基于冰面宇宙线响应测量的中国环境伽马辐射剂量率全国比对

《Journal of Environmental Radioactivity》：National intercomparison of environmental gamma radiation dose rate in China based on ice surface cosmic ray response measurements

　　

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  首次开展以冰封湖面为平台的宇宙线响应测量，完成全国环境伽马辐射剂量率比对，验证了冰面作为大规模比对演练平台的可行性。
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  各仪器的宇宙线响应与其探测机理密切相关，基于仪器特性的修正可实现准确且可比的周围环境伽马剂量率结果。
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  扣除宇宙线响应后，93%的野外、道路及室内测量结果获得了令人满意的Z分数（|Z| ≤ 2），验证了中国国家辐射环境监测网络的总体良好表现。

引言

自然环境中的伽马辐射测量是辐射安全实时评估的基本技术，尤其在外照射评估和环境放射性评价方面（Pan等人，1988年；Eisenbud和Gesell，1997年；UNSCEAR，2000年；Wang，2002年；Thorne，2003年）。作为应用最为广泛的工具之一，准确可靠地测量空气中环境伽马辐射吸收剂量率，可为环境放射性水平评估、公众及职业照射评价、事故释放应急响应的支持以及辐射保护政策制定提供基础科学依据（Wada等人，2012年；Akahane等人，2013年；Boice Jr，2014年；Leontaris等人，2018年；Talapko等人，2024年）。

在正常条件下，即忽略人为辐射源时，所测得的"本底"环境伽马辐射剂量率来源于土壤中、岩石中、建筑材料中存在的原始放射性核素（包括⁴⁰K及²³⁸U、²³⁵U、²³²Th的天然衰变链）的辐射，以及高能宇宙射线与大气相互作用产生的相当大比例的贡献（UNSCEAR，2000年）。需要注意的是，探测器对这些次级宇宙线的响应强烈依赖于其探测机理、放大电子器件及数据处理算法，在不同典型探测器如高压气体电离室（HPIC）、闪烁探测器和盖革-缪勒管之间表现出显著差异。此外，宇宙射线电离组分产生的剂量率不可避免地受到自然环境因素的影响，包括由海拔所体现的空气散射效应、地磁场对带电粒子的偏转作用、气象条件及太阳活动（Mishev和Hristova，2012年；Mitra等人，2024年；Usoskin和Poluianov，2025年）。此处"太阳活动"指的是太阳风及行星际扰动对银河宇宙线通量的调制效应，在地面测量中表现为所谓的Forbush效应（Belov，2008年），而非太阳光辐射。因此，为实现准确的数据评估与剂量评估，必须定量测量参考地点处各仪器对宇宙线的特定响应，并优先从仪器读数中扣除（Huang等人，2016年）。然而，需要指出的是，如本工作所述在地面测量宇宙线响应时，所测数据并非宇宙线剂量率本身，而应理解为在低陆地本底辐射场中测得的表观响应：它由次级宇宙线粒子产生的剂量率组成，同时还包含空气中放射性核素（释放伽马射线的氡和钍衰变产物、⁷Be等）以及仪器固有噪声的有限贡献。

鉴于伽马辐射测量在环境放射性研究、行政辐射监测及应急响应中的普遍应用，实验室间比对作为有效的质量保证手段和能力验证测试，可用于验证仪器性能并确保数据溯源性（ISO/IEC，2023年）。在环境伽马辐射测量方面，可通过多台探测器在同一地点同时测量来实现（Gutierrez-Villanueva等人，2013年；Wu等人，2016年；Zhao等人，2024年）。然而，如上所述，宇宙线响应是一个固有的、与探测器相关的测量组分，普遍存在于所有测量中且难以轻易消除（Thompson等人，2000年；Sáez-Vergara等人，2003年，2007年）。因此，准确确定每台仪器的特定宇宙线响应是环境伽马辐射测量比对的前提条件，也是实践中的一个主要挑战（Wu等人，2016年；Zhao等人，2024年）。

一种简便且传统的在地面测量宇宙线响应的方法是在大面积且足够深的水面上进行，使水体有效屏蔽陆地伽马射线（Yue和Jin，1988年；Liao等人，2025年）。为尽可能避免船体材料的干扰，通常使用木质/玻璃纤维船只或浮动码头（Wu等人，2016年；Zhao等人，2024年；Liao等人，2025年）。然而，这些传统平台在全规模全国比对中存在实际局限性。它们通常载重有限且后勤成本高，难以同时容纳数十台仪器和人员。在此背景下，我们提出一种简单而有效的替代方案，即在冰面上进行测量。冰面同样能有效屏蔽陆地辐射，同时提供稳定、宽敞且均匀的测量平台，可容纳大量仪器和操作员。根据这一建议，由中国生态环境部（MEE）辐射监测技术中心（RMTC）组织，2026年1月19日至23日在新疆维吾尔自治区巴音郭楞蒙古自治州开展了全国环境伽马辐射剂量率比对活动。MEE国家辐射环境测量网络的38家区域核与辐射安全监测实验室参加了此次活动。本研究所开展的是中国继1998年和2013年活动（Wu等人，2016年）之后的第三次伽马辐射测量全国比对，也是首次以冰封湖面作为宇宙线响应测量参考平台。

本文第2节介绍了本次比对的方法学。第3节宇宙线响应测量与分析、第4节环境伽马辐射剂量率测量分别讨论了宇宙线响应和环境伽马辐射测量的结果与分析，重点涉及不同类型探测器的性能以及冰面平台的可行性。结论在最后一节中给出。

章节摘要

测量方法

在本次比对中，各参加实验室的技术人员使用各类仪器在相同地点进行同步并排测量。除在冰封淡水湖的冰面上测量宇宙线响应外，还选取了代表环境伽马辐射剂量率测量典型场景的其他测量点，即野外区域、公共道路和室内场所。

博斯腾湖及其周边

宇宙线响应测量结果

不同类型仪器测得的宇宙线响应值汇总于图1，其中误差棒表示扩展不确定度，包含因子k = 2。可以明显观察到不同类型仪器之间的宇宙线响应存在显著差异，而同一类型仪器之间则表现出较好的一致性。高压气体电离室（HPIC）给出的宇宙线响应值明显高于塑料闪烁体剂量率仪和NaI(Tl)晶体

校正后陆地伽马辐射剂量率结果

野外、道路和室内测量点的校正后陆地伽马辐射剂量率见图2。扣除宇宙线响应后，绝大多数仪器获得的结果合理一致，表明大部分参试仪器满足常规环境伽马辐射测量任务的要求。然而，在测得的剂量率中仍观察到一些离群值，且一致性与

结论

本文报道了首次以冰封湖面为宇宙线响应测量平台的全国伽马辐射剂量率比对，涉及38家机构的78台伽马剂量率仪器。本工作为宇宙线响应测量与比对提供了实用范例，支持国家辐射环境监测网络的质量保证。

冰封冰面为大范围活动提供了一个实用、稳定且宽敞的平台

CRediT作者贡献声明

肖美群：初稿撰写、可视化、形式分析、数据整理、概念构思。王涛：审阅与编辑、方法论、形式分析、数据整理、概念构思。丁讯：软件、调研。肖军：监督指导、项目管理。卢剑锋：项目管理、资金获取。曹中刚：调研。王亮：调研。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的研究工作的客观性。

致谢

作者感谢参与本次比对活动的116位同事及提交原始数据的所有人员。

肖美群|王涛|丁讯|肖军|卢剑锋|曹中刚|王亮