[论文解读] Fields of View for Environmental Radioactivity

Alex Malins, Masahiko Okumura+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2015

Radioactive contamination and transferEnvironmental Science参考文献 2被引用 20

一句话总结

本研究利用蒙特卡罗辐射传输模拟（PHITS）量化了环境放射性中贡献于环境外照射剂量率的地面放射性核素的视场范围（即空间影响范围），针对天然放射性核素（40K，U/Th系列）和人为放射性核素134Cs与137Cs沉降物进行分析。结果表明，放射性铯的视场范围显著大于天然放射性核素，这解释了在福岛KURAMA辐射监测中汽车与公共汽车读数之间的差异，并可实现对土地整治后外照射剂量率降低潜力的快速估算。

ABSTRACT

The gamma component of air radiation dose rates is a function of the amount and spread of radioactive nuclides in the environment. These radionuclides can be natural or anthropogenic in origin. The field of view describes the area of radionuclides on, or below, the ground that is responsible for determining the air dose rate, and hence correspondingly the external radiation exposure. This work describes Monte Carlo radiation transport calculations for the field of view under a variety of situations. Presented first are results for natural 40K and thorium and uranium series radionuclides distributed homogeneously within the ground. Results are then described for atmospheric radioactive caesium fallout, such as from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident. Various stages of fallout evolution are considered through the depth distribution of 134Cs and 137Cs in soil. The fields of view for the natural radionuclides and radiocaesium are different. This can affect the responses of radiation monitors to these nuclides if the detector is partially shielded from the ground within its field of view. The field of view also sets the maximum reduction in air dose rates that can be achieved through local decontamination or remediation measures. This maximum efficiency can be determined quickly from the data presented here for the air dose rate versus the spatial extent of radioactive source on the ground.

研究动机与目标

• 量化环境放射性中贡献于环境外照射剂量率的地面放射性核素的空间影响范围（视场范围）。
• 解释在福岛KURAMA调查中，不同车辆（如汽车与公共汽车）辐射监测响应差异的原因。
• 提供一种快速估算局部土地整治所能实现的最大外照射剂量率降低潜力的方法。

提出的方法

• 使用PHITS代码进行蒙特卡罗辐射传输模拟，模拟无限半空间几何中土壤（ρ = 1.6 g/cm³）和空气（ρ = 1.2×10⁻³ g/cm³）中的伽马射线传输。
• 模拟均匀分布的40K、232Th、235U和238U系列放射性核素的各向同性光子发射，以及在土壤中呈指数深度分布的134Cs和137Cs。
• 计算不同地面上方高度及不同源半径下的环境个人剂量当量率（H*(10)），以视场范围定义为贡献总剂量率68%的区域。
• 利用视场范围数据估算通过去污可实现的最大剂量率降低，结合去污因子（DF）以反映实际整治场景。
• 通过模拟汽车与公共汽车的几何结构及发动机屏蔽效应，验证视场范围对探测器响应的影响，并在不同环境条件下比较剂量率。

实验结果

研究问题

• RQ1 天然陆生放射性核素（40K，U/Th系列）的视场范围与人为放射性核素134Cs和137Cs沉降物在土壤中的视场范围相比如何？

主要发现

• 由于伽马射线能量和源深分布的差异，134Cs和137Cs沉降物的视场范围显著大于天然放射性核素（不包括235U系列）。
• 随着铯向土壤深层迁移，放射性铯的视场范围缩小，其对剂量率的空间影响减弱。
• 134Cs和137Cs的视场范围随地面上方高度增加而扩大，而天然放射性核素的视场范围则基本保持不变。
• 在以天然放射性核素为主导的低剂量区域，公共汽车发动机屏蔽了更大比例的视场范围，导致该区域的剂量率比值（汽车/公共汽车）高于以放射性铯为主导的高剂量区域。
• 对于半径10 m的区域，134Cs和137Cs沉降物贡献的68%的环境个人剂量当量率来自该区域内部，意味着对该区域实施完全去污可使剂量率降低68%。
• 当去污因子（DF）为20时，残留放射性活度为5%，因此放射性铯贡献的剂量率最大可降低64.6%。