生活中的核辐射及其监测--公众指南

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生活中的核辐射及其监测--公众指南

虎哥2024/04/28原创核技术与核仪器 IP:四川

近年来社会公众对核辐射的警惕性有较大提升，推动了知识普及，核辐射测试仪器的销量也有空前提高。许多人会问到相似的问题，诸如测到什么数值算合格？如何判断海鲜能不能吃？我家马桶数值偏高，怎么办？本文对相关知识进行一次较为系统的梳理，侧重于讲明概念和道理，以便读者能够自己得出答案。

本文长度约1.5万字，仔细阅读理解需要约90分钟。其中，1-6节较为简单，7-10节略有难度，但总体未超出高中知识范围，可以分两次阅读。前后内容有相关性，请按顺序阅读。

（一）什么是核辐射

核辐射过去被称为“电离辐射”，是因为它们能让别的物质，特别是空气发生电离。但“电离”并不是唯一的作用方式，也不是每种辐射都可以随时引起电离。

常见的核辐射包括两大类。

一是运动的微观粒子，诸如电子、质子、分子、中子、原子、原子核等。任何微观粒子，只要速度足够高，都可以像子弹那样打进人体内部。如果它们和人体内的分子（比如DNA）或原子发生作用，就会改变分子或原子的性质，从而产生危害。

二是高能光子，就是比紫外线波长还短的光，通常称为γ射线或x射线。x射线与γ射线是同一种射线，没有任何区别，只是根据它的来源起了不同的名字。来自原子核的叫γ射线，来自核外电子或其他途径的叫x射线。

在特定条件下，一种辐射可能引发另一种辐射。例如能量在10MeV以上的光子，可以作用于原子核，打出中子辐射。β射线（电子）可以和其它原子作用，产生x射线（韧致辐射）。

辐射可以从外部打入人体，叫做“外照射”，也可能从人体内部产生并作用于人体。人体内部本身就有很多产生辐射的物质，如果吃、吸进或注射了产生辐射的物质，也会在人体内部放出射线，这就是“内照射”。

（二）环境中的核辐射

人们无时无刻不在核辐射中。

自然界的辐射来源于地上或者天上。

来自地面的叫地面辐射。空气、水、岩石、土壤等等，都含有产生辐射的物质。尤其常见的是铀和钍，在土壤中就有丰富的含量。水泥、砖头等，本质上是岩石或土的变种，也就具有相应的辐射。除此之外较为明显的是钾，人体的必须元素。自然界中的钾，始终有约0.01%的比例是具有较强放射性的⁴⁰K。来自地面的放射性气体、粉尘，虽然可以被风吹到高空，但也属于地面辐射。

来自于天上的叫宇宙射线。太阳就是一个巨大的射线源，除了发出可见的阳光，还射出巨量的微观粒子及高能光子。虽然有地球磁场和厚厚的大气层保护，依然有少量打到地面，还有一些会与空气作用，产生另一些辐射。

辐射最低的地方，是远离地面，但又不算太高的空中。距离地面几百米到两三千米的地方，地面辐射照不到，大部分宇宙射线也下不来，于是辐射最小。

除了天然的辐射，还有少量来自于人工核素。历史上进行过很多核试验，也发生过核事故，它们都向自然界排放了放射性物质，这些放射性物质已经扩散到全球。

到医院拍X光，做同位素造影等，也会受到辐射。

（三）生活中的辐射来源

正如第二节所讲，生活中的辐射大部分来自地面或天上。但对人体危害最大的，是吃进去或者吸进去的放射性物质。铀和钍在发出辐射的同时，还会产生氡气，氡气可以被吸进肺里，产生内照射。吸烟或呼吸充满尘埃的空气，都会吸进放射性粉尘。烟里面的典型辐射源是²¹⁰钋。这些²¹⁰钋是哪里来的呢？当然来自于烟草，而烟草中的放射性元素又来源于土壤和大气沉降，包括下雨把低层大气中的氡衰变产物携带到叶片表面，又被叶片吸收。农田就是铀和钍的大本营，这些元素在衰变过程中会产生大量放射性产物。除非在无尘环境中无土栽培，否则植物会不可避免的吸收一些放射性物质，而吃草和粮食长大的牲畜，显然也可能富集这些物质，特别是内脏和骨骼。对于某些难以排出的元素，养得越久，富集就会越明显，老母鸡当然比速成鸡脏得多。食物链顶端的人，毫无疑问是很脏的。

除了环境、生活必需品所包含的天然辐射和医疗诊断射线外，保健品是我国公众特有的辐射来源。源自日本的“负离子”概念被我国的坏人扭曲、炒作，形成了以放射性矿粉（主要为²³²钍的各种化合物）为主要原材料的“负离子”产业，包括诸如负离子粉、负离子瓷砖、负离子涂料，以及各类封建迷信色彩的能量石、能量项链、能量手镯等，让放射性矿粉进入了千家万户。放射性保健品能够扩散，除了坏人的推动之外，用户自身也负有责任。

（四）辐射有安全剂量吗

主流的观点是，接受的辐射越少越好，应当避免不必要的辐射。国际辐射防护委员会（ICRP）和国际原子能机构（IAEA）建议，公众的年有效剂量不超过1mSv。

于是，很多人拿这个数值来作为“安全剂量”标准，甚至把它除以8760小时，算出一个0.11μSv/h的所谓“安全标准”。这种做法是完全错误的。

事实上，从来没有哪个正经的标准或规范提出过“安全剂量”的具体数值。任何大小的辐射都会引起对应的风险，除非剂量特别大，这些风险只具有统计学的意义，对个人的影响远小于其它随机因素。

