羅茂丹,劉 佩,李 斌,李雪泓

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站,成都 610031)

· 環(huán)境輻射 ·

移動放射性化學(xué)實(shí)驗室中總α、總β放射性測量的優(yōu)化設(shè)計

羅茂丹,劉 佩,李 斌,李雪泓

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站,成都 610031)

總α、總β放射性測量給出的結(jié)果快、成本低，對大量放射性監(jiān)測樣品能起到快速篩選的作用，故它是核與輻射應(yīng)急監(jiān)測中非常重要和必要的測量項目。主要探討在移動放射性化學(xué)實(shí)驗室中，如何快速準(zhǔn)確的開展應(yīng)急環(huán)境樣品(水樣、固體樣品)總α、總β放射性測量，即提出優(yōu)化設(shè)計實(shí)驗方案。

移動放射性化學(xué)實(shí)驗室;總α放射性;總β放射性;優(yōu)化設(shè)計

1 移動放射性化學(xué)實(shí)驗室的背景介紹

眾所周知，核技術(shù)得到越來越廣泛的運(yùn)用，同時社會也更加重視核與輻射安全問題。提高輻射應(yīng)急監(jiān)測的能力是非常重要的一環(huán)，其能夠減小核事故對于社會穩(wěn)定和公眾安危的影響。世界上有核國家都建有完善的核應(yīng)急體系，其中包括核與輻射應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)。

一般而言，根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)的位置是否固定可以將核輻射環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)分類為兩大類：固定監(jiān)測系統(tǒng)和移動監(jiān)測系統(tǒng)。核輻射環(huán)境移動監(jiān)測系統(tǒng)是指核輻射探測儀器安裝在移動搭載平臺(車載、船載、機(jī)載)上或者通過移動搭載平臺運(yùn)輸至具有取樣代表性的地點(diǎn)快速安裝后，并通過無線通信方式與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收處理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，迅速完成對突發(fā)事故地點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)測，獲得特定區(qū)域的輻射環(huán)境場分布數(shù)據(jù)等功能[1]。車載核事故應(yīng)急監(jiān)測系統(tǒng)是目前使用比較多的一種移動監(jiān)測方式，移動放射性化學(xué)實(shí)驗室因為其快速響應(yīng)和機(jī)動能力的優(yōu)勢在實(shí)踐中發(fā)揮著重要作用。輻射應(yīng)急監(jiān)測中，利用移動放射性化學(xué)實(shí)驗室監(jiān)測人員能夠在事故現(xiàn)場進(jìn)行樣品放射性分析，避免了樣品送達(dá)后方實(shí)驗室的運(yùn)輸耗時和樣品管理的繁瑣環(huán)節(jié)[2]。

2 核與輻射應(yīng)急監(jiān)測中總α、總β放射性測量必要性與重要性

總α和總β放射性水平是指環(huán)境介質(zhì)中各種核素的α或β放射性活度等效值的總和，是環(huán)境介質(zhì)中放射性總體活度水平的反映[3]?？偊痢⒖偊路派湫詼y量主要針對一些長壽命α、β放射性核素，它不包括射氣及其子體的貢獻(xiàn)，也不包括3H、14C及碘等易揮發(fā)性物質(zhì)的放射性貢獻(xiàn)以及其他大量的短壽命人工放射性核素的貢獻(xiàn)[4～6]。

總α、總β放射性測量是最簡單的放射性化學(xué)分析過程之一，它給出的結(jié)果快、成本低，對大量放射性監(jiān)測樣品能起到快速篩選的作用[7]。在輻射應(yīng)急監(jiān)測中，總α、總β放射性測量主要作為早期的篩選手段，其測量意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)對輻射應(yīng)急樣品的污染水平進(jìn)行初步的判斷，為下一步是否進(jìn)行核素分析提供篩選依據(jù)。

(2)不清楚輻射應(yīng)急樣品的核素組成時，以總α、總β放射性水平代替單個核素進(jìn)行分析計算。

(3)環(huán)境樣品的總α、總β放射性測量為輻射環(huán)境污染狀況評估、防護(hù)行動決策等提供可靠的信息。

3 總α、總β放射性測量優(yōu)化設(shè)計實(shí)例的討論

3.1 實(shí)驗設(shè)計方案

3.1.1 移動放射性化學(xué)實(shí)驗室給總α、總β放射性測量帶來的限制

一旦發(fā)生核事故啟動輻射應(yīng)急監(jiān)測，移動放射性化學(xué)實(shí)驗室便會以最快的速度通往事故現(xiàn)場?，F(xiàn)場的實(shí)驗條件給總α、總β放射性測量帶來的種種限制，主要有以下幾點(diǎn)問題：

