關(guān)于加強(qiáng)我國碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)發(fā)展的思考

劉 瑋，韓善彪，2，*，張 偉，袁之倫

（1. 生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心，北京 100082，2. 生態(tài)環(huán)境部西南核與輻射安全監(jiān)督站， 成都 610066）

在環(huán)境輻射監(jiān)測技術(shù)發(fā)展歷程中，高靈敏度探測材料碘化鈉晶體和數(shù)字譜儀技術(shù)的出現(xiàn)是該技術(shù)領(lǐng)域的重要里程碑［1］。NaI（Tl）是一種性能優(yōu)良的無機(jī)閃爍晶體，不僅具有出色的發(fā)光性能，還有較高的能量分辨率，對X射線和γ射線均有良好的分辨能力，可用于探測X、γ射線的能量和強(qiáng)度。碘化鈉伽瑪譜儀作為碘化鈉晶體探測技術(shù)和數(shù)字化譜儀技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，數(shù)據(jù)分析功能日漸強(qiáng)大，技術(shù)已趨于穩(wěn)定。作為閃爍探測器能譜儀的代表，碘化鈉伽瑪譜儀因其優(yōu)越的探測性能和性價比，具有較高的科研價值和市場競爭力［1］。目前，碘化鈉伽瑪譜儀已廣泛應(yīng)用于大氣輻射環(huán)境監(jiān)測、核設(shè)施監(jiān)督性監(jiān)測和事故應(yīng)急監(jiān)測中，多用于對核素種類較少的樣品進(jìn)行定性定量分析［2］。

為貫徹黨的十九屆四中全會精神，生態(tài)環(huán)境部加快健全生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和評價制度，推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系與監(jiān)測能力現(xiàn)代化，輻射監(jiān)測作為構(gòu)建生態(tài)環(huán)境監(jiān)測“大格局”的重要組成部分，輻射監(jiān)測體系和監(jiān)測能力現(xiàn)代化工作已提上日程。針對使用體量較大的碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)，應(yīng)總結(jié)多年使用和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)掘和提升使用效能，更好地推廣應(yīng)用和服務(wù)社會。2020年3月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測體系與監(jiān)測能力現(xiàn)代化的若干意見（征求意見稿）》，要求提升裝備能力，全面提升生態(tài)環(huán)境監(jiān)測自動化、智能化、信息化能力。在此背景下，本文基于我國碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和突出問題，提出加強(qiáng)該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的建議。

1 現(xiàn)狀和趨勢

1.1 碘化鈉輻射探測技術(shù)先進(jìn)成熟

碘化鈉伽瑪譜儀是采用碘化鈉晶體為探測部件的探測伽瑪射線的一種譜儀設(shè)備，具有優(yōu)越的探測性能，可同時實(shí)現(xiàn)輻射計(jì)數(shù)測量、能譜測量和劑量測量。碘化鈉晶體屬于無機(jī)閃爍體范疇，是一種吸收高能粒子或射線后會發(fā)光的材料［3］，該晶體材料的成功制備大大改善了輻射探測設(shè)備的靈敏度，提高了探測效率，在輻射探測領(lǐng)域發(fā)揮著十分重要的作用［4］。其核心在于碘化鈉晶體光輸出高、衰減時間短、發(fā)光波長與光電倍增管匹配［5］。同時，碘化鈉晶體較低的熔點(diǎn)、較高的對稱程度和低廉的原料價格也成為了成功制備材料的先決優(yōu)勢。因此，摻鉈的碘化鈉晶體一直被作為輻射探測的首選材料，得到了最廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展，碘化鈉晶體輻射探測技術(shù)已非常成熟，采用碘化鈉晶體耦合光電倍增管，組合快速數(shù)字化譜儀技術(shù)已成為當(dāng)前碘化鈉伽瑪譜儀設(shè)計(jì)的技術(shù)路線。