IAEA的建议，实际上仅针对“计划照射范围内的实践”中的人员所受照射的防护。也就是说，它是针对辐射管理的建议，仅针对主管部门认为可以管理的辐射、需要防护或需要补救的情况，而不是对普通公众的建议。他们说的公众剂量，针对的是“计划照射情况下公众的剂量限值”，也就是特定公众——常见的情况是核电站周边数公里，核事故现场附近的公众和受到放射性污染影响的人。

显然，人们在生活中受到的自然本底辐射无法管理、无需防护或补救，包括乘坐飞机受到的宇宙射线照射。

但机组人员在飞机上提供服务所受的辐射，主管部门就可以认为可以管理且需要管理，比如限制年飞行小时数。也可以认为需要补救，比如怀孕前先转半年地勤。

即便普通公众非要认为自己是“计划照射情况下的公众”，要拿1mSv来要求自己，也不能随便计算总剂量。

例如，在医院拍CT，会受到数mSv的局部照射。但是这部分剂量，是不能算到1mSv里面的。

我国公众平均受到的自然本底辐射外照射的年有效剂量，大约是1mSv，不能算到上面那个1mSv里面。

人体吸入氡气及体内固有的放射性元素，例如⁴⁰K引起的内照射，总共还有平均约1.5mSv，当然也不属于这个1mSv。

总之，1mSv只是用来管理特定公众所受额外剂量的标准，例如用来管理核电站的排放对周围居民的影响，不是安全标准。是否满足这个值是基于监测数据用数学模型推算的，不可能也不必要为每个公众戴上仪器，即便是特定公众。

生活在高本底地区，受到的自然照射通常会比世界平均值高好几倍。某些地方，仅自然照射就有超过10mSv的年有效剂量。这种普遍的自然照射是无法管理的，不受1mSv的约束。

在统计中，并没有发现这些地方癌症或畸形高发。实际上，还有一部分流调结果显示，某些高本底地区的健康状况反而偏好，甚至有人站在进化论的角度给出了解释——地球历史上的辐射比现在更高，因此在漫长的演化中，生物更适应比现在稍高的辐射环境。

小于多少的辐射是安全的？本文给不出答案，甚至可以说，凡言之凿凿给出简单答案的都是骗子。公众只需要认识到不必要的辐射尽量少接触即可。例如，倘若没有特别的原因，并不必要每年体检都拍片，如果拍的收益更大（假设你是重度烟民），就要选择刚买了新机器的医院，因为医用仪器的总体发展趋势是剂量越来越小。

如果你是核爱好者，喜欢摆弄一些天然放射性物质，又愿意为此付出代价，那么我认为你就属于特定公众，可以参照1mSv的额外照射来约束自己的行为。比如按每年摆弄24小时算，在玩的时候平均全身剂量当量率不应超过40μSv/h。但假设技术上可行，成本的增加极少，为什么不按照0.5mSv管控呢？

类似的情况还出现在别的标准规范中。标准规定面包中铅含量上限为0.5mg/kg，可以认为这个数值是安全的，但如果铅含量达到5mg/kg，是不是不安全？如果是0.05mg/kg，是不是“绝对安全”？其实0.5mg/kg只是在综合评判风险和成本之后博弈的结果，它是用来约束食品生产者的。如果你自己种小麦烤面包自己吃，就算达到5mg/kg，也不违规，投案自首都没人受理，天天吃也不见得有可以察觉的危害。但是，谁都知道，如果有条件，当然是越低越好，最好是没有。

低是有代价的，包括为了降低而花费的直接成本，也包括所有间接花费，比如测量的开销，时间、精力、为了降低而放弃某事的机会成本。当低到一定程度，或者对偶然的接触来说，只要没有高到一定程度，关心它就是不划算的。生病拍几张X光片，坐几趟飞机等等，就毫无担心的必要。

（五）测到多高的剂量（当量）率需要引起警惕

生活中使用辐射计测到的几乎都是本底辐射。通常，本底辐射不在需要管控的范围内。

因此，首先应当排除正常的本底辐射。不同地区的本底辐射不一样，可以用辐射计在当地的多种场景下测试，了解当地本底辐射的大致区间。通常露天楼顶会比露天地面小，露天地面又会比室内小，晴天的辐射会比刚开始下雨时小，水面上会比陆地上小。

知道了当地大范围的情况，再了解工作或生活场所小范围的情况，最后再关注最常停留的地方的情况，如工位、床铺。用小范围的情况同大范围的总体情况相比较，可以知道自己工作和生活的地方处于什么水平。

例如，一个城市到处都是0.5~1.3μSv/h，卧室测到1.2μSv/h，属于“正常情况”。但如果到处都是0.05~0.2μSv/h，而你的卧室是0.5μSv/h，则说明卧室的辐射偏高，可能存在某种异常，可以加以检查。尽管本底辐射无需管控，但建筑材料放射性核素含量和室内氡气含量是有规范且可以管控的。

某个物品偏高，就要看这个物品是干啥用的，可能的影响有多大。人们与陶瓷马桶亲密接近的时间不多，在表面测到1μSv/h是可以容忍的。但将辐射计靠近水杯和碗，如果剂量率比周围环境明显偏大，则是不可容忍的。

