關(guān)于加強(qiáng)我國(guó)碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)發(fā)展的思考

劉 瑋，韓善彪，2，*，張 偉，袁之倫

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082，2. 生態(tài)環(huán)境部西南核與輻射安全監(jiān)督站， 成都 610066）

在環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展歷程中，高靈敏度探測(cè)材料碘化鈉晶體和數(shù)字譜儀技術(shù)的出現(xiàn)是該技術(shù)領(lǐng)域的重要里程碑［1］。NaI（Tl）是一種性能優(yōu)良的無(wú)機(jī)閃爍晶體，不僅具有出色的發(fā)光性能，還有較高的能量分辨率，對(duì)X射線和γ射線均有良好的分辨能力，可用于探測(cè)X、γ射線的能量和強(qiáng)度。碘化鈉伽瑪譜儀作為碘化鈉晶體探測(cè)技術(shù)和數(shù)字化譜儀技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)分析功能日漸強(qiáng)大，技術(shù)已趨于穩(wěn)定。作為閃爍探測(cè)器能譜儀的代表，碘化鈉伽瑪譜儀因其優(yōu)越的探測(cè)性能和性價(jià)比，具有較高的科研價(jià)值和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力［1］。目前，碘化鈉伽瑪譜儀已廣泛應(yīng)用于大氣輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)、核設(shè)施監(jiān)督性監(jiān)測(cè)和事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)中，多用于對(duì)核素種類較少的樣品進(jìn)行定性定量分析［2］。

為貫徹黨的十九屆四中全會(huì)精神，生態(tài)環(huán)境部加快健全生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)制度，推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系與監(jiān)測(cè)能力現(xiàn)代化，輻射監(jiān)測(cè)作為構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)“大格局”的重要組成部分，輻射監(jiān)測(cè)體系和監(jiān)測(cè)能力現(xiàn)代化工作已提上日程。針對(duì)使用體量較大的碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)，應(yīng)總結(jié)多年使用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)掘和提升使用效能，更好地推廣應(yīng)用和服務(wù)社會(huì)。2020年3月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系與監(jiān)測(cè)能力現(xiàn)代化的若干意見（征求意見稿）》，要求提升裝備能力，全面提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、智能化、信息化能力。在此背景下，本文基于我國(guó)碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和突出問(wèn)題，提出加強(qiáng)該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的建議。

1 現(xiàn)狀和趨勢(shì)

1.1 碘化鈉輻射探測(cè)技術(shù)先進(jìn)成熟

碘化鈉伽瑪譜儀是采用碘化鈉晶體為探測(cè)部件的探測(cè)伽瑪射線的一種譜儀設(shè)備，具有優(yōu)越的探測(cè)性能，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)數(shù)測(cè)量、能譜測(cè)量和劑量測(cè)量。碘化鈉晶體屬于無(wú)機(jī)閃爍體范疇，是一種吸收高能粒子或射線后會(huì)發(fā)光的材料［3］，該晶體材料的成功制備大大改善了輻射探測(cè)設(shè)備的靈敏度，提高了探測(cè)效率，在輻射探測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用［4］。其核心在于碘化鈉晶體光輸出高、衰減時(shí)間短、發(fā)光波長(zhǎng)與光電倍增管匹配［5］。同時(shí)，碘化鈉晶體較低的熔點(diǎn)、較高的對(duì)稱程度和低廉的原料價(jià)格也成為了成功制備材料的先決優(yōu)勢(shì)。因此，摻鉈的碘化鈉晶體一直被作為輻射探測(cè)的首選材料，得到了最廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，碘化鈉晶體輻射探測(cè)技術(shù)已非常成熟，采用碘化鈉晶體耦合光電倍增管，組合快速數(shù)字化譜儀技術(shù)已成為當(dāng)前碘化鈉伽瑪譜儀設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。

