天然辐射是人类生存环境中的自然因素之一，自古以来人类不断经受着环境内的各种天然辐射的照射^[1]。人类所受的天然辐射主要来源于两个方面:地球上天然存在的放射性核素和宇宙射线及其感生放射性^[2]。

宇宙射线产生于太阳系之外，一般认为它们的产生和加速是恒星耀斑、超新星爆炸、脉冲星加速或银河彗核爆炸的结果^[3]。初级宇宙射线进入地球大气层与空气中的原子核发生核作用，产生多个强子。这些强子在空气中继续发生相互作用，产生更多的强子，通过强子级联簇射和电磁级联簇射以及弱相互作用等过程，产生大量次级粒子，次级宇宙射线的主要成份为质子、中子、μ子、电子和光子等^[5]。

在某一特定位置宇宙射线辐射场的组分和强度主要受以下六个方面的因素影响^[6-7]：①近似恒定的初级宇宙射线粒子通量；②由于太阳“风”磁场的时空变化使得初级宇宙射线通量的改变(太阳活动调制)；③由于地磁场影响使得地球附近初级宇宙射线谱的改变(纬度效应)；④太阳耀斑；⑤某点上层大气质量厚度(也称作海拔因素或气压因素)；⑥某点上层大气温度。

在典型的天然环境辐射场中，宇宙射线对人类外照射剂量的贡献约为30%~40%，随着地表海拔高度增加，宇宙射线对人类外照射剂量贡献持续增加，在海拔2000 m高的地方剂量贡献可达50%甚至更高^[8]。因此准确测量不同海拔高度下地面宇宙射线剂量率，找出海拔高度与宇宙射线剂量率之间的规律对评价不同海拔区域居民所受外照剂量十分重要^[9]。同时，对天然本底调查、低辐射水平的测量等方面研究也有一定益处。

宇宙射线剂量率测量已有80多年的历史，其中，中国原子能科学研究院岳清宇^[10]、卫生部工业卫生实验所王其亮^[8]、意大利M. Quarto^[11]、台湾Peihuo Lin^[12]等人对低大气层宇宙射线剂量率随海拔高度的变化规律进行了相关研究，与此同时UNSCEAR^[2]也根据北美的测量数据给出了宇宙射线剂量率随海拔高度的变化的经验公式，国内外不同研究得到的宇宙射线剂量率随海拔变化规律拟合曲线如图 1所示。

由图 1可知不同研究人员得到宇宙射线剂量率随海拔的变化规律不尽相同，在高海拔地区差异可达40%，造成这种差异的原因主要有三个方面：①部分测量工作所选海拔范围在2000 m以内，测量误差导致高海拔地区拟合结果偏差增大；②在大水面测量过程中对于水中⁴⁰K影响的扣除只考虑其全能峰的影响；③以往工作中选取我国不同海拔湖泊水面作为测量点，不同测量点测量周期长，未能保证在整个测量过程中，上述宇宙射线剂量率影响因素中除海拔高度之外的其他因素保持稳定。

本工作建立的一种新的探测手段实现不同海拔高度下宇宙射线剂量率的测量并通过测量数据的研究得到不同海拔高度下宇宙射线剂量率随海拔高度的变化规律。

1 资料和方法 1.1 测量仪器

研究中测量仪器采用高气压电离室和球形NaI(Tl)剂量率仪。高气压电离室为美国GE公司RSS131，探测器主体为直径10英寸、壁厚3 mm的不锈钢球，内充25个标准大气压的氩气，美国核能委员会健康与安全实验室(HASL)260号报告^[13]显示，该高气压电离室对宇宙射线和天然γ的响应近似相同。测量前，高气压电离室在中国国防科工局一级计量站进行仪器校准，仪器校准因子为1.1。

球形NaI(Tl)剂量率仪晶体直径为2英寸，通过对测量能谱进行稳谱修正，结合G(E)函数算法得到测量点空气吸收剂量率。测量前，在中国国防科工局一级计量站进行仪器校准，仪器校准因子为1.08。

1.2 测量方法

本工作采用高气压电离室和球形NaI(Tl)剂量率仪对宇宙射线剂量率进行组合测量，测量点选择不同海拔高度下空旷地面上方1 m处。

高气压电离室响应值D_h计算公式为：

$ {D_{\text{h}}} = {D_{\text{c}}} + {D_{\rm{\gamma }}} $

其中：D_c：为宇宙射线剂量率，nGy/h；D_γ：陆地γ剂量率，nGy/h。

球形NaI(Tl)剂量率仪测量能量范围为50 keV~3 MeV，测得陆地γ剂量率D_γ计算公式为：

$ {D_{\rm{\gamma }}} = {D_{\text{s}}}-{D_0} $

其中：D_s：本次测量过程中球形NaI(Tl)剂量率仪响应值，nGy/h；D₀：球形NaI(Tl)剂量率仪自身本底及宇宙射线在50 keV~3 MeV能区的能量沉积所致剂量率，在本次测量前已通过不同海拔水面测量数据得到，为1.79 nGy/h。

因此宇宙射线剂量率D_c计算公式为：

$ {D_{\text{c}}} = {D_{\text{h}}}-{D_{\rm{\gamma }}} = {D_{\text{h}}}-{D_{\text{s}}} + 1.79 $

2 结果

本工作研究宇宙射线剂量率随海拔高度的变化规律，测量点选择为中国新疆一号冰川和吐鲁番，不同测量点海拔高度变化范围为-154~3834 m。

为得到宇宙射线剂量率与海拔高度的变化规律，测量过程中应保证上述宇宙射线辐射场的组分和强度影响因素中其它因素尽量稳定。测量过程持续7天，因此，初级宇宙射线粒子通量、太阳调制及太阳耀斑对本次测量的影响可忽略不计，本次测量过程所有测量点位纬度最大变化为0.7°，根据岳清宇等人测量得到的纬度修正经验公式表明该纬度变化对宇宙射线剂量率的影响为0.7‰^[9]，因此纬度效应对本次测量的影响可忽略不计。为降低测量点位上层空气温度变化对测量的影响，本次测量过程中均在白天11点至17点之间进行，温度变化范围在5℃以内。不同海拔高度测量结果如表 1所示。

由测量数据拟合得到宇宙射线剂量率随海拔高度的变化关系如图 2所示。

基于上述测量结果得到宇宙射线剂量率随海拔高度的变化关系为：

$ {\text{D}} = \left\{ \begin{gathered} 32.42\;\exp \left( {1.057 \times {{10}^{-4}}{{\text{h}}^{1.132}}} \right)\;\;\;{\text{h}} \geqslant {\text{0}} \hfill \\ \;\;\;32.42 + 0.026{\text{h}}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\text{h}} < 0 \hfill \\ \end{gathered} \right. $

其中：D：为测量点宇宙射线剂量率，单位nGy/h; h：为测量点的海拔高度，单位m。

3 结论

本工作采用球形NaI(Tl)剂量率仪和高气压电离室相结合的联合测量方法，实现了宇宙射线及陆地γ成分的同时测量，对于宇宙射线剂量率的测量不需要再依托于大水面。与此同时，选取海拔高度范围在-154~3834 m之间的测量点进行实地测量(测量过程中保证其它影响因素相对稳定)，通过测量结果拟合得到了宇宙射线剂量率随海拔高度的变化规律，该变化规律与岳清宇等人测量结果较为接近，最大差异不超过7%，其对评价不同地区居民所受天然辐射剂量具有重要意义。宇宙射线剂量率随地磁纬度及大气层温度的影响将在后续研究工作中完成。