1.2 碘化鈉伽瑪譜儀應(yīng)用已形成體系

碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)的成熟發(fā)展歷程是碘化鈉晶體制備技術(shù)、光電倍增管研制和數(shù)字化譜儀以及譜儀軟件設(shè)計(jì)的不斷集成優(yōu)化的過程。目前碘化鈉單晶體的體積可高達(dá)到4.2升，且能并聯(lián)使用多個碘化鈉單晶體，極大地提升了探測能力［6］。大晶體碘化鈉箱體譜儀在國土資源物探、地質(zhì)填圖和核事故應(yīng)急航空輻射監(jiān)測領(lǐng)域已成為行業(yè)航測系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置。國家環(huán)境輻射質(zhì)量監(jiān)測和核設(shè)施或核電站周界監(jiān)督監(jiān)測中，常選用固定安裝式的3×3英寸碘化鈉譜儀探測系統(tǒng)。碘化鈉伽瑪譜儀系統(tǒng)可選用適宜尺寸的碘化鈉晶體作為探測部件應(yīng)用于不同的實(shí)際需求，已經(jīng)成熟用作實(shí)驗(yàn)室伽瑪譜儀、便攜式譜儀、車載巡測譜儀、固定式環(huán)境輻射監(jiān)測譜儀、散布式輻射監(jiān)測譜儀、通道式輻射監(jiān)測儀、船載巡測譜儀、浮標(biāo)伽瑪譜儀和水下伽瑪譜儀以及特殊用途的譜儀，在環(huán)境輻射安全、輻射防護(hù)、工業(yè)探傷、醫(yī)學(xué)成像、高能物理和海關(guān)口岸等領(lǐng)域完成了多項(xiàng)任務(wù)［7］。碘化鈉伽瑪譜儀應(yīng)用已形成完整體系，是當(dāng)前環(huán)境輻射監(jiān)測的主流設(shè)備之一。

1.3 生態(tài)環(huán)境部碘化鈉伽瑪譜儀系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模龐大

隨著我國核能開發(fā)和核技術(shù)利用的不斷發(fā)展，輻射環(huán)境監(jiān)測任務(wù)日趨繁重，生態(tài)環(huán)境部（國家核安全局）肩負(fù)著國家核安全監(jiān)管和監(jiān)測的職能。“十五”至“十三五”期間，在國家核安全局全面規(guī)劃部署下，我國國家級、省級和地市級構(gòu)成的三級輻射環(huán)境監(jiān)測體系初步建成，輻射環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)“全覆蓋”，其中碘化鈉伽瑪譜儀系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)了重要角色。按照成熟性、先進(jìn)性、商品化和模塊化的選擇原則，全國498個國控大氣輻射環(huán)境自動監(jiān)測站選用碘化鈉譜儀為核心配置，覆蓋到全國所有地市級及以上城市、核電站周邊地區(qū)、重要邊境及其他敏感地區(qū)，承擔(dān)著輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測、重要核設(shè)施污染源監(jiān)測、核與輻射事故預(yù)警、現(xiàn)場測量等任務(wù)。生態(tài)環(huán)境部核與輻射安全中心、生態(tài)環(huán)境部輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)中心、六個監(jiān)督站和地方省份主要建設(shè)了系列的大晶體NaI航空譜儀系統(tǒng)、車載巡測譜儀、便攜式譜儀、網(wǎng)絡(luò)化自動布點(diǎn)系統(tǒng)、國控大氣輻射環(huán)境自動監(jiān)測站、輻射監(jiān)測實(shí)驗(yàn)室譜儀，這些共同構(gòu)成了目前生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的碘化鈉譜儀測量能力。

2 存在的問題

由于使用維護(hù)方便，探測效率優(yōu)越，儀器成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，碘化鈉能譜儀作為目前輻射環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用最多的能譜儀，該技術(shù)的成熟應(yīng)用可在一定程度上代表一個國家的輻射探測水平。目前我國已具備自行生產(chǎn)大部分尺寸碘化鈉晶體的能力。盡管幾十年間其他閃爍譜儀隨科技的進(jìn)步不斷出現(xiàn)，未來碘化鈉譜儀憑借優(yōu)良的性能和相對其他閃爍材料的低成本生產(chǎn)，仍具有很大的發(fā)展空間。為促進(jìn)我國碘化鈉譜儀探測技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，本文通過調(diào)研探索，總結(jié)了幾條當(dāng)前碘化鈉譜儀應(yīng)用中遇到的問題，并提出了改進(jìn)建議。

2.1 譜儀功能應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步完善

碘化鈉譜儀設(shè)備主要應(yīng)用于戶外環(huán)境和工作場所，其應(yīng)用場景復(fù)雜多樣。在不同應(yīng)用場景和環(huán)境條件下，對系統(tǒng)設(shè)計(jì)和監(jiān)測功能有不同要求。該探測技術(shù)有待完善的方面主要有： （1）碘化鈉晶體易潮解、遇空氣或光易分解，需要干燥密封的工業(yè)設(shè)計(jì)，在低溫環(huán)境下（零下 30 ℃以下）譜儀性能有變差，會有明顯的溫漂問題［8］；（2）該技術(shù)由于碘化鈉晶體特點(diǎn)，能量分辨率不高，其譜儀功能各種應(yīng)用場合多用于定性或是半定量測量，從技術(shù)發(fā)展角度來說，亟待加強(qiáng)建立相關(guān)技術(shù)方法；（3）不同應(yīng)用場景，該技術(shù)測得譜數(shù)據(jù)和測量的量尚不能有針對性的有效反映該場景下的被監(jiān)測對象的輻射水平或是異常變化，比如缺少對降雨影響響應(yīng)功能、微小輻射異常的小波分析功能、人工核素的快速響應(yīng)功能、核素劑量貢獻(xiàn)計(jì)算、對通行車輛的輻射異常的識別功能、空中放射性煙羽的反演功能等［3］，需要對譜儀功能和分析功能軟件模塊開展自動化、智能化、定制化應(yīng)用開發(fā)。

