西藏地區(qū)天然中子能譜測(cè)量

吳建華，徐勇軍，劉森林，汪傳高

（中國原子能科學(xué)研究院 輻射安全研究所，北京 102413）

西藏地區(qū)天然中子能譜測(cè)量

吳建華，徐勇軍，劉森林，汪傳高

（中國原子能科學(xué)研究院 輻射安全研究所，北京 102413）

本文采用多球中子譜儀和中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀分別對(duì)西藏地區(qū)的天然中子能譜和周圍劑量當(dāng)量率進(jìn)行了測(cè)量，得到了西藏地區(qū)不同海拔處的室外天然中子能譜和周圍劑量當(dāng)量率。研究結(jié)果表明：該地區(qū)室外天然中子的能譜形狀基本保持不變，其各能區(qū)的中子注量率隨海拔的增加而增大，天然中子的總注量率和有效劑量率及周圍劑量當(dāng)量率均隨海拔的增加呈指數(shù)規(guī)律增大；此外，天然中子的有效劑量率可用中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀的測(cè)量結(jié)果乘以能譜-有效劑量轉(zhuǎn)換因子得到。

西藏；天然中子；能譜；測(cè)量

天然中子是人類所受天然輻射中的環(huán)境貫穿輻射的重要組成部分［1］，廣泛存在于人類賴以生存和生活的環(huán)境中。天然中子主要由宇宙線粒子與大氣及地表介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的中子、宇宙線粒子俘獲或分裂產(chǎn)生的中子、地面天然放射性產(chǎn)生的中子等組成［2］，能量范圍分布廣，從熱中子到幾百M(fèi)eV，甚至更高能量的高能中子均有分布［1，3］。

天然中子的劑量和能譜測(cè)量是人們關(guān)注的重點(diǎn)，一些發(fā)達(dá)國家很早就開展了環(huán)境中子能譜和中子劑量率測(cè)量，如美國、日本、德國、俄羅斯等［3-7］。我國對(duì)天然中子也開展了較多的研究，但除臺(tái)灣地區(qū)外［8-9］，國內(nèi)還未對(duì)大陸地區(qū)的天然中子能譜進(jìn)行測(cè)量。

西藏自治區(qū)是我國乃至全世界地形地貌極為復(fù)雜的地區(qū)之一，由于其海拔高，宇宙射線及中子輻射水平高，居民每年所受輻射劑量高于低海拔地區(qū)。目前人們還未對(duì)西藏地區(qū)的天然中子能譜進(jìn)行測(cè)量與研究。本工作采用多球中子譜儀和LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀分別對(duì)西藏地區(qū)的天然中子能譜和周圍劑量當(dāng)量率進(jìn)行測(cè)量，欲得到西藏地區(qū)不同海拔處的室外天然中子能譜和周圍劑量當(dāng)量率。

1 測(cè)量方法

1.1 天然中子能譜的測(cè)量方法

本工作使用的能譜測(cè)量?jī)x器為多球中子譜儀，其中的中子探測(cè)器為美國LND的3He正比管（LND-27036）；慢化球?yàn)楦呙芏染垡蚁┎牧希睆椒謩e為0、8、11、15、23cm。在進(jìn)行西藏地區(qū)天然中子能譜實(shí)地測(cè)量前，對(duì)多球中子譜儀進(jìn)行了響應(yīng)函數(shù)模擬、穩(wěn)定性測(cè)試及效率刻度。另外，對(duì)Am-Be中子源能譜進(jìn)行了測(cè)量，解譜結(jié)果與參考譜在誤差范圍內(nèi)一致。

本工作主要測(cè)量西藏地區(qū)不同海拔處的天然中子能譜，并分析其規(guī)律。測(cè)量過程中每個(gè)慢化球的測(cè)量時(shí)間不少于20min。測(cè)量后，根據(jù)不同直徑慢化球的測(cè)量計(jì)數(shù)進(jìn)行解譜得到各測(cè)量點(diǎn)的天然中子能譜。

1.2 天然中子周圍劑量率的測(cè)量方法

本工作使用的中子周圍劑量率測(cè)量?jī)x器為德國生產(chǎn)的LB 6411＋LB 123型便攜中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀。測(cè)量過程中中子周圍劑量（率）儀放置在距地面1m高、距多球中子譜儀約5m處，與多球中子譜儀進(jìn)行同步測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然中子能譜測(cè)量結(jié)果與分析

對(duì)多球中子譜儀的測(cè)量結(jié)果解譜可得天然中子能譜，如圖1所示。

圖1 西藏地區(qū)不同海拔處測(cè)得的天然中子能譜Fig.1 Measured neutron spectra at various altitudes in Tibet

由圖1可看出，天然中子在各能量區(qū)的注量率均隨海拔高度的增加而增大。其主要原因是，在本次測(cè)量的海拔高度范圍內(nèi)隨海拔的增加，宇宙射線增強(qiáng)及宇宙射線與大氣層的相互作用增強(qiáng)，從而使由宇宙射線與大氣層相互作用產(chǎn)生的天然中子注量率增大。

對(duì)各能譜進(jìn)行積分可得到各測(cè)量點(diǎn)的天然中子總注量率。對(duì)天然中子總注量率與海拔的變化關(guān)系進(jìn)行分析，可得到天然中子的總注量率隨海拔高度的增加呈指數(shù)規(guī)律增長（圖2），則有：

