祝庆军1，宋逢泉1，郭倩，廖燕飞²，宋钢²，FDS团队
（1.中国科季技术大学，安徽合肥230025：2.中国科学院核能安全技术研究所，安徽合肥230031）
摘要：使用Bonner谱仪对室内申子谱进行测量，根据Bonner多球的读数，采用最大确法求解中子能 语，并根据注量-剂量转换系数得到中子剂量率，为验证测量结果，使用基于解析公式的模拟软件EXPACSVer2.21进行能谱验证、使用BF：固定式环境中子监测器进行剂量率验证，经过验证分析表明基于最大端法的Boner测量结果与其他方法的结果基本符合，合肥地区环境中中子周图剂量当量率 在2.6 nSv -h至14.38nSv -h之间.
关键调：最大嫩法：Bonner多球；环境中子；中子能谱
中图分类号：0536 文章标志码：A 文章编号：0258-0918（2013)01-0049-06
Measurementof spectrum and dose rate of natural neuron using bonner spheres
ZHU Qing-jun'* SONG Feng-quan' GUO Qian'- LIAO Yan-fei? SONG Gang². FDS Team
(1. Usiversity of Science aad Technology of China Hefei. Anhui Prov. 230026 Chinas
2. Istitute of Nudlear Energy Saefery Technology Chinese Academy of Scienes Helei Anhui Pron. 230031 China)
Abstract; The natural neutron spectrum indoor was measured by using Bonner spheresspectrometer in Hefei A Bonner sphere spectrometer with maximum entropy methodwas used to unfold neutron spectrum. Then according to the fluence to dose coefficient the dose rate was caleulated. The software EXPACS Ver2. 21 based on the analyticmethods for simulating the natural neutron spectrum was adopted to verify the neutronspectrum and the BF natural neutron monitors were used to confirm the effeetive doserate. The verification and analysis indicated that the results from Bonner spheres spectrometer consistent with others. The ambient dose equivalent rate of neutron inHefei was between 2. 6 nSv • hand 14. 38 nSv • h1
Key words: maximum cntropy method; Bonner spheres spectrometer: natural neuron:neutron spectrum
（UNSCEAR）2008会议报告，世界范围内平层深度（海拔因素）、垂直截止刚度（纬度因素）、均每人每年接受天然辐射的有效剂量约为日心压（太阳活动周期）、地面含水量（环境）以2.4mSv，其中字宙辐射剂量在0.3~ 1.0mSv，平均为0.39mSv.这些字宙辐射主可获得该地区的中子能谱模拟结果.要来源于初级字宙射线与大气层的相互作用所产生的次级成分，其中中子的贡献不可忽略），郊，海拔31m，北纬32.东经117"，拥有大部分时间处于室内，因此了解室内的环境中子情况十分重要.
人们生活环境的周围不可避免地存在辐过拟合蒙特卡罗程序的环境中子能谱模拟结果及对应能量的函数.将这些参数输人程序后，
环境中子能谱的测量地点地处合肥市西在海平面位置约占20%左右.考虑到公众EAST、HT-7托卡马克装置.针对这些装置， FDS团队完成了屏蔽设计和建立了辐射监测系统但EAST、HT-7装置运行期间对屏蔽墙外室内的环境中子产生何种影响以往并无研究，而对装置停止运行期间的周围环境中基于预制能谱的方法：将待测环境中子谱默EAST、HT-7运行对屏蔽墙外环境中子影响的 室内的中子能谱、中子剂量率进行测量，是评价
目前环境中子测量国内多集中于剂量的直接测量，典型的如BF，高灵敏度固定式环境中子监测器，其中子周围剂量当量率的测量是认为已知的Hess中子谱，使用0.072mrem/第一步.（hcm²s）（合200pSv/（scm²s））作为平均注量率-周围剂量当量率转换系数，然后 根据测量的脉冲计数率，结合探测效率和Hess（scm²s），得到中子周围剂量当量率.
1实验材料与方法
Bonner多球的制作和刻度由北京高能物中子谱中特定区城的中子所占份额，得到中子理研究所参照德国联邦物理技术研究院（PTB）注量率，再将中子注量率乘以200pSv/的参数（-完成，编号1~8的Bonner球聚乙烯慢化体直径在0到44.6cm之间，中心采这种环境中子剂量率测量方法是基于环境用He球形电离室（50mm）作为中子探测 器，制作完成后，根据材料信息和结构信息，使用蒙特卡罗程序进行响应函数的刻度，几何模型和材料定义使用FDS团队发展的核与辐射输运计算自动建模软件MCAM-9完成， MCNP模拟刻度的能量从2×10MeV至398MeV，分为60个点，获得各球的响应函数
中子谱是Hess谱的假设，假设本身会给剂量测量带来不确定的误差，这是由于影响环境中子谱的因素众多，面注量-剂量转换因子与中子能谱关系密切.需要较为精确测量环境中子剂 量率的前提是环境中子能谱信息的获取.目前环境中子能谱测量多采用Bonner多球谱仪，基于获得的中子能谱计算中子周围剂量如图1所示.当量率，在Bonner解谱应用中，由于获得中子能谱依赖于所选择的解谱算法与算法参数，因 此有必要通过其他方法对其结果进行验证，目前已有方法对某地区的环境中子能谱进行模拟计算，使用的方法既可采用蒙特卡罗程序直接模拟宇宙射线与大气层相互作用，获取环境中的响应，（E，）为能谱中第j个能群内注量（共 子能谱信息，也可采用解析方法，EXPACS分为m个能群）.C、R （E，）为已知参数，上述Ver2.21是基于解析方法的环境中子谱的模拟方程组有m个未知数，n个约束条件（m>n），程序，其采用的解析公式是Sato，T.等（通解上述方程组即是求解一个欠定方程，本文采
在测量中第i（i≤n）个Bonner球的计数率C为
(1)
其中R（E，）为第i个探测器对第个能群
数器的采集频率为5min.根据测量的Bonner多球的数据，1~8号球在测量期间的平均5min脉冲计数C，分别为10.7、8.0、63.4.69、86、23.3、27.9、9.3，C 标准差8.分别为1.6、 4.5、9.4、8.5、8.8、2.6、2.7、3.0.将C、代入最大法程序，解得中子能谱.获得能谱如图2所示.