1.2 碘化鈉伽瑪譜儀應(yīng)用已形成體系

碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)的成熟發(fā)展歷程是碘化鈉晶體制備技術(shù)、光電倍增管研制和數(shù)字化譜儀以及譜儀軟件設(shè)計(jì)的不斷集成優(yōu)化的過(guò)程。目前碘化鈉單晶體的體積可高達(dá)到4.2升，且能并聯(lián)使用多個(gè)碘化鈉單晶體，極大地提升了探測(cè)能力［6］。大晶體碘化鈉箱體譜儀在國(guó)土資源物探、地質(zhì)填圖和核事故應(yīng)急航空輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域已成為行業(yè)航測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。國(guó)家環(huán)境輻射質(zhì)量監(jiān)測(cè)和核設(shè)施或核電站周界監(jiān)督監(jiān)測(cè)中，常選用固定安裝式的3×3英寸碘化鈉譜儀探測(cè)系統(tǒng)。碘化鈉伽瑪譜儀系統(tǒng)可選用適宜尺寸的碘化鈉晶體作為探測(cè)部件應(yīng)用于不同的實(shí)際需求，已經(jīng)成熟用作實(shí)驗(yàn)室伽瑪譜儀、便攜式譜儀、車載巡測(cè)譜儀、固定式環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)譜儀、散布式輻射監(jiān)測(cè)譜儀、通道式輻射監(jiān)測(cè)儀、船載巡測(cè)譜儀、浮標(biāo)伽瑪譜儀和水下伽瑪譜儀以及特殊用途的譜儀，在環(huán)境輻射安全、輻射防護(hù)、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)成像、高能物理和海關(guān)口岸等領(lǐng)域完成了多項(xiàng)任務(wù)［7］。碘化鈉伽瑪譜儀應(yīng)用已形成完整體系，是當(dāng)前環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)的主流設(shè)備之一。

1.3 生態(tài)環(huán)境部碘化鈉伽瑪譜儀系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模龐大

隨著我國(guó)核能開發(fā)和核技術(shù)利用的不斷發(fā)展，輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)日趨繁重，生態(tài)環(huán)境部（國(guó)家核安全局）肩負(fù)著國(guó)家核安全監(jiān)管和監(jiān)測(cè)的職能?！笆濉敝痢笆濉逼陂g，在國(guó)家核安全局全面規(guī)劃部署下，我國(guó)國(guó)家級(jí)、省級(jí)和地市級(jí)構(gòu)成的三級(jí)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)體系初步建成，輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)“全覆蓋”，其中碘化鈉伽瑪譜儀系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)了重要角色。按照成熟性、先進(jìn)性、商品化和模塊化的選擇原則，全國(guó)498個(gè)國(guó)控大氣輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選用碘化鈉譜儀為核心配置，覆蓋到全國(guó)所有地市級(jí)及以上城市、核電站周邊地區(qū)、重要邊境及其他敏感地區(qū)，承擔(dān)著輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)、重要核設(shè)施污染源監(jiān)測(cè)、核與輻射事故預(yù)警、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等任務(wù)。生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心、生態(tài)環(huán)境部輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)中心、六個(gè)監(jiān)督站和地方省份主要建設(shè)了系列的大晶體NaI航空譜儀系統(tǒng)、車載巡測(cè)譜儀、便攜式譜儀、網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)布點(diǎn)系統(tǒng)、國(guó)控大氣輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站、輻射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室譜儀，這些共同構(gòu)成了目前生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的碘化鈉譜儀測(cè)量能力。

2 存在的問(wèn)題

由于使用維護(hù)方便，探測(cè)效率優(yōu)越，儀器成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，碘化鈉能譜儀作為目前輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的能譜儀，該技術(shù)的成熟應(yīng)用可在一定程度上代表一個(gè)國(guó)家的輻射探測(cè)水平。目前我國(guó)已具備自行生產(chǎn)大部分尺寸碘化鈉晶體的能力。盡管幾十年間其他閃爍譜儀隨科技的進(jìn)步不斷出現(xiàn)，未來(lái)碘化鈉譜儀憑借優(yōu)良的性能和相對(duì)其他閃爍材料的低成本生產(chǎn)，仍具有很大的發(fā)展空間。為促進(jìn)我國(guó)碘化鈉譜儀探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，本文通過(guò)調(diào)研探索，總結(jié)了幾條當(dāng)前碘化鈉譜儀應(yīng)用中遇到的問(wèn)題，并提出了改進(jìn)建議。