圖2 天然中子總注量率隨海拔高度的變化Fig.2 Total natural neutron fluence rate vs altitude

其中：φ為天然中子總注量率，cm-2·s-1；h為海拔高度，m。

由式（1）可知，在本次測(cè)量海拔高度范圍內(nèi)，當(dāng)海拔高度每增加約1 200m，天然中子的總注量率將增加約1倍，這與文獻(xiàn)［5］對(duì)日本富士山區(qū)域天然中子的研究結(jié)果一致。

對(duì)各能譜以其總注量率進(jìn)行歸一所得各能譜的歸一化能譜示于圖3。由圖3可知，中子能量大于0.1MeV時(shí)，不同海拔處各能區(qū)內(nèi)天然中子所占的比例差異較小；在熱中子能區(qū)時(shí)，不同海拔處天然中子所占的比例差異明顯，其原因可能是由于測(cè)量點(diǎn)的地面介質(zhì)及周邊的植被等條件不同，對(duì)中子的慢化及對(duì)熱中子的吸收程度不同而導(dǎo)致的。

圖3 西藏地區(qū)不同海拔處天然中子歸一化能譜Fig.3 Measured normalized neutron spectra at various altitudes in Tibet

2.2 天然中子有效劑量率計(jì)算的結(jié)果與分析

根據(jù)中子能譜數(shù)據(jù)計(jì)算有效劑量率的方法及文獻(xiàn)［10-11］的數(shù)據(jù)，可得到由多球中子譜儀測(cè)得的能譜所計(jì)算的中子有效劑量率。

圖4為由多球中子譜儀測(cè)得的能譜所計(jì)算的室外天然中子有效劑量率.E和用LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當(dāng)量率儀測(cè)得的周圍劑量當(dāng)量率.H＊（10）M隨海拔的變化情況。

圖4 室外天然中子.E和.H＊（10）M隨海拔高度的變化Fig.4 Outdoor natural neutron’s.Eand .H＊（10）Mvs altitude

從圖4可知，室外天然中子的.E和 .H＊（10）M均隨海拔的增加而增大。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到.E和.H＊（10）M隨海拔的增加呈指數(shù)增大，在海拔增加約1 200m時(shí)，它們均將增加1倍，擬合公式為：.

H＊（10）M與.E的關(guān)系示于圖5，其擬合公式為：

圖5 .E和.H＊（10）M的關(guān)系Fig.5 Relationship between.Eand.H＊（10）M

由式（4）可知，用多球中子譜儀測(cè)量的能譜所計(jì)算的天然中子有效劑量率約為LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當(dāng)量率儀測(cè)量結(jié)果的1.67倍，因此，可由中子周圍劑量當(dāng)量率儀的測(cè)量結(jié)果通過式（4）換算得到天然中子的有效劑量率，即.E＝fE.H＊（10）M，其中，fE為能譜-有效劑量轉(zhuǎn)換因子。

3 結(jié)論

本工作采用多球中子譜儀和LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀分別對(duì)西藏地區(qū)的天然中子能譜和周圍劑量當(dāng)量率進(jìn)行了測(cè)量，得出如下結(jié)論。

1）本工作首次對(duì)西藏地區(qū)天然中子能譜進(jìn)行了測(cè)量與分析。該地區(qū)天然中子在各能量區(qū)間的注量率均隨海拔高度增加而增大，天然中子總注量率與海拔高度的關(guān)系為φ＝0.007 3e0.000625h。

2）中子能量大于0.1MeV時(shí)，不同海拔處各能區(qū)內(nèi)天然中子所占的比例差異較小；在熱中子能區(qū)時(shí)，不同海拔處天然中子所占的比例差異明顯。

3）天然中子的有效劑量（率）可用中子周圍劑量當(dāng)量（率）儀的測(cè)量結(jié)果乘以能譜-有效劑量轉(zhuǎn)換因子得到，即.E＝fE.H＊（10）M，對(duì)本工作中的LB 6411＋LB 123型儀器，fE＝1.67。

本工作開展過程中受到了潘自強(qiáng)院士的關(guān)注，及龐洪超博士、韓永超博士、郭廬陣、郭金森、宋衛(wèi)杰等的支持與幫助，在此謹(jǐn)對(duì)他們表示衷心的感謝。

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Spectrum Measurement of Natural Neutron in Tibet

WU Jian-hua，XU Yong-jun，LIU Sen-lin，WANG Chuan-gao
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275-15，Beijing102413，China）

The spectrum and ambient dose equivalent rate of outdoor natural neutron in Tibet were measured by multisphere neutron spectrometer and neutron ambient dose equivalent（rate）meter in this paper，and the spectra and ambient dose equivalent rates of the outdoor natural neutron with different altitudes were acquired.The results indicate that the spectrum shapes of the outdoor natural neutron almost remain unchanged，the fluence rate of each energy range increases with the altitude，and the total fluence rate，effective dose rate and ambient dose equivalent rate increase exponentially with the altitude.The effective dose rate can be acquired from the result of ambient dose equivalent（rate）meter multiplied by the spectrum-effective dose conversion factor.

Tibet；natural neutron；spectrum；measurement

X82

A

1000-6931（2014）02-0219-04

10.7538／yzk.2014.48.02.0219

2013-08-20；

2013-11-05

環(huán)境保護(hù)部輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)與應(yīng)急專項(xiàng)資助項(xiàng)目

吳建華（1986—），男，湖南衡東人，博士研究生，輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)專業(yè)