的測量要求，同步記錄經(jīng)緯度和海拔。2008—2020年測量數(shù)據(jù)來源于每年云南省輻射環(huán)境質(zhì)量報(bào)告，2021年測量結(jié)果來源于監(jiān)測報(bào)告，數(shù)值見表1[2]。

表1 云南省2008—2017年高壓電離室宇宙射線劑量率測量結(jié)果

1.2 理論計(jì)算

岳清宇等人于20世紀(jì)80年代末提出了高壓電離室測量宇宙射線劑量率與地磁緯度、海拔高度、測量年代的經(jīng)驗(yàn)公式[3]。該計(jì)算方法寫進(jìn)《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中。2021年生態(tài)環(huán)境部發(fā)布了《HJT 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，對宇宙射線計(jì)算提出了新的計(jì)算公式。本文按兩種方法進(jìn)行計(jì)算，并比較計(jì)算值與測量值差異，提出修正方法。

1.3 測量值與計(jì)算結(jié)果差異分析

調(diào)研歷年相關(guān)研究論文資料，分析云南高原宇宙射線測量數(shù)據(jù)，結(jié)合《HJ/ T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和《HJ 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中宇宙射線計(jì)算公式，比較兩種計(jì)算方法與實(shí)測值差異，分析存在差異的原因，結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，提出云南省宇宙射線測量修正計(jì)算方法。并對2019—2021年云南宇宙射線測量地點(diǎn)相關(guān)參數(shù)提出用修正計(jì)算方法結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 宇宙射線測量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)10年測量點(diǎn)位數(shù)據(jù)，按《HJ/T 61-2001輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》計(jì)算，其中I0取值，按文獻(xiàn)[3,4]進(jìn)行（稱“方法1”）；同時(shí)按《HJT 61-2021輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行了計(jì)算（稱“方法2”），兩種計(jì)算與測量結(jié)果對比見表2。

從表2數(shù)據(jù)對比可以看出：實(shí)測值均比方法1計(jì)算值大，10年測量值與計(jì)算值的差值波動(dòng)不大，平均為14.6nGy/h。因此，對于云南高原環(huán)境來說，嘗試在文獻(xiàn)[3]基礎(chǔ)上進(jìn)行修正后進(jìn)行宇宙射線及儀器本底響應(yīng)預(yù)測，即在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上+14.6作為預(yù)測模型[5]。即：

表2 云南省2008—017年宇宙射線劑量率測量值與計(jì)算值對比

按方法2計(jì)算結(jié)果可看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值之差有正有負(fù)，且差值波動(dòng)較大，不宜用直接加修正值的方法進(jìn)行修正?？紤]到地磁緯度對宇宙射線影響，將每年測點(diǎn)地磁緯度與對應(yīng)差值進(jìn)行相關(guān)分析，繪制散點(diǎn)圖如圖1。

圖1 地磁緯度與方法2計(jì)算值和測值之差的相關(guān)關(guān)系

從圖1可見：地磁緯度與方法2計(jì)算值和測值差值間不是線性關(guān)系，而是呈多項(xiàng)式關(guān)系，按多項(xiàng)式的三次方回歸得到回歸方程為：

式中：ΔD—方法二測量值與計(jì)算值差值；γm—地磁緯度。

因此，對云南省高原宇宙射線測量結(jié)果，按《HJT 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄D計(jì)算公式，再加上式（2）進(jìn)行修正，得出云南省宇宙射線預(yù)測計(jì)算模型如下式（3）：

式中：D宇（0）—計(jì)算點(diǎn)所在海平面處宇宙射線電離成分所致空氣吸收劑量率，nGy/h；當(dāng)γm≤30N時(shí)，取30，當(dāng)γm＞30N時(shí)，取32。

2.2 計(jì)算值與實(shí)測值存在差值的原因分析

云南高原宇宙射線測量值平均比《HJ/T 61-2001輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》推薦的計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果平均高14.6nGy/h，且差值比較穩(wěn)定。

據(jù)文獻(xiàn)[1]，地面上宇宙射線輻射場具有周期性（11年），而在淡水湖面宇宙射線測量結(jié)果中，除宇宙射線外測量結(jié)果還包含了：① 測量點(diǎn)空氣和水中γ照射劑量率［包括：由于宇宙射線在大氣中的正負(fù)電子湮沒產(chǎn)生的γ輻射（511keV）、Th系中228Ac產(chǎn)生的γ輻射（911.968keV）、U系中的214Bi產(chǎn)生γ輻射（1.12MeV）、水中40K產(chǎn)生輻射］；②測量人員的40K貢獻(xiàn)；③儀器自身的本底；④水面空氣中氡及子體的劑量率貢獻(xiàn)。上述①～③項(xiàng)之和為3.9nGy/h。該數(shù)據(jù)是根據(jù)我國20世紀(jì)80年代末期岳清宇等人在華北大型水庫上測量結(jié)果及結(jié)合高空探空氣球測量結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)得出[3]。

