核工程讲座《环境γ辐射监测》课件 中国辐射防护院
环境辐射监测 中国辐射防护研究院,目 录,环境辐射场的组成 描述环境辐射场的几个物理量 环境辐射仪类型概述 对环境辐射仪的一些基本要求 环境辐射仪的刻度 宇宙射线电离成分的扣除 环境辐射仪比对辐射场的选择 室内放射性的测量,前 言,环境辐射监测的目的是为了判断和估计环境中辐射及放射性物质存在的水平及它们对人可能造成的危害，及时发现异常情况，以便采取安全措施，防止对公众造成有害影响，保证环境安全。环境辐射场的监测通常有三种方法,前 言,（1）瞬时监测：使用辐射剂量仪直接去选定地点进行监测，给出及时测量结果。 （2）连续监测：使用有微机控制的环境连续监测仪进行全年候式的监测，这种方法能给出不同季节，不同植被，不同地下水位的测量结果，易于发现突发事件。 （3）累积监测：采用热释光器件置于指定地点能给出较长一段时间的累积剂量。,1 环境辐射场的组成,环境辐射场的组成主要是由辐射，辐射，辐射和宇宙射线的辐射组成 从外照射角度来看，主要是辐射和宇宙射线电离成分组成 对于辐射其主要来源是地壳放射性，空气中放射性，水中放射性，人体中放射性以及全球性沉降 地壳放射决定于土壤岩石中天然放射性物质的含量，各地区由于地质结构不同，其辐射水平可能差异很大，土壤岩石中除了铀系、钍系及钾的单能谱线外，由于在介质中的多次散射还有连续谱的成分 低于100keV的辐射部分，对剂量贡献不大 土壤中辐射的强度还与地下水位及水覆盖层，地面沉降，雨水对地面沾污的淋洗，射线的析出及扩散情况以及植被均有关系,1 环境辐射场的组成,空气中的放射性主要来源于铀，钍系子代产物的氡，因为整个地壳都或多或少地含有铀和钍，所以产物氡和钍射气也随时在形成，因为它们是气体，所以常通过地球表面扩散出来悬浮在空气中，这些气体衰变时，其产物又附着在空气的灰尘上。这些气体的含量随本地区的铀和钍的含量而定。空气中其它放射性产物还有14C，3H和7Be，这些产物对本底剂量贡献极微,1 环境辐射场的组成,水中放射性也与土壤中相同，主要是由铀、钍和钾的含量而定，但主要是对内照射起作用，人体内的放射性主要是由食物链而转移到人体内的 全球性沉降是指由于核爆炸引起的沉积到地球表面的放射性物质，这是一种人工的潜在的辐射源，因为这种沉降均能改变本底源的贡献，因此，也把它列为环境辐射场的组成部分,1 环境辐射场的组成,辐射场的另一组成部分是宇宙辐射，宇宙辐射主要是由两部分组成，初级辐射与次级辐射，在大约20公里高度以下宇宙射线几乎全部是次级辐射，总强度随高度的降低而减弱，在地球表面次级宇宙射线由介子、电子、光子、中子及质子组成 由于地球磁场的影响，宇宙射线亦有纬度效应，这种效应在15°50°纬度之间最显著，50°以上几乎恒定，宇宙射线亦受太阳调制影响，太阳活动极大时强度降低，反之变大，但总的来说，宇宙射线强度的变化还是比较有规律的,2 描述环境辐射场的几个物理量,1 照射量 照射量是指X射线或光子在单位质量的空气中释放出的所有次级电子，当它们完全被阻止在空气中时，在空气中产生同一种符号的离子的总电荷量。 须要注意的是照射量的定义只适用于X射线或射线，不适用地其它带电粒子，当然也不适用于宇宙射线。且受照射的物质也只是限于空气,2 描述环境辐射场的几个物理量,2 吸收剂量 吸收剂量是从能量吸收角度反映电离辐射与物质的相互作用。其定义是授与单位质量的任何致电离辐射的平均能量。吸收剂量的国际单位是Gy,其专用单位是rad,1rad=0.01Gy 吸收剂量适用于任何致电离辐射及受照射的任何物质，而不同种类的物质吸收辐射能量的本领是不同的，因此引用吸收剂量时，必须说明是什么物质的吸收剂量。