2.1 譜儀功能應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步完善

碘化鈉譜儀設(shè)備主要應(yīng)用于戶外環(huán)境和工作場(chǎng)所，其應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多樣。在不同應(yīng)用場(chǎng)景和環(huán)境條件下，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)功能有不同要求。該探測(cè)技術(shù)有待完善的方面主要有： （1）碘化鈉晶體易潮解、遇空氣或光易分解，需要干燥密封的工業(yè)設(shè)計(jì)，在低溫環(huán)境下（零下 30 ℃以下）譜儀性能有變差，會(huì)有明顯的溫漂問(wèn)題［8］；（2）該技術(shù)由于碘化鈉晶體特點(diǎn)，能量分辨率不高，其譜儀功能各種應(yīng)用場(chǎng)合多用于定性或是半定量測(cè)量，從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，亟待加強(qiáng)建立相關(guān)技術(shù)方法；（3）不同應(yīng)用場(chǎng)景，該技術(shù)測(cè)得譜數(shù)據(jù)和測(cè)量的量尚不能有針對(duì)性的有效反映該場(chǎng)景下的被監(jiān)測(cè)對(duì)象的輻射水平或是異常變化，比如缺少對(duì)降雨影響響應(yīng)功能、微小輻射異常的小波分析功能、人工核素的快速響應(yīng)功能、核素劑量貢獻(xiàn)計(jì)算、對(duì)通行車輛的輻射異常的識(shí)別功能、空中放射性煙羽的反演功能等［3］，需要對(duì)譜儀功能和分析功能軟件模塊開展自動(dòng)化、智能化、定制化應(yīng)用開發(fā)。

2.2 國(guó)控大氣輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)有待發(fā)掘利用

為加強(qiáng)和規(guī)范大氣輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，生態(tài)環(huán)境部編制了《大氣輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范（試行）》，明確自動(dòng)站主要功能是開展伽瑪輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測(cè)，大氣中伽瑪核素定性識(shí)別及氣溶膠、碘和沉降物樣品采集等。其中伽瑪輻射能譜儀一般采用NaI（Tl）伽瑪譜儀，用于環(huán)境中伽瑪核素的分析與識(shí)別，可進(jìn)行定性分析，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境伽瑪輻射劑量率的連續(xù)監(jiān)測(cè)；伽瑪輻射劑量率測(cè)量?jī)x一般采用電離室設(shè)備用于環(huán)境伽瑪輻射劑量率的自動(dòng)連續(xù)在線監(jiān)測(cè)。NaI（Tl）伽瑪譜儀定位于核素的分析與識(shí)別以及定性分析，其譜儀功能利用度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，近500個(gè)點(diǎn)位譜儀的歷史和未來(lái)監(jiān)測(cè)的譜數(shù)據(jù)運(yùn)行規(guī)律有待深度分析和總結(jié)，可進(jìn)一步開發(fā)和利用。同時(shí)NaI（Tl）伽瑪譜儀和電離室設(shè)備均用于環(huán)境伽瑪輻射劑量率測(cè)量，但該兩類設(shè)備探測(cè)的射線種類及其響應(yīng)能力不同，進(jìn)一步對(duì)兩者監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)研究會(huì)很有意義。

2.3 大晶體碘化鈉譜儀巡測(cè)技術(shù)方法亟待開發(fā)

