使用闪烁探测器和复合光谱分析对土壤中Cs-137的深度和浓度进行评估的实用框架

《Radiation Physics and Chemistry》：A Practical Framework for Depth and Profile Assessment of Cs-137 in Soil Using Scintillation Detectors and Composite Spectrum Analysis

深度分布非破坏性检测方法研究，采用六方最密堆积模拟表面铯-137源，结合蒙特卡洛校准与复合光谱逆模型分析，实现土壤中放射性物质分层分布的高精度估算。

　　

Vahid Sadeghi Zali | Saleh Ashrafi | Aydin Ghalehasadi

塔布里兹大学物理学院，伊朗塔布里兹

摘要

为了进行环境监测和辐射防护，准确了解放射性物质（如Cs-137）在土壤中的深度和分布位置非常重要。传统方法通常具有侵入性，且只能提供平均深度估计，这限制了它们的可靠性。在这项研究中，提出了一种基于六角密堆积（HCP）配置的新型非破坏性方法来模拟表面分布的Cs-137源。使用NaI(Tl)和塑料闪烁探测器在多个深度进行了测量，并通过蒙特卡洛模拟对系统进行了校准。通过逆向建模方法分析了复合光谱，以估计污染的深度和分层分布。盲测表明该方法在重建真实污染剖面方面具有高精度。所提出的方法易于使用、成本低廉，且适用于不同类型的探测器，因此可以在实际环境中用于测量放射性。

引言

确定放射性污染物在土壤中的渗透深度对于有效的辐射防护和制定必要的去污措施至关重要（Liu等人，2022年）。核试验以及1986年切尔诺贝利事故和2011年福岛事故等事件导致了放射性物质的广泛污染（Ukaegbu, Gamage和Aspinall，2019年）。在这些污染物中，Cs-137由于其长半衰期和特定的放射性特性而尤为重要。Cs-137渗透到更深的土壤层中，可能会被植物吸收，从而通过食物链对人体造成内部辐射暴露（Ahmad等人，2019年）。此外，Cs-137在土壤中的深度分布是影响人类外部辐射暴露的关键因素（Ramzaev等人，2007年）。因此，持续监测土壤中Cs-137的深度分布仍然十分重要。

已经进行了多项研究来确定土壤中放射性污染物的深度分布。Isaksson和Erlandsson（1995年）使用三点取芯技术研究了核 fallout产生的Cs-137的空间分布，将土壤芯切成2-3厘米厚的层，并通过Ge(Li)探测器进行分析。尽管他们的方法减少了采样时间和压实及交叉污染，但用简单的指数函数对垂直分布进行建模是不够的，导致预测值与测量值之间存在显著差异（Isaksson和Erlandsson，1995年）。Adams等人（2011年）提出了一种基于伽马光谱的主成分分析（PCA）的非破坏性技术，用于估计沙子中Cs-137和Co-60源的深度。他们的方法成功地将源深度（5-50毫米）与光谱组分之间的角度关系相关联，并在盲测中显示出高达5厘米深度的较高精度。然而，该方法的局限性包括未测试分布式或多源情况的表现，以及对其先进仪器和统计处理的依赖性，这可能阻碍其在更广泛领域的应用（Adams, Mellor和Joyce，2011年）。还开发了一种基于蒙特卡洛代码GEANT的模拟方法来估计土壤中Cs-137的平均深度。通过分析散射光子与完全吸收光子的比例，研究人员无需直接采样即可推断出源的深度。尽管该方法在实际情况中表现出良好的精度，但它受到精确模拟模型的限制，无法分辨分层污染，在Cs与背景放射性核素比例较低的土壤中性能下降（Likar等人，2000年）。2011年4月在福岛进行的事后现场研究检查了从三个不同地点采集的土壤中I-131和Cs-137的垂直分布。使用高纯度锗（HPGe）探测器进行的测量显示，这两种放射性核素的大部分（Cs-137超过87%，I-131为76%）集中在顶部5厘米内。尽管该研究提供了重要的实证数据，但它仅限于短期条件，并缺乏非侵入性的深度估计方法（TANAKA等人，2012年）。2023年的一项较新研究调查了福岛第一核电站周围受污染土壤中Sr-90的深度分布。这一主题之前受到的研究关注较少。从32个不同地点采集了芯样，深度达到30厘米。样品经过化学分离后使用盖革计数器和α/β光谱仪进行分析。结果显示，在大多数情况下，超过80%的Sr-90集中在土壤顶部0-5厘米内。这意味着其分布主要局限于表面，与Cs-137类似。然而，在某些特定类型的土壤（如沙质土壤）中观察到了向深层迁移的现象。该研究的主要局限性在于它仅依赖于破坏性采样，且缺乏非侵入性的深度剖面技术（Kavasi等人，2023年）。Ukaegbu等人（2018年）探索了使用便携式塑料闪烁探测器来估计土壤中Cs-137深度的方法。通过结合原位伽马光谱和蒙特卡洛模拟，他们发现了光谱特征（如低能光子比例）与源深度之间的相关性。该方法对于深度不超过5厘米的干燥沙中的点源非常有效。虽然系统的简单性和便携性是显著优点，但它假设了放射源的固定深度，忽略了土壤内的潜在垂直分布（Ukaegbu和Gamage，2018年）。