(1)在移動放射性實(shí)驗室的條件下，制備好的樣品源要滿足實(shí)驗方法及其設(shè)備的測量需求。

(2)考慮到輻射應(yīng)急監(jiān)測時效性的特點(diǎn)，需要盡量縮減樣品預(yù)處理的過程以節(jié)約時間。

(3)結(jié)果的準(zhǔn)確性。選擇最佳的樣品測定時間，既能滿足輻射應(yīng)急監(jiān)測需要足夠測量速度的特點(diǎn)，又能保證分析。

3.1.2 實(shí)驗方案

3.1.2.1 測定儀器的選擇

在相同測量精度條件下，就測量效率而言，液體閃爍計數(shù)器最高，流氣式正比計數(shù)器次之，而固體閃爍計數(shù)器最低。但是本實(shí)驗設(shè)計方案中，需要著重考慮的是移動放射性化學(xué)實(shí)驗室的客觀條件。是否適宜安裝在移動實(shí)驗室里是選擇測量儀器的首要標(biāo)準(zhǔn)。

流氣式正比計數(shù)儀本底低，還能實(shí)現(xiàn)多道同時測定總α、總β放射性活度，這對于常規(guī)實(shí)驗室的實(shí)驗操作非常合適。但在移動放射性化學(xué)實(shí)驗室中就不太適宜，因為流氣式正比計數(shù)儀需要配備氬甲烷氣瓶，不太安全也裝載困難。另外，液體閃爍法只適合水中總α、總β放射性測量，因此液體閃爍計數(shù)儀只能運(yùn)用于水樣的測定中，同時液體閃爍儀測量前需要避光數(shù)個小時。相比之下，固體閃爍計數(shù)儀更適合裝載在移動放射性化學(xué)實(shí)驗室上，它不需要配備任何工作氣體，同時輻射應(yīng)急監(jiān)測條件下應(yīng)急樣品的總α、總β放射性活度相對較高，在一定程度上克服了固體閃爍計數(shù)儀較高本底的缺點(diǎn)。考慮到移動放射性化學(xué)實(shí)驗室的空間限制，選擇LB1008一路低本底α、β測量儀，儀器見圖1。

圖1 LB1008一路低本底α、β測量儀Fig.1 LB1008 low-background α, β measuring instrument

LB1008一路低本底α、β測量儀是由一個獨(dú)立低本底α、β主探頭和一個反符合探頭組成，具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等特點(diǎn)。該測量儀采用工業(yè)級計算機(jī)使得系統(tǒng)運(yùn)行更加安全、穩(wěn)定。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測量過程全自動化：即高壓及閾值的調(diào)節(jié)、測量過程的控制、數(shù)據(jù)收集和處理均由計算機(jī)完成[8]。這一特點(diǎn)在一定程度上縮短了數(shù)據(jù)處理的時間，非常適合輻射應(yīng)急監(jiān)測。

3.1.2.2 分析樣品

本文探討的總α、總β放射性測量的分析樣品包括環(huán)境水樣和固體樣品，其中固體樣品包括土壤和礦物。

3.2 實(shí)驗過程

3.2.1 主要儀器和設(shè)備

(1)LB1008一路低本底α、β測量儀(中國計量科學(xué)研究院研制)。

(2)兩聯(lián)電爐：220V，1kW。

(3)分析天平：感量0.1mg。

(4)不銹鋼樣品盤：直徑45mm，帶有邊沿，載樣面積15.896cm2或者直徑20mm，帶有邊沿，載樣面積3.142cm2，分別詳見圖2、圖3。不同的樣品盤放在不同的樣品源托上，可以根據(jù)具體情況選擇大小不同的樣品盤。

(5)烘箱。

(6)干燥器。

(7)微波馬弗爐。

(8)瓷坩堝，100mL 。

(9)紅外燈。

(10)研缽。

(11)篩子：100目。

圖2 直徑45mm樣品盤Fig.2 Diameter 45mm sample tray

圖3 直徑20mm樣品盤Fig.3 Diameter 20mm sample tray

3.2.2 主要儀器和設(shè)備

(1)α標(biāo)準(zhǔn)源粉末：241Am標(biāo)準(zhǔn)粉末，比活度為11.6Bq/g。

(2)β標(biāo)準(zhǔn)源粉末：40K標(biāo)準(zhǔn)粉末，比活度為14.1Bq/g。

(3)無水乙醇：分析純。

(4)硫酸：分析純。

(5)去離子水。

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)源制備

分別取一定量的241Am標(biāo)準(zhǔn)粉末、40K標(biāo)準(zhǔn)粉末放入烘箱，經(jīng) 105℃ 烘干1h，在將其放置于干燥器內(nèi)冷卻。準(zhǔn)確稱取0.1Amg(A為樣品盤面積mm2)于樣品盤內(nèi)，滴幾滴無水乙醇，并用玻璃棒將盤內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)粉末均勻鋪平。將鋪好的標(biāo)準(zhǔn)源置于紅外燈下烘干，再放入干燥器里冷卻待用。α、β標(biāo)準(zhǔn)源均需要制備多個平行樣。