这里根据经验提出一些不严谨的参考数值。

在室外距离地面1米高度，通常不超过0.3μSv/h，多数地方为0.1μSv/h左右。

在室内距离地面和墙面1米半位置，通常不超过0.5μSv/h，常见的数值在0.15μSv/h左右。

在海上距离水面5米，且远离陆地和船舶（船有多大辐射可没准），通常不超过0.1μSv/h，经常只有0.02μSv/h左右。

飞机在万米高空飞行，如果你的仪器能同时感知光子、中子和带电粒子的话，通常在2μSv/h左右。

（六）超标吗

首先要有标，才能谈超标。对于普通公众（非特定公众，见第4节）、日常生活环境来说，没有辐射超标这个概念，因为根本就没有“标”。各种组织提出的1mSv的年限量，都不针对这种情况，不能作为依据。假设你生活在高本底地区，住在铀矿附近，即便一年5mSv往上，也是正常的。

多年前我在揭露负离子粉的文章和视频中，强调的是“辐射超常500倍”，没有说超标。如果有人把负离子粉加到瓷砖中，它显然不满足建材核素限量的要求，是超标的。但是如果你用它搓澡，那是你自己的事情，因为没有哪个“标”管你自己。当然你的确可以颁布一个《××星球个人标准》，然后宣布“超标”。同理，如果用负离子粉制作“幸辐牌抽水马桶”，不好意思，抽水马桶不是建筑材料，没有标准管它有多大辐射，不存在超标的问题。这就是为什么很难从放射性角度追究负离子粉的责任，今后如果有法定标准了，才可以谈超标的问题。

不论是食品还是建材，都有标准规定了某些放射性物质的浓度限值或者限量。但是他们的表示方式都依赖于放射性活度，且是针对某些单个同位素进行的规定。换句话说，只有使用能谱仪对衰变事件进行分选，并反算出单个同位素的活度浓度后，才能判断其是否超标。如果辐射不是来源于标准中规定的同位素，或者不知道是哪种元素放出的射线，则无法判断是否超标。超标的鉴别是一件非常麻烦的事情，个人是很难完成的。

不过，如果一个室内建筑材料，或者某个食品，用仪器靠近后能够观察到它的辐射明显大于周围环境，并且换到不同的地方反复测量都是如此，则有很大可能超标。也可能出现一种极端情况：每种核素都接近标准上限，他们的总和产生明显高于环境的辐射，但你却不能说他超标，因为标准就没对总和进行规定。对公众来说，不要总把超标挂在嘴边，那不是公众能判断的。对于明显大于周围环境的物件，明智的做法是弃之不用，除非大得离谱，不用大惊小怪。

多大算是明显大于周围环境呢？也可以提出一个不严谨的参考值：对室内建材，大0.2μSv/h，对食品，大0.02μSv/h。之所以是0.02而不是0.01，是因为通常群众自备的仪器没有长期积分功能，测量环境也不稳定，无法针对比0.02更小的差异做出正确的判断。

（七）常见的射线及其度量“单位”

测试辐射，尤其是微小的辐射，必须依靠专门的仪器。

辐射必须首先进入仪器的敏感部分，与仪器发生某种作用，才能被测量。如果一个辐射不与任何东西作用，那就很难被测量。中微子就几乎不与物质作用。

这里有三个关键点：能够进入仪器的敏感部分；能够与敏感部分发生某种作用；作用的效应能被仪器辨别。

常见的射线包括α、β、γ和中子四种。

α粒子由两个质子和两个中子组成，带两个单位的正电荷，就是⁴氦的原子核，俗称氦核。α射线是运动的α粒子。由于α粒子很重，很难具备较高的运动速度，即便如此，它也有很大的动能，通常可达数兆电子伏。α射线的速度低，穿透能力较差，能量（速度）越低穿透能力越差。即便具有高达10MeV的能量，在空气中也只能飞行几厘米到十几厘米，一层窗户纸就能把它挡住。因此，如果希望测量α射线，仪器敏感部分的外壳必须非常薄，或者干脆开有空窗。测量α射线可以使用云母窗口的盖革管，采用镀铝麦拉膜窗口的电离室或者半导体探测器，还必须足够靠近辐射源，或者在真空中测量。玻璃壳盖革管测不到α射线，因为射线无法进入敏感部分（盖革管内部）。需要指出，宇宙射线中可能存在能量高达TeV级别的α射线，穿透能力与衰变产生的α不能同日而语。

仪器可以数一数进入敏感部分的α粒子事件次数，以每秒计数或者每分钟计数来表示，简写为cps或cpm，叫做计数率。假设射线类似于“平行光”，如果已知敏感部分的截面积，可以得到单位面积的计数率，例如cpm/cm²。仪器并不能100%的对进入敏感部件的粒子产生响应，计数率和真实的粒子数量率之间就有换算关系，称为探测效率。考虑探测效率后，可以得到粒子数/cm²·s，称为注量率。

从注量率或计数率到剂量率（通常是指吸收剂量率）还有很多因素要考虑，难以简单换算，一般采用已知活度的放射源来标定其转换关系。对α射线测量来说，很少用到剂量率的概念。常见辐射计是根据γ射线标定的，测量α射线时，剂量率读数没有意义。

β射线的本质是电子流。放射性元素可能产生负电子流β^-，也可能产生正电子流β⁺，它们都是β射线。电子加速器也可以产生很强的β射线，用于辐照灭菌。电子质量很小很轻，同样能量的β射线，运动速度比α射线快得多，可以接近光速。β射线的穿透能力较强，通常，几百keV的β射线就足以穿透大部分塑料壳和玻璃壳，因此容易被各类辐射计探测。同其它实体粒子类似，测量β射线也可以得到计数率、注量率和剂量率。但除非专门测量β剂量的仪器，用常见剂量仪测量β射线，剂量率读数通常没有意义。

