歐陽游張長興劉姍姍杜曉立孫 陶

（核工業(yè)航測遙感中心，石家莊 050002）

1 引 言

地面放射性測量模型標準裝置（簡稱地面模型）是20 世紀80年代根據(jù)IAEA174 號報告和309號報告研建的用于校準便攜式γ 能譜儀、γ 輻射儀的計量裝置，目前為國家授權(quán)、國防許可的計量標準。 為擴展地面模型的應用領(lǐng)域，使地面模型兼用于γ 輻射環(huán)境監(jiān)測。 1999年～2001年，在項目支持下，通過高壓電離室實測、HPGe γ 譜儀實測G（E）函數(shù)法計算和蒙特卡羅法（MC）理論計算等方法，確定了地面模型的空氣吸收劑量率標準值（簡稱劑量率），建立了用于校準γ 輻射劑量率儀的飽和體源計量標準。

現(xiàn)有地面模型標準量值上限的設置是受限于過去鈾礦地質(zhì)勘查要求和模型建造工藝等因素，地面模型鈾的含量上限僅為0.03 %，只達到了鈾礦工業(yè)開采的邊界品位；而鉀模型主要是以往采用天然鉀長石作為主要原材料，其鉀含量一般在10 %左右。 因此，以鉀長石為主要原材料建造的地面模型鉀含量一般最高不超過7 %，比天然環(huán)境本底的鉀含量略高點。 現(xiàn)有地面模型空氣吸收劑量量值總體分布不均，且大多數(shù)接近于環(huán)境本底，量值上限不高，對現(xiàn)有寬量程環(huán)境輻射監(jiān)測儀器的校準無法全量程覆蓋，影響了環(huán)境高輻射水平監(jiān)測結(jié)果的可比性。 為拓展地面模型量值上限，2016年～2018年新研建了鉀含量30 %（YK3）和鈾含量1 %（YU4）的兩個模型，并通過實驗室樣品分析、模型上實測等方法，確定了模型量值。

2 模型簡介

地面模型是飽和體源，能在平面和垂向上模擬無限延伸地質(zhì)體，含鉀、鈾、釷、混合和本底，共5類，包含12 個飽和地面模型體源和配套標準儀器。每個模型由已知含量的天然放射性鈾、釷、鉀礦粉和低本底石英砂、水泥混合澆注而成，形狀為直徑220 cm、高60 cm 的圓柱體，重約5 t，如圖1所示，模型中天然放射性元素分布均勻、含量已知，根據(jù)主次元素不同分別命名為鈾（YU1、YU2、YU3）、鉀（YK1、YK2）、釷（YTh1、YTh2）、混合（YM1、YM2、YM3）和本底（YB1、YB2）。 地面模型雖屬于飽和模型，但因各種儀器形狀、外殼厚度不同，導致探測器參考點（線）相對模型中心點（校準點）存在一定偏差，研究確定模型表面及不同高度上劑量率分布規(guī)律，對環(huán)境γ 劑量率儀量值的準確傳遞至關(guān)重要。

圖1 地面模型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the calibration pad

3 模型表面水平方向坪區(qū)研究

以模型表面幾何中心位置為參考點，沿模型直徑方向，共設8 條測線，相鄰兩條測線的夾角為22.5 °，距模型參考點位置距離為0 cm，10 cm，20 cm，30 cm，40 cm，50 cm，60 cm，70 cm，80 cm，90 cm，100 cm，110 cm 處設點測量，如圖2所示。 測量儀器為BH3103B 型環(huán)境X、γ 劑量率儀，測量高度為3.0 cm，測量結(jié)果（此結(jié)果為儀器測量示值而非真值）如表1、表2、圖3和圖4所示。

表1 YK3 坪區(qū)劑量率儀測量結(jié)果統(tǒng)計表Tab.1 Statistical table of measurement results of dose rate meter in YK3 plateau zones

表2 YU4 坪區(qū)劑量率儀測量結(jié)果統(tǒng)計表Tab.2 Statistical table of measurement results of dose rate meter in YU4 plateau zone

圖2 地面模型表面水平方向測量點示意圖Fig.2 Schematic diagram of horizontal measuring points on surface of the calibration pad