放射性物质渗透到土壤中的一个关键因素是放射性沉降现象。这是由于核武器试验或全球核事故后放射性核素（如Cs-137）的大气扩散和随后的沉积造成的（Aoyama, Hirose和Igarashi，2006年）。以往的研究往往假设放射性物质集中在特定深度，而没有关于它们在土壤中实际分布的详细实验信息。此外，这些方法大多依赖于使用HPGe探测器的侵入性采样技术，这些技术成本高昂且技术要求高。

传统的取芯采样方法仍然是定量深度分析最直接的方法；然而，其使用常常受到物流限制、法规限制或干扰污染几何形态的风险的制约。这在事故后或遗留场地尤为重要，因为已知表面分布的沉降产物（如^137Cs）会形成横向扩展的浅层模式。受这些实际限制的启发，本研究开发并实验验证了一种非破坏性框架，该框架能够通过基于六角密堆积（HCP）的排列和从测量和模拟中得出的校准光谱响应库来再现真实的表面源行为。

在这项工作中，我们提出了一种针对塑料闪烁体和碘化钠探测器的创新校准方法，该方法基于模拟的表面和深度分布的Cs-137源——反映了更真实的环境条件。通过盲测和比较算法分析评估了该方法在识别复杂垂直污染剖面方面的准确性，证明了其在重建深度分布时的高可靠性和最小误差。

方法部分

方法

模拟了不同土壤深度下放射性同位素Cs-137的表面分布。这种方法考虑了核沉降的性质以及该元素在土壤中的化学行为。为此，使用HCP方法在直径为23厘米的圆形区域内以不同深度排列了小型标准Cs-137源。HCP排列能够高效覆盖目标区域的91%（Atkins和De Paula，2013年）

结果与讨论

使用HCP配置在各个深度的测量结果分别展示在图4和图5中。图5中0厘米深度与其他深度之间的显著差异归因于光谱中存在的β辐射以及土壤和空气之间衰减系数的差异。根据实验数据，进行了蒙特卡洛模拟以校准不同源深度的探测器。使用了MCNP 6.2代码进行模拟

结论

以往的研究已经探讨了土壤中放射性核素深度的确定方法，其中大多数方法依赖于本质上具有侵入性和破坏性的直接采样方法。此外，这些研究通常只报告Cs-137的平均深度，这不能准确反映表面污染的真实分布。在这项工作中，我们使用HCP配置模拟了一个真实的表面分布的Cs-137源，使用了低活度的标准源。

CRediT作者贡献声明

Aydin Ghalehasadi：研究、数据管理。Saleh Ashrafi：监督、方法论、形式分析。Vahid Sadeghi Zali：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

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