用于陷阱电荷测年的环境剂量率的现场测量

被动与主动检测方法在环境剂量率评估中的应用及宇宙辐射影响分析

　　

Norbert MERCIER | Sebastian KREUTZER | Lo?c MARTIN | David SANDERSON

波尔多考古科学研究所，UMR 6034，CNRS-波尔多蒙田大学，Esplanade des Antilles 33607 Pessac Cedex，法国

摘要

在用于测年的采样位置或其附近进行现场测量是估算环境剂量率的最直接方法。这些测量通常在自然条件下、未受干扰的环境中进行，从而避免了复杂的后处理或建模工作。在过去的几十年里，捕获电荷测年领域提出了多种现场测量方法并积极应用了这些方法。最常见的方法包括使用主动探测器（如NaI或LaBr₃晶体进行伽马射线光谱分析），或使用基于人工制造剂量计的被动探测器（例如CaF₂、Al₂O₃:C）来测量吸收的β射线和/或伽马射线剂量。主动和被动方法各有优缺点。这两种技术的共同点是，一旦实验室建立了工作流程，它们都易于使用且成本效益较高。然而，选择最适合测年实验室具体需求的系统并建立该系统往往需要投入大量的时间和成本。本文介绍了常用的现场环境剂量率估算方法，并对其所需的设备、校准和数据处理工具进行了概述。最后，我们特别评估了宇宙射线剂量率，该剂量率常常受到研究区域地形参数的显著影响。

引言

将捕获电荷测年方法应用于考古或地质材料时，需要确定该材料在埋藏过程中所受到的总剂量率。在自然界中，环境剂量率由α粒子、β粒子和伽马射线引起，这些粒子均来自材料本身及其周围环境中存在的放射性元素的衰变。宇宙射线则是另一种辐射源。 在许多测年应用中，剂量率的α和β组分是通过在实验室对样品本身进行的测量来确定的；而伽马射线和宇宙射线组分则是通过在现场对样品进行测量来获得的。本文重点讨论了用于在现场测定这两种组分的技术，特别是伽马射线剂量率。在特定环境中，这一组分与来自⁴⁰K以及U系列和Th系列元素放射性衰变产生的全向伽马射线通量有关，同时还包括由康普顿散射产生的连续几代次级伽马射线（Murray, 1981; Valladas, 1982）。图1a展示了假设土壤成分符合“Aitken, 1985”（第68页）标准时，U系列、Th系列和⁴⁰K的初级伽马光子能量分布；图1b以累积谱的形式展示了相同的数据。这些光子的能量范围几乎从0到3 MeV不等，在富含硅质材料的自然环境中，能量最高的伽马光子的传播距离不超过30-40厘米。图1c展示了一个在硅质介质中的模拟全向光子通量示例。 历史上，能够记录辐射剂量的材料（即剂量敏感型荧光体）最早被用于测量环境剂量率（参见Aitken, 1969）：它们通常生产成本较低，使用方便，并能提供关于材料在暴露期间所积累剂量的信息。与这些通常需要长时间暴露（通常为数月）的“被动”探测器并行发展的是“主动”系统：虽然成本较高（因为它们结合了敏感材料和复杂的电子设备），但能够实时提供信息，通过记录探测器内部发生的每次核相互作用来实现。根据所采用的方法，这类系统可以确定不同自然来源（U系列、Th系列和⁴⁰K）对伽马射线剂量率的贡献，或者直接得出该参数的值。当电子参数设置正确时，这类系统还可以用于计数宇宙射线与探测器的相互作用，如果系统经过校准，还可以评估宇宙射线剂量率。相比之下，被动探测器始终会记录当时的宇宙射线贡献。 在本文中，我们介绍了被动和主动系统，并讨论了它们在评估环境剂量率方面的优缺点，同时评估了它们所提供的剂量学信息的质量。我们还探讨了在各种环境中实施这些系统时必须做出的假设，这些环境往往与用于校准的理想环境存在显著差异。

被动系统（剂量计）

固态被动剂量计通常由密封的胶囊组成，其中含有对辐射敏感的荧光体，该荧光体会随着时间的推移累积所受的辐射剂量。因此，总吸收剂量与实验室中测量的荧光体发光强度相关。 被动剂量计被广泛用于各种场合，以量化电离辐射的影响，例如个人剂量测量（参见Yukihara和McKeever, 2011; Yukihara等人, 2022年的综述）。

基于主动探测器的方法

与被动剂量计不同，被动剂量计中的荧光体会随着时间逐渐吸收辐射能量，并以潜在信号的形式存储起来，然后在辐照期结束后读取并转换为剂量。而主动方法则旨在分析伽马射线与晶体之间的所有相互作用。因此，记录的光谱会被分析并转换为位于探测器位置的沉积物颗粒（例如石英或长石）所接收的剂量。

评估环境剂量率

当伽马射线剂量率没有直接测量出来，但已知U、Th和K的含量时，需要使用DRAC（Durcan等人, 2015）或μRate（Tudyka等人, 2022）等软件将其转换为剂量率。此外，还需要加上宇宙射线的贡献。

结论

由伽马射线和宇宙射线引起的环境剂量率可能占样品在埋藏期间所经历总剂量率的很大一部分。例如，在Theopetra洞穴中发现的烧制燧石的情况下（见第4.2节），这部分剂量率占其埋藏期间所受总剂量率的60%至80%。因此，测量环境剂量率往往是一个重大挑战，这对结果的可靠性有重要影响。

CRediT作者贡献声明

David SANDERSON： 起草初稿。 NORBERT MERCIER： 起草初稿。 Sebastian KREUTZER： 起草初稿。 Lo?c MARTIN： 起草初稿。

未引用的参考文献

Bürgi和Flisch, 1991; Yamashita等人, 1971.

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

SK得到了DFG海森堡计划（#505822867）的支持。作者感谢Alan Cresswell在制作部分图表方面提供的帮助。