從圖3和圖4可以看出，遠離模型表面中心位置的劑量率較低，隨著中心點的接近，劑量率逐漸上升。 對于?75 mm×82 mm 塑料閃爍體的環(huán)境X、γ 劑量率儀，YK3 和YU4 測量坪區(qū)以參考點半徑約40 cm 和50 cm 范圍內(nèi)，在坪區(qū)內(nèi)劑量率變化均不大于0.6 %，如表3所示。

表3 YK3 和YU4 坪區(qū)內(nèi)劑量率變化情況Tab.3 Changes of dose rate in YK3 and YU4 plateau zones

圖3 劑量率儀測量YK3 坪區(qū)曲線圖Fig.3 The curve of YK3 plateau zone was measured by dose-rate meter

圖4 劑量率儀測量YU4 坪區(qū)曲線圖Fig.4 The curve of YU4 plateau zone was measured by dose-rate meter

因此，水平方向距模型表面中心位置一定范圍內(nèi)，量值相對穩(wěn)定，一般進行儀器校準時，儀器探測器中心點在模型中心點正上方，即使略有偏差，也不會對結(jié)果造成影響。

4 模型參考點及量值確定

4.1 模型參考點確定

在實際測量工作中，通常采用1 m 標準監(jiān)測高度上的照射量率或空氣吸收劑量率來衡量天然輻射體上方的環(huán)境電離輻射水平。 但地面模型幾何尺寸有限，為了在地面模型上校準環(huán)境電離輻射儀表時盡可能接近2π 測量條件，通常將環(huán)境電離輻射儀表的探測器直接置于模型表面進行校準，國內(nèi)外現(xiàn)有的環(huán)境電離輻射儀表探測器幾何中心到底面的高度一般在3.0 cm～6.0 cm 之間，將它們置于地面模型（?2.2 m×0.6 m）表面中心點時，電離輻射體源對探測器所張立體角為1.93π ～1.97π，相對于2π 測量條件的電離輻射飽和度在97.9 %～99.1 %之間。

從理論上講，很難直接得到電離輻射體源計量標準模型的表面中心點（即表面0 m 處）空氣吸收劑量率的量值，蒙特卡羅（MC）理論計算只能無限趨于表面0 m 高度。 以原有的YU1 和YK1 的蒙特卡羅模擬計算的不同高度曲線為例來分析，0 cm～3.0 cm 高度的空氣吸收劑量率與高度曲線明顯發(fā)生畸變，且這種畸變對不同的主導元素的模型體源差異較大，如圖5和圖6所示。

圖5 YU1 模型空氣吸收劑量率的MC 計算值與實測值比較曲線圖Fig.5 Comparison diagram between MC calculated value of YU1 air absorbed dose rate and measured value

圖6 YK1 模型空氣吸收劑量率的MC 計算值與實測值比較曲線圖Fig.6 Comparison diagram between MC calculated value of YK1 air absorbed dose rate and measured value

因此，3.0 cm 高度以下的定值結(jié)果沒有實際意義。 造成這種現(xiàn)象的主要原因是在靠近模型體源表面時，來自模型體源內(nèi)部的γ 射線的能量衰減主要是模型體源內(nèi)部的自吸收，γ 射線在空氣中的衰減已不是主要影響因素，而γ 射線在介質(zhì)內(nèi)部的自吸收除與γ 射線的能量有關(guān)，還與介質(zhì)的物質(zhì)成分、物性參數(shù)有著及其密切的關(guān)系。

目前，用于鈾礦地質(zhì)勘查的儀器，大多數(shù)的探測器幾何中心線距離模型表面中心點的距離為3.0 cm左右，選擇距離電離輻射體源計量標準裝置表面上方3.0 cm 高度的空氣吸收劑量率或照射量率作為電離輻射體源計量標準裝置的基本標準值，既可以避免因距離模型體源表面太近而受模型和儀器本身自吸收帶來的影響，同時這一高度與各類環(huán)境電離輻射儀表探測器的實際高度基本一致，可以有效減小幾何修正引入的誤差。

新研建的鈾模型YU4 和鉀模型YK3 在幾何尺寸、密度等物性參數(shù)，及模型表面密封材料與原地面放射性測量模型基本一致。 因此，選擇鈾模型YU4 和鉀模型YK3 以模型表面幾何中心點3.0 cm高度為量值參考點，這樣可以避免因距離模型體源表面太近而受模型體源和儀器自身自吸收帶來的影響，這一高度與各類環(huán)境輻射儀探測器實際高度基本一致，而且與現(xiàn)有地面模型量值參考點也保持一致。