大晶體碘化鈉譜儀多用于航空輻射監(jiān)測(cè)、車載船載巡測(cè)以及海關(guān)口岸或是道路通道式輻射監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，其中航空輻射監(jiān)測(cè)的發(fā)展相對(duì)成熟，包括早期載人機(jī)航測(cè)和近年來(lái)興起的無(wú)人機(jī)航測(cè)，但其應(yīng)用在核與輻射環(huán)境中的常規(guī)和應(yīng)急監(jiān)測(cè)的航測(cè)方法尚未建立，是行業(yè)內(nèi)亟待解決的問(wèn)題［9］；近年來(lái)車載巡測(cè)、船載巡測(cè)以及海關(guān)口岸或是道路通道式輻射監(jiān)測(cè)發(fā)展迅速，應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，車載巡測(cè)和船載巡測(cè)可視為飛行高度為“0”米的航空監(jiān)測(cè)，測(cè)量對(duì)象為陸地和水域以及空氣中放射性水平［10］。海關(guān)口岸或是道路通道式輻射監(jiān)測(cè)是對(duì)靜止或是移動(dòng)的集裝箱、車輛開展輻射監(jiān)測(cè)，有著較為嚴(yán)苛的測(cè)量條件，其對(duì)快速移動(dòng)的物體探測(cè)能力有限，探測(cè)方法有待開發(fā)研究。

2.4 校準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范亟待加強(qiáng)和完善

相對(duì)于碘化鈉譜儀技術(shù)在不同應(yīng)用場(chǎng)景的高速發(fā)展，其配套的校準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范發(fā)展相對(duì)滯后，早期應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室譜儀、便攜式譜儀具備了成熟校準(zhǔn)方法或規(guī)范，而對(duì)于其他應(yīng)用場(chǎng)景的校準(zhǔn)方法尚須加快研究。常規(guī)的校準(zhǔn)技術(shù)是建立在標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室或是在標(biāo)準(zhǔn)化輻射場(chǎng)中開展儀器設(shè)備或是通過(guò)系統(tǒng)裝置校準(zhǔn)的，對(duì)于戶外環(huán)境和工作場(chǎng)所多種應(yīng)用的譜儀系統(tǒng)校準(zhǔn)有較大難度。比如國(guó)控大氣輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站選址為平地和樓頂兩類，其探測(cè)對(duì)象有一定變化，如何統(tǒng)一校準(zhǔn)是個(gè)問(wèn)題；對(duì)快速移動(dòng)的車載、船載譜儀設(shè)備以及用測(cè)量快速移動(dòng)集裝箱或是通行車輛的通道式譜儀系統(tǒng)校準(zhǔn)是個(gè)問(wèn)題；對(duì)于固定在工作場(chǎng)所或是工藝管道上的譜儀系統(tǒng)、水下探測(cè)的譜儀設(shè)備校準(zhǔn)是個(gè)問(wèn)題。

3 工作建議

遵守技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律，遵循輻射監(jiān)測(cè)體系和監(jiān)測(cè)能力現(xiàn)代化行業(yè)發(fā)展思路，助力加快實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)統(tǒng)一組織領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃布局、統(tǒng)一制度規(guī)范、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一信息發(fā)布的“五個(gè)統(tǒng)一”，建議科學(xué)有效地提高生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的碘化鈉譜儀測(cè)量能力，推動(dòng)技術(shù)全方位、綜合性發(fā)展。

3.1 集中優(yōu)化技術(shù)手段

利用碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)開發(fā)的儀器、設(shè)備和大型系統(tǒng)裝置，其技術(shù)穩(wěn)定、成熟、性價(jià)比高，面臨不同場(chǎng)景和環(huán)境的應(yīng)用，可引入新型溫控技術(shù)、穩(wěn)譜技術(shù)和密封工藝或是惰性氣體填充隔離技術(shù)，徹底解決溫度和濕度影響問(wèn)題；充分利用先進(jìn)的數(shù)字化譜儀技術(shù)，集中開發(fā)譜儀軟件，根據(jù)應(yīng)用需求，模塊化開發(fā)數(shù)據(jù)分析功能、顯示功能、報(bào)警功能等，大力開展分析和應(yīng)用軟件工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。