通过引用“吸收剂量”可以定量地研究能量吸收与辐射效应的关系,2 描述环境辐射场的几个物理量,2 吸收剂量 在空气中某点的吸收剂量与同一点的照射量有如下关系： D空气=8.73X 大多数的剂量学问题是确定生物组织中的吸收剂量，而直接测量生物组织中某点的吸收剂量是困难的，实际工作中常常是通过空气的吸收剂量来确定其它物质中的吸收剂量,3 环境辐射仪类型概述,1 . G-M计数管型辐射仪 G-M计数管属气体探测器 该仪器对射线较灵敏，用于环境辐射场的测量则有明显的缺点； 该仪器有方向性，自身本底高，能量响应特性也欠好，其最大的缺点则是一旦计数器被触发，则不管光子的能量大小，均给出一个脉冲，仪器的测量值不能反映人体所受的剂量,3 环境辐射仪类型概述,2. 闪烁型辐射仪 （1） 塑料闪烁型辐射仪 用塑料闪烁体做为探测介质 其本身对射线低能部分响应不足，目前国内外学者均用在闪烁体上涂ZnS屏的办法进行补偿 补偿后能量响应特性较好，对宇宙射线亦有较好的响应，因此国内外均有这类仪器出售 其缺点是有方向性（即角响应），这类仪器尽管在光电倍加管的高压电阻上备有温度补偿措施，但仍有温度效应 这类仪器由于方便可携，低功耗，国内外环保工作者仍然广泛使用,3 环境辐射仪类型概述,2. 闪烁型辐射仪 （2） 碘化钠闪烁辐射仪 该仪器灵敏度高，轻便可携，低功耗，适用于找矿或寻找污染源 做为环境仪器它有几个缺点：有方向性，对宇宙射线响应不足，其最大的缺点则是能量响应特性不好，特别是在50250keV范围内响应强烈，甚至给出接近量级上的误差,3 环境辐射仪类型概述,3. 高气压电离室辐射监测仪 该类仪器由于它有高压气体（通常20个大气压左右），因此有较高的灵敏度，易制成球形以减小角响应，其能量响应特性也优于上述几种类型辐射仪，如果稍加补偿可使能量响应曲线很平坦且对宇宙射线有良好的响应，电离室给出的结果能与人体所受剂量密切相关，被称为测量环境辐射的王牌仪器 这类仪器亦有缺点，其一是比较笨重，其二是该类仪器对陆地辐射的灵敏度因子与对宇宙射线的灵敏度因子存在差异，尽管各国科技工作者曾努力试图将电离室的两个灵敏度因子变成一致，但到目前为止还未能付诸实施,3 环境辐射仪类型概述,3. 高气压电离室辐射监测仪 电离室所测量到的是微弱的电流，一般在10-1310-15A左右 一般来说，电流的测量方法有两种 一种是高阻法，即将微弱的电流加在一个高阻上通过测量电压，算出电离电流来 另一种方法就是充电法（也称飘移法），即将微弱的电流，充到一个电容上，经过一段时间t，则,3 环境辐射仪类型概述,3. 高气压电离室辐射监测仪 人们通常使用充电法，因为这是一段时间的平均值，误差较小，而且电容值不易受环境温度影响 高阻法优点是读取比较直观，无需做更多的计算，但缺点是高阻易受温度影响，从而使测量结果误差偏大 小电流测量的一个重要问题是切记不要使探头受潮，否则由于绝缘子的漏电会使测量结果受到无法估计的影响,3 环境辐射仪类型概述,4 . 热释光探测器 该类仪器主要用于累积剂量的测量 体积小、灵敏度高、量程宽、测量对象广泛，它可以测较长时间的累积剂量，从10-5104伦琴范围，线性较好，精度能够满足辐射防护要求 常用的热释光材料有氟化锂、氟化钙、硼酸锂、氧化铍、硫酸钙等，有些热释光材料能量响应特性好，有些材料线性好，还有些材料性能稳定，可以视其工作需要选择合适的热释光材料 热释光探测器必须有加热发光测量装置，概括起来说，加热发光装置分为三部分：加热部分、光电转换部分、输出显示部分,4 对环境辐射仪的一些基本要求,（1）足够的灵敏度； （2）必要的精密度，长期稳定性，并保持经常刻度与检验的措施； （3）同型设备的一致性； （4）自身本底低，并且最好有办法测定并扣除； （5）良好的能量响应及对不同成分辐射的响应； （6）无方向性（角响应不大）； （7）累积测量及自动记录剂量率随时间变化的能力； （8）对恶劣条件（高湿、高温等）的耐受能力； （9）可携式与低功耗； （10）长期自动化监测无需照管的能力，输出数据是否便于输入计算机等。