图1Bonner多球的响应函数曲线Fig. 1 Response function of Bonner spheres
取的解诺方法是采用较为通用的最大法.
剂量率的验证设备采用北京高能物理所研制的BF：高灵敏度固定式环境中子监测器，该监测器的中心探测器为BF，计数管.使用中 子强度为5.18×10°（总不确定度士1.5%）的Am-Be标准源进行注量率灵敏度刻度，刻度在露天空旷的地方进行，中子源和探头器中心离开地面1.7m.改变操测器中心与源的水平距离（1m.2m、3m），根据各处计数率刻度出注 量率灵敏度.
Fig. 2 Neutron energy spetra from 图2中子能谱的 Bonner测量结果sas ruog
如将能谱分为四个区：热中子区（20MeV），则各区的注量率和总 注量率如表1所示.
2实验结果
采用脉冲计数器记录各球脉冲数，脉冲计
Table 1 Neutron fluence results 表1中子注量率结果
热中子区/ 超热中子区/ 蒲发申子区/ 级联中子区/ 总注量率/方法 cm7 s cm~7 s1 cms s°1 cm~1 s- cm1 bBonner 蜡果 7. 10×10 1. 44×10-1 6.35×10-3 4.8×]0-1 69.8模拟结果 2.22×10-4 3. 17×10 3. 76×10-3 1.88×10~ 32.4
为将能谱信息转化为剂量信息，需要使用中子的注量-剂量转换因子.ICRP103报告中的的中子注量-有效剂量转换因子（ISO）截止于20MeV，对于级联中子区（E>20MeV）的注 量-有效剂量（ISO）转换因子采用Satod等文献中的数据.ICRP74报告中的中子注量-周围剂量当量转换因子截止于75MeV，高于75MeV的中子注量-周围剂量当量转换因子
来自M.Pelliccioni的文章）.根据以上获取的注量-剂量转换因子，得到中子的有效剂量（ISO）和周围剂量当量信息.
使用脉冲计数器采集各球脉冲数，脉冲计数器 4台BF，固定式环境中子监测器的测量，的采集颜率为5min.脉冲计数如图3所示，再根据提供的标定系数（注量率灵敏度），换算出剂量信息.
图3BF：固定式环境中子监测器每5分钟脉冲计数
用，达到热平衡态，形成了热中子峰.实际测量境中子能谱测量结果.也证实了在地面存 值与模拟值的差距与文章一致，同时其他环在热中子峰.（2）超热中子区：该区注量与能量理论上成1/E关系，该区的注量率测量结果与模拟结果处于一个数量级.测量结果中该区的中子注量占总注量的7.4%，为4个区中中 子注量贡献最小者，（3）蒸发中子区：该区的中子是由核反应中高激发态的剩余核故出的能量为MeV量级、各向同性的中子，能量在10-1~10MeV之间.解的谱在该区的峰值在果2.1基本一致，并且该区中子注量率测量 1~2MeV处，这和其他环境中子语测量结结果与模拟结果处于同一数量级水平.（4）级联中子区：此区是由高能质子与大气层发生弹性碰撞产生的中子，该类中子方向以垂直向下 为主，解的谱在该区的峰值在1~2MeV处，这和其他环境中子谱测量结果-=.2基本一致.此区注量率测量结果与模拟结果差别不大，
表2剂量率结果Table 2Dose rate results
方法 周围剂量当量率/ISO有效剂量率/ nSv • b-1 nSv • b-1Bonner 果 14.38 9 53模拟结果 7 38 5 13BF：图定式环境 中子验到器 2.6
3 讨论
由于方程（1）没有唯一的解，采用的最大法解出的结果依赖于所选择的参数，因此需要对解出的结果进行验证，以筛选出既符合算法原理又基本符合物理事实的结果，为验证Bonner的测量结果，本文使用EXPACS Ver2.21软件进行能谱验证，使用固定式环境中子监测器进行剂量率验证.
