环境γ能谱测量方法研究及应用
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［*］ 地表空气吸收剂量率 ， 通过建立各特征放射
中国原子能科学研究 国内自 *E6" 年以来， 院等对就地高纯锗 !谱仪刻度与应用开展了研
［7 I #］ 究 ， 用该方法测定土壤中放射性核素活度 ［J I 6］ 。中山大学 浓度及环境 !空气吸收剂量率
*E6" 年采用就地 ! 能谱法测量了广东阳江高 本底地区土壤中放射性核素活度浓度及照射量
’.B ’.’ "、 $% 系列和4* & 等产生的。地表空气吸收 剂量率的测定可采用高气压电离室或剂量率仪
式中， ! &、 ! "、 ! $% 分 别 为 模 型 上 谱 仪 实 测 的 钾 窗、 铀窗 和 钍 窗 扣 除 本 底 后 的 净 计 数 率， # &、 铀、 钍的活度浓度， # "、 # $%分别为模型中钾、 "$% 为响应系数矩阵。 在钾、 铀、 钍三个模型上的测量结果 （/ 个 方程） ， 可求得 / 个系数。求其逆矩阵， 就可求 出换算系数， 见公式 （’） 。 （’） ! 0 &# 在实际测量中， 由各能量窗净计数率乘以 相应系数后， 即可求出钾、 铀、 钍的活度浓度， 公 。 式 （.） # 0 & 1#! （.） 标准体源刻度方法适用于土壤半无限几何 条件， 仅用于天然放射性核素活度浓度测量。
，中国地质调查局资助 （项目编号 !))!*H*)))!"） ； （项目编号 H)!JH)!7） # 国家自然科学基金资助 王南萍， 女， （北京） 地球物理工学博士学位， 副教授。 *E"J 年出生， *EE# 年获中国地质大学 # # 第一作者简介：
・ %HJ ・
辐射防护
第 !P 卷
第K期
辐射环境评价。!""! 年， 中国地质调查局立项 研究 ! 能谱测量在电离辐射环境评价中的应 用， 并于 !""! 年 #" 月 $ !""% 年 #! 月， 选择了 我国高本底地区— — —广东珠海进行了大面积现 场放射性测量， 研究环境 ! 能谱测量技术及其 资料的开发利用。本文将介绍这项工作的主要 内容及其应用成果。
直接测定， 也可以利用就地 ! 能谱测量数据计 算求得。采用地表土壤中放射性核素的活度浓 度来计算地表 # , 高处吸收剂量率的方法相对源自 "0( ・辐射防护
第 !0 卷
典型的 ’() （ *+） ! 能谱仪实测 ! 全谱图如 !#H !"J 图 % 所 示。通 过 计 算 H" I、 64、 *+ 的 # & HK （ $#） 、 （ $!） 和 ! & K! （ $% ） # & LK 0/M 的特征 !射线 能量范围内的全能峰计数率， 可以求得地面土
!%J !%! （或用活度 壤 （或岩石） 中H" I、 N、 *D 的含量
# 空气吸收剂量率计算方法
#2$ 理论计算公式 当 !能谱仪的探测器距离地表高度 ’ 时 （图 ’） ， 地下某一个单能、 单位体积放射性核素 源产生的初级光子注量率为： （ (， 0’ "） " !