低能的β射线，例如¹⁴C，⁶³Ni等放出的几十keV的β射线，只能穿透云母或麦拉膜等很薄的材料，玻璃盖革管理论上是测不到的。但是，β射线是高速电子流，它与其他物质碰撞后会产生韧致辐射，是一种x射线。韧致x射线的能量略低于电子的原始能量，数量也比原始的β射线少很多，但x射线的穿透能力很强。盖革管的玻璃壳或薄金属壳被β射线照射以后，产生x射线，就能进入盖革管内部了。如果壳子足够薄，氚产生的不足18keV的x射线，也可能被探测到。

中子也是一种实体粒子。由于中子不带电，几乎只有恰好撞上原子核时才会发生作用。原子核只占物质体积的极小比例，撞上的概率本来就不大。相撞之后，越轻的原子核（例如氢、硼、碳）越容易被撞飞，从而吸收中子的能量；而较重的原子核则岿然不动，中子自己被弹开，只损失少许能量。因此中子的穿透能力很强，常被用作辐射屏蔽材料的重金属，恰恰难以屏蔽中子。撞飞的原子核本身就是一种辐射，最终会被物质吸收。

与原子核多次碰撞后，中子速度降低，变成慢中子（又称热中子）。慢中子容易和原子核发生核反应，将一种原子变成另一种原子，同时放出射线。人体有大量的氢和碳，因此人是中子的良好慢化体，慢化后再与人体发生核反应（主要是与氮反应）。故中子的危害很大。盖革管、闪烁体、半导体、电离室等常用的辐射探测器，也几乎不和中子发生作用。中子探测通常依靠核反应实现，测量前需要先用水、塑料（例如氢原子占比较多的聚乙烯）、大腿等慢化中子，然后让慢中子与³He、⁶Li、¹⁰B等容易与中子反应并放出带电粒子的核材料反应。生成带电粒子（例如α）后，再进行测量。由于这些核材料很贵，加之探测器较为考究，能测中子的辐射计往往价格昂贵。中子辐射计也得到计数率、注量率等原始数据，结合中子能量数据，可以再折算成剂量率。

γ射线是波长很短的光。由于波长足够短，通常把它当做粒子对待更方便，称为γ光子。γ射线能够与很多物质作用，并且只有强度会被衰减，能量几乎保持不变，故较容易进行准确的能谱测量。盖革管、闪烁体、半导体、电离室等都能够探测γ光子。日常见到的辐射计基本都是按照探测γ射线校准的，可以得到计数率、照量率和剂量率。对γ射线，一般不说注量率。

照射量及照量率是γ或x射线特有的概念，它是根据射线电离空气的能力来定义的，是仪器可以直接感知的量。照射量的单位是库仑每千克，过去把能够使1立方厘米空气电离出1静库电荷的照射量称为1伦琴（R），换算成现代单位是2.58×10^-4C/kg（空气），对应的照量率单位是伦琴每小时。

常见的辐射计采用Sv/h为单位，Sv读作希沃特，简称希。希沃特是人名，因此绝不能读作西弗，勉强可以读作西佛特（毕竟是音译）。希主要作为剂量当量的单位，它的量纲和吸收剂量一样，都是J/kg，但值却截然不同。“当量”是针对人体而言的，即辐射作用于人体后，考虑不同辐射造成的损伤不同，以及不同器官敏感度不同，“相当于”人体吸收了多少剂量。英文Equivalent是“等效”的意思，因此翻译为剂量等效（率）也是合理的。

采用剂量当量能够更准确的评估辐射对人体的影响。例如，同样吸收剂量下，低能的辐射无法射入皮肤，因此对深部器官的当量低。极高能的辐射会穿透人体，当量也会略小一些。剂量与剂量当量之间的换算关系叫做转换系数，也称品质因子，转换系数一方面与射线的种类、能量有关，另一方面与受照射的人体部位有关。对各部位剂量当量的加权，称为有效剂量。

为了全面而方便的评价照射对人体的影响，通常以被照物质表面以下10mm深度为准来评定转换系数。这种数值用 H（10）表示（注意有括号，以与待积剂量区别）。目前主要使用Hp(10)，Hp是指个人剂量当量，主要考察软组织的吸收。而晶状体/甲状腺的剂量当量，用Hp(3)表示，Hs(0.07)则表示皮肤剂量当量。下表是不同辐射源产生γ射线全身照射时的个人剂量当量转换系数：

从空气比释动能到剂量当量，需要乘上右侧的数字。可以看到，能量为80~120keV的射线对应的转换系数最大，体现出这种辐射对人体的影响最大。这正好对应于常见医用x光——其实，正因为与人体作用强烈，拍出来的影片才具有较高的对比度。

此处出现了空气比释动能的概念。它适合于像γ射线这样的非带电射线，定义的方式承袭了伦琴的思想，都是关心射线轰击空气后产生的带电粒子，但伦琴只关注带电粒子可被测量的电荷量，而空气比释动能关心照射释放带电粒子的初始动能。电量和动能显然是两个截然不同的概念，因此就定义而言，伦琴与戈瑞根本不可换算。

