辐射剂量射线响校准

本文作者：廖建华、张伟珠、赖力明、莫光华、 黄乃容 单位： 广东省环境辐射监测中心

不同的环境γ辐射测量仪因敏感体积、能量转换方式和能量响应等因素不同，其在不同辐射场中的校准因子和对宇宙射线的响应[1]也就存在差异。在进行陆地环境γ辐射空气吸收剂量率测量时，为使不同测量系统能得到一致的结果，分别确定γ辐射测量仪器的空气吸收剂量率校准因子和宇宙射线的响应是必需的基础性工作。陆地环境γ辐射空气吸收剂量率可用式（1）表示：D•t=k•（D-Dc）（1）式中，D•t为陆地环境γ辐射空气吸收剂量率，nGy/h；D为γ辐射测量仪在环境辐射场中的空气吸收剂量率，nGy/h；Dc是γ辐射测量仪对宇宙射线的响应值，nGy/h；k为γ辐射测量仪对226Ra源γ射线产生的空气吸收剂量率的校准因子。对于环境辐射测量仪器，校准因子k一般由计量检定部门给出，刻度标准源应选择226Ra源。Dc可以在几乎只有宇宙射线辐射场中（如具有一定深度和面积的水库或湖面上）测得。但由于测量仪器每隔一段时间或维修后都必须重新确定k和Dc，而测量宇宙射线的场所又独特，因此，无论是仪器刻度还是测定对宇宙射线的响应都是繁琐和花钱的工作，特别是车载γ辐射巡测仪，由于其笨重和拆装麻烦，直接刻度和测定对宇宙射线的响应值更是困难。本文通过实验发现，在得到一台γ辐射测量仪（量值传递仪器）的校准因子和对宇宙射线的响应后，可以通过在天然环境辐射场中的比对测量，间接确定其他γ辐射测量仪的校准因子和对宇宙射线响应值。这种方法简单、可行、易于操作，可节省成本，特别是对不便于进行异地刻度和宇宙射线响应测量的环境辐射测量设备，如车载设备、固定安装的设备和大型设备等。1RSS-131环境辐射监测仪的校准因子和对宇宙射线的响应RSS-131环境辐射监测仪（以下简称RSS-131）为美国通用电器公司生产的高压电离室，其性能稳定。量程范围1μR/h～10R/h，能量响应范围60keV～10MeV，在环境水平剂量率时（＜10μR/h）误差＜±5%。RSS-131的校准因子在广东省辐射剂量计量检定站检定，在226Ra源的标准辐射场中，校准因子为0.99（10-8Gy/h）。

1.1RSS-131在万绿湖对宇宙射线的响应RSS-131对宇宙射线的响应选择在广东省河源市万绿湖上测定，测量点纬度为23°47′45.6″，经度为114°36′28.1″，海拔为110m，水深超过50m，离岸大于1800m。测量日期为2009年12月3日，天气晴，气温19℃。RSS-131放置在小木船上，小木船用绳索牵引，距离测量人员约17m，测量时间从上午10∶26∶03开始，10∶37∶33结束，持续11分33秒。RSS-131对宇宙射线空气吸收剂量率的测量结果见图1，其平均值为35.7nGy/h，标准偏差为2.5nGy/h。当测量位于湖面，水深度大于30m，离岸大于1km，陆地辐射可以忽略。此外测量时测量人员离开仪器约17m，因而人体的影响也可忽略。所以RSS-131对宇宙射线响应的测量只考虑水体中40K（万绿湖中40K的浓度[2]为37.5Bq/m3）、空气中氡及其子体和仪器本底的影响，根据相关文献计算[1,4]其贡献分别为0.0016nGy/h、0.105nGy/h和0.24nGy/h。这样，在扣除这些因素影响后，RSS-131在万绿湖对宇宙射线空气吸收剂量率的实测修正值应为.

1.2RSS-131对宇宙射线的响应因子宇宙射线电离成分（不包括中子贡献）在低大气层中产生的空气吸收剂量率可以用经验公式[2]计算：式中，h为测点的海拔高度，m；λm为测点的地磁纬度，°N，由测点的地理纬度λ和地理经度Φ按式（3）计算：I0为λm＝0、h＝0时的宇宙射线电离量值，单位为I，即1离子对/cm3•s，它随太阳11年活动周期而变化。表1列出了1984—1989年的I0值[1]，2009年的I0值与1987年相同，2010年的I0值与1988年相同，依此类推。在万绿湖测量点，地理纬度、经度和海拔高度分别为23.796°、114.608°和110m。这样计算得该测点的宇宙射线电离成分产生的空气吸收剂量率为28.4nGy/h，所以RSS-131对宇宙射线的响应因子为28.4/35.35=0.803。1.3RSS-131在广东沿海地区对宇宙射线的响应本文进行的比对测量在广东沿海地区进行，其纬度变化范围为21.5°～24.5°，经度变化范围为110°～117°，这样范围的经纬度变化，λm的计算结果都小于13°（9.80°～12.86°）。根据式（2），对α计算没有影响，α都等于0.127。比对测量的海拔高度变化为1～31m。为简化起见，这里取加权平均海拔14m，代入式（3）计算得，在广东沿海地区宇宙射线电离成分产生的空气吸收剂量率为27.9nGy/h，因此RSS-131对宇宙射线的响应值为27.9/0.803=34.7nGy/h。