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［ 1 ,（ ］ ・ ［ 1 ,（ 89: 567 <(< "567 "］ 8 ( 1 ’ )#） ; ’ )#） （4） 式中， ( 为土壤中单位体积元到探测器的距离， +,； ’ 为探测器至地面的高度， +,； + # 为 +=8 "； 为土 壤 中 取 单 位 体 积 元 于 地 表 以 下 的 深 度， 光 +,； - * 为土壤表面某放射性核素的面活度， 子数 8 1 # +, 1 ’ ； $ 为源活度浓度随指数分布的 张弛长度的倒数， ・+, 1 . ； +, 1 # ； > % 为土壤密度，
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王南萍等： 环境 !能谱测量方法研究及应用
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第 !" 卷
第#期
辐射防护
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环境 !能谱测量方法
仪器设备
（’() （ *+） 或 ,-./） 、 !能谱仪主要由探测器 多道脉冲幅度分析器 （012） 和其他电子学电路 （包括电源、 稳谱、 显示、 数据存储及传输电路 等） 组成。典型 ! 能谱仪的电子学系统原理方 框图见图 #。
345& #
图 # !能谱仪电子学系统方框图 6+789 :4(5;(< 7= /+/8>;7?48@ @A@>/< 7= ! @B/8>;7</>/;
&;、 &8 为空气和土壤对某一能量 !光子的线衰 减系数， +, 1 # 。 由土壤或岩石中放射性核素在地面 # , 高
处产生的 !空气吸收剂量率是全部核素总能量
［#’］ 产生的， 可由下式计算 ：
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式中， （ ’） 为地面 # , 高处的空气吸收剂量 . 率， ・ （ /） 为能量为 / 的光子注量率， :?@ % 1 #； ! 光子数・+, 1 ’ ； &0 A# 为 空 气 的 质 能 吸 收 系 数， ・ +,’ > 1 #。 因此， 可以通过全部放射性核素的特征能 量全能峰来求得其空气吸收剂量率， 无论是天 然核素还是人工核素， 其中粒子注量率与发射 该能量的 !光子的源活度浓度成正比。该方法 要求对 !谱仪用一套点源 （不同特征能量的源） 做效率刻度， 适用于地表有较复杂的人工核素 分布情况。 #2! 空气吸收剂量率评价方法 在没有受到人工放射性核素污染地区， 地 表空气吸收剂量率主要是由天然放射性核素
! " # !能谱仪刻度 !能 谱 仪 的 刻 度 包 括 能 量 刻 度 和 效 率 刻 度。其中， 能量刻度是指确定能谱仪中多道脉 冲幅度分析器的道址与 ! 射线能量的关系； 效 率刻度则是在放射性计量站的标准模型上确定 谱仪对放射性核素单位活度浓度的响应。 就地 !能谱仪进行天然放射性核素活度浓 度定量刻度时， 选择中国核工业航测遥感中心 的标准体源模型。该标准体源模型由五个体源 模型 组 成， 分别为铀 （ !"# ） 、 钍 （ !$%# ） 、 钾 （!&’） 、 本底模型 （ !(’） 和铀、 钍、 钾混合 模 型 （!)#） 。每个模型由已知活度浓度的矿粉与基 质均匀混合而成， 用水泥固化， 侧壁用薄铁板围 成， 表面用环氧树脂密封。模型直径为 ’’* +,， 厚度 -* +,。 刻度时， 将仪器探头分别置于每个模型表 面中心， 根据模型中放射性核素活度浓度水平 选择合适的测量时间， 进行数据采集。 从图 . 可以看出， 在每个模型上实测 （全谱 谱线） 各能量窗内的净计数率， 是由钾、 铀、 钍三 个放射性核素贡献的结果。因此， 每个模型上 各能量窗的计数率与核素活度浓度之间的关系 可用公式 （#） 表示： ! & " ## " #’ " #. # & ! " " " # " ’# ’’ ’. " ! $% " .# " .’ " .. # $% （#）
［E］ 率 ， 他们用 (,8 （ 9&） （ 多道 ! !J" ;; K J" ;;）
