基于EuTEPC的LNGS外部实验室长时间环境微剂量测量：电磁干扰抑制与线能谱稳定性

《Applied Sciences》：Long-Duration Microdosimetry at the LNGS External Laboratory

　　

环境辐射场以极低剂量率和稀疏的能量沉积事件为特征，在此条件下，仅凭吸收剂量无法完整描述细胞及亚细胞尺度上的辐照情况。本研究使用一台翻新的5 cm球形组织等效正比计数器（tissue-equivalent proportional counter, TEPC；EuTEPC），评估了在格兰萨索国家实验室（Laboratori Nazionali del Gran Sasso, LNGS）外部实验室开展环境微剂量测量的可行性。研究人员将该探测器改装为独立运行系统，配备远程控制和定时能谱采集功能，并安装于LNGS进行长时间测量。最初的LNGS测量受到电磁干扰主导，未能获得具有物理可解释性的能谱。实际故障排查表明，主要扰动与偶发性电磁拾取有关，但耦合机制未得到系统研究。将屏蔽扩展至探测器及完整电缆链路后，噪声显著降低，从而能够获取稳定的线能（lineal energy, y）分布。间隔数月采集的能谱保持相同的整体形状，表明在极低事件率条件下测量性能的一致性。与莱尼亚罗国家实验室（Legnaro National Laboratories, LNLs）的测量结果以及已发表的渥太华（Ottawa）和古尔马尔格（Gulmarg）高海拔位点环境微剂量数据比较显示，谱特征在物理上具有一致性，同时也凸显了与辐射场组成、探测器特性和采集条件差异相一致的差别。这些结果确立了LNGS环境微剂量测量的运行平台，并指明电磁兼容性是在极低本底环境中进行测量的关键要求。

**研究背景与问题**

低水平电离辐射的生物学效应仍是有待深入研究的领域，特别是当辐射水平接近或低于天然本底时，其作用机制尚未完全阐明。意大利国家核物理研究院（INFN）的DISCOVER22项目通过比较维持在地下低辐射环境（LRE）与外部参考辐射环境（RRE）中的生物系统，研究极低辐射环境对先天免疫应答的影响，其核心要求是对两种辐射场进行精确物理表征。环境辐射场剂量率极低、能量沉积事件稀疏，吸收剂量作为非随机量仅描述靶体平均能量沉积的期望值，无法反映细胞及亚细胞尺度上能量沉积的离散随机性。微剂量学通过线能（lineal energy, y）分布描述单次事件能量沉积的随机特征，是低剂量条件下辐射场完整描述的必要补充。然而，环境微剂量测量事件率极低（约0.14 s^-1），电子扰动的相对重要性显著增大，探测器增益、气体纯度、电磁干扰等均需在数天至数月内严格控制，构成了该研究面临的核心技术挑战。

**研究内容与主要结论**

研究人员使用一台翻新的5 cm球形组织等效正比计数器（EuTEPC），改装为具备远程控制与定时能谱采集的独立系统，在LNGS外部实验室实施长时间环境微剂量测量。通过将电磁屏蔽逐步扩展至探测器、前端电子学及完整电缆链路，抑制了偶发性电磁拾取噪声，获得了物理可解释的线能分布。间隔数月获取的两次长时间能谱保持相同整体形状，表明极低事件率条件下测量性能一致。与LNL测量及渥太华、Gulmarg文献数据比较显示谱特征物理合理。该研究确立了LNGS环境微剂量测量的运行平台，识别出电磁兼容性是极低本底环境测量的关键要求，为DISCOVER22项目提供了辐射质量长期表征的实验手段。

**关键技术方法**

主要技术方法包括：（1）使用5 cm球形组织等效正比计数器（EuTEPC），A-150组织等效导电塑料阴极分九个电隔离扇区按固定电压比偏压，密封纯丙烷气体，工作压力16.4 hPa，按0.75缩放因子等效2 μm组织位点；（2）双增益（50:1）并行放大链配合双通道峰感ADC，经重叠区合并重建完整脉冲高度谱；（3）以¹³⁷Cs光子谱电子边缘作线能标定，用0.58 MeV准单能中子场反冲质子边缘独立验证；（4）文献谱采用WebPlotDigitizer数字化并以电子边缘统一重定标。

**研究结果**

**LNL环境谱与LNGS谱的恢复**

研究人员以¹³⁷Cs光子和0.58 MeV中子参考谱为基准解读环境微剂量谱形：低线能成分主要来自光子与电子相互作用，高线能成分主要来自中子感生反冲质子和重带电粒子。最终电磁屏蔽实施前，LNGS谱低线能区严重畸变，无法作为环境辐射场的可靠表征；屏蔽扩展后，测量谱呈连续且物理合理的分布，可区分低、高线能组分，整体谱结构与LNL环境谱一致。LNL谱高线能成分相对更突出，反映两地环境场高/低线能成分平衡不同，可能与建筑屏蔽、周围材料及宇宙辐射时间变化有关。

**LNGS测量的时间对比**

在相同工作条件（C5偏压-850 V）下采集两次长时间谱（2025年11月25日至2026年1月4日；2026年3月10日至4月20日）。两次测量的剂量加权线能分布yd(y)在绝大部分线能范围内高度一致，重现相同的低线能组分、中间极小值和高线能组分。频率平均线能、剂量平均线能及饱和修正平均线能（y₀=150 keV μm^-1）在计入计数统计与电子边缘标定随机不确定度后一致。约0.22%的事件（y>20 keV μm^-1）贡献约21%的剂量，此类事件平均发生率约每小时一次，说明剂量加权量的可靠确定需要长时间采集。

**与文献环境微剂量数据比较**

LNGS谱与渥太华谱在低、中y区呈现相近形状，但该相似性可能来自部分补偿的环境与实验因素，不应过度解读。LNGS谱与Gulmarg谱相比，高线能成分（约100 keV μm^-1）较弱，与Gulmarg海拔更高、大气屏蔽更薄的预期定性一致。在y≥1 keV μm^-1区间，LNGS的剂量平均线能为47.1±1.8 keV μm^-1，渥太华为54.3 keV μm^-1，Gulmarg为52.3 keV μm^-1。

**讨论与结论**

讨论部分指出，位点间比较仍是定性的，探测阈值、采集时长、标定方式、局部屏蔽及环境条件差异均可能影响谱结构；密封探测器中气体长期变化无法直接监测，但在考察窗口内未见明显影响。可分辨的辐射质量最小变化量取决于所关注的微剂量学描述符及采集统计量。

研究结论为：本研究证明了在LNGS外部实验室极低事件率条件下使用大体积组织等效正比计数器开展长时间环境微剂量测量的可行性。主要实验挑战在于区分真实辐射事件与电磁干扰。通过逐步改进电磁屏蔽，研究人员获得可物理解释的线能分布并完成约40天周期的采集。两次间隔数月、相同条件下的长时间测量谱分布高度相似，相应平均线能在不确定度内一致。与文献数据比较表明LNGS主要谱特征物理合理。本工作为极低剂量率环境的辐射质量长期表征建立了实验途径，其直接应用将是在DISCOVER22中比较LNGS外部参考环境与地下低辐射环境，为地下放射生物学提供更完整的物理表征。