2011年日本东部海域发生里氏9.0级大地震，引发了灾难性海啸，导致日本福岛第一核电站遭受严重破坏并引发核泄漏事故，大量的放射性物质释放到水土和大气中，对核电站周围环境造成了严重污染，甚至对全球环境也产生了深远影响^[1]。受污染的水土除了自身存在放射性，其中的放射性物质也可能会通过农作物吸附或水产品进入人体造成伤害，治理水土中的放射性物质污染是受灾地区亟须解决的环境问题之一^[2]。

现今福岛县内各地都在开展治理放射性污染的工作，比较除污前后当地的环境辐射强度是衡量治理效果的核心标准^[3]。然而，当被检测区域及周边受污染较严重、放射性物质浓度较高时，剂量仪会受到来自周边尚未接受除污治理区域放射线的干扰，往往导致测量值无法准确反映被测量当地水土的辐射强度，从而无法准确评价除污效果。

有报道表明，在地质勘探时为准确测量岩心放射性，会在辐射剂量仪标定时带上铅套，防止来自地面和空气的散射线的影响^[4]。也曾有学者以定位与定量测量为目的，为诸如FD-71国产巡测仪配置铅套。受以上启发，本研究旨在开发一款用于环境辐射巡测仪探头的射线屏蔽装置，用以屏蔽污染地周边放射线对测量的影响，使测量数据更准确地反映被测量地点的辐射水平，进而更准确地评价治污效果。

1.放射性污染物：根据相关报道，福岛核电站泄漏的放射性污染物质主要是铯、碘及少量其他放射性同位素^[2]。由于¹³¹Ⅰ的半衰期只有8.02 d，¹³⁷Cs和¹³⁴Cs的半衰期分别为30和2年，当地现存的放射性污染物以铯为主，尤其是¹³⁷Cs，所以治理前后铯的放射强度是衡量去污效果的第一标准。

2.巡测仪：放射性铯经衰变会产生γ射线，通常利用碘化钠[NaI (Tl)]剂量仪或盖格-米勒 (GM) 计数器来测定环境中γ射线辐射强度。本研究用一台日立TCS-172B型[NaI (Tl)]辐射巡测仪测量辐射强度。该巡测仪经日本国家标准实验室标定，且在无污染环境及受污染当地均响应良好。它主要用于测量放射性铯衰变产生的γ射线，能量响应范围为50 keV~3 MeV，量程为0~30 μSv/h。巡测仪探头呈长圆柱体形，探头前端直径2.54 cm ×长2.54 cm的圆柱形范围为测量灵敏体积。

3.屏蔽装置的设计和应用：铅能有效屏蔽γ射线，易于加工且成形性好。本研究选用纯度90%左右的铅合金作为屏蔽装置的主要制作材料。经测量该铅合金自身放射性很低，可以用来制作屏蔽装置。为了使屏蔽装置与巡测仪探头匹配，设计遮蔽体结构应为中空的圆柱体套筒。为了能够在不同测量条件下灵活使用该装置，设计整套设备由一个主遮蔽体、一个探头遮蔽体和一个带盖子的托架三部分组成，如图 1所示。根据γ射线衰减定律可知，套筒需要足够厚度才能有效屏蔽来自周边的侧向散射，并且需要足够高度才能有效屏蔽灵敏体积侧背向散射。首先，在放射监管实验室内进行各项实验，测量不同铅板和铅筒对射线的衰减效果，根据测量结果确定屏蔽装置各部件参数并进行制造。然后，在福岛县某受污染区域内使用屏蔽装置进行测量，验证遮蔽体的实效性。此外，需将探头遮蔽体筒壁内表面与探头表面，以及主遮蔽体筒壁内表面与探头遮蔽体筒壁外表面都设计得尽量贴合。

图 1 整套遮蔽装置 Figure 1 Schematic diagram of shielding device

4.遮蔽体筒壁厚度确定：使用巡测仪和一个¹³⁷Cs密封点源，在实验室内测量不同厚度铅板对射线的衰减效果。将放射源与巡测仪探头摆放在一条直线上，用配套准直器使射线垂直射入探头灵敏体积，在巡测仪读数为10 μSv/h (计数器读数为45/s) 处固定两者位置。在放射源与探头之间放置开口的射野挡块，开口宽度与巡测仪探头宽度相当，以减少散射线的干扰并进一步准直射线束。将与遮蔽体同材质的铅板置于放射源与探头之间，厚度从0.03 cm逐步增至3 cm，记录放置不同厚度铅板时巡测仪显示的辐射强度和计数值，计算射线的衰减程度。

1.遮蔽体筒壁厚度：不同厚度铅板对射线的衰减效果测量结果如图 2所示，厚度越大的铅板对射线的衰减能力越强。当铅板的厚度达到2 cm时，巡测仪读数已不及参照值 (10 μSv/h) 的10%，之后铅板厚度的增加对射线衰减效果的增益不如之前明显。综合考虑遮蔽装置的射线衰减效果、实用性及制造成本等因素，将主遮蔽体筒壁厚度定为3 cm，将探头遮蔽体筒壁厚度定为2 cm，将盖子厚度定为1 cm。

图 2 不同厚度铅板对射线的衰减效果 Figure 2 Attenuation effects of lead plate thickness on radiation