谱仪现场采集全谱曲线 （每个测点数据采集时 ， 然后分别用全谱能量法和计算 间为 !) ;.0） 钾、 铀、 钍含量后再用 D34: 公式计算照射量率， 计算的结果与高气压电离室测量结果基本吻 合， 但文章没有介绍仪器刻度方法。中国科学 院高能物理研究所用 (,8 （ 9&） 全谱仪测定了北 京玉泉路附近 !" 个测点地表 * ; 高处的吸收 剂量率， 该谱仪在核工业放射性计量站利用模
［*)］ 型体源进行刻度 。采用全谱能量法计算吸
性核素的全能峰粒子注量率与吸收剂量率的关 系， 研究 !能谱仪的单位剂量率放射性核素活 度浓度转换因子。国际辐射单位与测量委员会 （ 8F+G） “环境 ! 能 *EEH 年 "7 号报告书推荐了 ［!］ 谱学” 方法 。
收剂量率， 与高压电离室实测结果吻合很好。 我国在大面积环境 !能谱测量方面的工作 开展不多。核工业地质系统于 !) 世纪 6) 年代 开始在部分地区进行了地面 ! 能谱测量， 主要 目的是寻找铀矿资源， 其资料尚没有用于电离
浓度表示） 。总计数率 %（ 则为全部放射 * $总 ） 性核素放出的 ! 光子数的总贡献 （包括子体） 。
#%L 由于 ’() （ *+） ! 能谱仪的能量分辨率较差， 1@
的 " & KK! 0/M 特征全能峰与!#H 64 的 " & K"O 0/M 和!"J *+ 的 " & PJ% 0/M 的全能峰重叠在一起。
环境 ! 能谱测量方法研究及应用
# 王南萍# 裴少英
"#
黄
英
肖
磊
刘少敏
高宝龙
程业勋
（中国地质大学 （北京） 地球物理与信息技术学院 “地下信息探测技术与仪器” 教育部重点实验室， *)))67） 摘 要 环境 !能谱测量是电离辐射环境测量中高效、 准确、 经济的方法。本文详述了 (,8 （9&） !能谱仪
由于环境!能谱测量是在温度变化的野外条 件下进行的， 无论 !能谱仪的稳谱功能至关重要， 是四道还是多道全谱!能谱仪必须有自动稳谱功 能， 以保证获取高精度、 高质量的实测数据。 !#! 就地 !能谱测量原理 就地 !能谱仪主要用来测定环境辐射场中 放射性核素的种类、 地表放射性核素活度浓度 以及它们对总吸收剂量率的贡献。土壤表面半 无限空间体源分布示意图及变量如图 ! 所示。 ! 为土壤中单位体积元到探测器的距离， 8<； " 为探测器至地面的高度， 8<； # 为土壤中取单位 体积元于地表以下的深度， 8<； "为土壤中单位 体积元与探测器垂直地面方向的夹角。
图!
土壤中半无限几何条件放射源体源 分布示意图及变量 图% 345& %
［##］ 典型的 ’() （*+） !能谱全谱图
345& !
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! 引言
环境 !能谱测量方法是利用 (,8 （ 9&） 闪烁 探测器或高纯锗 （ >1?3） 探测器组成的 ! 能谱 仪为工具， 在现场直接测定环境土壤中放射性 核素活度浓度或 !总放射性。根据测量时仪器 的载带工具不同， 分为就地 !能谱测量、 车载 ! 能谱测量以及航空 !能谱测量。该方法早期主 要用于铀矿地质勘查， !) 世纪 6) 年代以后广 泛用于电离辐射环境评价， 以及寻找核动力燃 料碎片及丢失的放射源。在前苏联切尔诺贝利 核电站事故后， 航空和地面 ! 能谱测量技术有 了迅速的发展。 环境 !能谱测量在国外始于 !) 世纪 #) 年 代。@’ A’ B%C-32，>’ B’ D34:，早在 *E#! 年就 开始研究利用就地 !能谱测量方法确定土壤中 天然和人工放射性核素的活度浓度， 进而计算
在地表 !空气吸收剂量率测量中的仪器刻度、 活度浓度和剂量率计算、 数据处理和成图的方法技术。用 中国核工业航测遥感中心的 " 个标准源模型对 * 台就地 (,8 （9&） 谱议进行了实验刻度， 采用三元素法 ! 和总计数率法对广东珠海市 **) :;! 的大面积环境地面 * ; 高处的吸收剂量率进行测量和计算结果表 明， 在满足半无限 （! ） 测量条件下， 按 !能谱数据计算的地表 * ; 高处空气吸收剂量率与高气压电离室 " 实测结果在 < *"= 以内符合。 关键词 !能谱 吸收剂量率 环境评价 珠海
中国原子能科学研究 国内自 *E6" 年以来， 院等对就地高纯锗 !谱仪刻度与应用开展了研