3.2.4 本底測量

打開LB1008一路低本底α、β測量儀，預(yù)熱半個小時之后，分別放置4個干凈的空樣品盤連續(xù)測定其本底計數(shù)率。測量時間一般取10h，每次測量時間選為T=3600s，共測10次，然后求出平均值。本底測量在日常定期測定，一個空樣品盤也固定用于本底測量，便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計與比對。直徑45mm或者直徑20mm的樣品盤的本底都需要測定，并做好記錄。 在輻射應(yīng)急監(jiān)測測量樣品時，只要用本底均值參加運(yùn)算即可，可以節(jié)約大量時間。

3.2.5 標(biāo)準(zhǔn)源效率刻度

α、β標(biāo)準(zhǔn)源效率刻度同樣需要針對直徑45mm或者直徑20mm的樣品盤分別進(jìn)行。選擇合適的測定時間，刻度結(jié)果為多個平行樣源的平均值，以保證效率刻度的準(zhǔn)確性。

α標(biāo)準(zhǔn)源效率按公式(1)進(jìn)行計算。

式中：

β標(biāo)準(zhǔn)源效率按公式(2)進(jìn)行計算。

式中：

前3個實(shí)驗步驟即(3.2.3～3.2.5)都需要在日常工作中完成，輻射應(yīng)急監(jiān)測中只需要將相關(guān)結(jié)果參加運(yùn)算就可以了。

3.2.6 樣品預(yù)處理

樣品預(yù)處理在輻射應(yīng)急監(jiān)測中是一個亟待解決的難點(diǎn)。對于固體樣品，直接用分析天平稱取0.1Amg(A為樣品盤面積mm2)于樣品盤內(nèi)便可以進(jìn)行樣品源的制備。但對于水樣就涉及到水樣蒸發(fā)、硫酸鹽化、灼燒等一系列問題。因此，樣品預(yù)處理分水樣和固體樣品來分別解決。

3.2.6.1 水樣

(1)水樣蒸發(fā)

考慮到應(yīng)急監(jiān)測的時效性，針對水樣測定選擇直徑較小的樣品盤(直徑為20mm)進(jìn)行測定，測定所需的固體殘渣量0.032g左右。量取1.0L水樣分兩次加入兩個1L燒杯中，每個燒杯加入水樣500mL，在電爐上加熱維持微沸(防止水樣暴沸濺出燒杯外)，蒸發(fā)濃縮至50mL左右。將濃縮液全部轉(zhuǎn)入經(jīng)350℃±10℃恒重的100mL瓷坩堝中。用裝有去離子水的洗瓶充分洗滌燒杯，將洗滌液并入瓷坩堝中。經(jīng)過如此的簡化處理，之前需要8～12h的水樣蒸發(fā)過程可以節(jié)省很多時間，大概2～4h便可完成，能適應(yīng)輻射應(yīng)急監(jiān)測的需要。

(2)硫酸鹽化

為了避免灰化后的殘渣吸潮影響鋪樣和測量，根據(jù)水樣的具體情況，對于有些樣品需要進(jìn)行硫酸鹽化。吸取1mL濃硫酸加入瓷坩堝，與濃縮液充分混合。把瓷坩堝放在紅外燈下，加熱直至硫酸冒煙。再將瓷坩堝轉(zhuǎn)移至電爐繼續(xù)加熱、蒸發(fā)至干。

(3)灼燒

將瓷坩堝放入微波馬弗爐中，在350℃±10℃下溫度下灼燒1h以后取出，放于干燥器中冷卻至室溫。準(zhǔn)確稱量，用差量法求得灼燒之后固體殘渣的重量m。

(4)樣品源制備

將稱量過的固體殘渣用不銹鋼勺子刮下，并在瓷坩堝將其研細(xì)混勻。稱取0.032g左右殘渣粉末于樣品盤中，其他與標(biāo)準(zhǔn)源制備(3.2.3)相同。

3.2.6.2 固體樣品

(1)樣品處理

將固體樣品置于烘箱中，在105℃下烘干。稱取約1g已烘干的樣品放于干凈研缽中研磨成粉末，再通過100目篩子過篩。

(2)樣品源制備

準(zhǔn)確稱取過篩的固體粉末0.1Amg(A為樣品盤面積mm2)于樣品盤內(nèi)，固體樣品選擇直徑較大的樣品盤(直徑為45mm)進(jìn)行測定，故稱取的固體粉末大約160.0mg。其他與標(biāo)準(zhǔn)源制備(3.2.3)相同。