能谱是剂量率计算的基础，为此首先进行中子能谱的验证，将解得的中子谱分为4个区分别进行分析，（1）热中子区：此区注量率测量 值是理论预测值10倍，造成这种情况的原因是模拟结果是基于连续大气的假设，面在实际地面测量时，地表、建筑和其他环境代替了大气，形成不连续介质，中子与这些介质发生相互作
从以上分析得知，各区中子注量率的测量69.8cm.h是模拟值32.4cm~².h的 均大于模拟结果，致使总注量测量值2.15倍，造成这种情况的原因可能如下：（1）Bonner球的响应函数R（E）刻度时没有考虑中子人射角度的影响，只考虑了中子人射角为
根据初步分析合肥地区室内中子注量率在32.4cm-².h-至69.8cm²h²之间，室内 中子的周围剂量当量率在2.6nSvh至14.38nSvh之间.以往的辐射监测（2-9]表明，EAST装置停止运行期间的周图室内环境光子的周围剂量当量率约为128nSv/h.因此 中子剂量率约占光子刻量率在2%至11%之间，
0度的情况，（角度是指入射中子与案乙烯球使用BF：固定式环境中子监测器验证剂量率内探测器后端连接杆的角度）.文章讨论了测量结果，并对各结果之间的差异进行了讨论.各个Bonner球的R（E ）随中子人射角度的变化.其结果表明：对于2~8号球，0度角时响 应函数小于90度角时响应函数，即解谱采用的响应函数R（E，）小于实际值，因要使等式（1）成立，作为补偿R（E，）小于实际值，必然导致（E，）大于实际值.（2）Bonner多球只针对中 子进行了响应函数计算和能谱反演，实际情况中带电粒子也对Bonner球读数存在贡献，但在解谱过程中会将其他带电粒子的读数贡献归结为中子贡献，这也是造成解谐后中子注量偏大的原因之一.根据估算，中子以外的粒子对 Bonner球的读数贡献约占5%.
在以后的实验中，需要考虑再增加若干薄层慢化体的Bonner球，同时可通过增加铅层或其他慢化材料的方法改善低能区响应 函数变化趋势，以提高对低能区中子的能量分辨率.
在测量期间，对于中子的周围剂量当量率，BF固定式环境中子监测器测量值为2.6nSvh-1，Bonner的测量值为14.38nSvh EXPACS Ver2.21的模拟值为7.38nSvh.BF固定式环境中子监测器测量结果与其他两种方法的结果差别显著，原因可能是源于BF：固定式环境中子监测器的中子周围剂量当量测量原理，值得注意的是该型探测器使用的注量-周围 剂量当量转换系数为200pSv/（scm²s）），与UNSCEAR报告中推荐使用的注量-有效剂量（ISO）转换系数一致[，并且该型探测器的剂量率值较为接近也证实了这一点，因此该型 测量值2.6nSvh与其他两种方法的有效
探测器所提供的剂量值单位有待商.
致谢
FDS团队成员陈学勇、张潇湘、凌晨对本文中实验实施作出了重要贡献，特此表示感谢，
参考文献：
[1] UNSCEAR. Report of the United Nertions Stientifie Committee on the Effects of Atomic Radiation [R].[2] Pioch C et al. Measurement of cosmic ray neutrons Fifty-sixth sesioe 2008.with Bonner spbere spectrometer snd nestron monitor t79°N[J]. Nudlekr Instruments and Methods in Physics Reserch Setion A:Aceelerstors Spectrometers.Detestors and Associated Equipment 2011 626 627[3]李桃生，陈军，王志强，空间辐射环境概述[门.疆射防 (0) 51-57.护通讯，2008，83（2）：3-8.[4]李建平，常藏克，解遥风，等，天然中子本底剂量水平 的洲定[1].高能物理与核物理，1982，6（6）：665-670.[5]技安室环境幅射组、低空宇宙射剂量的测量及其雕7-17. 海技高度变化的经验规律[J.辐射防护，1984（1）：[6] Esposito A. et al. Measurements of leakage seutrotspectra from a high-enengy acumuletion ring using Extended Range Bonner Sphere Spectrometers [J].[7] Goldhagen P et al. Mesuzement of the energy Radiation Measurements 2010 45(10): 1522-1525.speetrum of cosmie-ray indueed neutrons sboard an ER-2 highraltitude airplane[J]. Nuclear Istrumests snd Methods in Physics Resesrch Sertion A Acelerators Spertrometers Detectors and Asociated Equipment
考虑到EXPACSVer2.21模拟计算的假设条件是忽略地面建筑等因素的影响，BF，固定式环境中子监测器的Hess谱假设条件造成 注量率-剂量率转换系数偏低，最终测量结果偏低，而Bonner球由于各向同性等假设造成结果偏大，因此中子周围剂量当量率值在2.6nSvh（BF，固定式环境中子监测器测 量值）至14.38nSvh（Bonner多球测量值）之间，模拟值7.38nSvh处于这一区间.
4结论
行环境中子本底测量，使用EXPACSVer2.21 本文使用由8个球组成的Bonner多球进模拟计算结果验证中子能谱、中子注量率结果，
