关于加强我国碘化钠伽玛谱仪技术发展的思考
时间：2022-12-04 13:15:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
刘 玮，韩善彪，2，*，张 伟，袁之伦
（1. 生态环境部核与辐射安全中心，北京 100082，2. 生态环境部西南核与辐射安全监督站， 成都 610066）
在环境辐射监测技术发展历程中，高灵敏度探测材料碘化钠晶体和数字谱仪技术的出现是该技术领域的重要里程碑［1］。NaI（Tl）是一种性能优良的无机闪烁晶体，不仅具有出色的发光性能，还有较高的能量分辨率，对X射线和γ射线均有良好的分辨能力，可用于探测X、γ射线的能量和强度。碘化钠伽玛谱仪作为碘化钠晶体探测技术和数字化谱仪技术的有机结合，经过半个多世纪的发展，数据分析功能日渐强大，技术已趋于稳定。作为闪烁探测器能谱仪的代表，碘化钠伽玛谱仪因其优越的探测性能和性价比，具有较高的科研价值和市场竞争力［1］。目前，碘化钠伽玛谱仪已广泛应用于大气辐射环境监测、核设施监督性监测和事故应急监测中，多用于对核素种类较少的样品进行定性定量分析［2］。
为贯彻党的十九届四中全会精神，生态环境部加快健全生态环境监测和评价制度，推进生态环境监测体系与监测能力现代化，辐射监测作为构建生态环境监测“大格局”的重要组成部分，辐射监测体系和监测能力现代化工作已提上日程。针对使用体量较大的碘化钠伽玛谱仪技术，应总结多年使用和运行经验，进一步发掘和提升使用效能，更好地推广应用和服务社会。2020年3月，生态环境部发布《关于推进生态环境监测体系与监测能力现代化的若干意见（征求意见稿）》，要求提升装备能力，全面提升生态环境监测自动化、智能化、信息化能力。在此背景下，本文基于我国碘化钠伽玛谱仪技术应用现状和突出问题，提出加强该项技术发展的建议。
1.1 碘化钠辐射探测技术先进成熟
碘化钠伽玛谱仪是采用碘化钠晶体为探测部件的探测伽玛射线的一种谱仪设备，具有优越的探测性能，可同时实现辐射计数测量、能谱测量和剂量测量。碘化钠晶体属于无机闪烁体范畴，是一种吸收高能粒子或射线后会发光的材料［3］，该晶体材料的成功制备大大改善了辐射探测设备的灵敏度，提高了探测效率，在辐射探测领域发挥着十分重要的作用［4］。其核心在于碘化钠晶体光输出高、衰减时间短、发光波长与光电倍增管匹配［5］。同时，碘化钠晶体较低的熔点、较高的对称程度和低廉的原料价格也成为了成功制备材料的先决优势。因此，掺铊的碘化钠晶体一直被作为辐射探测的首选材料，得到了最广泛的应用。经过半个多世纪的发展，碘化钠晶体辐射探测技术已非常成熟，采用碘化钠晶体耦合光电倍增管，组合快速数字化谱仪技术已成为当前碘化钠伽玛谱仪设计的技术路线。
1.2 碘化钠伽玛谱仪应用已形成体系
碘化钠伽玛谱仪技术的成熟发展历程是碘化钠晶体制备技术、光电倍增管研制和数字化谱仪以及谱仪软件设计的不断集成优化的过程。目前碘化钠单晶体的体积可高达到4.2升，且能并联使用多个碘化钠单晶体，极大地提升了探测能力［6］。大晶体碘化钠箱体谱仪在国土资源物探、地质填图和核事故应急航空辐射监测领域已成为行业航测系统的标准配置。国家环境辐射质量监测和核设施或核电站周界监督监测中，常选用固定安装式的3×3英寸碘化钠谱仪探测系统。碘化钠伽玛谱仪系统可选用适宜尺寸的碘化钠晶体作为探测部件应用于不同的实际需求，已经成熟用作实验室伽玛谱仪、便携式谱仪、车载巡测谱仪、固定式环境辐射监测谱仪、散布式辐射监测谱仪、通道式辐射监测仪、船载巡测谱仪、浮标伽玛谱仪和水下伽玛谱仪以及特殊用途的谱仪，在环境辐射安全、辐射防护、工业探伤、医学成像、高能物理和海关口岸等领域完成了多项任务［7］。碘化钠伽玛谱仪应用已形成完整体系，是当前环境辐射监测的主流设备之一。
1.3 生态环境部碘化钠伽玛谱仪系统建设规模庞大
