Question

γ辐射剂量率的测定

Answer 1

环境地表γ辐射剂量率是指田野、道路、森林、草地、广场以及建筑物内，地表上方一定高度处(通常为1m)由周围物质中的天然核素和人工核素发出的γ射线产生的空气吸收剂量率。吸收剂量表示单位质量物质所接受或吸收的平均辐射能量。吸收剂量的定义用公式表示为:吸收剂量 单位为Gy。 是质量为dm的物质吸收的电离辐射的平均能量。

γ辐射空气吸收剂量率仪主要有电离室型环境γ辐射空气吸收剂量率仪、塑料闪烁探测器的环境γ辐射空气吸收剂量率仪、具有能量补偿的计数管型环境γ辐射空气吸收剂量率仪以及具有能量补偿的热释光剂量计。

(1)技术要求

本法主要使用专用γ辐射剂量率仪器进行测量，要求测量环境地表γ辐射剂量率的仪表应具备以下主要性能和条件:

a.量程范围。低量程1×10^-8～1×10^-5Gy·h^-1;高量程1×10^-5～l×10^-2Gy·h^-1。

b.相对固有误差:<15%。

c.能量响应:50keV～3MeV相对响应之差<30%(相对¹³⁷Cs参考γ辐射源)。

d.角响应:0°～180°R/R≥0.8(¹³⁷Csγ辐射源)(R，角响应平均值;R，刻度方向上的响应值)。

e.温度:-10～+40℃(即时测量仪表)，-25～+50℃(连续测量仪表)。

f.相对湿度:95%(+35℃)。

仪器使用前要到校准实验室进行校准。

(2)仪器类型

用于环境γ辐射剂量率测定的仪器按探测器分类主要有电离室、闪烁探测器和计数管3种类型。

A.电离室。电离室是灵敏体积内充有适当气体的电离辐射探测器。探测器一般有高压极、收集极和保护极。高压极、收集极间加有高压电场。此电场不足以引起气体放大，但能够把电离辐射在灵敏体积内产生的离子电荷收集到电极上，供测量系统进行测量。环境γ放射性测量使用的电离室一般采用球形或圆柱形，见图66.23。电离室环境γ辐射空气吸收剂量仪的系统组成如图66.24所示。为提高灵敏度并缩小电离室体积，一般在灵敏体积内充有25～35kPa的高压气体，成为高气压电离室。

技术特点与存在问题。

a.常压电离室用于环境γ辐射剂量测查的优点是结构简单、能量响应好，缺点是灵敏度较低。在使用中，为提高灵敏度需要将灵敏体积做大，使仪器较为笨重，不便携带;常压电离室的灵敏度随温度气压的变化较大。测量时必须携带气压计，随时进行温度、气压修正。

图66.23 球形电离室示意图

图66.24 高气压电离室典型测量电路

b.高气压电离室用于环境γ辐射剂量测量的优点是由于充气压力高，测量灵敏度高于常压电离室;由于其密封特性好，不需要进行温度、气压修正，使用方便。存在的问题是在100keV以下电离室壁吸收会使读数偏低，增加壁厚可加强对低能放射性的吸收，改善电离室的低能响应，但缩小了电离室能量响应的范围。80keV以下的低能射线份额需要进行修正。

B.闪烁探测器。闪烁探测器主要有塑料闪烁体探测器和NaI晶体探测器

闪烁探测器是一种对于电离辐射灵敏的探测器。当电离辐射与闪烁体物质相互作用时，闪烁体物质的原子、分子被电离或激发，被电离或激发的原子、分子退激时，一部分电离、激发能量以光放射性形式释放，形成闪烁光。闪烁光被收集到光电转换器件上，发出光电子，产生输出信号。闪烁体发出的闪烁光与电离辐射的能量和空气比释动能有关。闪烁探测器的原理结构示意如图66.25。闪烁体探测器一般由闪烁体和光电转换器件组成。通常闪烁体通过光导与光电倍增管组成一体装入避光的暗盒中。

图66.25 闪烁探测器原理结构示意图

塑料闪烁体是有机闪烁物质在塑料中的固熔体，属于有机闪烁体。环境γ辐射空气吸收剂量仪采用的闪烁体主要是能量响应较好的塑料闪烁体或在塑料闪烁体中加一定量的锡或在闪烁体外表面涂上一层ZnS(Ag)，使探测器的能量响应得到改善。

NaI(Tl)闪烁探测器具有灵敏度高的优点，由于其能量响应较差，所测量的数值偏差较大，在环境测量中已很少使用。也有经过技术改造后将其用于环境测量的。

技术特点与存在问题。

a.采用塑料闪烁体的仪器在25keV～1.3MeV范围内能量响应可达±10%，对于3MeV以上宇宙射线的高能量脉冲辐射易于出现饱和。其对于高能辐射的响应不好。

b.采用NaI(Tl)闪烁探测器的仪器对宇宙射线的响应小，而对低能量的γ射线响应过大。

c.由于光电倍增管的温度特性不好，使仪器随温度变化的特点十分明显。

C.高灵敏计数管。

图66.26 闪烁体探测器原理结构示意图

计数管是一种气体电离探测器，被探测的射线进入计数管灵敏体积内引起气体电离，生成正、负离子。后者在被电极收集过程中受电场加速获得足够能量，并再次使气体电离，即产生气体放大。放大终止后，在电场作用下正离子鞘向阴极漂移在阳极上感应出一