2.2 國控大氣輻射環(huán)境自動監(jiān)測站數(shù)據(jù)有待發(fā)掘利用

為加強(qiáng)和規(guī)范大氣輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)，生態(tài)環(huán)境部編制了《大氣輻射環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范（試行）》，明確自動站主要功能是開展伽瑪輻射劑量率連續(xù)監(jiān)測，大氣中伽瑪核素定性識別及氣溶膠、碘和沉降物樣品采集等。其中伽瑪輻射能譜儀一般采用NaI（Tl）伽瑪譜儀，用于環(huán)境中伽瑪核素的分析與識別，可進(jìn)行定性分析，同時進(jìn)行環(huán)境伽瑪輻射劑量率的連續(xù)監(jiān)測；伽瑪輻射劑量率測量儀一般采用電離室設(shè)備用于環(huán)境伽瑪輻射劑量率的自動連續(xù)在線監(jiān)測。NaI（Tl）伽瑪譜儀定位于核素的分析與識別以及定性分析，其譜儀功能利用度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，近500個點(diǎn)位譜儀的歷史和未來監(jiān)測的譜數(shù)據(jù)運(yùn)行規(guī)律有待深度分析和總結(jié)，可進(jìn)一步開發(fā)和利用。同時NaI（Tl）伽瑪譜儀和電離室設(shè)備均用于環(huán)境伽瑪輻射劑量率測量，但該兩類設(shè)備探測的射線種類及其響應(yīng)能力不同，進(jìn)一步對兩者監(jiān)測數(shù)據(jù)比對研究會很有意義。

2.3 大晶體碘化鈉譜儀巡測技術(shù)方法亟待開發(fā)

大晶體碘化鈉譜儀多用于航空輻射監(jiān)測、車載船載巡測以及海關(guān)口岸或是道路通道式輻射監(jiān)測領(lǐng)域，其中航空輻射監(jiān)測的發(fā)展相對成熟，包括早期載人機(jī)航測和近年來興起的無人機(jī)航測，但其應(yīng)用在核與輻射環(huán)境中的常規(guī)和應(yīng)急監(jiān)測的航測方法尚未建立，是行業(yè)內(nèi)亟待解決的問題［9］；近年來車載巡測、船載巡測以及海關(guān)口岸或是道路通道式輻射監(jiān)測發(fā)展迅速，應(yīng)用需求不斷擴(kuò)大，車載巡測和船載巡測可視為飛行高度為“0”米的航空監(jiān)測，測量對象為陸地和水域以及空氣中放射性水平［10］。海關(guān)口岸或是道路通道式輻射監(jiān)測是對靜止或是移動的集裝箱、車輛開展輻射監(jiān)測，有著較為嚴(yán)苛的測量條件，其對快速移動的物體探測能力有限，探測方法有待開發(fā)研究。

2.4 校準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范亟待加強(qiáng)和完善

相對于碘化鈉譜儀技術(shù)在不同應(yīng)用場景的高速發(fā)展，其配套的校準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范發(fā)展相對滯后，早期應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)室譜儀、便攜式譜儀具備了成熟校準(zhǔn)方法或規(guī)范，而對于其他應(yīng)用場景的校準(zhǔn)方法尚須加快研究。常規(guī)的校準(zhǔn)技術(shù)是建立在標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)驗(yàn)室或是在標(biāo)準(zhǔn)化輻射場中開展儀器設(shè)備或是通過系統(tǒng)裝置校準(zhǔn)的，對于戶外環(huán)境和工作場所多種應(yīng)用的譜儀系統(tǒng)校準(zhǔn)有較大難度。比如國控大氣輻射環(huán)境自動監(jiān)測站選址為平地和樓頂兩類，其探測對象有一定變化，如何統(tǒng)一校準(zhǔn)是個問題；對快速移動的車載、船載譜儀設(shè)備以及用測量快速移動集裝箱或是通行車輛的通道式譜儀系統(tǒng)校準(zhǔn)是個問題；對于固定在工作場所或是工藝管道上的譜儀系統(tǒng)、水下探測的譜儀設(shè)備校準(zhǔn)是個問題。

3 工作建議

遵守技術(shù)發(fā)展的客觀規(guī)律，遵循輻射監(jiān)測體系和監(jiān)測能力現(xiàn)代化行業(yè)發(fā)展思路，助力加快實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測統(tǒng)一組織領(lǐng)導(dǎo)、統(tǒng)一規(guī)劃布局、統(tǒng)一制度規(guī)范、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一信息發(fā)布的“五個統(tǒng)一”，建議科學(xué)有效地提高生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的碘化鈉譜儀測量能力，推動技術(shù)全方位、綜合性發(fā)展。