4.2 模型參考點量值的確定

采用三成分法和高氣壓電離室實測法給模型定值，由于兩種方法彼此獨立，定值結(jié)果不確定度接近，故模型YU4 和YK3 的空氣吸收劑量率定值結(jié)果用兩種方法的算術(shù)平均值確定。

由輻射體中天然放射性元素鈾、釷、鉀含量換算成地面上方空氣吸收劑量率的方法簡稱三成分法，距離地面上方處的空氣吸收劑量率可按式（1）計算：

式中：S，S，S——鉀、鈾、釷的在模型表面3.0 cm高處的換算系數(shù)，分別為10.786 nGy·h／%，4.666 nGy·h／10，2.1515 nGy·h／10；Q，Q，Q——模型的鉀、鈾、釷含量，%，10，10。

式（1）中通過蒙特卡羅法來計算不同放射性核素在地面模型表面上方3.0 cm 高度的空氣吸收劑量率，通過最小二乘法與地面模型已知的放射性核素含量擬合得到單位放射性核素含量的空氣吸收劑量率，即單位含量放射性核素鉀、鈾（U ＋Ra）、釷在模型表面3.0 cm 高處的空氣吸收劑量率換算系數(shù)。 YU4 和YK3 空氣吸收劑量率三成分法定值結(jié)果如表4所示。

表4 YK3 和YU4 空氣吸收劑量率定值結(jié)果Tab.4 Changes of dose rate in YK3 and YU4 plateau zones

高氣壓電離室（型號：RS－S131－ER000）校準結(jié)果溯源至國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站，高氣壓電離室校準因子為1.01，高氣壓電離室實測模型空氣吸收劑量率按式（2）進行計算。 用高氣壓電離室測量模型YU4、YK3 的空氣吸收劑量率，高氣壓電離室探測器有效幾何中心線距模型表面幾何中心點0 cm 高度處的距離為19.15 cm。

式中：——距地面模型表面19.15 cm 高度處的空氣吸收劑量率，nGy·h；——修正因子，1.01；——高氣壓電離室地面模型空氣吸收劑量率測 量 結(jié) 果， nGy·h； N——環(huán) 境 綜 合 本 底，nGy·h。

根據(jù)4.2 節(jié)測試研究成果，表明模型表面中心點γ 輻射場分布是按指數(shù)規(guī)律分布的，其上方空氣吸收劑量率隨高度的修正按式（4）進行計算。 YU4和YK3 空氣吸收劑量率高氣壓電離室實測法定值結(jié)果如表4所示。 用兩種方法對模型定值，可得：在參考點3.0 cm 上的劑量率分別為320.8 nGy·h和4.3 ×10nGy·h。

5 不同高度γ 輻射劑量率分布規(guī)律研究

5.1 測試方法及儀器

用地面模型校準環(huán)境γ 劑量率儀時，雖大多數(shù)探測器幾何中心線距離模型表面中心位置的距離為3.0 cm 左右，但仍還有許多大型儀器和絕大多數(shù)高氣壓電離室的探測器幾何中心線遠大于3.0 cm，為了使模型所確定的量值滿足各種儀器的量值傳遞需要，有必要對模型表面中心點上方γ 輻射場分布規(guī)律進行測試。 以模型表面幾何中心為參考點，測量范圍5 cm～120 cm，每隔5.0 cm 設點測量。 測試結(jié)果均用檢定證書提供的校準因子進行修正。

測試儀器共計5 臺，包括高氣壓電離室1 臺，環(huán)境γ 劑量率儀4 臺。 4 臺環(huán)境γ 劑量率儀均在地面模型上依據(jù)JJG（軍工） 43—2014 檢定合格，高氣壓電離室溯源至國防科技工業(yè)電離輻射一級計量站，測試儀器統(tǒng)計及其測量參數(shù)如表5和表6所示。

