空气伽马吸收剂量率影响因素研究

殷 荫， 王南萍， 付 宸， 储星铭

(中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083)

空气伽马吸收剂量率影响因素研究

殷 荫， 王南萍， 付 宸， 储星铭

(中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院，北京 100083)

为提高辐射环境监测数据的准确度，对空气伽马吸收剂量率影响因素进行了研究。针对空气伽马吸收剂量率两个主要影响参数—空气氡及其子体浓度和相对湿度，分别进行了室内外本底测量、增加氡浓度和改变相对湿度实验。采用闪烁室测氡仪(ZnS(Ag)型)、静电收集室测氡仪(RAD7)和电离室测氡仪(AlphaGUARD)测量空气氡浓度，用X-γ剂量率仪(CKL-3120)测量空气伽马吸收剂量率。联合观测空气伽马吸收剂量率、空气氡浓度、温度、相对湿度和大气压强，实验结果表明:空气氡浓度、相对湿度与空气伽马吸收剂量率呈现弱的正相关。

空气伽马吸收剂量率;空气氡浓度;相对湿度

核电作为一种重要的清洁能源受到世界各国的普遍重视(吴仁贵等，2001)。随着核电事业的发展，许多发达国家已建立了完善的人工辐射防护网(安鸿翔等，2010)，其中环境地表伽马辐射剂量率是辐射环境监测的一个重要监测参数(刘兆华等，2003)。环境地表伽马吸收剂量率的测量反映了环境天然本底伽马辐射水平及其分布和人类实践活动所引起的环境伽马辐射水平变化信息，同时也为核设施或其他辐射装置正常运行和事故情况下，在环境中产生的伽马辐射对关键人群组或公众所致外照射剂量的估算提供数据资料(中国原子能科学研究院，1993)。在核事故应急情况下掌握辐射剂量率的分布情况有利于及时、正确地决策防护行动(仲崇军等，2009)。尤其是近年来我国核电建设快速发展，潜在的核事故危险随之增加(周坚鑫等，2006)。空气伽马吸收剂量率影响因素的研究有助于排除其它因素的影响，准确评价核设施周围的电离辐射水平，同时对如何降低人们日常生活环境中的伽马辐射剂量照射有重要的参考价值。

空气伽马吸收剂量率受到多种因素的影响(Yoskihiro，2000;Miah，2004;Mercier et al.，2009)，其中空气氡对其影响备受关注。Toshio等(1982)在研究中发现氡子体浓度与剂量率有明显的线性增长关系;Shinji(2003)和Fujimoto(1998)在日本分别进行了大范围的室内氡浓度和空气伽马吸收剂量的调查和研究，发现空气氡浓度与辐射吸收剂量率有正相关关系，且氡浓度随空气伽马吸收剂量率增长的速率取决于建筑物的材料;刘小慧(2008)在日本Natasho和Kaminaka两地的测量结果显示大气氡对剂量率的影响在0～17%范围内变化;在台湾和香港的测量数据也显示出空气氡浓度与伽马吸收剂量率的正相关性，只是相关性的强弱有 所 不 同(Takeshi et al.，2001;Chan et al.，2010)。而国内主要针对城市、核工业及相关地区的空气伽马吸收剂量和氡及其子体浓度进行调查(何振芸等，2001;黄乃明等，2003)，关于两者相关性的研究较少(刘小慧，2008)。在国外空气氡及其子体浓度对空气伽马吸收剂量率的影响的研究都是基于现场实测数据。本文在室内外设计了实验，改变空气氡浓度和相对湿度，研究其对空气伽马吸收剂量率的影响，填补了国内在实验室定性研究空气伽马吸收剂量率影响因素的空白，对提高辐射环境监测数据的准确性有较重要的实际意义和应用价值。

1 设备和方法

采用ZnS(Ag)闪烁室测氡仪(日本产)、RAD7半导体测氡仪(美国产)和AlphaGUARD电离室测氡仪(德国产)测量空气氡浓度，采用X-γ剂量率仪(CKL-3120，中国)测量空气伽马吸收剂量率，同时用NaI(TI)多道伽马能谱仪进行能谱分析。针对空气伽马吸收剂量率两个主要影响因素——空气氡浓度和相对湿度，进行了室内外本底测量、增加氡浓度实验、改变湿度实验。

