使用高压脉冲发生器对模拟闪电放电中的被动辐射剂量测量方法进行国际比对

《Radiation Measurements》：International intercomparison of passive radiation dosimetry in simulated lightning discharges using a high-voltage impulse generator

　　D. ?těpánová|J. Mike?|V. ?těpán|I. Ambro?ová|M. Bolzonella|M. Caresana|L. Garlati|M. Ko?t’ál|M. Krbal|M. Lu?ová|A. Mele|F. Trompier|M. Wiliński|O. Ploc
捷克科学院核物理研究所辐射剂量测量部门，Na Truhlá?ce 39/64，布拉格，18000，捷克

**摘要**
本研究基于以往关于在电极尖端与接地平板电极之间产生的电放电垂直场中检测电离辐射的研究，并对其进行扩展。实验的目的是详细测量沿整个高压放电路径的辐射剂量，该路径覆盖放电轴周围180°的范围，半径为1米。脉冲高压发生器的设置与之前的实验相同：电压幅度为0.9 MV，波形为1.2/50 μs，放电能量为80 kJ，电极间距为1米。为了获得更好的统计结果，本次实验中将负放电次数从400次增加到了1000次。使用被动探测器来检测电离辐射，以消除脉冲发生器和放电本身的电磁场影响。

**1. 引言**
与闪电放电相关的自然条件难以在实验室中预测和重现。由于无法同时产生闪电特有的高电压和高电流，因此只能通过单独的高压和高压脉冲发生器来研究相关的现象。
雷暴环境中高能光子辐射的产生通常归因于在强大气电场中加速的高能电子所发出的制动辐射。在自然条件下，这些电子可以传播数百米到几公里的距离（Dwyer, 2008; Ková? et al., 2023）。如此长的加速距离为有效的制动辐射产生了足够的大量光子，从而导致了诸如地面伽马射线闪光（TGFs）和伽马射线辉光（GRGs）等现象的观测。
相比之下，实验室中的高压放电其加速距离最多仅几米。在这种条件下，空气中的相互作用路径比在大气中短几个数量级，这大大降低了制动辐射的产生量。因此，实验室放电产生的光子成分预计会弱得多，常常接近被动剂量测量系统的检测限。这一基本的尺度差异自然解释了本实验中测量到的吸收剂量相对较低的现象。
为了模拟实验室条件下的闪电放电，通常使用高压发生器（HVG），最常见的是Marx类型的发生器（Agafonov et al., 2013, Agafonov et al., 2017, Bassi et al., 2017, Dwyer et al., 2008, Nguyen et al., 2008, Rahman et al., 2008, Kochkin, 2014, Hettiarachchi et al., 2017b, Hettiarachchi et al., 2017a, Rahman et al., 2019）。基本发生器设置参数包括：电压幅度0.11–1.27 MV（平均值为1 MV），电极间距0.1–1.74 m（平均范围为0.45–1.2 m），波形为1.2/50 μs（脉冲；前导时间：1.2 μs，半衰减时间：50 μs），以及放电的水平或垂直方向。表1和表2详细列出了在HVG上进行的闪电放电实验。
大多数实验致力于检测由HVG产生的高能电放电所发出的光子和电子。主动检测系统，通常是各种类型的闪烁探测器，主要用于光子/电子的测量。为了抑制电干扰，探测器通常被封装在由铝、铅或铜等材料制成的屏蔽体内。只有在Bassi et al. (2017)的实验中使用了被动探测器，具体选择了LiF热释光探测器（TLD），这是一种非常常见的被动探测器类型。

**表1. 实验室环境中闪电放电实验概述（第一部分）**
| 作者 | 发生器类型 | 电压 [MV] | 极性 | 波形 [μs] | 电极间距 [m] | 电极形状 | 电极材料 | 探测器 | 探测器与放电的距离 [m] | 探测器屏蔽 | 探测器屏蔽材料 | 探测器数量 | 伽马/X射线检测 | 中子检测 |
|------|--------|--------|-------|--------|----------|---------|--------------|-------------|-----------------|-----------------|----------------|------------|--------------|-----------|
| Nguyen et al. | Marx发生器 | 0.85 | 负/正 | 1.2/50 | 0.7–1.2 | 材料未指定 | NaI(Tl)闪烁探测器与PMT | 0.8 | 是 | 铝 | 是 | 是 | 是 | 否 |
| Rahman et al. | Marx发生器 | 1.1 | 负/正 | 1.2/50 | 0.8–1.4 | 材料未指定 | NaI(Tl)闪烁探测器与PMT | 1.05 | 是 | 是 | 是 | 否 |
| Dwyer et al. | Marx发生器 | 1.27 | 负/正 | 1.2/50 | 0.45–0.95 | 材料未指定 | LaBr3(Ce)闪烁探测器与PMT | 0.7 | 是 | 是 | 是 | 否 |
| Agafonov et al. | Marx发生器 | 1.0 | 负/正 | 1.2/50 | 0.8–1.7 | 材料未指定 | TLD（LiF） | 0.47 | 是 | 是 | 是 | 否 |
| Kochkin | Marx发生器 | 10.1 | 负/正 | 1.2/50 | 0.3–0.95 | 材料未指定 | TLD（LiF） | 1.05 | 是 | 是 | 否 | 否 |
| ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... | ... |

