基于次级粒子能谱的氡测量新方法：Geant4模拟与实验验证研究

本研究针对传统氡测量方法（如RAD7）对湿度敏感等局限性，开展了一种基于α粒子相互作用产生次级粒子（质子、γ射线）能谱的氡测量新方法研究。通过Geant4模拟，筛选出Mylar和Plexiglas等高效信号转换材料，Mylar可产生显著的6.1 MeV γ射线峰，Plexiglas则具有最高的质子产额。实验验证了模拟结果的可靠性。该研究为发展新型、可能受环境干扰更小的氡探测技术提供了新思路和实验依据。

　　

氡，作为一种天然放射性惰性气体，是人类所受天然辐射暴露的主要来源。准确测量环境中的氡浓度对于辐射防护和公共健康至关重要。目前，广泛使用的氡测量仪器，如RAD7，基于静电收集和半导体探测器直接测量α粒子的能谱。尽管这类仪器精度高、测量速度快，但其性能对环境湿度有严格要求（通常要求低于10%），这在一定程度上限制了其在某些高湿度环境中的应用。此外，直接探测α粒子需要解决粒子在空气中射程短的问题。因此，探索一种可能受环境因素影响较小、基于新原理的氡测量方法，具有重要的研究意义和应用价值。

那么，是否存在一种替代或补充的测量途径呢？一项发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》上的研究给出了一个创新的答案。研究人员将目光投向了α粒子与物质相互作用时产生的“次级粒子”。当氡及其子体衰变释放出的高能α粒子（如²²²Rn的5.49 MeV、²¹⁸Po的6.0 MeV和²¹⁴Po的7.69 MeV）与周围介质发生核反应时，会产生次级粒子，如质子和γ射线。这些次级粒子的穿透能力远强于α粒子，更容易被外部探测器所探测。如果能够建立起这些次级粒子的特征能谱与氡浓度之间的定量关系，就有可能发展出一种新的氡测量技术。

为了验证这一设想并寻找最优的探测方案，来自伊朗先进技术研究生大学核工程系的Gita Abedi、Mohammadreza Rezaie和Marjan Atghaei进行了一项结合计算机模拟与实验验证的深入研究。他们利用Geant4（一种用于模拟粒子与物质相互作用的蒙特卡罗工具包）这一强大工具，系统地模拟了α粒子在不同材料中产生的次级粒子能谱，旨在筛选出能产生高强度、特征明显信号的“转换材料”，为未来开发新型氡探测器奠定基础。

研究人员开展本研究主要应用了几个关键技术方法。首先是利用Geant4模拟工具包进行蒙特卡罗模拟，使用QGSP_BIC_HP物理列表来精确模拟粒子相互作用，特别是次级粒子的产生。其次，他们设计了特定的模拟几何（如圆柱体样本），并设置了包含氡衰变链平衡系数的加权α粒子源。第三，采用了一种双谱分析方法，分别记录次级粒子在产生时和离开样本时的能谱（“产生谱”和“出射谱”）。第四，通过实验进行验证，使用已知活度的氡水样（来自Jooshan温泉，经RAD7测定为50 Bq/m³）和CsI(Tl)闪烁探测器测量空气中真实的γ射线能谱，并与模拟结果进行对比。

3.1. Gamma and proton spectra from direct production in air and water

模拟结果显示，α粒子直接与空气或水相互作用产生的次级粒子产额相对较低。在空气中，产生的质子能量范围在0-8 MeV，γ射线在0-8 MeV，其中质子在1 MeV附近产额最高，γ射线在0-0.5 MeV低能区概率最大。在水中，仅观测到质子产生，能量范围也是0-8 MeV，在0-9 MeV范围内频率最高。这表明直接在这些介质中进行高灵敏度探测并非最优选择，但空气的γ产额明显高于水，这启发了将氡气置于特定转换材料容器中进行测量的策略。

3.2. Enhanced yield from a non-polar hexane layer

研究探索了利用非极性液体（正己烷）增强信号的策略。由于氡在非极性溶剂中的溶解度远高于水（可达40-70倍），在水面上放置一层正己烷可以显著富集氡。模拟结果表明，这种策略非常有效。正己烷层产生的质子谱在低能区（<0.5 MeV）出现高峰，产额约达4.7 × 10^?5 per initial Radon decay。更重要的是，γ能谱在6.1 MeV处出现了一个尖锐而突出的特征峰，产额约为1.8 × 10^?5，这为氡探测提供了一个清晰易辨的信号。

3.3. Spectra from solid converter materials

对几种固体转换材料的比较揭示了它们各自的优势。Plexiglas（聚甲基丙烯酸甲酯）是最高效的质子产生材料，在低能区（<0.5 MeV）的峰值产额约为3.0 × 10^?5。而Mylar（聚酯薄膜）则产生了最强的γ信号，其6.1 MeV主峰的产额达到1.8 × 10^?5，显著高于Plexiglas产生的对应峰。铝（Aluminum）对于两种粒子的产额都远低于有机材料。这些结果定量地证实了Plexiglas是基于质子探测的最佳选择，而Mylar是基于γ射线探测的最佳选择。

3.4. Validation of simulation result

3.4.1. Experimental validation of the simulation

为了验证模拟框架的可靠性，研究团队进行了实验测量。他们将含有已知浓度氡的水样剧烈摇晃，使氡释放到容器上部的空气中，然后用CsI(Tl)探测器测量由此产生的γ射线能谱。通过扣除本底谱得到净信号谱。将实验谱的通道数通过已知的能量定标公式转换为能量后，与模拟得到的空气中γ射线产生谱进行定性比较。结果显示，在约2 MeV以下的能区，实验谱与模拟谱的形状和主导能量范围具有良好的一致性，这为模拟预测的准确性提供了有力的实验支持。

该研究的结论部分对观察到的现象给出了深入的核物理机制解释。有机材料（Plexiglas, Mylar, 正己烷）与铝（Aluminum）在次级粒子谱上的显著差异源于不同的核相互作用机制。有机材料中高的质子产额主要归因于α粒子与氢核的弹性散射（质子反冲）。而所有三种有机材料中均出现的 prominent 6.1 MeV γ峰，是α粒子与氧-16（¹⁶O）核发生非弹性散射（¹⁶O (α, α′γ) ¹⁶O），激发其6.13 MeV能级后退激产生的特征γ射线。约4.4 MeV的γ峰则可能与碳-12（¹²C）的非弹性散射有关。相比之下，铝的谱图则由与重核²⁷Al发生的更复杂的核反应（如（α, p）反应）所主导，产生的粒子和γ射线具有离散的能量特征。

这项研究的意义在于，它系统地论证了基于次级粒子能谱学进行氡测量的可行性。通过Geant4模拟，不仅筛选出了Mylar和Plexiglas等高效信号转换材料，明确了它们分别适用于γ射线和质子探测的优势，还通过实验验证了模拟框架的可靠性。研究提出的方法有望克服传统静电收集法对湿度的苛刻要求，为发展新型氡探测技术开辟了道路。更重要的是，模拟得出的次级粒子产额（Y）与氡活度（A）之间的定量关系（R = A × Y），为将来实际应用中通过测量次级粒子计数率（R）来反推氡浓度（C）提供了直接的理论依据和关键参数。这项研究将蒙特卡罗模拟与实验验证相结合，为一种互补性的、可能更具环境适应性的氡测量技术奠定了坚实的理论基础。