2. 中核核应急航空监测工程技术研究中心, 河北 石家庄 050002
2. CNNC Engineering Technology Research Center of Airborne Monitoring for Nuclear Emergency; Shijiazhuang 050002 China
在2018年全国生态环境保护大会上，习近平总书记强调，要把解决突出生态环境问题作为民生优先领域。要全面落实土壤污染防治行动计划，突出重点区域、行业和污染物，强化土壤污染管控和修复，有效防范风险，让老百姓吃得放心、住得安心[1]。随着国民经济的飞速发展，有些把不在从事经营活动的厂区用做建筑用地、也有一些其他的土地用作建筑用地。2018年，生态环境部和国家市场监督管理总局发布了土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准，但是建设用地土壤污染风险筛查和风险管制并未涉及放射性辐射污染的风险筛查和风险管制。我国在1983—1990年间开展了第一次全国范围内的辐射环境水平调查，陆地γ辐射剂量率基本以25 km × 25 km网格均匀布点，大中城市市区以2 km × 2 km网格加密布点开展的测量，因调查工作比例尺较小，很容易漏掉些局部的辐射异常区域[2-6]。
早在上世纪90年代，采用航空γ能谱测量方法，发现河北石家庄煤灰渣、上海青村化肥厂磷矿原料、浙江海盐耐火材料厂的高岭土引起的辐射异常；1996年，山东黄河口地区1∶5万航空γ能谱测量，发现6处放射性异常，其中2处由沿河沟分布的石油废弃物所引起；2001年在大苑南发现的人工放射性热点152Eu；2006年在包头及白云鄂博地区开展的1∶5万辐射环境航空调查，发现多处辐射异常区域。这些均是航空γ能谱测量手段发现的[7-10]。
由于辐射的特点是无色无味，看不见、摸不着，却充满整个空间，且穿透力强，但不容易被人们直接感知。另外一个特点是可以通过专业的监测仪器来监测，因此辐射环境监测是防范辐射环境风险、保障辐射环境安全最有效、最直接和最重要的手段。但是由于地面普查间隔时间长、测量点距大，容易造成辐射异常未被发现。目前还不能完全准确、清晰地掌握放射性废物的分布、数量、种类、核素水平等关键指标。为了查明某区域的辐射特征，本研究采用无人机搭载大体积NaI（Tl）γ能谱探测系统，开展大比例尺的辐射环境监测，获取此区域的空气吸收剂量率[11-12]。
1 材料与方法 1.1 NaI（Tl） γ能谱探测系统NaI（Tl） γ能谱探测系统（UAVES01）包括γ能谱仪单元、数据收录单元和其它辅助单元（导航定位仪、雷达高度计、气压高度计、温度计等）。γ能谱仪探测器由4条体积为2＂ × 4＂ × 16＂碘化钠晶体（总计8.4 L）和与之对应的光电倍增管等关键部件构成，并配备数字化的多道分析器组件（图1）。采用天然核素实时自动稳谱，稳谱时间 < 30 s。γ射线能量探测范围可达30 keV～3 MeV，大于3 MeV的γ射线统一归算于宇宙射线能量窗；单条NaI（Tl）晶体对137Cs（0.662 MeV）能量峰来说，晶体能量分辨率优于7.5%，4条晶体能量分辨率优于8.0%；探测器晶体箱采用碳纤维材质，降低了对γ射线的屏蔽。系统辅助单元包括有导航定位模块（SPS855 GPS）、雷达高度计模块、机外温\湿度\气压计（VAISALA）模块，分别用于获取定位信息、测量离地高度信息、海拔高度信息、温湿度和气压高度信息等。收录系统可记录256道全谱数据及辅助数据，另外设有钾窗（K）、铀窗（U）、钍窗（Th）、宇宙射线窗（COS）及总计数窗（TC），见表1。
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表 1 NaI（Tl）探测器γ能谱仪各能窗设置一览表 Table 1 List of settings of energy windows for γ spectrometer with NaI（Tl） detector |
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图 1 搭载到Z-5B无人直升机上的NaI（Tl）γ能谱探测系统实物照片 Figure 1 Picture of the γ spectrometer system with a NaI（Tl） detector mounted on Z-5B unmanned aerial vehicle |
UAVES01以Z-5B型无人直升机为搭载平台，Z-5B同时装备有地面控制站、地面中继站和空中中继站。地面控制站通过系统配套测控链路实现对任务机、地面中继站、任务载荷的测控及任务信息的处理与分发。
1.3 辐射监测与地面确认1）测线设计
测量比例尺1∶10000，依据测区范围设计测线首末端点坐标，测量离地高度小于150 m，飞行速度设计20 m/s。
2）无人机测线规划
将测线首末点坐标输入到无人机飞控程序；依据无人机飞行速度、爬升率和下降率，提前预设爬升和下降高度点经纬度和高程信息；每条测线（航线）上，设置多个辅助控制点，2个辅助控制点之间设置合适的间距，每个辅助控制点均设置飞机的飞行高度和速度。
3）数据处理与分析
总窗计数率计算到净计数率，采用综合本底法计算获得。无人机载NaI（Tl） γ能谱探测系统的综合本底通过在远离陆地的水域上方测得，测量高度与作业区的离地测量高度相同。之后，数据经过高度归一化修正和效率因子转换，总计数率数据可推算到地面1 m高度的空气吸收剂量率。
40K、238U（226Ra）、232Th等能窗计数的修正，采用综合本底法扣除各能窗计数的本底，之后通过康普顿散射修正、高度归一化修正获取在同一高度下的净计数率。
对空气吸收剂量率数据和40K、238U（226Ra）、232Th窗净计数率数据进行分析，筛选辐射异常（辐射高值点），确认辐射异常点的位置信息。
4）辐射异常点检查确认
依据航空监测数据筛选的辐射异常点位置信息，借助手持导航定位系统、便携式ARD多道γ能谱仪、FH40G剂量率仪，在地面进行搜寻、监测和取样。