增加氡浓度实验分别在模拟氡室和铅室中进行。模拟氡室在中国地质大学北京辐射与环境实验室的小房间(2 m×1.5 m×3 m)内放入高放射性活度的镭样品，将其门窗关闭，并用胶带封堵缝隙。通过改变含镭样品的种类和用量，增加模拟氡室的氡浓度。为了解模拟氡室的天然伽马辐射水平，放入镭样品前在小房间内进行4次本底测量。实验中将X-γ剂量率仪、ZnS(Ag)闪烁室测氡仪和RAD7测氡仪(2010年用AlphaGUARD测氡仪代替RAD7测氡仪进行氡浓度的测量)放入模拟氡室。在模拟氡室外用ZnS(Ag)闪烁室测氡仪进行同步测量。X-γ剂量率仪的探头和测氡仪的进气口距地面1 m高。X-γ剂量率仪和ZnS(Ag)闪烁室测氡仪的测量采样时间为1 h。RAD7测氡仪在长期测量时采样时间设置为2 h，短期测量时采样时间设置为1 h。AlphaGUARD型电离室测氡仪采用10分钟扩散模式，并取每小时的平均值与ZnS(Ag)闪烁室测氡仪的测量结果进行比较。实验过程中同步记录每天7:30至22:30期间每小时的温度、相对湿度和大气压。

为进一步研究由空气氡浓度变化引起的空气伽马吸收剂量率的增加，将液体镭源产生的氡气鼓入马林杯，并将其放入低本底铅室中。用Alpha-GUARD测氡仪测量马林杯内的氡浓度。当马林杯内氡浓度稳定后，分别将X-γ剂量率仪和NaI伽马能谱仪的探头放入铅室测量。两个探头放置在同一位置，且其几何中心线与马林杯的重合，测量装置如图1所示。AlphaGUARD测氡仪采用1分钟流动式的测量模式，X-γ剂量率仪和NaI伽马能谱仪的采样时间分别为5 min和20 min。

图1 铅室实验装置Fig.1 Lead chamber experimental sets

改变相对湿度实验即在模拟氡室内增加氡浓度实验的基础上，用加湿器调节相对湿度。室外本底测量即通过对自然环境中空气伽马吸收剂量率、大气氡浓度、温度、相对湿度和大气压的同步测量，研究各因素对空气伽马吸收剂量率的影响。

2 结果和讨论

2.1 模拟氡室的本底测量

与氡相比，氡子体对空气伽马吸收剂量有更大的影响。然而基于测氡方法和仪器较成熟，因此本实验主要研究氡与其子体处于放射性平衡时，氡浓度对空气伽马吸收剂量率的影响。

模拟氡室内的4次本底测量结果见表1。由于第四次测量使用了另一台γ剂量率仪，因此仅将前三次本底测量进行对比。图2a为模拟氡室前三次本底测量的空气氡浓度与空气伽马吸收剂量率相关性图，两者相关系数为0.66。表明空气氡浓度和空气伽马吸收剂量率呈明显的正相关。分别取三次本底测量期间每天同一时刻空气氡浓度和空气伽马吸收剂量率的平均值，得到其日变化曲线。如图2b所示，模拟氡室内部和外部的空气氡浓度符合氡浓度的日变规律(张立国等，2005;Sesana et al.，2003)，空气伽马吸收剂量率的变化趋势与空气氡浓度相同，相关系数分别为0.7和0.69。

