導(dǎo)語：航空放射性信息提取方法初探一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

航空γ能譜探測技術(shù)因具備降低工作人員所受輻射劑量、強(qiáng)輻射測量效果媲美航線上可探測區(qū)域地面原位測量均值等優(yōu)勢被作為核應(yīng)急常備的技術(shù)手段之一，在核事故污染范圍圈定、核動(dòng)力衛(wèi)星放射性碎片與人工放射源定位中得到了廣泛應(yīng)用[1−4]。因人工放射性航空γ能譜刻度模型缺失，王南萍等[5]在室內(nèi)環(huán)境下發(fā)現(xiàn)采用航空γ能譜中0.4−1.4MeV與1.4−3.0MeV間計(jì)數(shù)率之比VGC可有效揭示人工放射性是否存在。但Kock等[6]驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)采用總道計(jì)數(shù)率變化規(guī)律來定位人工放射性熱點(diǎn)的方法受天然放射性的分布不均影響。Grasty等[7]通過768個(gè)無人工放射性污染地區(qū)所測得天然放射性核素的航空γ能譜，建立單位含量eU、eTh或40K地層的航空γ譜儀響應(yīng)譜，并結(jié)合三道法計(jì)算得到的當(dāng)前測點(diǎn)eU、eTh和40K的含量，利用剝譜法提取銫響應(yīng)譜，野外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法能很好地揭示人工放射性位置信息。利用γ射線能譜數(shù)據(jù)估計(jì)放射性核素濃度的標(biāo)準(zhǔn)方法是加權(quán)最小二乘法擬合[8]，其核心為γ場疊加原理。隨著探測器工藝及核電子學(xué)水平的提高，能譜儀的能量線性、穩(wěn)定性等性能提升，利用蒙特卡羅(MonteCarlo,MC)方法模擬標(biāo)準(zhǔn)源響應(yīng)譜庫的加權(quán)最小二乘法擬合法已被廣泛應(yīng)用于能量色散X熒光譜[9]、水體原位γ能譜[10]和航空γ能譜[11−14]分析。2016年4月在核工業(yè)航測遙感中心舉辦了“提升核應(yīng)急航空監(jiān)測能力”中歐技術(shù)研討會(huì)，會(huì)議雙方確定將在使用蒙特卡羅方法進(jìn)行人工放射性核素信息提取方面進(jìn)行深入的研究。在應(yīng)用最小二乘法解析航空γ能譜中，以往并未考慮本底（宇宙射線、儀器設(shè)備自身放射性和大氣氡）響應(yīng)譜的影響[11−13]，依據(jù)我國《航空γ能譜測量規(guī)范》[15]，用測區(qū)內(nèi)大面積水域上同高度實(shí)測航空γ能譜替代航空γ能譜儀本底響應(yīng)譜，經(jīng)10km野外測線實(shí)驗(yàn)后驗(yàn)證其效果良好[14]。倘若測區(qū)內(nèi)無類似大面積水域的情況下，如何獲取航空γ能譜儀本底響應(yīng)譜成為決定該方法應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素之一。為此本文擬建立一套航空γ能譜儀本底響應(yīng)譜估計(jì)方法，提高基于最小二乘法航空γ能譜解析的普適性，并將其應(yīng)用于提取人工放射性信息的實(shí)踐，驗(yàn)證所建立方案的可靠性。

