西藏地区天然中子能谱测量

吴建华，徐勇军，刘森林，汪传高

（中国原子能科学研究院 辐射安全研究所，北京 102413）

西藏地区天然中子能谱测量

吴建华，徐勇军，刘森林，汪传高

（中国原子能科学研究院 辐射安全研究所，北京 102413）

本文采用多球中子谱仪和中子周围剂量当量（率）仪分别对西藏地区的天然中子能谱和周围剂量当量率进行了测量，得到了西藏地区不同海拔处的室外天然中子能谱和周围剂量当量率。研究结果表明：该地区室外天然中子的能谱形状基本保持不变，其各能区的中子注量率随海拔的增加而增大，天然中子的总注量率和有效剂量率及周围剂量当量率均随海拔的增加呈指数规律增大；此外，天然中子的有效剂量率可用中子周围剂量当量（率）仪的测量结果乘以能谱-有效剂量转换因子得到。

西藏；天然中子；能谱；测量

天然中子是人类所受天然辐射中的环境贯穿辐射的重要组成部分［1］，广泛存在于人类赖以生存和生活的环境中。天然中子主要由宇宙线粒子与大气及地表介质相互作用产生的中子、宇宙线粒子俘获或分裂产生的中子、地面天然放射性产生的中子等组成［2］，能量范围分布广，从热中子到几百MeV，甚至更高能量的高能中子均有分布［1，3］。

天然中子的剂量和能谱测量是人们关注的重点，一些发达国家很早就开展了环境中子能谱和中子剂量率测量，如美国、日本、德国、俄罗斯等［3-7］。我国对天然中子也开展了较多的研究，但除台湾地区外［8-9］，国内还未对大陆地区的天然中子能谱进行测量。

西藏自治区是我国乃至全世界地形地貌极为复杂的地区之一，由于其海拔高，宇宙射线及中子辐射水平高，居民每年所受辐射剂量高于低海拔地区。目前人们还未对西藏地区的天然中子能谱进行测量与研究。本工作采用多球中子谱仪和LB 6411＋LB 123型中子周围剂量当量（率）仪分别对西藏地区的天然中子能谱和周围剂量当量率进行测量，欲得到西藏地区不同海拔处的室外天然中子能谱和周围剂量当量率。

1 测量方法

1.1 天然中子能谱的测量方法

本工作使用的能谱测量仪器为多球中子谱仪，其中的中子探测器为美国LND的3He正比管（LND-27036）；慢化球为高密度聚乙烯材料，直径分别为0、8、11、15、23cm。在进行西藏地区天然中子能谱实地测量前，对多球中子谱仪进行了响应函数模拟、稳定性测试及效率刻度。另外，对Am-Be中子源能谱进行了测量，解谱结果与参考谱在误差范围内一致。

本工作主要测量西藏地区不同海拔处的天然中子能谱，并分析其规律。测量过程中每个慢化球的测量时间不少于20min。测量后，根据不同直径慢化球的测量计数进行解谱得到各测量点的天然中子能谱。

1.2 天然中子周围剂量率的测量方法

本工作使用的中子周围剂量率测量仪器为德国生产的LB 6411＋LB 123型便携中子周围剂量当量（率）仪。测量过程中中子周围剂量（率）仪放置在距地面1m高、距多球中子谱仪约5m处，与多球中子谱仪进行同步测量。

2 结果与分析

2.1 天然中子能谱测量结果与分析

对多球中子谱仪的测量结果解谱可得天然中子能谱，如图1所示。

图1 西藏地区不同海拔处测得的天然中子能谱Fig.1 Measured neutron spectra at various altitudes in Tibet

由图1可看出，天然中子在各能量区的注量率均随海拔高度的增加而增大。其主要原因是，在本次测量的海拔高度范围内随海拔的增加，宇宙射线增强及宇宙射线与大气层的相互作用增强，从而使由宇宙射线与大气层相互作用产生的天然中子注量率增大。

对各能谱进行积分可得到各测量点的天然中子总注量率。对天然中子总注量率与海拔的变化关系进行分析，可得到天然中子的总注量率随海拔高度的增加呈指数规律增长（图2），则有：

图2 天然中子总注量率随海拔高度的变化Fig.2 Total natural neutron fluence rate vs altitude

其中：φ为天然中子总注量率，cm-2·s-1；h为海拔高度，m。

由式（1）可知，在本次测量海拔高度范围内，当海拔高度每增加约1 200m，天然中子的总注量率将增加约1倍，这与文献［5］对日本富士山区域天然中子的研究结果一致。

对各能谱以其总注量率进行归一所得各能谱的归一化能谱示于图3。由图3可知，中子能量大于0.1MeV时，不同海拔处各能区内天然中子所占的比例差异较小；在热中子能区时，不同海拔处天然中子所占的比例差异明显，其原因可能是由于测量点的地面介质及周边的植被等条件不同，对中子的慢化及对热中子的吸收程度不同而导致的。

图3 西藏地区不同海拔处天然中子归一化能谱Fig.3 Measured normalized neutron spectra at various altitudes in Tibet