2.2 增加氡浓度实验

2.2.1 模拟氡室

2009年3月16～25日将富含镭的粉末放入模拟氡室，并将模拟氡室密封。模拟氡室内的氡气主要来自样品粉末、墙壁和地面的析出。

如图3a所示，模拟氡室内的氡浓度比其外部高(平均高约24.78 Bq·m－3)，且两者变化趋势大致相同，但氡室内氡浓度波动幅度较大。表明将空间密封并放入粉末达到了增加空气氡浓度的目的，但空气氡浓度是波动变化的，其变化趋势与其外部氡浓度变化有一定关系。在此期间模拟氡室内的温度、相对湿度、大气压分别为20.7℃、26.5%RH和101.59 hPa，基本保持稳定。由于3月19和20日是晴朗大风天气，氡气对流过程较强烈，氡室内氡浓度较低。3月21日凌晨小雨，雨水将氡及其子体带到地表，地表空气氡浓度增加(Nishikawa，1995;Inomata et al.，2007)，导致氡室内平均氡浓度明显升高。而空气伽马吸收剂量率在3月21日14∶30～17∶30时突然降低(降低约0.3×10－8Gy·h－1)，其它采样点的空气伽马吸收剂量率均基本保持稳定，未显现出与氡浓度的相关性。

表1 实验数据结果Table 1 The experimental results

在近地表几米范围内氡气向上的运移方式以对流和扩散为主(乐仁昌等，2006;谭延亮等，2008)。尽管氡及其子体密度很大，但在理想空气中具有明显向上运移的能力(谭延亮等，2008)。为使模拟氡室内的氡气及其子体均匀分布，在2009年3月30日至4月3日用风扇扰动空气。该阶段密闭空间外的平均空气氡浓度和无扰动阶段相同，密闭空间内空气氡浓度的平均值、最大值和最小值比无扰动阶段分别低8.57 Bq·m－3，7.65Bq·m－3，5.94 Bq·m－3，空气伽马吸收剂量率波动不大，其平均值与无扰动阶段的相同。表明对模拟氡室内空气进行扰动后氡气分布较为均匀，但同时也增强了氡气的泄漏，对空气伽马吸收剂量率的影响不大。然而模拟氡室内空气扰动后，RAD7测氡仪测量的氡浓度的峰值与ZnS(Ag)闪烁室测氡仪的测量结果吻合得更好(图3b)。

两次模拟氡室内增加氡浓度实验，未得到空气氡浓度与伽马吸收剂量率的相关性。分析原因，可能由于模拟氡室空间不够大且氡浓度不够高，而剂量率仪测量结果是半无限空间内平均空气吸收剂量率，导致空气伽马吸收剂量率的测量结果随模拟氡室内氡浓度的变化不明显。2010年进一步增加模拟氡室内的氡浓度。如图4所示，模拟氡室外部的氡浓度日变较明显，空气伽马吸收剂量率与氡浓度同步变化。

图4 2010年增加氡浓度实验Fig.4 Experiments with increased radon concentration in 2010

表1为模拟氡室的本底测量和增加氡浓度实验的数据结果。对比2009年实验数据可以看出，模拟氡室外氡浓度的平均值基本保持不变，空气伽马吸收剂量率随模拟氡室内氡浓度的减小而降低。

2.2.2 铅室实验

根据以上实验结果，为去除模拟氡室外部及本底环境自然辐射对实验结果的影响，设计实验在铅室中增加马林杯中的氡浓度(图1)，进一步研究高氡浓度对空气伽马吸收剂量率的影响。铅室中空气伽马吸收剂量率的本底为1.42×10－8Gy·h－1，室内氡浓度为11.34 Bq·m－3。增加马林杯中的氡浓度，实验结果如图5所示。随着马林杯内空气氡浓度的升高，铅室中探测到的空气伽马吸收剂量率逐渐增加。与空气伽马吸收剂量率的变化规律相比，NaI多道能谱仪在0～3 MeV能量的总计数率在氡浓度为103 680 Bq·m－3时测量结果偏高。综合以上实验结果得出，空气伽马吸收剂量率与氡浓度存在正相关关系。

图5 铅室中氡浓度、伽马吸收剂量率和总道计数率数据结果Fig.5 Radon concentration，gamma absorbed dose rate and total channel in lead chamber