但形成一对离子所需消耗的平均能量和一个电子的电量是确定的，因此，对同一种被照物质、在一定的射线能量范围内、在厚度足够时，有多少动能往往就有与之大约对应的电荷量，故数量上两者的关系较为稳定。在许多仪器中，直接按1Gy≈114.5R进行换算。

类似的，空气比释动能在特定条件下也会由被照射物质完全吸收，此时，空气吸收剂量=空气比释动能。当然，事实上总有一小部分初始动能会转变为别的形式并恰好没有被吸收，因此吸收剂量通常比空气比释动能稍小，特别是对比较薄的物体而言（通过韧致辐射逃逸的能量多）。不过，对H(10)这样的深度来说，区别常可忽略，若一定要考虑，则包含在转换系数里面即可。吸收剂量与空气比释动能的量纲是一致的，单位都是Gy。

吸收剂量曾经使用拉德（rad）作为单位，1rad=100erg/g。他们的定义是等价的，只是能量采用“厘米-克-秒制”单位尔格（erg），质量采用克而不是千克，因此拉德可以与戈瑞直接换算，1Gy=100rad。拉德至今仍在航天领域广泛使用。

与拉德类似，过去曾使用克-厘米-秒制的雷姆（rem）作为剂量当量的单位。雷姆与希沃特可以直接换算。1Sv=100rem。现在基本上没人用雷姆了。

本质上，仪器只能通过某种物理原理，感知到射入其敏感部位的辐射引起的事件，得到事件的计数率。通过标定，可以把计数率转换为注量率、吸收剂量率或照量率等，例如1kg水的吸收剂量，或者空气比释动能。到这一步，给出的仍是物理意义上的剂量。乘了转换系数以后，就得到了生物意义上的剂量，有的时候会比物理意义上的剂量大数十倍。

从仪器的物理原理到对人体等效吸收剂量的评估，原则上必须已知射线的能量和种类。辐射测量是一件十分复杂的事情。

（八）辐射探测原理

通过第七节我们知道，要测到辐射，需要满足三点：（1）射线能够进入仪器的敏感部分；（2）能够与敏感部分发生期望的作用；（3）作用的效应能被仪器辨别。

对公众而言，测量时分别思考上述三个问题，就成功了一半。

例如，氚污染主要以氧化氚，也就是超重水的形式存在。氚几乎只产生β辐射，并且能量最高才18keV。这种射线都透不过0.1mm厚的水。换句话说，含氚的水发出的射线，几乎完全射不出水面，显然也就射不进仪器，让仪器靠近水面测量是徒劳的。

人们能想到的办法，是把水本身变成仪器的“敏感部分”，也就是让水溶解某些可以与β射线发生作用，并且作用的效应能被辨别的物质，直接在水中与射线“亲密接触”。这种物质叫做液体闪烁体，简称“液闪”。它与β射线接触后会发出闪光，而闪光可以被光学传感器所探测。

但如果水中的氚含量较少的话，得到闪光就很少。任何光学传感器都有噪音（例如数码相机的噪点），如果闪光太少，可能无法知道是噪音还是β闪光，无法“辨别”。此外，自然环境中还有很多别的辐射，也可以引起闪光。如果氚的闪光不够突出，那就无法辨别闪光到底来自何处。

为了解决这个问题，必须提高氚的浓度。幸好，普通水容易被电解成氢气和氧气而跑掉，超重水不太容易电解，就会留下来。把一吨水电解到只剩1公斤，就浓缩了1000倍。此时再加入液闪，就能让“信噪比”提升大约1000倍，变得易于“辨别”。

对于能量较高的β射线，例如⁹⁰锶及其子体的射线，普通的盖革计数器或者闪烁计数器具有足够的灵敏度。β射线只要能够进入敏感部分，几乎可以100%发生作用。普通盖革计数器等仪器，是按照只有很小比例能发生作用的γ射线校准的，测量β就时，读数就可能虚大。

α射线的穿透能力比β还差。对α射线来说，允不允许它进入仪器是次一步的问题，首先是它能不能飞到仪器附近。因此，必须让仪器尽可能靠近辐射源才能测到α射线。另一个办法是把辐射源和仪器放在同一个罐子里面抽成真空，没有空气，α射线理论上就能飞无限远的距离，如果不考虑地球磁场和引力的话。

5μm厚度的塑料薄膜，就能让α射线损失2MeV左右的能量。换句话说，如果α粒子的能量小于2MeV，就无法透过5μm的塑料膜。仪器外壳通常厚达毫米，显然是无法进入的。具备测量α能力的仪器，必然采用了某些措施，例如外壳具有镂空的窗口。但有镂空的窗口并不代表可以测量α，因为射线进入仪器外壳不等于进入敏感部分。盖革管的敏感部分是其内部的金属和气体，玻璃壳子可不能算敏感部分。如果要用盖革管测量α射线，这种盖革管的壳子，至少需要有一部分由极薄且轻的材料构成，例如云母片。

中子辐射（n）比α射线更难测量。常见的中子剂量仪只能测量慢中子，在测量之前需要先对中子进行充分的慢化。常见的慢化体是聚乙烯塑料，其厚度应在5㎝以上，最好是10㎝左右，但也不能太厚，否则会使吸收增加而不利于测量。测量慢中子通常需要用到核反应才能有足够的灵敏度，常见的传感器是正比计数管（充装³氦或三氟化¹⁰硼），或者闪烁探测器（以含有⁶锂的闪烁体为主）。中子与³氦、¹⁰硼、⁶锂发生核反应，把它们变成氚核+质子、⁷锂+α射线、氚+α射线，同时还产生γ射线。这些产物就能够引起电脉冲或者闪光，从而被辨别。

