辐射测量仪的宇宙射线响应和校准系数的陆地测算方法验证

张 华 陈志东 徐润龙 林炜伟 梁明浩

（广东省环境辐射监测中心 阳江529500）

辐射环境γ剂量率测量包括瞬时测量、连续测量以及累积剂量测量。测量的仪器类型有高气压电离室型、塑料闪烁体型、计数管型以及热释光剂量计（Thermoluminescent Dosimeter，TLD）等，不同类型的测量仪器，或是同一类型不同型号、不同批次的仪器因敏感体积、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系数和对宇宙射线的响应也存在差异，从而导致不同仪器测量的γ辐射剂量率结果不一致。为使各监测仪器的监测数据具有可比性，有必要扣除测量仪器对宇宙射线的响应。

高能带电粒子流是宇宙射线重要组成部分，对环境天然辐射照射贡献不可忽视，在天然辐射源中，占环境外照射剂量的44%［1］。现行标准《环境地表γ辐射剂量率测定规范》（GB/T14583-1993）［2］及《辐射环境监测技术规范》（HJ/T61-2001）［3］均要求，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。仪器对宇宙射线的电离成分响应值的扣除方法一般在水深大于3 m、距岸边大于1 km的淡水面上进行测量。当环境监测点的海拔高度和经纬度与宇宙射线测量点不同时，根据经验公式进行估算修正。但此测量过程费时费力，且受环境中的氡及其子体等因素的影响，不同季度测得结果偏差较大。

廖建华等［4］提出可以通过在不同辐射剂量水平的天然环境辐射场中对量值传递仪器和待测仪器进行比对测量，最终间接确定待测仪器的校准系数和宇宙射线响应值。该方法简单、可行、易于操作，不仅可以获得仪器的宇宙射线响应值，同时还能获得仪器的校准系数，但此类型天然环境辐射场的寻找和确定也较为繁琐。

通过建设稳定且覆盖一定剂量率范围的辐射检验场［5］，利用量值传递仪器与待测仪器在该场内比对测量，可快速计算出待测仪器的宇宙射线响应值和校准系数，从而解决辐射测量仪宇宙射线响应测量困难的问题，同时又能检验仪器校准系数的可用性，对于及时、快速判断仪器（特别是不稳定仪器）的稳定性亦具有重要意义。

1 辐射检验场

1.1 理论依据

环境中，任何仪器测量所测得的陆地γ辐射剂量率理论上都应该相等。当测量点足够多，且覆盖一定剂量率范围时，将两台仪器同时测量结果用最小二乘法线性拟合可得如下公式［4］：

式中：k为待测仪器校准系数计算值；k0为传递仪器校准系数，查看仪器有效检定期的检定证书，由仪器检定单位给出；a为拟合直线斜率；Dc为待测仪器宇宙射线响应计算值；b为拟合直线截距；Dc0为传递仪器宇宙射线响应值，在水深大于3 m、离岸大于1 km的万绿湖上测得。根据《辐射环境监测技术规范》HJ/T61-2001附录B所示将宇宙射线响应测量值修正为辐射检验场［6］测量点的宇宙射线响应值。

由式（1）、（2）可分别计算待测仪器的校准系数及宇宙射线响应值。

本文宇宙射线响应的测量地点均为广东河源万绿湖上，测量地点及方法均满足《辐射环境监测技术规范》HJ61-2001的要求。

1.2 放射源材料

辐射检验场用放射性物质来源于某独居石冶炼厂产生的固体废渣，废渣中含有较高放射性水平的238U、232Th及其子体。废渣的核素比活度分别为238U 1.01×104Bq·kg−1、226Ra 1.34×105Bq·kg−1、232Th 7.87×105Bq·kg−1、40K<6.96×102Bq·kg−1，总α1.44×106Bq·kg−1，总β1.71×106Bq·kg−1。将固体废渣装入圆柱形不锈钢样品盒（直径10 cm、高12.5 cm）作为辐射检验场的放射源，装有废渣的不锈钢样品盒表面及1 m处的剂量率分别约10μGy·h−1、1μGy·h−1。