2.3 增加湿度实验

增加模拟氡室内的相对湿度，使其分别稳定在50%RH，60%RH，70%RH，80%RH和90%RH。模拟氡室内部和外部的平均氡浓度分别为37.62和11.29 Bq·m－3。平均空气伽马吸收剂量率为9.05×10－8Gy·h－1，比本底测量3的平均值低0.55×10－8Gy·h－1。该阶段空气氡浓度日变规律明显，且波动幅度较大，最大值波动幅度约40.00 Bq·m－3。在增加相对湿度过程中，空气伽马吸收剂量率仅在统计范围内涨落，与相对湿度无显著相关性。

2.4 室外实验

2009年4月28－30日在中国地质大学(北京)校园草坪上(北纬39°59'17.50″，东经116°20'44.22″)进行了室外本底测量。平均空气伽马吸收剂量率为5.73×10－8Gy·h－1，平均空气氡浓度为9.62 Bq·m－3。空气氡浓度在清晨出现最大值后迅速下降，中午12点左右停止下降趋势，到晚20点基本保持不变。空气伽马吸收剂量率与大气氡浓度的相关系数为0.52(R2=0.27)，两者呈弱的正相关。空气伽马吸收剂量率与相对湿度的相关系数为0.57(R2=0.32)，与温度呈很弱的负相关，与大气压无相关性。

3 结论与建议

通过对实验数据的分析，得出以下结论:

(1)空气伽马吸收剂量率与空气氡浓度呈弱正相关。本底测量初步得出空气氡浓度与空气伽马吸收剂量率的相关系数;增加氡浓度实验进一步表明两者之间存在正相关关系。

(2)改变相对湿度实验中，增加相对湿度，空气伽马吸收剂量率变化不明显;在室外测量中，相对湿度与空气伽马吸收剂量率的相关系数为0.57，呈弱正相关。关于相对湿度对空气伽马吸收剂量率的影响还需进一步研究。

空气伽马吸收剂量率的影响因素众多。本文只对其中两个主要因素——空气氡浓度和相对湿度，进行初步研究，还不够全面。因此建议建立理论模型，使用更高精度的剂量率仪，对空气伽马吸收剂量率的影响因素进行深入研究。定量分析各因素对空气伽马吸收剂量率的影响，从而提高我国辐射环境监测能力。

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Influencing Factors of the Gamma Air-Absorbed Dose Rate

YIN Yin， WANG Nan-ping， FU Chen， CHU Xing-ming
(School of Geophysics and Geoinformation Technology，China University of Geosciences(Beijing)，Beijing 100083，China)

The influencing factors of gamma air-absorbed dose rate are studied to improve the precision of environmental radiation monitoring data.Background radiation measurement，increasing of the radon concentration and changing of humidity are done to discuss the two major influencing factors，i.e.the concentration and relative humidity of radon and radon progeny in the air.The radon concentration in the air are measured with scintillation radon monitor(ZnS(Ag))，electronic radon detector(RAD7)and ionization chamber radon detector(Alpha-GUARD)，and gamma air-absorbed dose rate with X-γ dose rate meter(CKL-3120).The gamma air-absorbed dose rate，radon concentration，temperature，relative humidity and atmospheric pressure in the air are monitored together.Results show gamma air-absorbed dose rate indicates a poor correlation with radon concentration and relative humidity of the air.

gamma air-absorbed dose rate;air radon concentration;relative humidity

X830.5

A

1674-3504(2012)01-061-05

殷荫，王南萍，付宸，等.2012.空气伽马吸收剂量率影响因素研究［J］.东华理工大学学报:自然科学版，35(1):61-65.

Yin Yin，Wang Nanping，Fu Chen，et al.2012.Influencing factors of the gamma air-absorbed dose rate［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science Edition)，35(1):61-65.

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.01.009

2011-06-22 责任编辑:张国庆

国家自然科学基金项目“环境γ能谱数据137Cs信息提取及介质物性和大气氡影响定量校正”(40674067)。

殷 荫(1986—)，女，研究生，研究方向:环境与工程地球物理。E-mail:yinyin5289@163.com