这么看来，测量中子相当困难。虽然人们发明了很多测量手段，但最便宜和普及的³He正比计数器和⁶Li闪烁探测器也比常见的盖革计数器贵10倍或更多，可见测量中子也相当昂贵。不过，辐射中子的放射性物质很少，且大多伴随着更易测量的γ辐射，故公众没有必要测量中子。

最容易测量的是γ射线，它穿透能力强，很容易与物质作用。盖革管、闪烁体、半导体等都能用于探测γ射线。测量γ射线的仪器价格可低至几十元。不过，如果要测量低能γ射线，例如氚的韧致辐射，显像管表面的少量x射线，还是需要减少仪器外壳对敏感部分的遮挡，采用云母片、麦拉膜或铍膜作为窗口。

除了上述四种射线，在太阳耀斑喷射物击中地球时，还可以比较容易的观察到μ子射线到达地球表面。到达地表的μ子往往具有很高的能量，一般用巨大闪烁体的闪烁探测器来测量。不过对公众而言，μ子的影响可以忽略不计。

较强的γ或β辐射，可以干扰半导体的工作，表现为噪音增加。最简单的办法是打开手机摄像头，用黑胶布或者手指使其完全遮光，图像漆黑一片。拍摄照片后，放大仔细观看，如果有较强的辐射，即可看到大量随机分布的亮点。每个亮点通常只有一个像素或几个像素，其颜色与图像传感器芯片的原理、射线的种类和能量等有关，通常是白色。

不同的辐射计，因其能量响应以及准确度的不同，读数可能有较大差异。自然本底辐射大多集中在30~200keV低能区，常见的廉价辐射计在低能区的灵敏度比校准能量（662keV）高得多，因此测值虚大。你会发现专业机构公布的当地测试值比用网购的盖革计数器低许多，这固然可能是那些监测站位于环境良好的户外，但主要原因还是他们对能量响应进行了仔细的修正，倒不用怀疑他们做假。

（九）生活中常见的辐射测量仪器

因为中学课本中有所介绍，一谈到辐射测试，许多人首先想到盖革计数器。盖革管是一种结构简单却十分有效的辐射传感器，只要射线能够进入它内部，它对α、β、γ射线和其他带电射线（例如质子）都敏感，对中子也有微弱的作用。

盖革管有多种形状和材质。体积（截面积）越大，阻拦的射线就越多，能够缩短探测时间，同时有利于捕获高能射线；玻璃壳盖革管最便宜，但α和低能β射线无法透过玻璃。为了让低能射线透过，可以使用很薄的金属壳。虽然金属的密度比玻璃高，但可以做得比玻璃薄许多，射线更容易透过。如果需要测量α射线，可以使用云母窗口的盖革管。

在仪器内部，会为盖革管通上数百伏的高压直流电。在没有射线时，盖革管是绝缘状态。射线进入后，以某种原理产生几个自由电子或离子，在直流电的作用下飞向两极，在飞行过程中冲撞出更多的离子，形成一次“雪崩”。对直流电源而言，相当于盖革管“短路”了一瞬间。“短路”导致直流电压发生一次跌落，后续电路统计一段时间内跌落的次数就能知道辐射的大小。

盖革管不能区分射线的种类，对γ射线的探测效率也不高，射线很容易透过盖革管而不能完全发生作用。在自然背景辐射下，盖革管通常只有1cps量级的响应（每秒大约输出1个脉冲）。

由于脉冲太少，为了发现辐射的微弱变化，必须用更长的时间来数脉冲。比如，认为每分钟60个脉冲，比每分钟59个脉冲的辐射强那么一点点。考虑到辐射本身的随机性，要想发现0.02μGy/h的差别，一般需要累积5~10分钟。这种累积是由电路完成的，在小辐射时，可以记每两次脉冲之间的时间差，然后求平均值。也可以数比如300秒内总共有多少脉冲，第301秒扣除第1秒的脉冲数，第302秒扣除第2秒的脉冲数，如此往复，实现每秒刷新。但一般市售的盖革计数器无法调整积分时间，也无法导出数据，因此并不适合发现辐射的微弱变化。

在有条件DIY的时候，可以通过软件的改进来提升发现辐射微弱变化的能力。例如，在辐射很弱（计数率很低）时，采用更长的平均时间，或者允许手动设定统计时长。当检测到计数率迅速升高时，自动缩短平均时间，以便能够迅速发现强辐射。既然能够DIY，就可以对高压供电进行控制，采用等候时间技术（TTC），将计数改变为计时，从而根本性的提升量程和性能。

因为脉冲幅度巨大，电路简单，盖革计数器的抗干扰能力很强。用一两百元的成本，就能实现有一定准确度的基本辐射测量，是很了不起的。盖革计数器仍将是最容易普及的产品。

盖革计数器的能量响应不平坦，对低能γ射线的探测效率数倍于高能射线。如果用¹³⁷铯的射线来标定，再用来测医用x光，读数就会偏大几倍。为了解决这个问题，可以用铅皮部分遮挡盖革管，高能射线能够透过铅皮，低能无法透过，就能让低能灵敏度降下来。这种手段叫做能量补偿。为了把能量响应调平整，可以用电离室为参考基准，由测试x光机输出不同能量的射线，通过修改铅皮的厚度和遮挡的比例来将响应调平，显然这是很麻烦的。如果这样做，就不可能便宜，而便宜产品，当然谈不上有多准，但它能测试个大概，已经满足公众的需要。