本次研究所進(jìn)行的測量數(shù)據(jù)，使用儀器類型與文獻(xiàn)[1]一致，測量人員的40K貢獻(xiàn)與文獻(xiàn)[1]條件一致（距離約0.5 m），但測量點(diǎn)空氣和水中γ照射劑量率可能會有所不同：云南湖泊海拔遠(yuǎn)比文獻(xiàn)[1]測量的湖泊高，宇宙射線在大氣中的正負(fù)電子湮沒產(chǎn)生γ輻射（511keV）的劑量貢獻(xiàn)應(yīng)該比文獻(xiàn)[1]大，空氣中Th系中228Ac產(chǎn)生的γ輻射（911.968keV）、U系中的214Bi產(chǎn)生γ輻射（1.12MeV）、水中40K產(chǎn)生輻射的劑量率貢獻(xiàn)也有差異；本次研究使用儀器為美國產(chǎn)RSS-131型高壓電離室儀器自身本底，根據(jù)云南省輻射站參與環(huán)保部組織在四川錦屏地下超低本底實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果為2.0nGy/h，是文獻(xiàn)[1]數(shù)據(jù)0.24nGy/h的8.3倍。因此，本次研究的測量條件中除測量人員的40K貢獻(xiàn)與文獻(xiàn)[1]條件一致外，其它環(huán)境條件均有不同。

對空氣中氡及子體的劑量率貢獻(xiàn)，文獻(xiàn)[1]沒有研究結(jié)果，本次由于條件所限也沒有。國內(nèi)外的相關(guān)研究很少，文獻(xiàn)[6]報(bào)導(dǎo)在強(qiáng)混合、正常湍流、弱混合和強(qiáng)逆溫幾種氣象條件下在地面高1 m處氡及子體γ射線產(chǎn)生照射的劑量率分別為0.52nGy/h、1.22nGy/h、2.62nGy/h、12.22nGy/h，相差很大。關(guān)于室外氡濃度，文獻(xiàn)[9]給出全國測量值范圍為（3.9～48.7）Bq/m3，相差約12.5倍；云南2016—2020年16個(gè)州市氡濃度（累積測量）研究性監(jiān)測結(jié)果顯示，各州市城區(qū)多年平均值為（25.1～41.5）Bq/m3，全省多年平均值為32.4Bq/m3[8]。

通過對比本次研究和文獻(xiàn)[1]測量條件，可以看出，測量儀器自身本底、空氣中氡濃度、測量點(diǎn)空氣和水中γ照射劑量率貢獻(xiàn)差異可能是導(dǎo)致云南省測量結(jié)果與文獻(xiàn)[1]計(jì)算結(jié)果有14.6nGy/h差異的主要原因。

實(shí)測值與《HJT 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄的計(jì)算公式比較，其差值比《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果小，即計(jì)算結(jié)果更接近于測量值，但測量值與計(jì)算值之差變動(dòng)較大，差值變化不是簡單的線性關(guān)系而是呈多項(xiàng)式。其原因個(gè)人認(rèn)為：《HJT 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄的計(jì)算公式，僅單純以地磁緯度是否＞30°N確定D（0）宇的具體數(shù)值，對地磁緯度的影響考慮偏簡單。

2.3 云南部分高原湖泊宇宙射線測量結(jié)果的預(yù)測與模型的驗(yàn)證

根據(jù)上述公式（1）和公式（3）對2019年、2020年通海杞麓湖、2021年昆明滇池宇宙射線響應(yīng)值[7]進(jìn)行了預(yù)測計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值比較見表3。

從表3監(jiān)測數(shù)據(jù)與預(yù)測結(jié)果對比可以看出：對于云南高原湖泊宇宙射線測量而言，按本文中的修正方法對《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》和《HJ 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄中的計(jì)算公式進(jìn)行修正后，均有很好的預(yù)測效果，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測值非常接近，說明兩種經(jīng)修正后的計(jì)算方法均有較好的預(yù)測效果。

表3 云南省杞麓湖、滇池宇宙射線響應(yīng)值預(yù)測與實(shí)測值比較

2.4 結(jié)論與討論

（1）云南省多年宇宙射線實(shí)測值與《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果平均相差14.6nGy/h。測量儀器自身本底、空氣中氡濃度、測量點(diǎn)空氣和水中γ照射劑量率貢獻(xiàn)與文獻(xiàn)[3]測量條件差異是主要原因。

（2）從以上計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值比較來說，《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄計(jì)算公式與《HJT 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄計(jì)算公式結(jié)果與實(shí)測值均有明顯差異，且這種差異非測量誤差造成。

（3）《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄計(jì)算公式是我國在20世紀(jì)80年代進(jìn)行的測量結(jié)果，測量時(shí)間長，主要在我國華北地區(qū)湖面進(jìn)行測量，結(jié)合探空氣球攜帶儀器的測量結(jié)果分析總結(jié)出的經(jīng)驗(yàn)公式，公式中考慮了地磁緯度、海拔高度及太陽活動(dòng)對宇宙射線的調(diào)制影響?！禜J 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄計(jì)算公式源于UNSCEAR2000報(bào)告中的經(jīng)驗(yàn)公式。公式中考慮了海拔高度和地磁緯度影響，對地磁緯度影響考慮得比較簡單。

（4）采用本文提出的《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄計(jì)算公式修正值和《HJT 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》修正后的計(jì)算公式，其結(jié)果與實(shí)測值均有較好的符合性。但《HJ/T 61-2001 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》已經(jīng)廢止，如采用《HJT 61-2021 輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》附錄中的公式計(jì)算經(jīng)修正后使用，更符合云南高原湖泊宇宙射線測量實(shí)際情況。

（5）本文研究結(jié)果僅限于在云南高原湖泊中測量結(jié)果，地點(diǎn)包括了九大高原湖泊中的六個(gè)，研究結(jié)果可用于高原地區(qū)環(huán)境γ輻射劑量率測量結(jié)果評價(jià)參考。也為高原宇宙射線γ輻射測量工作提供參考，在其它地區(qū)適用性尚待研究。