1宇宙射線響應(yīng)譜校正模型

在遠(yuǎn)離海岸線的深海上空1800m及以上高空實(shí)測的航空γ能譜可認(rèn)為僅由宇宙射線和儀器設(shè)備自身放射性的響應(yīng)譜組成[15]。從理論上來說，航空γ譜儀對儀器設(shè)備自身放射性的響應(yīng)譜與探測高度無關(guān)，可將其作為航空γ譜儀對宇宙射線響應(yīng)譜剝離效果的比對依據(jù)。1997年Minty[16]認(rèn)為可利用冪函數(shù)來描述H探測高度上航空γ譜儀對宇宙射線的響應(yīng)譜中第x道計(jì)數(shù)CH,x：CH,x=BBH•Ex−1.3(1)式中：Ex為航空γ能譜第x道所對應(yīng)的能量，刻度方法詳見文獻(xiàn)[17]；BBH為擬合系數(shù)，隨探測高度H變化。為了避免天然放射性核素的影響，可采用2.85−3.03MeV范圍內(nèi)的實(shí)測譜分布來擬合BBH值。將相應(yīng)探測高度上的實(shí)測航空γ能譜與式(1)反演得到的宇宙射線響應(yīng)譜對應(yīng)道計(jì)數(shù)相減，獲得航空γ譜儀對儀器設(shè)備自身放射性響應(yīng)譜隨探測高度的相對變化規(guī)律（圖1），可以看出湮滅輻射峰后各道計(jì)數(shù)基本重合，說明此能區(qū)內(nèi)宇宙射線估計(jì)準(zhǔn)確。但湮滅輻射峰前各道計(jì)數(shù)不重合，這是因?yàn)橛钪嫔渚€中的µ+介子等衰變產(chǎn)生了大量正電子并發(fā)生湮滅放出0.511MeV的γ射線，且該輻射對航空γ能譜低能區(qū)的影響不可忽略，其強(qiáng)度隨探測高度而增大，說明宇宙射線產(chǎn)生的湮滅輻射[18]隨穿透大氣層厚度而改變。1.1宇宙射線中湮滅輻射峰強(qiáng)度校正模型在測區(qū)內(nèi)一平坦區(qū)域讓搭載航空γ譜儀的飛機(jī)平緩從地面起飛盤旋爬升至3000m高空，獲得不同探測高度的實(shí)測航空γ能譜數(shù)據(jù)?？紤]到航空γ能譜測量時(shí)間間隔1s，隨探測高度升高，單位時(shí)間實(shí)測航空γ能譜受統(tǒng)計(jì)漲落影響更大，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，以200m探測高度間隔統(tǒng)計(jì)實(shí)測航空γ能譜的平均譜。利用自適應(yīng)峰形切削法扣除本底[19]、多高斯函數(shù)Levenberg-Marquardt算法擬合[20]獲得湮滅輻射峰凈面積NHT隨探測高度H的變化規(guī)律如圖2所示。采用譜線比法[21]獲得地面Tl-208產(chǎn)生的湮滅輻射對NHT的貢獻(xiàn)量NHG，兩者相減則為宇宙射線對NHT的貢獻(xiàn)量NHC。擬合得到NHC隨探測高度H的變化規(guī)律如下（擬合優(yōu)度R2=0.9742）：NHC=0.0121H−1.4635(2)圖2湮滅輻射峰凈面積組成Fig.2Compositionofthenetcountrateofannihilationradiation.由于飛行過程中高度難以穩(wěn)定，難以運(yùn)用式(2)進(jìn)行野外校正。而宇宙射線越多，其產(chǎn)生湮滅光子也就越多，得到NHC與宇宙射線道計(jì)數(shù)NHL間的變化關(guān)系如圖3所示，擬合方程（擬合優(yōu)度R2=0.9672）如下：NHC=0.1083NHL−13.219(3)圖3NHC與NHL間的關(guān)系Fig.3RelationsbetweenNHCandNHL.因單個(gè)航空γ能譜測量時(shí)間短，NHL亦受到統(tǒng)計(jì)漲落的影響，后續(xù)研究中將采用測區(qū)內(nèi)高差5m范圍內(nèi)的航空γ能譜宇宙射線道計(jì)數(shù)平均值來表征。1.2宇宙射線中湮滅輻射響應(yīng)譜MC模擬由于宇宙射線中µ+介子等衰變產(chǎn)生的湮滅輻射在空氣介質(zhì)中的質(zhì)量衰減系數(shù)為0.0861075cm2•g−1[22]，則在密度為0.001293g•cm−3的空氣中半衰減厚度為62.26m，說明有650m的空氣可將湮滅光子幾乎完全衰減掉。在采用MC模擬航空γ譜儀對宇宙射線中湮滅光子的響應(yīng)譜時(shí)，應(yīng)將航空γ譜儀放置在圓柱體（直徑與高均為650m）空氣介質(zhì)中。為減小模擬空間體積，通過介質(zhì)互換原理，將空氣密度提升100倍，此時(shí)圓柱體尺寸可減小至原來的1/100，模型圖如圖4所示。采用MC模擬軟件GEANT4編寫上述模型，源粒子強(qiáng)度分布按式(2)設(shè)置，抽樣總數(shù)設(shè)置為4×1011個(gè)，模擬結(jié)果如圖5所示，不確定度為0.78%。圖4宇宙射線中湮滅輻射響應(yīng)譜MC模擬模型Fig.4MCsimulationmodelofresponsespectrumirradiatedbyannihilationradiationincosmicrays.圖5宇宙射線中湮滅輻射的MC模擬響應(yīng)譜Fig.5MCsimulationresponsespectrumirradiatedbyannihilationradiationincosmicrays.1.3校正效果分析運(yùn)用式(3)及圖5響應(yīng)譜反演獲得圖1中6個(gè)探測高度上航空γ譜儀對宇宙射線響應(yīng)譜，并從圖1中去除后結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯藭r(shí)不同探測高度上航空γ譜儀對儀器設(shè)備自帶放射性的響應(yīng)譜基本吻合，與理論規(guī)律相符，證實(shí)了上述方法的有效性。后續(xù)研究中將圖6中所有譜線的平均譜作為航空γ譜儀對儀器設(shè)備自帶放射性的響應(yīng)譜。圖6不同探測高度儀器設(shè)備自帶放射性本底譜再估計(jì)Fig.6Estimatebackgroundofgammaradiationfrominstrumentationbythemethodinthispaperatdifferentheights.