个电压脉冲。计数管在一定的工作电压下输出脉冲幅度相同，而与入射粒子能量、种类等无关。计数管输出的电压脉冲接入脉冲计数电路即可进行测量。若将脉冲计数率与计量率关系对应建立，就可以进行环境放射性空气吸收剂量测量。测量系统的原理电路如图66.26所示。

技术特点与存在问题。

a.计数管用于环境γ辐射空气吸收剂量测定具有系统简单、易于小型化的特点，可形成便携式现场测量仪器;同时其性能稳定，环境适应性好。它存在自身本底高、灵敏度较低、对低能响应大、需要进行能量平衡等缺点。

b.一般情况下，可用于环境水平测量的计数管自身本底大多在每分钟20～50个脉冲，约为40～100nGy/h。

(3)仪器的选择

由于高气压电离室对高能的宇宙射线响应好，由于其电离室壁是不锈钢材料，故对陆地辐射低于50keV的低能响应较差。塑料闪烁探测器低能区响应好，高能区响应差。所以，专业实验室常选择塑料闪烁体探测器和高气压电离室仪器共同进行环境测量，以实现互补。

各类环境γ辐射空气吸收剂量仪的对比见表66.14。

表66.14 各类环境γ辐射空气吸收剂量仪的对比

续表

(4)测量方法

环境地表γ辐射剂量率测量方式分两种。

a.即时测量。用各种γ剂量率仪直接测量出点位上的γ辐射空气吸收剂量率瞬时值。

b.连续测量。在核电厂等大型核设施的环境固定监测点上，测量从本底水平到事故的环境辐射场空气吸收剂量率的连续变化值。布设在固定监测点位上的热释光剂量计测出一定间隔时间内环境辐射场的累积剂量值。

(5)测量步骤

两种测量方法的测量程序都应按仪器校准、天然本底测量、测量点的确定、测点测量4个步骤进行。

A.仪器检查和校准。使用仪器前后，应认真检查，通常用监督源检查仪器的工作状态，确认其状态正常，方可使用。当仪器没有监督源时，可采用固定条件下的状态检查。

将仪器放置在一个固定地点上(室内、外均可)。由于雨雪天测量时本底值将明显降低，因此，室外测点应避免雨雪天测量。要求测点周围没有外来放射性干扰。长期测量该点的本底读数值，每次测量取10个读数，计算平均值D_b，并绘出D_b变化曲线。每次测量的10个读数的平均值与长期观测该点的平均值D_b相对变化小于10%，则视为仪器正常，方可对仪器进行校准。

较好的办法是找一个空旷地带(距附近高大建筑物30m以上，高1.5m的地面上)，放置一两个与测量对象核素和能量相似的标准源(Ra源即可)，将仪器探测器与源处于同一水平线，按式(66.58)建立不同I与仪器读数的关系曲线(横坐标表示已知剂量率，纵坐标表示仪器读数)。减去仪器本底后，使曲线通过原点，横坐标与曲线的夹角为α，仪器读数与cotα的乘积即为校准后的某点剂量率。

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:R为源中心距探测器中心的距离;A为源的γ常数，1mg镭源距探测器1m处A为825×71.667fC/(kg·s);I为以γ单位表示的剂量率。

B.天然本底的测量。在进行γ辐射剂量率测量时需扣除仪表对宇宙射线的响应部分。不同仪表对宇宙射线的响应不同，可根据理论计算，或在水深大于3m，距岸边大于1000m的淡水面上测量或与对宇宙射线响应已知的仪表比较得出。环境γ辐射空气吸收剂量本底测量一般在室外选点，测量点应距离附近高大建筑物30m以上的空旷地带(最好在土地上)，距地面100cm处进行测量。测量10个读数，计算平均值和平均值的标准偏差。

C.测量点的确定。测量的目的决定于测量点位置的布设。在一般建筑材料和建筑物内进行环境检测时，应按照测量目的和源项的照射途径，以及人群活动情况分别确定测量点位的布设。建筑材料测量应按照检测模型情况，将测量点设置在模型中央。探测器距模型表面50～100cm。

全国性或一定区域内的环境γ辐射本底调查，对同一网格点的建筑物、道路和原野(城市中的草坪和广场)，γ辐射剂量率的测量可同时进行。

D.测量。

a.室内测量。要考虑建筑物的类型和层次。测量点一般选择在室内中央，距地面100cm处进行测量。若出现测量值异常时，则应按照100cm间距进行网格划分测量，以确定异常点的位置。距离墙壁应大于100cm。

b.室外测量。在城市中的道路、草坪和广场测量时，测点距附近高大建筑物的距离需大于30m，并选择在道路和广场的中间地面上1m处。

测量点应距离附近高大建筑物30m以上，距地面100cm处进行测量。室外环境地表测量时应考虑到降雨、降雪，以及氡、钍射气的析出与扩散、地面植被情况等因素的影响。所在山地丘陵地区还应注意到岩石露头的影响。

(6)剂量估算

环境γ辐射对居民产生的有效剂量当量可用下式进行估算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:H_e为有效剂量当量，Sv;D_γ为环境地表γ辐射空气吸收剂量率，Gy·h^-1;K为有效剂量当量率与空气吸收剂量率比值，本方法采用0.7Sv·Gy^-1;t为环境中停留时间，h。