摘要

在用于測年的采樣位置或其附近進行現(xiàn)場測量是估算環(huán)境劑量率的最直接方法。這些測量通常在自然條件下、未受干擾的環(huán)境中進行，從而避免了復(fù)雜的后處理或建模工作。在過去的幾十年里，捕獲電荷測年領(lǐng)域提出了多種現(xiàn)場測量方法并積極應(yīng)用了這些方法。最常見的方法包括使用主動探測器（如NaI或LaBr₃晶體進行伽馬射線光譜分析），或使用基于人工制造劑量計的被動探測器（例如CaF₂、Al₂O₃:C）來測量吸收的β射線和/或伽馬射線劑量。主動和被動方法各有優(yōu)缺點。這兩種技術(shù)的共同點是，一旦實驗室建立了工作流程，它們都易于使用且成本效益較高。然而，選擇最適合測年實驗室具體需求的系統(tǒng)并建立該系統(tǒng)往往需要投入大量的時間和成本。本文介紹了常用的現(xiàn)場環(huán)境劑量率估算方法，并對其所需的設(shè)備、校準和數(shù)據(jù)處理工具進行了概述。最后，我們特別評估了宇宙射線劑量率，該劑量率常常受到研究區(qū)域地形參數(shù)的顯著影響。

引言

將捕獲電荷測年方法應(yīng)用于考古或地質(zhì)材料時，需要確定該材料在埋藏過程中所受到的總劑量率。在自然界中，環(huán)境劑量率由α粒子、β粒子和伽馬射線引起，這些粒子均來自材料本身及其周圍環(huán)境中存在的放射性元素的衰變。宇宙射線則是另一種輻射源。 在許多測年應(yīng)用中，劑量率的α和β組分是通過在實驗室對樣品本身進行的測量來確定的；而伽馬射線和宇宙射線組分則是通過在現(xiàn)場對樣品進行測量來獲得的。本文重點討論了用于在現(xiàn)場測定這兩種組分的技術(shù)，特別是伽馬射線劑量率。在特定環(huán)境中，這一組分與來自⁴⁰K以及U系列和Th系列元素放射性衰變產(chǎn)生的全向伽馬射線通量有關(guān)，同時還包括由康普頓散射產(chǎn)生的連續(xù)幾代次級伽馬射線（Murray, 1981; Valladas, 1982）。圖1a展示了假設(shè)土壤成分符合“Aitken, 1985”（第68頁）標準時，U系列、Th系列和⁴⁰K的初級伽馬光子能量分布；圖1b以累積譜的形式展示了相同的數(shù)據(jù)。這些光子的能量范圍幾乎從0到3 MeV不等，在富含硅質(zhì)材料的自然環(huán)境中，能量最高的伽馬光子的傳播距離不超過30-40厘米。圖1c展示了一個在硅質(zhì)介質(zhì)中的模擬全向光子通量示例。 歷史上，能夠記錄輻射劑量的材料（即劑量敏感型熒光體）最早被用于測量環(huán)境劑量率（參見Aitken, 1969）：它們通常生產(chǎn)成本較低，使用方便，并能提供關(guān)于材料在暴露期間所積累劑量的信息。與這些通常需要長時間暴露（通常為數(shù)月）的“被動”探測器并行發(fā)展的是“主動”系統(tǒng)：雖然成本較高（因為它們結(jié)合了敏感材料和復(fù)雜的電子設(shè)備），但能夠?qū)崟r提供信息，通過記錄探測器內(nèi)部發(fā)生的每次核相互作用來實現(xiàn)。根據(jù)所采用的方法，這類系統(tǒng)可以確定不同自然來源（U系列、Th系列和⁴⁰K）對伽馬射線劑量率的貢獻，或者直接得出該參數(shù)的值。當電子參數(shù)設(shè)置正確時，這類系統(tǒng)還可以用于計數(shù)宇宙射線與探測器的相互作用，如果系統(tǒng)經(jīng)過校準，還可以評估宇宙射線劑量率。相比之下，被動探測器始終會記錄當時的宇宙射線貢獻。 在本文中，我們介紹了被動和主動系統(tǒng)，并討論了它們在評估環(huán)境劑量率方面的優(yōu)缺點，同時評估了它們所提供的劑量學(xué)信息的質(zhì)量。我們還探討了在各種環(huán)境中實施這些系統(tǒng)時必須做出的假設(shè)，這些環(huán)境往往與用于校準的理想環(huán)境存在顯著差異。

被動系統(tǒng)（劑量計）

固態(tài)被動劑量計通常由密封的膠囊組成，其中含有對輻射敏感的熒光體，該熒光體會隨著時間的推移累積所受的輻射劑量。因此，總吸收劑量與實驗室中測量的熒光體發(fā)光強度相關(guān)。 被動劑量計被廣泛用于各種場合，以量化電離輻射的影響，例如個人劑量測量（參見Yukihara和McKeever, 2011; Yukihara等人, 2022年的綜述）。

基于主動探測器的方法

與被動劑量計不同，被動劑量計中的熒光體會隨著時間逐漸吸收輻射能量，并以潛在信號的形式存儲起來，然后在輻照期結(jié)束后讀取并轉(zhuǎn)換為劑量。而主動方法則旨在分析伽馬射線與晶體之間的所有相互作用。因此，記錄的光譜會被分析并轉(zhuǎn)換為位于探測器位置的沉積物顆粒（例如石英或長石）所接收的劑量。

評估環(huán)境劑量率

當伽馬射線劑量率沒有直接測量出來，但已知U、Th和K的含量時，需要使用DRAC（Durcan等人, 2015）或μRate（Tudyka等人, 2022）等軟件將其轉(zhuǎn)換為劑量率。此外，還需要加上宇宙射線的貢獻。

結(jié)論

由伽馬射線和宇宙射線引起的環(huán)境劑量率可能占樣品在埋藏期間所經(jīng)歷總劑量率的很大一部分。例如，在Theopetra洞穴中發(fā)現(xiàn)的燒制燧石的情況下（見第4.2節(jié)），這部分劑量率占其埋藏期間所受總劑量率的60%至80%。因此，測量環(huán)境劑量率往往是一個重大挑戰(zhàn)，這對結(jié)果的可靠性有重要影響。

CRediT作者貢獻聲明

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。

未引用的參考文獻

Bürgi和Flisch, 1991; Yamashita等人, 1971.

利益沖突聲明

? 作者聲明沒有已知的財務(wù)利益沖突或個人關(guān)系可能影響本文所述的工作。

致謝

SK得到了DFG海森堡計劃（#505822867）的支持。作者感謝Alan Cresswell在制作部分圖表方面提供的幫助。