3.1 集中優(yōu)化技術(shù)手段

利用碘化鈉伽瑪譜儀技術(shù)開發(fā)的儀器、設(shè)備和大型系統(tǒng)裝置，其技術(shù)穩(wěn)定、成熟、性價比高，面臨不同場景和環(huán)境的應(yīng)用，可引入新型溫控技術(shù)、穩(wěn)譜技術(shù)和密封工藝或是惰性氣體填充隔離技術(shù)，徹底解決溫度和濕度影響問題；充分利用先進(jìn)的數(shù)字化譜儀技術(shù)，集中開發(fā)譜儀軟件，根據(jù)應(yīng)用需求，模塊化開發(fā)數(shù)據(jù)分析功能、顯示功能、報警功能等，大力開展分析和應(yīng)用軟件工程建設(shè)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測的自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化。

3.2 提升譜儀裝備能力

習(xí)近平主席在第四屆核安全峰會上明確提出“中國將構(gòu)建核安全能力建設(shè)網(wǎng)絡(luò)”，國控大氣輻射環(huán)境自動監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是該網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，已納入“十三五”和“十四五”系列規(guī)劃中，國家建設(shè)投入較大，建議在利用譜儀裝備對伽瑪輻射劑量率監(jiān)測和譜儀定性功能的基礎(chǔ)上，充分開發(fā)利用其定量分析等其他功能，提升裝備整體能力。在劑量率測量方面，開展與電離室數(shù)據(jù)的比對研究，關(guān)注歷史數(shù)據(jù)變化趨勢；在譜儀技術(shù)方面，著手開發(fā)利用譜儀的核素預(yù)警、核素量化分析功能，優(yōu)化提出新的可測量的量；在事故應(yīng)急方面，開發(fā)對地面放射性沉積濃度的測量功能，開發(fā)對空中放射性煙羽濃度估算及位置變化的反演功能等。加強(qiáng)運(yùn)維經(jīng)費(fèi)投入，保障基本運(yùn)維和技術(shù)升級費(fèi)用。

3.3 加快校準(zhǔn)能力建設(shè)

參照應(yīng)用需求和技術(shù)成熟度，加快完善各類應(yīng)用譜儀設(shè)備的校準(zhǔn)體系，建立配套的校準(zhǔn)設(shè)施條件，保障該類譜儀監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量［11］。當(dāng)前迫切需要推動航測、車載巡測等探測系統(tǒng)和探測目標(biāo)有較大相對速度的動態(tài)校準(zhǔn)方法建設(shè)，建立動態(tài)測試標(biāo)準(zhǔn)輻射場；推動國控點(diǎn)為代表的固定式環(huán)境輻射監(jiān)測譜儀的統(tǒng)一校準(zhǔn)的技術(shù)方法；推動工作場所或是工藝管道上譜儀系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)方法；上述方法的建立均需要打破傳統(tǒng)的校準(zhǔn)模式，開展系列實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，從而建立相應(yīng)的校準(zhǔn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

3.4 深化國際合作

很多國家建設(shè)了國土范圍內(nèi)的輻射監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，如美國的RadNet全美輻射監(jiān)測網(wǎng)、德國的IMIS綜合監(jiān)測和信息系統(tǒng)、加拿大的輻射自動監(jiān)測網(wǎng)、韓國的IERNet輻射監(jiān)測網(wǎng)等；在航空監(jiān)測方面，加拿大開發(fā)的大晶體NaI航測設(shè)備和校準(zhǔn)方法代表了國際先進(jìn)水平［12］；在動態(tài)校準(zhǔn)方面，法國校準(zhǔn)輻射場和設(shè)施較為先進(jìn)［13］；該譜儀技術(shù)有著廣泛的國際合作基礎(chǔ)，建議根據(jù)實(shí)際工作需要，開展深入的技術(shù)交流，建立長期的合作機(jī)制，取他人所長，促進(jìn)該技術(shù)在高水平層次上的長足發(fā)展。

4 總結(jié)和展望

碘化鈉能譜儀探測技術(shù)已發(fā)展成為一種成熟的核輻射探測手段，是我國輻射環(huán)境監(jiān)測中不可分割的重要組成部分。碘化鈉伽瑪譜儀的特點(diǎn)是效率高、速度快、易實(shí)現(xiàn)對樣品定性測量，但目前還存在一些限制和問題，亟待后續(xù)發(fā)展完善。為促進(jìn)碘化鈉伽瑪譜儀在我國輻射環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，還需重點(diǎn)開發(fā)抗震、大尺寸等高端晶體，提高產(chǎn)品競爭力，以期達(dá)到高端晶體探測器的標(biāo)準(zhǔn)。