**表2. 实验室环境中闪电放电实验概述（第二部分）**
| 作者 | 发生器类型 | 电压 [MV] | 极性 | 波形 [μs] | 电极间距 [m] | 电极形状 | 电极材料 | 探测器 | 探测器与放电的距离 [m] | 探测器屏蔽 | 探测器屏蔽材料 | 探测器数量 | 伽马/X射线检测 | 中子检测 |
|------|--------|--------|-------|--------|----------|---------|--------------|-------------|-----------------|-----------------|----------------|------------|--------------|-----------|
| Agafonov et al. | HVG | 10.1–1.1 | 负/正 | 1.2/50 | 0.45–0.75 | 材料未指定 | TLD | 0.47–0.9 | 是 | 铝 | 是 | 120 | 是 | 是 |
| Bassi et al. | HVG | 10.9 | 负/正 | 1.2/50 | 0.3–0.95 | 材料未指定 | TLD（LiF） | 0.7 | 是 | 是 | 120 | 是 | 是 |
| Hettiarachchi et al. | HVG | 10.9 | 负/正 | 1.2/50 | 0.3–0.95 | 材料未指定 | TLD（LiF） | 1.05 | 是 | 是 | 120 | 是 | 是 |
| Rahman et al. | HVG | 10.1 | 负/正 | 1.2/50 | 0.45–0.95 | 材料未指定 | TLD（LiF） | 0.7 | 是 | 是 | 120 | 是 | 否 |

**3. 实验方法**
3.1. **高压脉冲发生器**
实验使用了Haefely公司生产的HVG SG发生器，其标称电压为1000 kV，能量为100 kJ，能产生1.2/50 μs波形的脉冲，具有两种极性。发生器设置为连续进行1000次负放电，电压幅度为900 kV，波形类似于标准的大气脉冲（1.2/50 μs），放电能量为80 kJ，电极间距为1米。与之前的实验（Kyselová et al., 2020, ?těpánová et al., 2022）相同，仅将负放电次数增加到了600次，以减少统计误差。

3.2. **被动探测器**
选择了图1中所示和表4中列出的被动辐射系统，以消除脉冲发生器和放电本身的电磁场影响。根据之前的实验（Kyselová et al., 2020, ?těpánová et al., 2022），特别选择了CaSO4:Dy和三种LiF:Mg:Ti类型的TLD，因为这些探测器能够区分光子成分和中子成分。三种探测器对光子/电子辐射的响应相同（Obryk et al., 2008）。MTS–6/MTS-N（TLD-600/TLD-100）与MTS–7（TLD-700）在对热中子成分的检测上有所不同（Stolarczyk et al., 2018）。