［7 I #］ 究 ， 用该方法测定土壤中放射性核素活度 ［J I 6］ 。中山大学 浓度及环境 !空气吸收剂量率
*E6" 年采用就地 ! 能谱法测量了广东阳江高 本底地区土壤中放射性核素活度浓度及照射量
’.B ’.’ "、 $% 系列和4* & 等产生的。地表空气吸收 剂量率的测定可采用高气压电离室或剂量率仪
式中， ! &、 ! "、 ! $% 分 别 为 模 型 上 谱 仪 实 测 的 钾 窗、 铀窗 和 钍 窗 扣 除 本 底 后 的 净 计 数 率， # &、 铀、 钍的活度浓度， # "、 # $%分别为模型中钾、 "$% 为响应系数矩阵。 在钾、 铀、 钍三个模型上的测量结果 （/ 个 方程） ， 可求得 / 个系数。求其逆矩阵， 就可求 出换算系数， 见公式 （’） 。 （’） ! 0 &# 在实际测量中， 由各能量窗净计数率乘以 相应系数后， 即可求出钾、 铀、 钍的活度浓度， 公 。 式 （.） # 0 & 1#! （.） 标准体源刻度方法适用于土壤半无限几何 条件， 仅用于天然放射性核素活度浓度测量。
，中国地质调查局资助 （项目编号 !))!*H*)))!"） ； （项目编号 H)!JH)!7） # 国家自然科学基金资助 王南萍， 女， （北京） 地球物理工学博士学位， 副教授。 *E"J 年出生， *EE# 年获中国地质大学 # # 第一作者简介：
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辐射环境评价。!""! 年， 中国地质调查局立项 研究 ! 能谱测量在电离辐射环境评价中的应 用， 并于 !""! 年 #" 月 $ !""% 年 #! 月， 选择了 我国高本底地区— — —广东珠海进行了大面积现 场放射性测量， 研究环境 ! 能谱测量技术及其 资料的开发利用。本文将介绍这项工作的主要 内容及其应用成果。
直接测定， 也可以利用就地 ! 能谱测量数据计 算求得。采用地表土壤中放射性核素的活度浓 度来计算地表 # , 高处吸收剂量率的方法相对源自 "0( ・辐射防护
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典型的 ’() （ *+） ! 能谱仪实测 ! 全谱图如 !#H !"J 图 % 所 示。通 过 计 算 H" I、 64、 *+ 的 # & HK （ $#） 、 （ $!） 和 ! & K! （ $% ） # & LK 0/M 的特征 !射线 能量范围内的全能峰计数率， 可以求得地面土
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# 空气吸收剂量率计算方法
#2$ 理论计算公式 当 !能谱仪的探测器距离地表高度 ’ 时 （图 ’） ， 地下某一个单能、 单位体积放射性核素 源产生的初级光子注量率为： （ (， 0’ "） " !
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［ 1 ,（ ］ ・ ［ 1 ,（ 89: 567 <(< "567 "］ 8 ( 1 ’ )#） ; ’ )#） （4） 式中， ( 为土壤中单位体积元到探测器的距离， +,； ’ 为探测器至地面的高度， +,； + # 为 +=8 "； 为土 壤 中 取 单 位 体 积 元 于 地 表 以 下 的 深 度， 光 +,； - * 为土壤表面某放射性核素的面活度， 子数 8 1 # +, 1 ’ ； $ 为源活度浓度随指数分布的 张弛长度的倒数， ・+, 1 . ； +, 1 # ； > % 为土壤密度，
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环境 !能谱测量方法
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图 # !能谱仪电子学系统方框图 6+789 :4(5;(< 7= /+/8>;7?48@ @A@>/< 7= ! @B/8>;7</>/;