1.3 宇宙射线响应值修正方法

根据《辐射环境监测技术规范》HJ/T61-2001附录B所示，将某γ辐射测量仪在广东河源万绿湖实测得到的宇宙射线响应值进行修正，从而得到该设备在本实验场所在地（广东省环境辐射监测中心粤西分部）的宇宙射线响应值。万绿湖测量点海拔高度为110 m，纬度为23°47′38″，经度114°35′21″；辐射检验场测量点海拔高度为26 m，纬度21°53′12″，经度111°59′34″。

则：

式中：D'c为辐射测量仪在广东河源万绿湖实测得到的宇宙射线响应值；Dc为辐射测量仪在辐射检验场的宇宙射线响应值；D'r为万绿湖宇宙射线电离成分在低大气层中产生的空气吸收剂量率，nGy·h−1；Dr为辐射检验场宇宙射线电离成分在低大气层中产生的空气吸收剂量率，nGy·h−1。

2 辐射检验场最佳使用条件

影响辐射检验场准确性的因素主要有传递仪器与待测仪器类型是否相同、辐射检验场剂量率水平高低等。以下通过实验确定辐射检验场最佳使用条件，以提高测量计算结果的准确性。

实验主要使用6150AD型和RSS-131型γ辐射测量仪，各仪器均按照本单位质保体系要求，按时开展期间核查、检定等质控措施。

在进行实验前，各仪器均送至有检定资质的单位进行检定且获得校准系数；在水深大于3 m、离岸边大于1 km的万绿湖上测得各仪器的宇宙射线响应值，并用式（3）将万绿湖实测宇宙射线响应值修正为辐射检验场宇宙射线响应值。待测仪器的校准系数和粤西分部宇宙射线响应值分别作为各仪器的参考值（表1），以评价各仪器在辐射检验场中的测量结果。本 实 验6150AD测量 结 果单 位为nSv·h−1，RSS-131测量结果的单位为nGy·h−1。

表1 γ辐射测量仪校准系数和宇宙射线响应参考值Table 1 The calibration coefficient and cosmic ray response of reference values ofγradiometer

2.1 测量点剂量率范围影响

考察两种剂量率范围对宇宙射线响应值和校准系数的影响。高剂量率范围：100～1 000 nGy·h−1；低剂量率范围：100～500 nGy·h−1。实验验证时，仪器探头离地1.0 m。

以仪器代码5为传递仪器，验证仪器代码1、2、3三台6150AD型辐射测量仪。拟合计算结果见表2，可以看出，在两种剂量率范围下，测量拟合的校准系数和宇宙射线响应值基本都能满足要求，但相对而言，高剂量率范围下测量拟合的校准系数相对偏差较小，低剂量率范围下测量拟合的宇宙射线值相对偏差较小，后续实验均在低剂量率范围开展。

表2 测量点剂量率范围影响的实验结果Table 2 Experimental results of the impact of the dose-rater angeat the measurement point

2.2 不同仪器类型的实验结果

为考察不同类型传递仪器对宇宙射线响应值和校准系数的影响，分别以仪器代码1、5为传递仪器，拟合计算仪器代码2、3、4的校准系数和宇宙射线响应值，结果见表3。从结果可以看出，同类型仪器传递，校准系数结果明显优于不同类型仪器传递，且其宇宙射线响应值的相对偏差均在10%以内。

表3 不同仪器类型实验结果Table 3 Experimental results of different instrument types

2.3 辐射检验场稳定性检验

为考察辐射检验场的稳定性，以仪器代码1为传递仪器，仪器代码4为待测仪器，在辐射检验场进行测量，并对测量结果拟合计算待测仪器校准系数和宇宙射线响应值。传递仪器数据不变，4 d后重复测量待测仪器一次，再次计算待测仪器宇宙射线响应和校准系数。两次计算结果见表4。

表4 稳定性验证结果Table 4 Stability verification results

辐射测量仪的宇宙射线响应数值在30左右，高剂量率范围最大值大于1 000，是宇宙射线的几十倍，测量引入误差较大。另外，同类仪器传递，探测器类型、角响应及探测器几何尺寸等一致性较好，几何误差亦比较小，有助于提高测量精度。

由实验及理论分析可知，在辐射检验场低剂量率范围进行同类型仪器传递，宇宙射线响应测量结果较为理想，且稳定性较好。

3 方法验证

辐射检验场最佳使用条件为：低剂量率范围同类型仪器传递。为验证“辐射测量仪的宇宙射线响应和校准系数的陆地测算方法”，对不同类型若干辐射测量仪进行辐射检验场测量和万绿湖宇宙射线响应测量。