2大氣氡子體響應(yīng)譜的近似替代

在航空γ譜儀對平衡天然鈾系地層的響應(yīng)譜MC模擬時(shí)，輸入源項(xiàng)為平衡天然鈾系中每百次衰變產(chǎn)生量大于1的特征γ射線[13−14,23]，源自234Th、226Ra、214Pb、214Bi和210Pb這5種放射性核素。前兩種放射性核素產(chǎn)生的特征γ射線最大能量為186.211keV，說明僅對航空γ譜儀響應(yīng)譜中低能譜段有貢獻(xiàn)，影響人工放射性如214Am的定量精度；僅占模擬特征γ射線源粒子數(shù)不到7%，說明影響量可近似忽略。后三者則為大氣氡子體，說明在MC模擬時(shí)源抽樣粒子能譜分布近似相同。以下詳細(xì)探討采用“航空γ譜儀對平衡天然鈾系地層的響應(yīng)譜”替代“航空γ譜儀對大氣氡子體的響應(yīng)譜”的可行性。結(jié)合上述分析，可近似采用式(4)表征內(nèi)陸大面積湖泊H探測高度上實(shí)測航空γ能譜第x道計(jì)數(shù)yH,x：yH,x=Sx+CH,x+NHC•Dx+cU•UH,x+cTh•TH,x+cK•KH,x+εx(4)式中：Sx為儀器設(shè)備自帶放射性對航空γ能譜第x道計(jì)數(shù)的貢獻(xiàn)；CH,x+NHC•Dx為宇宙射線響應(yīng)譜中第x道計(jì)數(shù)；UH,x、TH,x和KH,x分別表示MC模擬得到僅含平衡235U&238U系、平衡釷系和40K的地層上H探測高度上航空γ譜儀響應(yīng)譜（特征峰區(qū)最大計(jì)數(shù)歸一化）第x道的計(jì)數(shù)（詳見文獻(xiàn)[14]）；cU、cTh和cK為待擬合參數(shù)；εx為航空γ能譜第x道實(shí)測計(jì)數(shù)與上述各組成總計(jì)數(shù)率間的差值；其余符號同前所述。擬合代碼采用MINUIT軟件包[24]。對水庫內(nèi)陸上空8個(gè)探測高度（60m、90m、120m、150m、180m、210m、240m、270m和300m）上實(shí)測航空γ能譜（合計(jì)60s累積測量譜）進(jìn)行擬合，得到擬合參數(shù)cU、cTh和cK的結(jié)果如圖7所示，典型全譜擬合結(jié)果如圖8所示，8個(gè)探測高度全譜擬合相對偏差均在±3.63%以內(nèi)。圖7內(nèi)陸水庫上擬合參數(shù)值隨高度變化規(guī)律Fig.7Verticaldistributionoffittingvaluesabovethewaterofareservoirs.圖8內(nèi)陸水庫上210m高空航空γ能譜擬合效果Fig.8Fittingeffectofairbornegamma-rayspectrumabovethewaterofareservoirswhenH=210m.從擬合結(jié)果可以看出：1)水域上空40K的貢獻(xiàn)為0，說明40K發(fā)射的特征γ射線被空氣衰減幾乎殆盡，影響可基本忽略。2)各道計(jì)數(shù)的主要貢獻(xiàn)來源于大氣氡子體所發(fā)射的γ射線，數(shù)據(jù)變化規(guī)律與文獻(xiàn)[21]的對數(shù)增長規(guī)律類似，說明這部分計(jì)數(shù)主要為大氣氡子體的貢獻(xiàn)。3)結(jié)果中顯示存在少量釷系特征γ射線的貢獻(xiàn)，且cTh擬合值成微弱增大趨勢，可能源自水域周圍地層中的釷系特征γ射線（能量較高的如2.62MeV，穿透能力更強(qiáng)）、空氣中220Rn子體等的貢獻(xiàn)。綜上所述，采用“航空γ譜儀對平衡天然鈾系地層的響應(yīng)譜”替代“航空γ譜儀對大氣氡子體的響應(yīng)譜”是可行的。