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! " # !能谱仪刻度 !能 谱 仪 的 刻 度 包 括 能 量 刻 度 和 效 率 刻 度。其中， 能量刻度是指确定能谱仪中多道脉 冲幅度分析器的道址与 ! 射线能量的关系； 效 率刻度则是在放射性计量站的标准模型上确定 谱仪对放射性核素单位活度浓度的响应。 就地 !能谱仪进行天然放射性核素活度浓 度定量刻度时， 选择中国核工业航测遥感中心 的标准体源模型。该标准体源模型由五个体源 模型 组 成， 分别为铀 （ !"# ） 、 钍 （ !$%# ） 、 钾 （!&’） 、 本底模型 （ !(’） 和铀、 钍、 钾混合 模 型 （!)#） 。每个模型由已知活度浓度的矿粉与基 质均匀混合而成， 用水泥固化， 侧壁用薄铁板围 成， 表面用环氧树脂密封。模型直径为 ’’* +,， 厚度 -* +,。 刻度时， 将仪器探头分别置于每个模型表 面中心， 根据模型中放射性核素活度浓度水平 选择合适的测量时间， 进行数据采集。 从图 . 可以看出， 在每个模型上实测 （全谱 谱线） 各能量窗内的净计数率， 是由钾、 铀、 钍三 个放射性核素贡献的结果。因此， 每个模型上 各能量窗的计数率与核素活度浓度之间的关系 可用公式 （#） 表示： ! & " ## " #’ " #. # & ! " " " # " ’# ’’ ’. " ! $% " .# " .’ " .. # $% （#）
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［*)］ 型体源进行刻度 。采用全谱能量法计算吸
性核素的全能峰粒子注量率与吸收剂量率的关 系， 研究 !能谱仪的单位剂量率放射性核素活 度浓度转换因子。国际辐射单位与测量委员会 （ 8F+G） “环境 ! 能 *EEH 年 "7 号报告书推荐了 ［!］ 谱学” 方法 。
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由于环境!能谱测量是在温度变化的野外条 件下进行的， 无论 !能谱仪的稳谱功能至关重要， 是四道还是多道全谱!能谱仪必须有自动稳谱功 能， 以保证获取高精度、 高质量的实测数据。 !#! 就地 !能谱测量原理 就地 !能谱仪主要用来测定环境辐射场中 放射性核素的种类、 地表放射性核素活度浓度 以及它们对总吸收剂量率的贡献。土壤表面半 无限空间体源分布示意图及变量如图 ! 所示。 ! 为土壤中单位体积元到探测器的距离， 8<； " 为探测器至地面的高度， 8<； # 为土壤中取单位 体积元于地表以下的深度， 8<； "为土壤中单位 体积元与探测器垂直地面方向的夹角。
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土壤中半无限几何条件放射源体源 分布示意图及变量 图% 345& %
［##］ 典型的 ’() （*+） !能谱全谱图
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! 引言
环境 !能谱测量方法是利用 (,8 （ 9&） 闪烁 探测器或高纯锗 （ >1?3） 探测器组成的 ! 能谱 仪为工具， 在现场直接测定环境土壤中放射性 核素活度浓度或 !总放射性。根据测量时仪器 的载带工具不同， 分为就地 !能谱测量、 车载 ! 能谱测量以及航空 !能谱测量。该方法早期主 要用于铀矿地质勘查， !) 世纪 6) 年代以后广 泛用于电离辐射环境评价， 以及寻找核动力燃 料碎片及丢失的放射源。在前苏联切尔诺贝利 核电站事故后， 航空和地面 ! 能谱测量技术有 了迅速的发展。 环境 !能谱测量在国外始于 !) 世纪 #) 年 代。@’ A’ B%C-32，>’ B’ D34:，早在 *E#! 年就 开始研究利用就地 !能谱测量方法确定土壤中 天然和人工放射性核素的活度浓度， 进而计算
在地表 !空气吸收剂量率测量中的仪器刻度、 活度浓度和剂量率计算、 数据处理和成图的方法技术。用 中国核工业航测遥感中心的 " 个标准源模型对 * 台就地 (,8 （9&） 谱议进行了实验刻度， 采用三元素法 ! 和总计数率法对广东珠海市 **) :;! 的大面积环境地面 * ; 高处的吸收剂量率进行测量和计算结果表 明， 在满足半无限 （! ） 测量条件下， 按 !能谱数据计算的地表 * ; 高处空气吸收剂量率与高气压电离室 " 实测结果在 < *"= 以内符合。 关键词 !能谱 吸收剂量率 环境评价 珠海