西藏地區天然中子能譜測量

吳建華，徐勇軍，劉森林，汪傳高

（中國原子能科學研究院 輻射安全研究所，北京 102413）

西藏地區天然中子能譜測量

吳建華，徐勇軍，劉森林，汪傳高

（中國原子能科學研究院 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量（率）儀分別對西藏地區的天然中子能譜和周圍劑量當量率進行了測量，得到了西藏地區不同海拔處的室外天然中子能譜和周圍劑量當量率。研究結果表明：該地區室外天然中子的能譜形狀基本保持不變，其各能區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量率均隨海拔的增加呈指數規律增大；此外，天然中子的有效劑量率可用中子周圍劑量當量（率）儀的測量結果乘以能譜-有效劑量轉換因子得到。

西藏；天然中子；能譜；測量

天然中子是人類所受天然輻射中的環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境中。天然中子主要由宇宙線粒子與大氣及地表介質相互作用產生的中子、宇宙線粒子俘獲或分裂產生的中子、地面天然放射性產生的中子等組成［2］，能量范圍分布廣，從熱中子到幾百MeV，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量是人們關注的重點，一些發達國家很早就開展了環境中子能譜和中子劑量率測量，如美國、日本、德國、俄羅斯等［3-7］。我國對天然中子也開展了較多的研究，但除臺灣地區外［8-9］，國內還未對大陸地區的天然中子能譜進行測量。

西藏自治區是我國乃至全世界地形地貌極為復雜的地區之一，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。目前人們還未對西藏地區的天然中子能譜進行測量與研究。本工作采用多球中子譜儀和LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當量（率）儀分別對西藏地區的天然中子能譜和周圍劑量當量率進行測量，欲得到西藏地區不同海拔處的室外天然中子能譜和周圍劑量當量率。

1 測量方法

1.1 天然中子能譜的測量方法

本工作使用的能譜測量儀器為多球中子譜儀，其中的中子探測器為美國LND的3He正比管（LND-27036）；慢化球為高密度聚乙烯材料，直徑分別為0、8、11、15、23cm。在進行西藏地區天然中子能譜實地測量前，對多球中子譜儀進行了響應函數模擬、穩定性測試及效率刻度。另外，對Am-Be中子源能譜進行了測量，解譜結果與參考譜在誤差范圍內一致。

本工作主要測量西藏地區不同海拔處的天然中子能譜，并分析其規律。測量過程中每個慢化球的測量時間不少于20min。測量后，根據不同直徑慢化球的測量計數進行解譜得到各測量點的天然中子能譜。

1.2 天然中子周圍劑量率的測量方法

本工作使用的中子周圍劑量率測量儀器為德國生產的LB 6411＋LB 123型便攜中子周圍劑量當量（率）儀。測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，與多球中子譜儀進行同步測量。

2 結果與分析

2.1 天然中子能譜測量結果與分析

對多球中子譜儀的測量結果解譜可得天然中子能譜，如圖1所示。

圖1 西藏地區不同海拔處測得的天然中子能譜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，在本次測量的海拔高度范圍內隨海拔的增加，宇宙射線增強及宇宙射線與大氣層的相互作用增強，從而使由宇宙射線與大氣層相互作用產生的天然中子注量率增大。

對各能譜進行積分可得到各測量點的天然中子總注量率。對天然中子總注量率與海拔的變化關系進行分析，可得到天然中子的總注量率隨海拔高度的增加呈指數規律增長（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，在本次測量海拔高度范圍內，當海拔高度每增加約1 200m，天然中子的總注量率將增加約1倍，這與文獻［5］對日本富士山區域天然中子的研究結果一致。

對各能譜以其總注量率進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，不同海拔處各能區內天然中子所占的比例差異較小；在熱中子能區時，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量點的地面介質及周邊的植被等條件不同，對中子的慢化及對熱中子的吸收程度不同而導致的。

圖3 西藏地區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算的結果與分析

根據中子能譜數據計算有效劑量率的方法及文獻［10-11］的數據，可得到由多球中子譜儀測得的能譜所計算的中子有效劑量率。

圖4為由多球中子譜儀測得的能譜所計算的室外天然中子有效劑量率.E和用LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當量率儀測得的周圍劑量當量率.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。對數據進行擬合可得到.E和.H＊（10）M隨海拔的增加呈指數增大，在海拔增加約1 200m時，它們均將增加1倍，擬合公式為：.

H＊（10）M與.E的關系示于圖5，其擬合公式為：

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

由式（4）可知，用多球中子譜儀測量的能譜所計算的天然中子有效劑量率約為LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當量率儀測量結果的1.67倍，因此，可由中子周圍劑量當量率儀的測量結果通過式（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-有效劑量轉換因子。

3 結論

本工作采用多球中子譜儀和LB 6411＋LB 123型中子周圍劑量當量（率）儀分別對西藏地區的天然中子能譜和周圍劑量當量率進行了測量，得出如下結論。

1）本工作首次對西藏地區天然中子能譜進行了測量與分析。該地區天然中子在各能量區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系為φ＝0.007 3e0.000625h。

2）中子能量大于0.1MeV時，不同海拔處各能區內天然中子所占的比例差異較小；在熱中子能區時，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量（率）儀的測量結果乘以能譜-有效劑量轉換因子得到，即.E＝fE.H＊（10）M，對本工作中的LB 6411＋LB 123型儀器，fE＝1.67。

本工作開展過程中受到了潘自強院士的關注，及龐洪超博士、韓永超博士、郭廬陣、郭金森、宋衛杰等的支持與幫助，在此謹對他們表示衷心的感謝。

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ZHANG Zixia，WEI Zhiyong，FANG Meihua.Neutron radiation effects of space environment and measuring technique［J］.Equipment Eniroment Engineering，2009，6（4）：5-11（in Chinese）.

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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

環境保護部輻射環境監測與應急專項資助項目

吳建華（1986—），男，湖南衡東人，博士研究生，輻射防護與環境保護專業