**4. 实验结果**
本实验的目的是使用选定的被动探测器组合，测量沿整个负电放电路径的辐射分布，该放电的波形为1.2/50 μs，覆盖放电轴周围180°的范围，半径为1米。实验结果证实了HVG产生的辐射中存在光子/电子成分和中子成分。

**5. 国际合作与意义**
本研究有三大实际意义：首先，操作高压脉冲发生器的工作人员可能暴露在电离辐射中，需要定量剂量数据来根据ICRP出版物103（Protection, 2007）进行职业辐射防护评估；其次，在国际比对框架中使用被动探测器为脉冲、电磁噪声环境中的剂量测量提供了经过验证的方法论，这直接适用于高压测试实验室和类似设施；第三，可控的实验室测量结果可以为闪电相关的高能辐射现象（如TGFs和GRGs）的理论模型提供基准数据。尽管实验室放电参数在规模上与自然闪电有根本差异，但背后的物理过程（如制动辐射的产生和潜在的核反应）是相同的，实验室环境是唯一可以系统研究其空间和光谱特性的可控环境。该数值随后被换算为在水中的吸收剂量。为了获得更好的统计结果，每种类型的探测器数量增加到了120个。在之前的测量中，每种类型最多使用了40个探测器。TLDs被放置在与?těpánová等人（2022年）相同的3D打印支架中。还使用了Bubble技术工业公司制造的BD-PND气泡探测器（个人中子剂量计），它能够对快速中子辐射的测量剂量立即产生可见的响应。这种探测器的优点是对光子/电子辐射不敏感。该探测器的能量范围是200 keV到15 MeV，灵敏度为1.9–3.7个气泡/μSv。具体使用了灵敏度为2.1–2.4个气泡/μSv的气泡探测器。气泡的数量允许直接测量组织当量的中子剂量（Bubble，2025年）。基于PADC的被动中子光谱仪包含16个PADC探测器，这些探测器与不同厚度的铝和聚乙烯层耦合（Caresana等人，2010年，Caresana等人，2012年）。这种中子光谱仪在中子环境剂量当量方面的检测限约为100 μSv。HVG处的探测器信号值与背景信号值进行了比较。

被动rem计数器基于2个PADC探测器，这些探测器与10B富集转换器耦合，用于检测热中子（Agosteo等人，2010年，Caresana等人，2014年）。它是一个直径25厘米的聚乙烯球体，内部有铅壳，可以将响应范围扩展到大约1 GeV的中子能量。基于PADC的被动系统的优点是它完全不受光子剂量的影响。该探测器在中子环境剂量当量方面的检测限约为10 μSv。位于HVG处的被动rem计数器的信号值与背景探测器的信号值进行了比较。

放射光致发光（RPL）GD351剂量计是一种基于银激活磷酸盐玻璃棒（直径1.5毫米，长度8.5毫米）的被动剂量计，该玻璃棒位于带有内置Sn过滤器（0.75毫米）的支架内，以改善剂量计对低能光子的响应。低能光子可以测量到15 keV，相对于中子的响应被认为低于3%。动态范围是0.05 mGy到10 Gy（Zorloni等人，2020年，Yamamoto等人，2011年）。以箔片形式存在的被动探测器基于材料中的激活能量来检测中子场。金激活箔片可以确定来自中子以及β和γ辐射的活性。热中子的检测基于反应197Au(n,γ)198Au，由此产生的放射性核素的半衰期为2.69天。快速中子的检测基于反应197Au(n,2n)196Au，由此产生的放射性核素的半衰期为6.18天，阈值能量为8.6 MeV。使用铟箔片通过激活分析检测中子的反应基于反应115In(n,γ)116mIn，由此产生的放射性核素的半衰期为54.12分钟。在实验结束后4小时内评估了激活探测器的活性。样品使用HPGe探测器进行了评估。使用表5和图2中显示的选定被动探测器，在放电轴周围1米的半径范围内测量了HVG的辐射场。

被动探测器以箔片的形式存在，基于材料中的激活能量来检测中子场。金激活箔片可以确定来自中子以及β和γ辐射的活性。热中子的检测基于反应197Au(n,γ)198Au，由此产生的放射性核素的半衰期为2.69天。快速中子的检测基于反应197Au(n,2n)196Au，由此产生的放射性核素的半衰期为6.18天，阈值能量为8.6 MeV。使用激活分析在铟箔片中检测中子的反应基于反应115In(n,γ)116mIn，由此产生的放射性核素的半衰期为54.12分钟。在实验结束后4小时内评估了激活探测器的活性。使用HPGe探测器进行了样品的评估。使用表5和图2中显示的选定被动探测器，在放电轴周围1米的半径范围内测量了HVG的辐射场。

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图1. 被动辐射系统：(a) TLDs（CaSO4:Dy, MTS-6/600, MTS-7/700, MTS-N/100），(b) RPL GD351剂量计，(c) 基于PADC的被动中子光谱仪，(d) 被动rem计数器，(e) BD-PND气泡探测器，(f) 金箔和铟箔。

表4. 被动辐射系统。
探测器类型 数量 检测阈值 检测结果 空单元 空单元 空单元
伽马/X射线 中子 TLDs CaSO4:Dy 吸收剂量 是 否 否
TLDs MTS-6/600 吸收剂量 10 μGy 是 是 （热）
TLDs MTS-7/700 吸收剂量 10 μGy 是 否
TLDs MTS-N/100 吸收剂量 10 μGy 是 是 （热）
RPL GD351剂量计 空气kerma 50 μGy 是 否
金箔 活性 0.01 Bq 是 是 （热和快）
铟箔 活性 0.01 Bq 是 是 （热）
BD-PND气泡探测器 组织当量中子剂量 0.4–0.5 μSv 否 是 （快）
被动rem计数器 环境剂量当量 10 μSv 否 是
基于PADC的被动中子光谱仪 环境剂量当量 100 μSv 否 是