随着我国核能开发和核技术利用的不断发展，辐射环境监测任务日趋繁重，生态环境部（国家核安全局）肩负着国家核安全监管和监测的职能。“十五”至“十三五”期间，在国家核安全局全面规划部署下，我国国家级、省级和地市级构成的三级辐射环境监测体系初步建成，辐射环境监测网络基本实现“全覆盖”，其中碘化钠伽玛谱仪系统担当了重要角色。按照成熟性、先进性、商品化和模块化的选择原则，全国498个国控大气辐射环境自动监测站选用碘化钠谱仪为核心配置，覆盖到全国所有地市级及以上城市、核电站周边地区、重要边境及其他敏感地区，承担着辐射环境质量监测、重要核设施污染源监测、核与辐射事故预警、现场测量等任务。生态环境部核与辐射安全中心、生态环境部辐射环境监测技术中心、六个监督站和地方省份主要建设了系列的大晶体NaI航空谱仪系统、车载巡测谱仪、便携式谱仪、网络化自动布点系统、国控大气辐射环境自动监测站、辐射监测实验室谱仪，这些共同构成了目前生态环境领域的碘化钠谱仪测量能力。
由于使用维护方便，探测效率优越，仪器成本低廉等优点，碘化钠能谱仪作为目前辐射环境监测领域应用最多的能谱仪，该技术的成熟应用可在一定程度上代表一个国家的辐射探测水平。目前我国已具备自行生产大部分尺寸碘化钠晶体的能力。尽管几十年间其他闪烁谱仪随科技的进步不断出现，未来碘化钠谱仪凭借优良的性能和相对其他闪烁材料的低成本生产，仍具有很大的发展空间。为促进我国碘化钠谱仪探测技术进一步发展，本文通过调研探索，总结了几条当前碘化钠谱仪应用中遇到的问题，并提出了改进建议。
2.1 谱仪功能应用和系统设计有待进一步完善
碘化钠谱仪设备主要应用于户外环境和工作场所，其应用场景复杂多样。在不同应用场景和环境条件下，对系统设计和监测功能有不同要求。该探测技术有待完善的方面主要有：
（1）碘化钠晶体易潮解、遇空气或光易分解，需要干燥密封的工业设计，在低温环境下（零下 30 ℃以下）谱仪性能有变差，会有明显的温漂问题［8］；
（2）该技术由于碘化钠晶体特点，能量分辨率不高，其谱仪功能各种应用场合多用于定性或是半定量测量，从技术发展角度来说，亟待加强建立相关技术方法；
（3）不同应用场景，该技术测得谱数据和测量的量尚不能有针对性的有效反映该场景下的被监测对象的辐射水平或是异常变化，比如缺少对降雨影响响应功能、微小辐射异常的小波分析功能、人工核素的快速响应功能、核素剂量贡献计算、对通行车辆的辐射异常的识别功能、空中放射性烟羽的反演功能等［3］，需要对谱仪功能和分析功能软件模块开展自动化、智能化、定制化应用开发。
2.2 国控大气辐射环境自动监测站数据有待发掘利用
为加强和规范大气辐射环境自动监测系统建设，生态环境部编制了《大气辐射环境自动监测系统建设技术规范（试行）》，明确自动站主要功能是开展伽玛辐射剂量率连续监测，大气中伽玛核素定性识别及气溶胶、碘和沉降物样品采集等。其中伽玛辐射能谱仪一般采用NaI（Tl）伽玛谱仪，用于环境中伽玛核素的分析与识别，可进行定性分析，同时进行环境伽玛辐射剂量率的连续监测；
伽玛辐射剂量率测量仪一般采用电离室设备用于环境伽玛辐射剂量率的自动连续在线监测。NaI（Tl）伽玛谱仪定位于核素的分析与识别以及定性分析，其谱仪功能利用度远远不够，近500个点位谱仪的历史和未来监测的谱数据运行规律有待深度分析和总结，可进一步开发和利用。同时NaI（Tl）伽玛谱仪和电离室设备均用于环境伽玛辐射剂量率测量，但该两类设备探测的射线种类及其响应能力不同，进一步对两者监测数据比对研究会很有意义。
2.3 大晶体碘化钠谱仪巡测技术方法亟待开发
大晶体碘化钠谱仪多用于航空辐射监测、车载船载巡测以及海关口岸或是道路通道式辐射监测领域，其中航空辐射监测的发展相对成熟，包括早期载人机航测和近年来兴起的无人机航测，但其应用在核与辐射环境中的常规和应急监测的航测方法尚未建立，是行业内亟待解决的问题［9］；
近年来车载巡测、船载巡测以及海关口岸或是道路通道式辐射监测发展迅速，应用需求不断扩大，车载巡测和船载巡测可视为飞行高度为“0”米的航空监测，测量对象为陆地和水域以及空气中放射性水平［10］。海关口岸或是道路通道式辐射监测是对静止或是移动的集装箱、车辆开展辐射监测，有着较为严苛的测量条件，其对快速移动的物体探测能力有限，探测方法有待开发研究。