3.1 万绿湖宇宙射线响应测量及辐射检验场宇宙射线响应计算结果

组 织4台 高 压 电 离 室、7台6150AD、2台BH3103和1台RED-100型γ辐射测量仪进行辐射检验场及万绿湖宇宙射线响应测量，利用式（3）将万绿湖宇宙射线响应值修正至粤西分部辐射检验场宇宙射线响应值。详细结果见表5。

3.2 陆地测算宇宙射线响应和校准系数结果及分析

将表5所示14台γ辐射测量仪进行辐射检验场测量，以仪器代码1、5、13为传递仪器，分别计算同类型仪器的宇宙射线响应值和校准系数。其中RED-100无同类型仪器，以仪器代码1高压电离室为传递仪器计算其宇宙射线响应值和校准系数，计算结果见表6。

从表6可见，校准系数计算结果共有11个，相对偏差范围为−8.3%～8.1%，均小于10%。宇宙射线响应值计算结果共有11个，绝对偏差范围为−4.3～11.4，其中同类型仪器传递的偏差范围为−4.3～6.5，即宇宙射线响应值绝对偏差均小于7。

表5 万绿湖宇宙射线响应测量及辐射检验场宇宙射线响应修正结果Table 5 Cosmic ray response measurement of Wanlu Lake and correction results of cosmic ray response of radiation inspection field

表6 陆地测算宇宙射线响应和校准系数结果Table 6 Terrestrial measurement of cosmic ray response and calibration coefficient results

3.3 陆地γ辐射剂量率比对结果及分析

将表5所示14台γ辐射测量仪进行同点位测量比对，监测点位4个，监测数据56个。将各仪器读数均值扣除对应点位宇宙射线响应值、乘以有效校准系数后，监测结果见表7。

依据《利用实验室间比对进行能力验证的统计方法》（GB/T 28043-2019）［7］和《能力验证结果的统计处理和能力评价指南》（CNASGL02）［8］的要求，采用稳健Z比分数法评价γ辐射剂量率比对结果（扣除宇响值），评价结果做柱状图展示，见图1。可见，56个监测数据中有54个数据取得满意的比对结果，占总数的96%。其中，仪器代码14在道路三的监测结果为离群值，该仪器在道路二监测结果为可疑值。

表7 γ辐射剂量率监测结果Table 7 The results ofγradiation dose rate(nGy·h−1)

图1 道路一(a)、道路二(b)、草地(c)、道路三(d)Z值柱状图Fig.1 Road 1(a),road 2(b),grassland(c),road 3(d)Z-value bar chart

从表5可知，仪器代码14检定单位为“上海计量测试技术研究院华东国家计量测试中心”，传递仪器检定单位为“广东省辐射剂量计量检定站”。考虑是否因检定单位不同引入系统误差，采用表6中仪器代码14的计算系数作为校准系数重新计算其测量结果，并对各点位监测结果进行稳健Z比分数法评价，评价结果见表8。

表8 Z比分数值结果汇总Table 8 Z score numerical result summary

从表8可见，将仪器代码14测量结果溯源至传递仪器同一家检定单位进行重新计算后，监测结果Z比分数值均小于2，即56个监测数据均取得满意的比对结果。

4 结语

通过系列实验确定辐射检验场最佳使用条件：在低剂量率范围进行同类型仪器传递，此时测量结果较为理想，且稳定性较好。

在辐射检验场最佳使用条件下，通过4种类型，14台仪器验证了“辐射测量仪的宇宙射线响应和校准系数的陆地测算方法”可行：

1）利用辐射检验场进行“辐射测量仪的宇宙射线响应和校准系数的陆地测算”，能方便、快速计算辐射测量仪的宇宙射线响应值，且测量结果绝对偏差较小。

2）利用辐射检验场测量能有效验证辐射测量仪的校准系数，便于查找及解决测量结果不可比的问题。

该方法可有效解决某些辐射测量仪或探测器不具备或不便于在大水面开展宇宙射线测量的困难，如高压电离室、TLD等类型探测器，今后亦将持续开展该方面的实验。