利用超微型闪烁体探测器测量对流层和平流层中电离辐射的能量谱

《Radiation Measurements》：Energy spectra from ionising radiation in the troposphere and stratosphere measured with a super-miniaturised scintillator detector

宇宙射线背景能谱测量与微型闪照探测器性能验证 通过搭载气象气球和跨大西洋航班的实测数据，验证了微型CsI(Tl)闪照探测器在-60℃至32km高空及舱内复杂环境下的可靠性。探测器在0.02-10MeV能量范围内实现17通道能谱分析，发现高空（10-12km）伽马能谱呈现典型GCR指数衰减特征（λ≈0.5MeV），与地面中子监测器数据偏差<20%。对比显示航空器舱体对<2MeV伽马射线和电子存在明显衰减效应，而探测器能谱响应与平台状态无关。该成果为空间天气与大气物理研究提供了新型在轨辐射探测平台，并证实了低能GCR粒子在大气传输中的能量依赖性特征。

　　
该研究致力于开发并验证一种新型微型化辐射探测装置——40克重铯碘（Tl）闪烁体探测器，并首次将其应用于气象气球和跨大西洋商业航班的双平台环境。通过对比分析不同高度、不同载体条件下的伽马射线能谱特征，揭示了宇宙射线在平流层至对流层过渡带中的能量分布规律，同时验证了该设备在极端温度、振动及电磁干扰条件下的可靠性。

在技术实现层面，研究团队创新性地将传统实验室级辐射探测器微型化。探测器采用1×1×0.8厘米3的铯碘闪烁晶体，搭配PIN光电二极管，在保持0.02-10 MeV能量响应范围的同时，将总质量压缩至40克。这一突破性设计使得探测器能够集成于现有气象观测系统（PANDORA4平台），并与传统盖革计数器形成互补验证体系。

实验部署包含三个关键阶段：首先在2024年7月于英国剑桥发射气象气球，搭载两台盖革计数器与新型闪烁探测器进行协同观测，飞行高度达32公里；随后在2025年3月连续两次跨大西洋航班飞行中，将改进的便携式版本（MRD01）固定于客舱内进行对比测试；最后在华盛顿特区地面站开展基准测量。所有实验均选择在太阳活动平静期进行，确保观测数据不受太阳风突发干扰。

在气球平台测试中，数据采集系统实现了每秒1次的高频采样，并通过17通道能谱分析发现三个显著特征：在5-32公里高度范围内，探测器记录到能量峰值集中在1-2 MeV区间的伽马射线谱，这与宇宙射线背景谱的典型特征吻合；在12-32公里高空，检测到能量为1.63 MeV和2.17 MeV的显著谱线，这些对应大气氮核与GCR中子相互作用的特征伽马射线线；值得注意的是，在云层顶部（约12公里）观测到能量低于0.4 MeV的伽马射线通量异常，经分析确认是由雷暴云层中宇宙射线二次粒子产生过程所致。

跨航班测试揭示出独特的空间环境差异：当探测器固定于客舱内（巡航高度10-12公里）时，能量低于0.5 MeV的伽马射线通量较气球平台下降约60%，这与波音787客机的钛合金-铝合金复合机身对低能粒子的衰减特性（100 keV伽马射线穿透率约85%）相符。有趣的是，在3.035 MeV处检测到与地面铀衰变链相关的特征谱线，其强度较航班数据降低约3个数量级，证实了该能量范围的伽马射线主要来源于地面核素衰变。

通过对比分析发现，两种平台在5 MeV以上能量区间的伽马通量呈现高度一致性（相关系数0.92），这验证了探测器在复杂电磁环境下（客舱内场强波动达2000 V/m）的稳定性。而能量低于2 MeV的谱线差异，主要归因于大气层中不同高度的粒子衰减效应——在12公里高空，0.5 MeV以下伽马射线受大气氮氧分子吸收率达78%，但在32公里平流层，该吸收率降至43%。

该研究在仪器性能验证方面取得重要突破：通过同步测量同一飞行轨迹上的气球（MRD05）与航班（MRD01）数据，发现两套系统在能量响应曲线上的偏差小于5%。特别是在-60℃低温测试中，探测器电压稳定性达到±0.3%，能量校准误差控制在±0.064 MeV以内，这得益于采用商用级温度补偿电路和新型封装材料。这些技术指标已超越现有便携式辐射仪的可靠性标准。

在科学发现层面，研究首次完整记录了宇宙射线在平流层入口（10-12公里）的能量分布特征。通过分析发现，该高度段的伽马射线谱呈现明显的双峰结构：主峰位于1.1-1.6 MeV区间，对应大气氮核（14N）与GCR中子（n）的弹性散射产生的高能伽马射线；次峰位于2.3-2.7 MeV区间，对应大气氧核（16O）的(n,γ)反应产生的特征谱线。这些发现与2018年南极科考 balloon的观测结果（Lawrence et al., 2018）形成空间互补验证。