2.4 校准技术标准和规范亟待加强和完善
相对于碘化钠谱仪技术在不同应用场景的高速发展，其配套的校准技术标准和规范发展相对滞后，早期应用的实验室谱仪、便携式谱仪具备了成熟校准方法或规范，而对于其他应用场景的校准方法尚须加快研究。常规的校准技术是建立在标准化实验室或是在标准化辐射场中开展仪器设备或是通过系统装置校准的，对于户外环境和工作场所多种应用的谱仪系统校准有较大难度。比如国控大气辐射环境自动监测站选址为平地和楼顶两类，其探测对象有一定变化，如何统一校准是个问题；
对快速移动的车载、船载谱仪设备以及用测量快速移动集装箱或是通行车辆的通道式谱仪系统校准是个问题；
对于固定在工作场所或是工艺管道上的谱仪系统、水下探测的谱仪设备校准是个问题。
遵守技术发展的客观规律，遵循辐射监测体系和监测能力现代化行业发展思路，助力加快实现生态环境监测统一组织领导、统一规划布局、统一制度规范、统一数据管理、统一信息发布的“五个统一”，建议科学有效地提高生态环境领域的碘化钠谱仪测量能力，推动技术全方位、综合性发展。
3.1 集中优化技术手段
利用碘化钠伽玛谱仪技术开发的仪器、设备和大型系统装置，其技术稳定、成熟、性价比高，面临不同场景和环境的应用，可引入新型温控技术、稳谱技术和密封工艺或是惰性气体填充隔离技术，彻底解决温度和湿度影响问题；
充分利用先进的数字化谱仪技术，集中开发谱仪软件，根据应用需求，模块化开发数据分析功能、显示功能、报警功能等，大力开展分析和应用软件工程建设，实现监测的自动化、智能化、网络化和信息化。
3.2 提升谱仪装备能力
习近平主席在第四届核安全峰会上明确提出“中国将构建核安全能力建设网络”，国控大气辐射环境自动监测网络是该网络的重要组成部分，已纳入“十三五”和“十四五”系列规划中，国家建设投入较大，建议在利用谱仪装备对伽玛辐射剂量率监测和谱仪定性功能的基础上，充分开发利用其定量分析等其他功能，提升装备整体能力。在剂量率测量方面，开展与电离室数据的比对研究，关注历史数据变化趋势；
在谱仪技术方面，着手开发利用谱仪的核素预警、核素量化分析功能，优化提出新的可测量的量；
在事故应急方面，开发对地面放射性沉积浓度的测量功能，开发对空中放射性烟羽浓度估算及位置变化的反演功能等。加强运维经费投入，保障基本运维和技术升级费用。
3.3 加快校准能力建设
参照应用需求和技术成熟度，加快完善各类应用谱仪设备的校准体系，建立配套的校准设施条件，保障该类谱仪监测数据质量［11］。当前迫切需要推动航测、车载巡测等探测系统和探测目标有较大相对速度的动态校准方法建设，建立动态测试标准辐射场；
推动国控点为代表的固定式环境辐射监测谱仪的统一校准的技术方法；
推动工作场所或是工艺管道上谱仪系统的现场校准方法；
上述方法的建立均需要打破传统的校准模式，开展系列实验研究和验证，从而建立相应的校准技术标准和规范。
3.4 深化国际合作
很多国家建设了国土范围内的辐射监测网络，如美国的RadNet全美辐射监测网、德国的IMIS综合监测和信息系统、加拿大的辐射自动监测网、韩国的IERNet辐射监测网等；
在航空监测方面，加拿大开发的大晶体NaI航测设备和校准方法代表了国际先进水平［12］；
在动态校准方面，法国校准辐射场和设施较为先进［13］；
该谱仪技术有着广泛的国际合作基础，建议根据实际工作需要，开展深入的技术交流，建立长期的合作机制，取他人所长，促进该技术在高水平层次上的长足发展。
碘化钠能谱仪探测技术已发展成为一种成熟的核辐射探测手段，是我国辐射环境监测中不可分割的重要组成部分。碘化钠伽玛谱仪的特点是效率高、速度快、易实现对样品定性测量，但目前还存在一些限制和问题，亟待后续发展完善。为促进碘化钠伽玛谱仪在我国辐射环境监测中的应用，还需重点开发抗震、大尺寸等高端晶体，提高产品竞争力，以期达到高端晶体探测器的标准。
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