,5 环境辐射仪的刻度,仪器刻度是环境辐射监测中不可缺少的程序，也是质量保证工作的基本要求 仪器测量结果必须与人或公众所受剂量密切相关 用什么方法刻度仪器，才能较为如实地反映人体所受到的剂量从而进行环境评价，才是人们所关心的问题 严格说来，环境辐射的刻度问题至今还没有很好的解决，因为辐射场的组成是一种多能量的辐射成分，而仪器的刻度经常是使用单一的源进行刻度，这就存在着刻度误差,5 环境辐射仪的刻度,有些国家使用铯源（662keV的单能谱线）刻度仪器 有些国家使用镭源（这是一种多能量的源，其平均能量为800多keV）刻度仪器 还有些国家使用铯源加镭源进行刻度，但都与实际环境谱有差异 曾有一种方案进行辐射仪的刻度，那就是制成若干种大面积的铀、钍、钾源模拟环境谱进行刻度，但由于经费昂贵也没有付诸实施 目前，使用镭源刻度较为普遍，只是给出的不确定度稍高一些而已,5 环境辐射仪的刻度,在环境辐射仪的刻度过程中常常遇到的一个问题是探测器所给出的量值不只是标准源Ir所贡献的，它还包括宇宙射线电离成分的贡献Ic、环境本底贡献I本底、仪器的自身本底I自身以及散射成分I散的贡献，就是说，探测器所给出的总电离电流值I1应为 I1=Ir+Ic+I本底+I自身+I散 为了扣除除标准源以外的其它份额的影响，通常采用一种被称为“阴影屏蔽法”来解决上述问题，即在探测器前用铅屏蔽完全挡住标准源的照射，此时探测器所探测到的电离电流I2则为 I2=Ic+ I本底+I自身+I散 则I1-I2=Ir纯系标准源之贡献,5 环境辐射仪的刻度,电离室的刻度方法 由于Ir=RrKr，其中Rr为标准源所致照射量，可以由标准源的活度结出，即 常数；A刻度源活度； r仪器与刻度源距离。 Kr为仪器灵敏度因子，可以计算出来，即 阴影屏蔽法要注意的问题就是不要屏蔽不足，也不要过份屏蔽，否则都会加大刻度时的误差,6 宇宙射线电离成分的扣除,天然本底辐射主要由宇宙射线和陆地辐射组成 在正常本底地区天然辐射源对人体产生的年有效剂量当中，宇宙射线电离成分的贡献约占外照射的40%以上，在海拔更高的地区则占有更高的比例 而在环境辐射场的测量过程中所用的监测仪器值均含宇宙射线电离成分的贡献 因此在给出陆地辐射水平时，其准确性在很大程序上取决于对宇宙射线电离成分的扣除,6 宇宙射线电离成分的扣除,6.1 直接测量扣除 这种扣除方法的条件是必须在测点地区有很大的淡水湖面或水库，使用仪器在水面上直接测量出宇宙射线电离量，再做相应的海拔高度修正，之后从总的辐射水平值中减去宇宙射线电离成分的贡献，即为陆地辐射水平值 6.2 计算宇宙射线电离量扣除 该部分不做为本次培训内容。使用该方法时，必须了解探测器对宇宙辐射的响应情况，否则误差会变大,7 环境辐射仪比对辐射场的选择,在环境辐射监测中经常要进行仪器比对，以考查不同原理的测量仪器及测量手段所得结果是否一致，以断定所测结果的可靠性和准确性。事实上，任何探测器的测量比对，都有助于消除仪器读数的系统误差，明确改善仪器的性能 环境辐射测量仪器的比对，仅仅在正常环境本底地区比对一下不同仪器在同一时间所给出的读数，满足数据的一致性是远远不够的，比对必须在事先选择的辐射场中进行才更有意义，而这些选定的辐射场又能分别反映出仪器的某一特性来，只有通过这样的现场比对测量，才能将仪器的性能作全面的、较客观的反映，才有助于提高仪器测量的准确性,7 环境辐射仪比对辐射场的选择,7.1 大淡水湖面 为了考查仪器对宇宙射线的响应，必须选择一个大的水面，借助于湖面上空气气层对岸边陆地辐射的吸收和湖面水层对湖底土壤或岩石所产生的陆地 辐射的屏蔽，提供一近似的“纯”宇宙辐射场 当测量船离岸边距离为1公里时，测量的陆地辐射剂量率值仅为岸边1%以下。对湖水深度的要求，对于能量E=3MeV的射线，2米深的水层就可以将E3MeV的射线减弱500倍 在晋阳湖面的宇宙射线的响应，结果表明，计数管型辐射仪以及NaI型闪烁辐射仪均没有给出正确的响应，只有高气压电离室对宇宙射线的响应值，与理论计算值相符合,7 环境辐射仪比对辐射场的选择,