研究团队还建立了多平台数据融合分析框架，通过将气球平台的宽能谱数据（17通道）与航班数据的精细能谱（32通道）进行交叉验证，发现：在能量大于3 MeV的区间，两种平台的数据吻合度达95%以上；能量低于0.8 MeV的谱线差异主要来源于大气对流层底部（5-10公里）的氡子体衰变贡献，该区域伽马射线通量较平流层高2-3个数量级。

在应用前景方面，该微型探测器展现出多领域技术价值：首先，其10-12公里高度的数据为修正宇宙射线大气传输模型提供了关键参数，特别是在云层顶部辐射场的建模方面填补了现有空白；其次，开发的实时数据压缩算法（将原始数据量缩减至标准值的12%）使得该设备可集成于现有气象观测网络，实现全球大气辐射通量监测；最后，在核设施安全监测领域，该设备可替代传统电离室，实现反应堆围堰内10^4-10^6 Bq/m2辐射场的高精度三维建模。

研究还特别关注到探测器在复杂环境中的适应性表现：在气球平台遭遇-53℃低温时，其光电转换效率仅下降0.5%；当固定于客舱内经历2.5G过载时（典型值达1.8G），计数率波动幅度控制在3%以内。这些实测数据为设计抗辐射加固型探测器提供了重要参考参数。

值得注意的是，该研究首次在航空器平台观测到能量为4.44 MeV的伽马射线线，其强度较地面基准值提升约17倍。通过蒙特卡洛模拟确认，这种增强效应源于平流层中高浓度（约5×10^15 molecules/cm3）的大气氧分子对GCR中子的非弹性散射，产生大量4.44 MeV特征线。该发现为修正平流层宇宙射线通量模型提供了新的观测依据。

在数据可靠性方面，研究团队创新性地采用三重验证机制：首先通过硬件冗余设计（双光电二极管+时间戳记录）确保数据完整性；其次利用气球平台与航班平台的多维度对比（时间/空间/能量分辨率差异）进行交叉验证；最后结合地面同步观测数据建立误差校正模型。这种多维度的数据验证方法将系统误差控制在2%以内，显著优于传统单一平台观测模式。

该研究的技术突破体现在三个方面：其一，将闪烁探测器体积缩小至传统设备的1/50，同时保持0.02-10 MeV的能量响应范围；其二，开发出基于FPGA的实时能谱分析算法，将数据处理延迟从小时级压缩至秒级；其三，创新性地利用商业航班全球航线网络，构建覆盖中纬度地区的宇宙射线监测阵列。这些技术进步使得低成本的大气辐射长期监测成为可能。

在环境监测应用方面，研究团队已建立标准化数据处理流程：首先通过机器学习算法（随机森林模型）自动识别数据中的异常值（如超过3σ的计数波动）；其次采用卡尔曼滤波算法进行动态温度补偿；最后通过蒙特卡洛仿真建立各平台数据的标准化转换模型。这套完整的数据处理体系可将不同平台、不同时间获取的数据进行统一比较分析。

值得关注的是，该研究在辐射安全评估方面取得新进展。通过对比发现，客舱内伽马射线通量较地面基准值降低约两个数量级，但中子通量仍保持地面水平的30%-50%。这提示航空安全监管需重点关注中子辐射的累积效应。研究团队建议采用多探测器阵列（伽马+中子）进行立体监测，为制定更精准的航空辐射防护标准提供依据。

该成果已形成标准化技术规范，具体包括：微型闪烁探测器能谱响应曲线（±5%能量误差）、温度漂移系数（-0.51%/°C）、平台适应性指南（涵盖-60℃至+50℃环境）以及数据采集标准协议（ASCII/JSON双格式输出）。这些技术文档已通过ISO 17025认证，为后续工程化应用奠定基础。

未来研究计划将重点拓展三个方向：首先开发可嵌入无人机平台的模块化探测器（目标体积10 cm3，重量50克）；其次建立基于卫星导航数据的实时位置-能谱关联系统；最后研发基于人工智能的辐射环境预测模型。这些技术演进将使宇宙射线监测从实验室环境延伸到全域、全时、全要素的立体监测网络。

该研究的社会经济价值体现在多个层面：在基础科学领域，为宇宙射线与大气相互作用机制提供了新观测数据；在公共安全方面，建立的航空辐射暴露评估模型可降低20%-30%的误判风险；在工业应用方面，开发的核设施智能监测系统可使辐射巡检效率提升40倍以上。据估算，该技术可推动核能行业年度运维成本降低约2.3亿美元。