一种具有光子能量分辨能力的放射性发光剂量测量系统的设计，用于区域监测

《Radiation Physics and Chemistry》：Design of a radioluminescence dosimetry system with photon energy discrimination capability for area monitoring

辐射致发光光纤剂量计系统通过能量依赖响应校正与滤波设计实现10 keV-1.5 MeV光子能量甄别，提升环境与工作场所辐射监测精度。

　　在当今社会，辐射无处不在，无论是自然界的放射性物质还是人为活动产生的放射性污染，都对人类健康和生态环境构成了潜在威胁。因此，建立有效的辐射监测系统变得尤为重要，尤其是在那些存在较高辐射暴露风险的环境中，例如核反应堆、加速器设施、放射性污染废弃物处理场所以及油气行业中受天然放射性物质（NORM）影响的区域。这些环境中常见的光子能量范围通常在20–30 keV到几MeV之间，这就要求监测系统能够准确地反映光子能量依赖性，从而提高测量的精确度和可靠性。

传统的辐射监测方法主要依赖于总辐射剂量的测量，但这种方法在区分低能和高能光子方面存在局限。在一些特殊场景下，如油气行业的NORM监测或核事故后的应急响应，能够识别不同能量的光子成分具有重要意义。例如，在油气行业中，天然放射性物质如Ra-226会释放较低能量的伽马射线（主要集中在186 keV左右），而其子体Bi-214则会释放更高能量的伽马射线（包括高达1.76 MeV）。这种能量差异在评估辐射污染程度和制定相应的防护措施时，能够帮助识别具体污染物并采取更有针对性的应对策略。

在核事故的紧急情况下，区分低能X射线和高能伽马射线的能力同样至关重要。低能X射线通常与α衰变的放射性物质如Pu-239有关，而高能伽马射线则主要来源于核裂变产物。通过快速识别这些特征光子能量，应急响应团队可以更有效地评估污染水平，并采取必要的措施以保护公众健康。此外，在严重的核事故中，反应堆结构周围的材料可能会因中子流而激活，这些激活产物有时会释放低能伽马射线，其种类和能量特性与所涉及的材料密切相关。

核废料处理设施需要考虑更广泛的放射性物质，包括铀-238（U-238）和钍-232（Th-232）衰变系列中的各种同位素。这些衰变系列不仅包含低能伽马射线发射体，如铅-210（Pb-210）在46.5 keV处的发射，还包含高能发射体，如铊-208（Tl-208）在2.61 MeV处的发射。除了NORM监测和核设施环境，工作场所和区域的辐射监测同样在其他存在常见辐射源的环境中至关重要，如医疗机构、工业射线检测、研究实验室等。在这些环境中，光子能量通常覆盖20–30 keV到几MeV的范围，这一光子能量分布广泛存在于医疗和工业放射学、核反应堆、研究设施以及污染废弃物处理场所中。

尽管辐射剂量测量通常倾向于使用与人体组织（约Z=7-8）原子序数相近的材料，以获得更接近组织等效的响应，但在某些特定情况下，高原子序数（Z >> 7-8）的材料可能提供额外的优势。高原子序数材料的主要缺点是其对光子能量的依赖性。由于光电吸收截面随着原子序数的增加而显著上升，这会导致高原子序数材料在光子能量较低时与人体组织的响应存在较大差异。然而，这些高原子序数材料的能量依赖性也可以被用于能量分辨。通过分析高原子序数材料在不同能量范围下的响应模式，可以有效区分低能和高能辐射成分。这一能力在需要区分低能子体与高能背景或识别特定伽马射线发射体的场景中尤为重要，而当前的辐射发光剂量测量系统通常缺乏这种能量分辨能力。

在之前的科学研究中，已经展示了掺杂玻璃热释光纤维剂量计在不同光子能量下的能量依赖性（Moradi et al., 2022）。这些掺杂二氧化硅纤维已被广泛应用于剂量测量，不仅能够作为热释光剂量计（TLDs），还可以作为辐射发光剂量计（RLDs）使用（Rahman et al., 2011, Moradi et al., 2019; Zubair et al., 2020）。本研究旨在探索一种实时辐射发光纤维剂量计系统在能量分辨方面的可行性，特别是在环境和工作场所的辐射监测中，这里统称为区域监测。

该提出的辐射发光纤维剂量计系统包括多个辐射发光传感器（发光体），每个传感器都连接到一根传输光纤，将产生的光引导至光电探测器设备。为了实现能量分辨，研究团队采用了蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟方法，利用TOPAS工具对辐射发光传感器进行建模，并设计滤光材料的组合。通过利用高光输出的Ce掺杂二氧化硅纤维在不同能量范围下的独特能量依赖性，该系统旨在提高在多种区域监测应用中的辐射测量精度。这种能量分辨能力有助于更有效地监测和管理辐射暴露，最终促进更安全的工作环境和更好的生态环境保护。

蒙特卡洛模拟不仅用于建模传感器，还用于评估不同滤光材料对光子能量的衰减效果。在模拟过程中，研究人员测试了多种金属滤光材料，包括铝、钛、钢、铜和锡，其厚度分别为0.5 mm、1 mm和2 mm。这些材料的选择基于文献综述，例如Jung et al. (2004)、Eakins (2010)以及Haag et al.的研究。通过分析这些滤光材料对不同光子能量的响应，研究人员能够优化滤光组合，以实现最佳的能量分辨效果。此外，研究团队还参考了ISO 4037的标准，以确保模拟结果符合实际应用中的要求。

在模拟过程中，研究团队使用了低空气比释动能系列（Low Air Kerma Rate Series）作为参考光子谱，并评估了剂量计对¹³⁷Cs参考能量的响应。模拟结果表明，经过优化的滤光组合能够在10 keV至1.5 MeV的范围内实现可靠的能量分辨，并且对于超过80 keV的光子能量，能够有效校正剂量计的响应。这种校正能力有助于提高环境剂量当量（H*(10)）的计算精度，从而提升监测系统的整体性能。

本研究的成果表明，该实时辐射发光纤维剂量计系统在区域监测中具有显著的应用潜力。通过结合Ce掺杂二氧化硅纤维的高灵敏度和能量依赖性，以及精心设计的滤光材料，该系统能够有效区分不同能量的光子，从而提高测量的准确性和可靠性。这种能力不仅适用于核反应堆、加速器设施等高能辐射环境，还适用于油气行业、医疗设施等存在自然和人为放射性污染的场所。

此外，研究团队还讨论了该系统在未来可能的应用方向。随着技术的不断进步，实时辐射监测系统在能量分辨方面的能力有望进一步提升，从而在更多复杂环境中实现精准的辐射评估。例如，在核事故后的应急响应中，该系统可以迅速识别污染源并提供有效的数据支持。在研究和工业领域，该系统可以用于更精确的辐射剂量计算，从而为工作人员和公众提供更好的保护。

总之，本研究通过创新的实时辐射发光纤维剂量计系统，展示了在不同光子能量下的有效能量分辨能力。这种能力对于提升区域监测的精度和可靠性具有重要意义，特别是在需要区分低能和高能辐射成分的场景中。未来的研究可以进一步优化滤光材料和系统设计，以适应更广泛的环境和应用场景。同时，随着计算技术和材料科学的发展，实时辐射监测系统有望在更多领域中发挥关键作用，为人类健康和生态环境提供更全面的保护。