2.遮蔽体筒壁高度：为了确定能有效屏蔽来自灵敏体积侧背向散射线所需遮蔽体的高度，在实验室内用不同高度的2 cm厚探头遮蔽体进行测量实验。在巡测仪读数为20 μSv/h处，记录使用从3 cm到12 cm不同高度的探头遮蔽体时对应的辐射强度，评价不同高度探头遮蔽体对侧背向散射线的遮蔽效果。之后选定福岛县一处环境辐射水平为0.83 μSv/h (不加遮蔽体测量) 的受放射污染地区，验证不同高度探头遮蔽体在受污染地现场的遮蔽效果。

测量结果如图 3所示。起初，随着遮蔽体高度的增加，射线强度衰减很快；当遮蔽体高度达到5 cm以后，遮蔽体高度的增加对射线衰减增益效果变小；当遮蔽体高度达到8 cm以后，射线强度几乎不再随遮蔽体高度增加而继续减弱。结果表明，8 cm高的探头遮蔽体就能有效屏蔽侧背向散射的影响。考虑到主遮蔽体套筒孔径较探头遮蔽体孔径大，侧背向散射线更容易射入探头灵敏体积，故将主遮蔽体高度定为10 cm。

图 3 不同高度探头遮蔽体对射线的衰减效果 Figure 3 Attenuation effects of probe shielding height on radiation

3.各部件组合使用的遮蔽效果：经实验测量，确定该屏蔽装置由一个厚3 cm、高10 cm的主遮蔽体，一个厚2 cm、高8 cm的探头遮蔽体和一个附带1 cm厚盖的托架组成。为了验证不同部件组合使用的遮蔽效果，在实验室内离放射源不同距离分别测量不同部件组合对射线的衰减效果，测量结果如图 4所示。因为主遮蔽体孔径比探头大的多，暴露散射多，所以单独使用主遮蔽体的遮蔽效果最差，完整使用整套屏蔽装置的遮蔽效果最好。虽然8 cm以上的遮蔽体能有效屏蔽背向散射，但对垂直于灵敏体积对侧端面射入探头的射线起不到屏蔽作用。随着测量距离增加，背向散射线相对比重逐渐增加，遮蔽效果逐渐减弱，使用托架盖子就能最大程度屏蔽射线。

图 4 使用不同部件组合对射线的衰减效果 Figure 4 Aattenuation effects of various shielding combinations on radiation

针对福岛第一核电站事故造成的环境污染，日本政府及国际社会采取了各种手段进行去污治理^[5-7]。由于去污的最终目的是为了让人们能回归家园，所以准确评价治理效果显得尤为关键^[8-10]。由图 3结果可知，不使用遮蔽体进行测量，从下端垂直入射到剂量仪探头的放射线大概只占总射线的30%，墙壁散射线 (实验室内) 或来自周边区域的侧向射线 (污染地现场) 贡献了大部分的剂量。经实地某点验证，直接测量某受污染土地的放射强度为0.96 μSv/h，而使用整套屏蔽装置后测量该土地的放射强度仅为0.30 μSv/h。如果直接用巡测仪测量治理后水土的辐射水平，就会导致测量数据失真，无法客观而准确地评价放射性除污的效果，使用辐射屏蔽装置进行测量是必要的。

虽然设计该屏蔽装置的理论基础是物质对γ射线的衰减作用，但由于制造遮蔽体的材料是铅合金，无法准确得知该材料的半价层值，同时也很难简单计算背向散射的影响，所以必须通过实验测量来确定遮蔽体的参数值。本实验表明，遮蔽体高度需要达到8 cm才能有效屏蔽背向散射的影响。遮蔽体越高，背向散射能射入灵敏体积的角度越小，测量值受的影响就越小，这也是主遮蔽体孔径增加后遮蔽体高度需要增加的原因。另外，在被污染当地进行准确测量才是本次研究是最终目的，当地的辐射环境也与实验室存在一定差异，所以在污染当地进行测量验证也是十分必要的。在福岛县当地测量的屏蔽效果整体上略优于实验室内屏蔽效果，其原因应是因为实验室内测量时使用的是¹³⁷Cs单一放射源，而现场当地还有少量其他低能γ射线源放射性物质污染，铅筒在当地屏蔽作用更好。

理论上而言，在本次测量中单独使用一个高8 cm、厚5 cm的探头遮蔽体也能起到与整套屏蔽装置相当的作用。但一方面考虑到5 cm厚的遮蔽体重量较大，便携性较差；另一方面，如果对较¹³⁷Cs低能量的γ射线进行测量时，可根据实际情况选择单独使用主遮蔽体或者探头遮蔽体，所以设计成两个遮蔽体在使用灵活性方面更具优势。

本研究设计了一套应用于环境辐射巡测仪探头的放射线屏蔽装置，它能够有效屏蔽被测地周边及远处的辐射干扰，使巡测仪更准确地测量本地辐射水平，进而更好地评估放射性污染治理的效果，对污染地区灾后重建工作有一定利用价值。但是，该屏蔽装置是为配合日立TCS-172B型辐射巡测仪测量放射性铯污染浓度而设计，本身也具有一定的局限性。首先，遮蔽体铅筒的内孔径和高度是根据TCS-172B探头直径来设计，若用于不同款式巡测仪，可能由于探头规格不同或灵敏体积位置不同，导致不适用或受背向散射影响增加等情况。另外，遮蔽体铅筒的厚度是根据所选制造材料对¹³⁷Cs衰变产生的γ射线的衰减系数来制定，若选用不同制造材料或针对不同能量及类型的放射线时需根据实际需求重新设计。