表5 測試儀器統(tǒng)計一覽表Tab.5 List of test instrument statistics

表6 測試儀器測量參數(shù)一覽表Tab.6 List of measuring parameters of testing instruments

5.2 不同高度γ 輻射場測試研究

在模型參考點上方空氣吸收劑量率的測量結(jié)果與模型的半徑、探測器有效幾何中心距模型參考點的高度有關(guān)，即在模型半徑尺寸不發(fā)生變化的情況下探測器有效幾何中心距模型表面幾何中心的高度越高，相對于2π 測量條件的電離輻射飽和度越小。 根據(jù)測量儀器探測器的有效幾何中心線至模型參考點的高度和模型半徑，按式（3）計算得到幾何修正系數(shù)P。 再利用幾何修正系數(shù)對實測計數(shù)率進行幾何修正，可得到等效于相應模型體源在平面上無限延伸時測得的計數(shù)率，在實際測量中按式（4）將不同高度的空氣吸收劑量率的測量結(jié)果修正到3.0 cm 高度。

式中：P——幾何修正系數(shù)；——探測器有效幾何中心線分別至模型體源表面中心點連線和模型體源表面邊界點連線的夾角，（°）。

式中：——3.0 cm 高度的空氣吸收劑量率，nGy·h；N——高度的空氣吸收劑量率，nGy·h；——飽和模型體源的半徑，cm；——探測器幾何中心到飽和模型體源表面的距離，cm；。

從式（4）和5 臺儀器的測量結(jié)果（如表7和表8所示）可以看出，模型參考點上方γ 輻射場程非線性變化，γ 輻射場的變化符合指數(shù)變化規(guī)律，如圖7和圖8所示，從圖中可看出，在120.0 cm 高度范圍內(nèi)，由于YU4 空氣吸收劑量率高，環(huán)境綜合本底對儀器的測量結(jié)果影響相對較小，YU4 正上方不同高度空氣吸收劑量率儀器實測結(jié)果與理論計算結(jié)果相對偏差在2 %范圍以內(nèi)；而YK3 空氣吸收劑量率低，受環(huán)境綜合本底影響較大，測量最佳高度范圍在40 cm 內(nèi)，此時YK3 正上方不同高度空氣吸收劑量率儀器實測結(jié)果與理論計算結(jié)果相對偏差在3 %范圍以內(nèi)，主要原因是YK3 空氣吸收劑量率低，受環(huán)境綜合本底影響較大，YU4 空氣吸收劑量率高，受環(huán)境綜合本底影響小。 而絕大部分的環(huán)境電離輻射儀表的探測器幾何中心到底面的高度一般不超過40 cm，因此，新建YU4 和YK3 正上方不同高度的空氣吸收劑量率量值可以按理論計算結(jié)果使用。

圖7 YU4 參考點上方不同高度γ 劑量率實測結(jié)果曲線圖Fig.7 The curve of measured results of γ dose rates at different heights above YU4 reference point

圖8 YK3 參考點上方不同高度γ 劑量率實測結(jié)果曲線圖Fig.8 The curve of measured results of γ dose rates at different heights above YK3 reference point

表7 YU4 參考點上方不同高度γ 劑量率實測結(jié)果統(tǒng)計Tab.7 Statistics of measured results of γ dose rates at different heights above YU4 reference point

表8 YK3 參考點上方不同高度γ 劑量率實測結(jié)果統(tǒng)計Tab.8 Statistics of measured results of γ dose rates at different heights above YK3 reference point

對YK3 上測量結(jié)果的平均值進行擬合，可得＝35706（＝0.998 7），如圖9所示；對YU4 上測量結(jié)果的平均值進行擬合，可得＝48243（＝0.999 6），如圖10 所示。

圖9 YK3 參考點上方不同高度γ 劑量率實測結(jié)果平均值曲線圖Fig.9 The curve of average value of measured γ dose rates at different heights above YK3 reference point

圖10 YU4 參考點上方不同高度γ 劑量率實測結(jié)果平均值曲線圖Fig.10 The curve of average value of measured γ dose rates at different heights above YU4 reference point

6 結(jié)束語

綜上所述，通過對新研建YK3 和YU4 地面模型的γ 劑量率值空間分布規(guī)律進行研究，確定了水平方向和垂直方向劑量率值的變化規(guī)律，為環(huán)境電離輻射計量儀器的檢定／校準提供了可靠的計量保證，解決了用天然輻射模型體源校準高量程環(huán)境輻射監(jiān)測儀器的問題，為鈾資源勘查、鈾礦采冶、礦山退役、放射性廢渣治理等領(lǐng)域提供了計量技術(shù)保障。