3.2 提升譜儀裝備能力

習(xí)近平主席在第四屆核安全峰會(huì)上明確提出“中國(guó)將構(gòu)建核安全能力建設(shè)網(wǎng)絡(luò)”，國(guó)控大氣輻射環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)是該網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，已納入“十三五”和“十四五”系列規(guī)劃中，國(guó)家建設(shè)投入較大，建議在利用譜儀裝備對(duì)伽瑪輻射劑量率監(jiān)測(cè)和譜儀定性功能的基礎(chǔ)上，充分開發(fā)利用其定量分析等其他功能，提升裝備整體能力。在劑量率測(cè)量方面，開展與電離室數(shù)據(jù)的比對(duì)研究，關(guān)注歷史數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)；在譜儀技術(shù)方面，著手開發(fā)利用譜儀的核素預(yù)警、核素量化分析功能，優(yōu)化提出新的可測(cè)量的量；在事故應(yīng)急方面，開發(fā)對(duì)地面放射性沉積濃度的測(cè)量功能，開發(fā)對(duì)空中放射性煙羽濃度估算及位置變化的反演功能等。加強(qiáng)運(yùn)維經(jīng)費(fèi)投入，保障基本運(yùn)維和技術(shù)升級(jí)費(fèi)用。

3.3 加快校準(zhǔn)能力建設(shè)

參照應(yīng)用需求和技術(shù)成熟度，加快完善各類應(yīng)用譜儀設(shè)備的校準(zhǔn)體系，建立配套的校準(zhǔn)設(shè)施條件，保障該類譜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量［11］。當(dāng)前迫切需要推動(dòng)航測(cè)、車載巡測(cè)等探測(cè)系統(tǒng)和探測(cè)目標(biāo)有較大相對(duì)速度的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方法建設(shè)，建立動(dòng)態(tài)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)輻射場(chǎng)；推動(dòng)國(guó)控點(diǎn)為代表的固定式環(huán)境輻射監(jiān)測(cè)譜儀的統(tǒng)一校準(zhǔn)的技術(shù)方法；推動(dòng)工作場(chǎng)所或是工藝管道上譜儀系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法；上述方法的建立均需要打破傳統(tǒng)的校準(zhǔn)模式，開展系列實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，從而建立相應(yīng)的校準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3.4 深化國(guó)際合作

很多國(guó)家建設(shè)了國(guó)土范圍內(nèi)的輻射監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，如美國(guó)的RadNet全美輻射監(jiān)測(cè)網(wǎng)、德國(guó)的IMIS綜合監(jiān)測(cè)和信息系統(tǒng)、加拿大的輻射自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)、韓國(guó)的IERNet輻射監(jiān)測(cè)網(wǎng)等；在航空監(jiān)測(cè)方面，加拿大開發(fā)的大晶體NaI航測(cè)設(shè)備和校準(zhǔn)方法代表了國(guó)際先進(jìn)水平［12］；在動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)方面，法國(guó)校準(zhǔn)輻射場(chǎng)和設(shè)施較為先進(jìn)［13］；該譜儀技術(shù)有著廣泛的國(guó)際合作基礎(chǔ)，建議根據(jù)實(shí)際工作需要，開展深入的技術(shù)交流，建立長(zhǎng)期的合作機(jī)制，取他人所長(zhǎng)，促進(jìn)該技術(shù)在高水平層次上的長(zhǎng)足發(fā)展。

4 總結(jié)和展望

碘化鈉能譜儀探測(cè)技術(shù)已發(fā)展成為一種成熟的核輻射探測(cè)手段，是我國(guó)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中不可分割的重要組成部分。碘化鈉伽瑪譜儀的特點(diǎn)是效率高、速度快、易實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品定性測(cè)量，但目前還存在一些限制和問(wèn)題，亟待后續(xù)發(fā)展完善。為促進(jìn)碘化鈉伽瑪譜儀在我國(guó)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，還需重點(diǎn)開發(fā)抗震、大尺寸等高端晶體，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，以期達(dá)到高端晶體探測(cè)器的標(biāo)準(zhǔn)。