2 结 果 2.1 航空监测结果在3.5 km × 2.9 km测区（面积10.30 km2）范围内，测线长度101.96 km，测量离地高度（119.8 ± 16.1） m。此区域地表1 m高度空气吸收剂量率为（43.6 ± 12.9） nGy/h；归算到120 m测量离地高度上，Ｋ窗计数NK为（12.1 ± 5.7） s−1、Ｕ窗计数NU为（1.1 ± 1.1） s−1、Th窗计数NT为（1.0 ± 2.1） s−1。图2是全区域1 m高度空气吸收剂量率、Ｋ窗、Ｕ窗和Th窗的净计数率分布图。依据空气吸收剂量率的变化，共筛选辐射异常点7处（表2），其中最大地表1 m高度空气吸收剂量率为253.7 nGy/h。对NaI（Tl）探测器γ能谱仪测量结果进行不确定度分析，其由3项构成，分别是γ能谱仪校准时校准因子引入的不确定度、仪器综合本底值引入的不确定度和空中测量总计数率引入的不确定度。国防科技工业
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图 2 无人机辐射环境航空监测结果分布图 Figure 2 Radiation environment map by unmanned aerial vehicle-based airborne monitoring 注：左上—地表1 m高度空气吸收剂量率；右上—K窗净计数；左下—U窗净计数；右下—Th窗净计数。 |
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表 2 筛选的辐射异常统计表 Table 2 Data on abnormal radiation points detected |
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图 3 空中监测的HF06辐射异常点能谱曲线和附近区域的本底能谱曲线图 Figure 3 The energy spectrum curve of radiation abnormality point HF06 and the background energy spectrum curve of the nearby region by airborne monitoring |
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图 4 空中监测的HF06辐射异常点多变量原始数据剖面图 Figure 4 Profile of the multivariable raw data of radiation abnormality point HF06 by airborne monitoring |
在无人机航空监测数据筛选的辐射异常点区域进行了实地查证，采用FH40G剂量率仪和ARD多道γ能谱仪进行地面检查测量。发现HF01辐射异常点位于工业园区墙内；HF02～HF05辐射异常点位于河道一侧绿化带内；HF06辐射异常点周围道路地表覆盖了沥青等材料，FH40G剂量率仪测量地表1 m高度空气吸收剂量率水平在（130.2 ± 2.6） nGy/h左右；HF06辐射异常点位于建筑施工工地内。从地面测量结果来看，辐射异常点区域地表1 m高度空气吸收剂量率和Th活度浓度均显示明显偏高（表3），是由于外来搬运的黄色泥土中的钍活度浓度偏高所致，空气吸收剂量率最高达22.0 μGy/h，黄色泥土被其他附着物或泥土覆盖的区域相对偏低。对FH40G剂量率仪测量结果进行不确定度分析，其由3项构成，分别是剂量率仪检定时校准因子引入的不确定度、测量宇宙射线响应值引入的不确定度和现场重复测量引入的不确定度。国防科技工业
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表 3 辐射异常点地面查证测量结果表 Table 3 Field verification measurement results for abnormal radiation points |
在HF06辐射异常点区域采集部分土样，进行样品制备，采用实验室低本底GEM30P4-S型HPGe γ谱仪对样品进行长时间测量，累积测量
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图 5 便携式ARD多道γ能谱仪和室内HPGe测量的土样品能谱曲线图 Figure 5 Energy spectrum curves of soil sample measured with portable ARD multichannel γ spectrometer and indoor HPGe |
辐射环境航空监测数据和地面FH40G剂量率测量数据、ARD多道γ能谱仪测得的核素活度数据大小不完全一致，主要原因是由于测量区域地表核素分布极不均匀造成的。航空监测数据代表了
开展大比例尺辐射环境航空监测是查明监测区剂量率水平的快速有效手段，在测量比例尺为1∶1万精度条件下，以无人机72 km/h的飞行速度计算，每小时可完成7.2 km2面积的测量；以直升机160 km/h的飞行速度计算，每小时可完成16 km2面积的测量；以固定翼飞机220 km/h的飞行速度计算，每小时可完成22 km2面积的测量。
对新开工的施工建设项目，建议把辐射环境评价列入施工前和施工中需要监管的必备条件之一。这些区域以前并未受到监管部门的关注，辐射水平不被知悉。对于发现的辐射热点，如果长期在此区域工作，公众受照射剂量远远超过GB 18871—2002中规定的年有效剂量1 mSv剂量限值[14-15]。
对已建成的公众活动区域或正在施工的公众区域、重点关注区域，建议在适当时机采用辐射环境航空监测技术手段开展全国范围内的大比例尺辐射环境水平调查工作。
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