表5. 实验实验室设置中的探测器位置。高度h表示距离接地电极的垂直距离，θ表示水平平面上的角度。
位置 θ [°] 探测器类型 每种类型的数量 h [cm]
Institute 10 TLDs (CaSO4:Dy, MTS-6, MTS-7, MTS-N) 4 × 1000–100
NPI 23 TLDs MTS-6/600 100
CV 5 TLDs MTS-7/700 100
ANVS 8 TLDs MTS-N/100 100
36 BD-PND气泡探测器 4 100
ANVS 3 TLDs (MTS-6, MTS-7, MTS-N) 3 × 80
BCB 3 RPL GD351剂量计 1–30
ANVS 4 PADC 16 100
POLIMI 6 基于PADC的被动中子光谱仪 16 100
POLIMI 7 TLDs (600, 700, 100) 3 × 100
POLIMI – TLDs (CaSO4:Dy, MTS-6, MTS-7, MTS-N) 4 × 20
NCB 3 TLDs (MTS-6, MTS-7, MTS-N) 3 × 20
BCB 1 RPL GD351剂量计 10 1–30
ANV PADC 13 POLIMI
POLIMI 7 TLDs (600, 700, 100) 3 × 20

实验中使用的各种探测器类型对应的背景数据存放在高压发生器大楼内，与存放闪电发生器的房间相邻。在准备和评估之间的所有其他时间，所有探测器都一起存放和运输。

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图2. 实验的实验室设置和每个被动探测器的位置。

3. 结果
只有放置在负电放电整个长度上1厘米到100厘米高度位置的被动TLDs探测器，其吸收剂量/kerma与背景值相比有统计学上的显著增加。光子/电子辐射主要出现在放电的后半段，距离接地电极49–76厘米的高度。在位置4处，使用MTS-7在24厘米到31厘米的高度范围内检测到最大的吸收剂量值，为1.2 ± 0.4 mGy。在中子辐射分量方面，21–27厘米和95–100厘米的高度有统计学上的显著增加，其中位置1在25厘米的高度处的最大伽马当量中子剂量为6.9 ± 1.2 mGy。这些值是通过MTS-N和MTS-7 TLDs的结果之差计算得出的。吸收剂量值的不确定性是根据给定TLD类型的背景值和HVG处的值的合并标准差计算的，置信水平为k=1。对于TLDs和RLP GD351剂量计，通过减去相应背景测量集的平均剂量来进行背景校正。表6给出了距地面电极特定高度的吸收剂量/空气kerma的结果。采用两样本t检验来评估由HVG处高度h（cm）的5个测量位置（h to h+4）的移动平均值给出的平均吸收剂量/空气kerma值与背景测量集中的平均吸收剂量/空气kerma值（μ2）之间的统计学显著差异。零假设H0：μ1=μ2和备择假设H1：μ1>μ2进行了测试，统计显著性水平为α=0.05。这一结果没有得到被动rem计数器和PADC光谱仪的证实，后者报告的环境剂量当量与背景相当（见表7）。

4. 讨论
尽管在测量活动中使用了七种类型的被动探测器来检测中子和光子/电子辐射分量，但只有TLDs在发电机场中测量到的量与背景值相比有统计学上的显著增加。所选择的TLDs组合对这两种辐射分量都敏感，并且分布在负脉冲放电过程中。

表6. 由TLDs确定的吸收剂量[mGy]和由RLP GD351剂量计确定的空气kerma[mGy]，排除了背景值，距离地面电极的特定高度h [cm]在HVG处。
* 吸收剂量/空气kerma值低于平均背景值。红色区域表示由HVG处高度h到h+4的5个测量位置的移动平均值给出的平均吸收剂量/空气kerma值与背景测量集中的平均吸收剂量/空气kerma值之间的统计学显著差异。

与TLDs不同，基于PADC的rem计数器、基于PADC的被动光谱仪和BD-PND气泡探测器仅对辐射的中子分量敏感，并且放置在100厘米的放电高度。中子仅由气泡探测器记录到，但剂量没有统计学上的显著增加。TLDs在96厘米高度处检测到的最大伽马当量中子剂量为1.6 ± 1.2 mGy，位于位置1。