3人工輻射環(huán)境下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及效果分析

3.1活度反演將137Cs（活度2.588×109Bq）和60Co（活度1×108Bq）點(diǎn)源擺放在單箱晶體底面中心，用氫氣艇將單箱晶體升至不同高度（范圍5−85m、間隔10m）測得不同探測高度下的實(shí)測航空γ能譜，并用式(5)擬合：yH,x=Sx+CH,x+NHC•Dx+cU•UH,x+cTh•TH,x+cK•KH,x+∑cj•IjH,x+εx(5)式中：,jHxI為第j種人工放射性核素面源上H探測高度處實(shí)測航空γ能譜中第x道計(jì)數(shù)；cj為對應(yīng)待擬合參數(shù)；N為人工放射性核素的種類。從圖9的擬合效果來看，0.2−2.285MeV（17−192道）間各道計(jì)數(shù)擬合效果俱佳。利用自適應(yīng)峰形切削法扣除本底[19]、多高斯函數(shù)Levenberg-Marquardt算法擬合[20]獲得的特征峰凈面積計(jì)算得到不同探測高度H下的探測效率值，結(jié)合cj擬合值，反推出各探測高度H下地面點(diǎn)源活度與計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)值間的相對偏差如表1所示，可以看出在探測限[23]范圍內(nèi)吻合度在±15%以內(nèi)，說明擬合方案正確可靠。3.2輻射熱點(diǎn)定位地面查證確定有一廢棄137Cs源被埋在地面以下10cm處，對離源中心垂直距離為20m處已進(jìn)行的580s航空γ能譜測量（飛行速度為70km•h−1、飛行高度為75m，單譜測量時(shí)間為1s，137Cs源橫坐標(biāo)為298s）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到總道計(jì)數(shù)率(0.4−3MeV)IT分布曲線如圖10上部實(shí)線所示；為減小統(tǒng)計(jì)漲落的影響，采用聚類分析的NASVD方法[25]對航空γ能譜平滑（平滑后航空γ能譜第x道計(jì)數(shù)為xHy,），平滑能譜的總道計(jì)數(shù)率TI如圖10上部點(diǎn)狀線所示；利用xHy,代替式(5)中yH,x，得到擬合譜的總道計(jì)數(shù)率TI′變化規(guī)律?？梢钥闯觯瑥纳鲜鋈叩淖兓?guī)律中無法獲取人工源的位置信息。平滑后航空γ能譜中VGC的變化規(guī)律如圖10中部虛線所示。計(jì)算發(fā)現(xiàn)VGC的平均值為4.002、方差為0.270，可以看出大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差的異常值橫坐標(biāo)范圍分別為34−36s和296−301s，說明亦受天然放射性影響難以有效定位人工放射性熱點(diǎn)的位置。將擬合譜中宇宙射線、儀器設(shè)備自身放射性、大氣氡子體、40K、鈾系和釷系的響應(yīng)譜剔除，剩余譜中總道計(jì)數(shù)率TI′變化如圖10下部實(shí)線所示。計(jì)算得到平均值為68.151、方差為60.701，大于3倍標(biāo)準(zhǔn)差異常值橫坐標(biāo)范圍為297−300s，中心位于298s處，說明本文方法能很好地定位人工放射性熱點(diǎn)的位置。

4結(jié)語

本文依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得航空γ能譜中宇宙射線內(nèi)湮滅輻射強(qiáng)度與宇宙射線道計(jì)數(shù)間的線性規(guī)律，并MC模擬獲得航空γ譜儀對宇宙射線中湮滅輻射的響應(yīng)譜，結(jié)合Minty的冪函數(shù)估計(jì)方法，扣除遠(yuǎn)離海岸線深海面上2100−3600m的實(shí)測航空γ能譜中宇宙射線響應(yīng)譜，顯示航空γ譜儀對儀器設(shè)備自身放射性的響應(yīng)譜與探測高度無關(guān)，與理論規(guī)律一致，說明上述方法是可靠的。同時(shí)利用基于最小二乘的航空γ能譜解譜方法對內(nèi)陸水庫上8個(gè)探測高度上實(shí)測航空γ能譜進(jìn)行全譜擬合，發(fā)現(xiàn)全譜擬合值與實(shí)測值間相對偏差在±3.63%以內(nèi)符合，cU值隨高度變化規(guī)律與文獻(xiàn)[21]氡剝離規(guī)律中相同，證實(shí)可運(yùn)用“航空γ譜儀對平衡天然鈾系地層的響應(yīng)譜”替代“航空γ譜儀對大氣氡子體的響應(yīng)譜”。最終將上述結(jié)論應(yīng)用于點(diǎn)源上空不同高度的實(shí)測航空γ能譜解析，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在探測限范圍內(nèi)反演活度與計(jì)量標(biāo)稱值在±15%以內(nèi)吻合；并將其應(yīng)用于人工放射性137Cs源定位，驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該方法能有效剔除天然輻射成分的影響、精確定位人工輻射熱點(diǎn)位置。致謝感謝格拉斯哥大學(xué)AllysonJD博士提供的航空γ能譜測量數(shù)據(jù)及在研究過程中給予的指導(dǎo)。

作者:楊悅 吳和喜 劉玉娟 劉義保 孟凡松 張思穎 單位:1.東華理工大學(xué) 2.東華理工大學(xué)