2.2 天然中子有效剂量率计算的结果与分析

根据中子能谱数据计算有效剂量率的方法及文献［10-11］的数据，可得到由多球中子谱仪测得的能谱所计算的中子有效剂量率。

图4为由多球中子谱仪测得的能谱所计算的室外天然中子有效剂量率.E和用LB 6411＋LB 123型中子周围剂量当量率仪测得的周围剂量当量率.H＊（10）M随海拔的变化情况。

图4 室外天然中子.E和.H＊（10）M随海拔高度的变化Fig.4 Outdoor natural neutron’s.Eand .H＊（10）Mvs altitude

从图4可知，室外天然中子的.E和 .H＊（10）M均随海拔的增加而增大。对数据进行拟合可得到.E和.H＊（10）M随海拔的增加呈指数增大，在海拔增加约1 200m时，它们均将增加1倍，拟合公式为：.

H＊（10）M与.E的关系示于图5，其拟合公式为：

图5 .E和.H＊（10）M的关系Fig.5 Relationship between.Eand.H＊（10）M

由式（4）可知，用多球中子谱仪测量的能谱所计算的天然中子有效剂量率约为LB 6411＋LB 123型中子周围剂量当量率仪测量结果的1.67倍，因此，可由中子周围剂量当量率仪的测量结果通过式（4）换算得到天然中子的有效剂量率，即.E＝fE.H＊（10）M，其中，fE为能谱-有效剂量转换因子。

3 结论

本工作采用多球中子谱仪和LB 6411＋LB 123型中子周围剂量当量（率）仪分别对西藏地区的天然中子能谱和周围剂量当量率进行了测量，得出如下结论。

1）本工作首次对西藏地区天然中子能谱进行了测量与分析。该地区天然中子在各能量区间的注量率均随海拔高度增加而增大，天然中子总注量率与海拔高度的关系为φ＝0.007 3e0.000625h。

2）中子能量大于0.1MeV时，不同海拔处各能区内天然中子所占的比例差异较小；在热中子能区时，不同海拔处天然中子所占的比例差异明显。

3）天然中子的有效剂量（率）可用中子周围剂量当量（率）仪的测量结果乘以能谱-有效剂量转换因子得到，即.E＝fE.H＊（10）M，对本工作中的LB 6411＋LB 123型仪器，fE＝1.67。

本工作开展过程中受到了潘自强院士的关注，及庞洪超博士、韩永超博士、郭庐阵、郭金森、宋卫杰等的支持与帮助，在此谨对他们表示衷心的感谢。

［1］ United Nations Scientific Committee on the Effects of Atomic Radiation.Sources and effects of ionizing radiation：Report to the general assembly with scientific annexes［R］.New York：［s.n.］，2000.

［2］ 张紫霞，魏志勇，方美华.空间环境中子效应及测量技术［J］.装备环境工程，2009，6（4）：5-11.

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）.

［3］ FLOREK M，MASARIK J，SZARKA I，et al.Natural neutron fluence rate and the equivalent dose in localities with different elevation and latitude［J］.Radiation Protection Dosimetry，1996，67（3）：187-192.

［4］ HESS W N，PATTERSON H W，WALLACE R，et al.Cosmic-ray neutron energy spectrum［J］.Physical Review，1959，116（2）：445-457.

［5］ KOWATARI M，OHTA Y，SATOH S，et al.Evaluation of geomagnetic latitude dependence of the cosmic-ray induced environmental neutrons in Japan［J］.Journal of Nuclear Science and Technology，2007，44（2）：114-120.

［6］ KOWATARI M，NAGAOKA K，SATOH S，et al.Evaluation of the altitude variation of the cosmic-ray induced environmental neutrons in the Mt.Fuji area［J］.Journal of Nuclear Science and Technology，2005，42（6）：495-502.

［7］ TAKADA M，YAJIMA K.Measurement of atmospheric neutron and photon energy spectra at aviation altitudes using a Phoswich-type neutron detector［J］.Journal of Nuclear Science and Technology，2010，47（10）：932-944.

［8］ JIANG S H，YEH J J，LINR Y，et al.A study on natural background neutron dose［J］.IEEE Transactions on Nuclear Science，1994，41（4）：993-998.

［9］ WENG P S，CHU T C.Natural radiation background in metropolitan Taipei［J］.Journal of Radiation Research，1991，32（2）：165-174.

［10］中华人民共和国卫生部.GB／T 202—2007 用于中子外照射防护的剂量转换系数［S］.北京：人民卫生出版社，2007.

［11］TATSUHIKO S，AKIRA E，MARIA Z，et al.Fluence-to-dose conversion coefficients for neutrons and protons calculated using the PHITS code and ICRP／ICRU adult reference computational phantoms［J］.Physics in Medicine and Biology，2009，54（7）：1 997-2 014.

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

环境保护部辐射环境监测与应急专项资助项目

吴建华（1986—），男，湖南衡东人，博士研究生，辐射防护与环境保护专业