使用金箔激活探测器检测HVG的中子辐射分量时，快速中子的阈值能量为8.6 MeV，热中子的共振能量为4.9 eV。此外，在激活反应中形成的铟核素的半衰期非常短，仅为54.12分钟。尽管在实验结束后4小时内评估了激活探测器，但这种短的半衰期可能影响了结果。RPL GD351剂量计放置在距离地面电极1厘米到30厘米的位置4，其中光子/电子分量的最大统计学显著吸收剂量为1.2±0.4 mGy，由MTS-7在25厘米的高度检测到。RPL GD351剂量计在22厘米到24厘米的高度记录到的空气kerma值增加，最大值为0.72±0.05 mGy，但统计学上不显著。

MTS-6在位置1确定的吸收剂量值显著高于MTS-N在同一位置的值，对于几个高度来说都是如此，某些单个读数（例如h = 36厘米时的18.7 mGy，h = 26厘米时的17.1 mGy）是整个数据集中最大的单个探测器值。尽管如此，根据5点移动平均值的两个样本t检验，MTS-6的结果并未被归类为统计学上显著。这是因为 elevated的MTS-6读数作为孤立的高值散布在接近背景的读数中，导致任何给定5点窗口内的方差较大。因此，这样的窗口的平均值没有超过显著性阈值（α=0.05），即使个别值远高于背景。这种模式与MTS-N在21–27厘米和95–100厘米的高度相反，在这些高度升高的读数更加集中。MTS-6的偶然高值的物理起源尚未确定；可能的解释包括二次带电粒子的直接能量沉积或放电轴附近的局部几何效应。这将是进一步专门研究的主题。

5. 结论
在这项国际比较实验中，使用被动探测器测量了覆盖放电轴周围180°、半径为1米的辐射场。脉冲高压发生器的设置与之前的实验相同（Kyselová等人，2020年，?těpánová等人，2022年）。在这个实验中，为了获得更好的统计结果，负放电的次数从400次增加到1000次。使用被动TLDs探测器确认了辐射的光子/电子和中子分量。光子/电子辐射主要发生在放电的后半段，距离地面电极49–76厘米的高度。使用MTS-7在24厘米到31厘米的高度范围内，位置4检测到最大的吸收剂量值，为1.2 ± 0.4 mGy。在中子辐射分量方面，仅在21–27厘米和95–100厘米的高度记录到统计学上的显著增加，其中位置1在25厘米的高度处的最大伽马当量中子剂量为6.9 ± 1.2 mGy。由于中子分量仅由一种特定类型的探测器记录，并且目前没有已建立的物理模型或机制来解释大气放电过程中中子的产生，因此这项研究的结果不足以确认中子的实际存在。尽管如此，目前的工作可以为进一步的研究铺平道路，特别是关注电极附近的区域。

本次比较实验的一个局限性是，每个参与机构将他们的探测器放置在不同的方位角位置，这使得无法区分由探测器特性引起的差异和由辐射场的已知空间不均匀性引起的差异（Agafonov等人，2019年，Parkevich等人，2024年）。对于未来的实验，我们建议至少将来自不同参与者的部分探测器放置在相同的位置——特别是在根据当前结果预计辐射信号最强的高度（大约24–31厘米和95–100厘米）。此外，如果将来自同一机构的、对中子不敏感的通用参考TLD探测器（例如MTS-7）放置在所有角度位置，就可以直接绘制出场强不均匀性的分布图，并实现不同类型探测器之间的交叉校准。

**CRediT作者贡献声明**
D. ?těpánová：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法学，研究，正式分析，数据整理，概念化。
J. Mike?：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，项目管理，方法学，研究，资金获取，正式分析，概念化。
V. ?těpán：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，研究，正式分析，概念化。
I. Ambro?ová：验证，研究。
M. Bolzonella：验证，研究。
M. Caresana：验证，研究。
L. Garlati：验证，研究。
M. Ko?t’ál：验证，研究。
M. Krbal：验证，研究。
M. Lu?ová：验证，研究。
A. Mele：验证，研究。
F. Trompier：验证，研究。
M. Wiliński：验证，研究。
O. Ploc：验证，研究。

**资助**
本项工作得到了CTU内部项目SGS23/070/OHK5/1T/13和BUT特定项目FEKT-S-23-8403的支持。

作者们感谢EURADOS工作组11（WG11）提供的合作框架，该工作组专注于高能辐射场的研究，使得这项对比研究得以顺利进行。实验过程中受益于WG11成员的协调参与，包括他们对实验设计和数据解释的贡献，尤其是被动剂量计的提供以及专家意见的投入。