总之，盖革计数器是一种易于获得，甚至很容易DIY的辐射测试设备。目前网购价格最低者不足200元，基本上实现了人人买得起，作为居家必备工具是可以的，而且也有一定的准确度和灵敏度，足够日常生活中规避危险。如果有更高的要求，比如发现微量的表面沾染，可以购买采用盘形云母窗盖革管的探测仪，但价格通常在2000元以上。

生活中常见的第二类辐射探测器，是利用半导体受辐射后产生微弱放电的原理制成的半导体探测器。

半导体探测器有两种常见的基本形式，可以简单的理解为一种是有P-N结的，另一种是没有P-N结的。前者常见的形式是PIN管，类似于太阳能电池。当受到辐射时，产生电脉冲，或者加以负偏压，受到辐射后发生微弱的漏电。后者就是一块完整均匀的半导体材料，例如镀有电极的锗或者碲锌镉晶体，使用时通上高电压，在没有辐射时表现为绝缘体，受到辐射时产生与辐射能量相对应的电荷迁移，在偏置高压上引起极小的电脉冲。

半导体探测器的灵敏度较低，输出的电脉冲非常微弱，需要使用静电放大器进行放大，因此抗干扰性能较差。但有P-N结的半导体探测器取材广泛，理论上几乎任何二极管、三极管、场效应管、CCD、CMOS传感器都会受到辐射的干扰，经过特别的电路设计，都有探测辐射的前景。不过，它们的知名度远不如盖革管，而且电路更加考究，并不适合广泛的“山寨化”生产，在市场上并未形成规模。近年来由于有人力推碲锌镉半导体探测器，有一点起色，但廉价产品的性能其实相当糟糕，同等价位上不如盖革。

半导体探测器可以做到很小的体积，比盖革计数器更低的成本，可实现100元以下的产品。例如，采用PIN管的探测器可以做到硬币大小，使用纽扣电池，戴在钥匙串上，甚至集成到手表中。由于灵敏度比盖革管还低，需要更长的累积时间，但对于生活用途来说，用来提示明显的危险是可行的。

半导体探测器的突出优点，是输出脉冲的大小与射线的能量有关，因此可以进行软件能量补偿，可以一定程度上判断辐射的性质。用极薄的镀铝麦拉膜对PIN管进行遮光处理后，也可以探测α射线，且能获得α射线的能谱。不过，公众通常无法正确运动这些技术，廉价产品也不会采用这些技术，否则徒增售后的麻烦。总的来说，半导体探测器原理看似简单，要做好非常困难，并不是一个普及的产品，在未来也不会太普及。

生活中常见的第三类辐射探测器，是采用光电方法间接测量辐射的闪烁探测器。

射线进入某些材料，可以引起闪光。可以认为，荧光屏显示器，就是β射线打到荧光粉（一种闪烁材料）上引起发光的。通过变换材料的种类，闪烁探测器几乎适用于所有种类的射线。锦屏地下中微子探测工程，本质上就是一个巨大的闪烁探测器。

这种探测器通常由三个部分组成：闪烁体、光电传感器、脉冲处理和数据读出电路。

最常见的闪烁体是掺铊的碘化钠晶体，其次是掺铊碘化铯。在安检机中用来感受射线的，就是一系列方块状碘化铯。晶体通常较贵，碘化钠和碘化铯只是其中较为便宜的种类。闪烁体的大小对能量响应及探测器灵敏度至关重要。如果要迅速探测微弱的辐射变化，就需要尽量大的闪烁体。在对能量分辨率没有要求时，可以使用更便宜的塑料闪烁体，它的体积可达数十升。在高速公路收费站、海关检查站，就可以安装这种闪烁体，当货车开过时，能够发现其中的少量放射性物质。当然，如果对体积有要求，也可以使用很小的闪烁体，它比单纯采用半导体探测器的灵敏度高得多。目前，绝大部分个人剂量仪采用了小闪烁体方案。

闪光是很微弱的，人眼完全适应黑暗后，才能观察到较强的闪光。为了测量闪光，必须采用灵敏的光电传感器。常见的方案有三种：光电倍增管(PMT)、硅光电倍增管(SiPM)和雪崩光电二极管(APD)。这些器件价格都不算便宜，例如其中最便宜的硅光电倍增管，价格通常也在100元以上，品质稍好、面积稍大的可达数百元。再加上复杂的电路、昂贵的晶体，闪烁探测器的价格通常在数千元以上。当然近年来由于科创在普及闪烁探测器方面的努力，也有了两千元以下的高品质入门产品。

由于闪烁体是固体，它对射线的阻挡作用比气体强得多，故它的灵敏度远高于盖革管。一般1立方厘米的闪烁体，其计数率就是同体积盖革管的10~20倍。因此，它可以显著缩短测量时间，更快的发现辐射的微弱变化。

闪烁探测器可以测量射线的能量，并进行较准确的能量补偿。基于能量数据，可以进行核素识别，因为每种放射性物质发出的射线，都有特定的能量。闪烁探测器的主要指标是灵敏度和能量分辨率。前者通常以每μGy/h的辐射有多少计数率来表示，后者用相对半峰宽的百分数表示。目前6%左右的能量分辨率是较容易实现的，低于该值就需要用到特别昂贵的晶体，价格会有数量级的提升。闪烁探测器的能量分辨率极限约为3%，更高的分辨率需要特制的半导体探测器，例如高纯锗，可达0.1%水平。