2γ辐射测量仪的宇宙射线响应和校准因子的间接校准及检验

2.1γ辐射测量仪的宇宙射线响应和校准因子的间接校准的原理在环境中，不论用什么仪器测量，理论上所测得的陆地γ辐射空气吸收剂量率相等，即：式中，D、Dc、k分别为某台辐射测量仪在环境中的测量读数、对宇宙射线的响应值和该测量仪对226Ra源γ射线产生的空气吸收剂量率的校准因子；Do、Dco、ko分别为作为量值传递辐射测量仪在环境中的测量读数、对宇宙射线的响应值和该测量仪对226Ra源γ射线产生的空气吸收剂量率的校准因子。由式（4）可得：对于任何辐射测量仪，其校准因子为常数，而且其对宇宙射线的响应值在海拔高度变化不大的情况下几乎不变，也可以看作常数，因此在环境中进行比对测量时，两台仪器的读数将成线性关系。如果在环境中进行比对测量的点数足够，且剂量率范围够大（如大于200nGy/h），则可以将比对测量数据以Do为X轴、以D为Y轴作图进行线性拟合，得拟合方程y=ax+b，从而得到方程组：在Dco和ko已知的情况下，由式（6）、式（7）可求出Dc和k。

2.26150闪烁体探测器γ辐射测量仪的宇宙射线响应和校准因子的间接校准选择美国进口的6150闪烁体探测器γ辐射测量仪（以下简称6150）与RSS-131在广东沿海进行比对测量[4]。测点数为26对，对测量结果进行线性拟合，结果如图2所示。由图2可见，a=1.1543，b=-8.0369。解方程组（6）、（7）得Dc=32.0、k=0.86。

2.3BH3103B便携式X-γ剂量率仪的宇宙射线响应和校准因子的间接校准选择国产BH3103B(#23)便携式X-γ剂量率仪（以下简称BH3103B）与RSS-131在广东广州、珠海、阳江地区进行比对测量。测量点数为19对，对测量结果进行线性拟合，结果如图3所示。由图3可见，a=0.9354，b=-13.648。解方程组（6）、（7）得Dc=18.8、k=1.06。

2.4γ辐射测量仪的宇宙射线响应和校准因子的间接校准方法的检验把两种仪器送到广东省辐射剂量计量检定站进行检定，6150检定校准因子为0.88、BH3103B是1.06，与间接校准的校准因子的相对偏差分别为-2%和0。2010年8月6日把以上两种仪器拿到广东省河源市万绿湖上进行宇宙射线响应的测定，测量点与2009年12月3日用RSS-131对宇宙射线的响应测量时的位置基本一致，测量结果列于表2。仪器在万绿湖测量位于湖面，水深度大于30m，离岸大于1km，陆地辐射可以忽略。此外仪器本底影响很小可忽略。测量时测量人员离开仪器约2m，因而人体的影响也可忽略。对于水体中40K（万绿湖中40K的活度浓度[2]为37.5Bq/m3）、空气中氡及其子体的影响，根据相关文献计算[1,3]其贡献分别为0.0016nGy/h、0.105nGy/h。这样，在扣除这些因素影响后，6150和BH3103B两种仪器在万绿湖对宇宙射线空气吸收剂量率的实测修正值B分别为;比对测量在广东沿海地区进行，其纬度变化范围为21.5°～24.5°，经度变化范围为110°～117°，取加权平均海拔为14m，与之前一致。因测量在2010年进行，I0值为1.72。从表2可见：两台仪器对宇宙射线的理论响应和校准因子基本与间接校准的结果是一致的。

3结束语

从节省成本的角度出发，环境γ辐射测量仪，特别是车载γ辐射巡测仪的校准因子和对宇宙射线响应的间接校准具有实际意义，这种方法简单、易于操作。进行间接校准时所选的量值传递仪器必须具有良好的性能，比对测量的点数应有一定的数量（如在20个左右），空气吸收剂量率值涵盖一定的范围（如最小和最大之间应有200nGy/h的差别），测量数值点最好能均匀分布，这样会有利于减少人为因素、环境因素和放射性统计涨落所带来的影响。间接校准也可作为对新购环境γ辐射测量仪性能是否良好的一种检验方法。