多数高性能的闪烁体采用潮解晶体。这种晶体放在空气中，会吸收空气中的水蒸气而融化，故需要进行仔细的密封。因此，闪烁体通常有较厚的封壳，导致射线很难进入敏感部分。一般闪烁探测器的能量下限在25keV左右，进一步降低需要采用铍膜窗口，或一些特殊的设计。目前，采用碘化铯闪烁体，塑料壳密封，是一种在分辨率和能量下限方面相对折中的方案，下限可达5keV左右。

总的来说，日常生活避险，可以选用盖革计数器，若需要发现微弱的辐射变化，可以选用具有统计功能的产品或自己DIY，另一种办法是采用闪烁探测器。

（十）辐射的测量

公众关心的辐射测量问题，通常有两层意思：

1、如果有大的辐射，能够及时告警，比如避免被失控的放射源伤害。

2、对于生活环境、食品等，最好能发现哪怕最微弱的辐射。

坦率的讲，这些需求更多的来源于新闻报导或大众舆论带来的焦虑。例如放射源丢失事故，一旦发生，看起来惨绝人寰，很容易给人们留下心理阴影。但放射源丢失这样的事并不太常发生，特别危害较大的三类以上放射源，可能数年才会丢失一次，在十几亿人里面，“中招”的概率比飞机坠毁还低。生活环境和食品的确有可能出现稍高的辐射，但他们的影响是较为微弱的，总的来说没有室内氡气的影响大，没有必要花费功夫。洁身自好，不要买那些玄学物品回家，是最好的预防措施。

即便有了仪器，测量辐射也需要技巧。

首先，任何仪器都可能“误报”，也可能不报。即使抗干扰性能很好的盖革计数器，当它遇到强干扰，或者程序出现BUG时，仍可能误报警。在发现报警时，无需惊慌，应当移动仪器、反复测量等，观察变化。单个辐射源产生的辐射一定是近大远小，如果移动后报警的情况没有变化，基本上肯定是仪器有问题。某年有一个案例，一个精神异常的人网购了一台x射线探伤机隔墙辐射邻居，每天开几次，每次只开几秒钟，而邻居恰好从事辐射测量工作，又恰好有一天出差回来图方便把仪器带回了家，阴谋才得以曝光。对于这种几秒钟的告警，有的时候很难判断是不是仪器的偶然异常，可以采用两种不同原理的仪器来对照。

其次，要根据上文揭示的道理，扩展学习思考。知识和技能才是保护伞，世界上没有既简单、又便宜、还长期稳定可靠的办法。如果想正确的测量辐射，不动脑筋，不学习相关知识，是行不通的。

前面第八节已经谈到了氚的测量，这是目前公众较为关注的话题。但很不幸，公众基本不可能自己测定氚。

对于别的物质，如果它放出γ射线，就相对容易测量一些。通常遵循以下原则：

1、要尽量避免环境本底辐射的影响，例如用低本底铅罐来隔离环境辐射。如果做不到物理隔离，可以采用本底扣除功能，但需要仪器支持。

2、要尽量浓缩被测物质，尽可能去掉其中显然不具备放射性的成分，以提高信噪比。例如，直接测量空气中的氡是很困难的，但测量空气净化器的滤芯，就相当于测量浓缩了的氡（氡的衰变子体），就可以更加直观的评估室内氡的浓度。

3、要尽可能多次测量、长时间测量，避免某次测量的偶然误差。

4、要远离手机、路由器、节能灯、充电器等电器，不要在附近抽烟、用打火机、搬动大件物品，尽可能排除干扰。便宜的盖革计数器需要适当避光，拉上窗帘，避免阳光射入。

5、不要在测量过程中或测量前后开关空调、风扇，不要改变开窗或不开窗的状态，要保持环境稳定，并在一个状态下稳定至少1小时再测量。

下面举两例说明测量的办法：

[陶瓷卫浴的测量] 先在室内空间距离地面、墙面至少1米远的地方测量背景辐射的平均值，仪器的平均周期应设置为3分钟或更高，使数值跳动仅限于小数点后第三位。然后，将盖革计数器紧贴被测陶瓷，采用与测量背景辐射相同的平均周期，等候一段时间待读数稳定。比较两个值是否有明显的差别。在不同时间，不同部位多次测量。

[海鲜食品的测量] 准备一个确定的容器，在整个测量过程中不可以移动容器。在容器中用适当的支架固定仪器，使仪器的位置在整个测量过程中保持稳定。先不装入海鲜，用仪器测量环境背景辐射，采用平均值功能，平均周期应尽可能长，对盖革计数器以30分钟为好，对闪烁计数器应设为180秒或更长，使小数点后第三位几乎不跳动或跳动小于±0.002。然后向容器中装入海鲜，使海鲜尽量靠近仪器，用同样的平均周期进行测量，等候时间应长于平均周期。记录读数，取出海鲜，再进行一次背景辐射测量。比较三个读数的大小是否有显著区别。需要留意，海鲜中含有的⁴⁰钾，可能导致读数比空桶时有明显升高。为了查明差异来源于何处，可以使用闪烁探测器记录1小时背景能谱和1小时实测能谱进行对比，以排除⁴⁰钾的影响。

这些测量方法都不够“正规”，但比随便拿盖革计数器看一看，已经专业得多了。读者可以沿着相同的思路，设法提高测量的水平。

[正文完]

[本文引用或参考的规范性文件]

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