3.2.7 樣品源測量

從干燥器中取出制備好的樣品源，送入儀器內(nèi)測量，儀器工作條件與3.2.4及3.2.5保持一致。測定時間可以根據(jù)輻射應(yīng)急需要進(jìn)行合理選擇。一般水體樣品選擇200min,固體樣品選擇100min。

3.2.8 計算

水樣中總α、總β放射性活度按下式(3)計算：

(3)

(4)

固體樣品中總α、總β放射性活度按式(5)、(6)計算：

(5)

(6)

式中：

c(α),c(β)——測得的樣品中總α總β活度濃度，Bq/L或者Bq/kg。

εs(α),εs(β),——α、β標(biāo)準(zhǔn)源效率,%。

V——水樣體積，L。

m——從V升水樣蒸干，灼燒后所得的總殘渣量,mg。

mb——被測樣質(zhì)量,mg。

A——修正系數(shù)，在默認(rèn)情況下,A=1。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 樣品測定結(jié)果

3.3.1.1 本底測定

按照實(shí)驗方案對LB1008一路低本底α、β測量儀進(jìn)行本底測定，本底結(jié)果見表1。

表1 本底測量結(jié)果Tab.1 Results of background measurement

3.3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)源效率測定

按照實(shí)驗方案對LB1008一路低本底α、β測量儀進(jìn)行α、β標(biāo)準(zhǔn)源效率刻度，并且針對不同直徑(45mm或者20mm)的樣品盤均進(jìn)行，α、β標(biāo)準(zhǔn)源效率測定結(jié)果見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)源效率測定結(jié)果Tab.2 Test results of standard source efficiency

3.3.1.3 樣品測定結(jié)果

用本實(shí)驗方案對10個樣品進(jìn)行了總α、總β放射性活度測定，其中包括5個水樣，5個固體樣品，同時分別抽取40%的樣品進(jìn)行平行雙樣的分析。樣品測量結(jié)果見表3。對于水樣，采用的是直徑20mm的樣品盤，對于固體樣品則是采用直徑45mm的樣品盤。

表3 樣品總α、總β比活度檢測結(jié)果Tab.3 Test results of gross alpha and gross beta activity in samples

同時，在實(shí)驗室中將10個樣品用MPC9604四路流氣式低本底α、β測量儀進(jìn)行總α、總β放射性測量?？偊练派湫詼y量采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法，總β放射性測量則采用薄樣法。

將兩者的測量結(jié)果進(jìn)行匯總、對比，詳見表4。

表4 樣品總α、總β比活度對比檢測結(jié)果Tab.4 Comparison results of specific activity of gross alpha and gross beta measurement

3.3.2 測定結(jié)果分析

3.3.2.1 測定結(jié)果不確定來源以及改進(jìn)方法

根據(jù)樣品中總α、總β放射性活度的數(shù)學(xué)模型(3)～(6)和不確定的評定程序，影響其不確定度的因素主要是儀器測量樣品源、儀器效率刻度以及制樣的分散性三個方面。若要減少測量不確定度，在實(shí)際操作中，可以從以下幾個方面進(jìn)行改進(jìn)。

(1)日常工作中，對儀器進(jìn)行必要的檢定和維護(hù)，以保證儀器在輻射應(yīng)急監(jiān)測中能正常使用。

(2)盡量使用直徑大的測量盤，使計數(shù)增大，提高儀器靈敏性。因此，對于固體樣品依然選用較大的測量盤，即直徑為45mm的測量盤。

(3)提高計數(shù)，盡量延長樣品測定時間，提高樣品的計數(shù)，從而提高測量質(zhì)量。不能為了輻射應(yīng)急監(jiān)測的時效性，就無限的減少樣品測量時間。必須保證必要的樣品測定時間，保證樣品測定的準(zhǔn)確性。

(4)控制本底。固定一個清潔的測量空盤定期測量本底，并繪制本底質(zhì)控圖，同時要定期對低水平的放射性裝置進(jìn)行本底是否滿足泊松分布的檢驗，以確保本底的穩(wěn)定性和可靠性。

(5)制源要非常的小心，將樣品盤中的樣品研磨均勻，鋪平?？潭葍x器效率的標(biāo)準(zhǔn)源的質(zhì)量必須與制源的樣品保持一致。

(6)分析人員必須具有上崗證，在操作過程中要嚴(yán)格按照實(shí)驗操作規(guī)程，熟練、準(zhǔn)確、細(xì)致。

3.3.2.2 結(jié)果分析

在移動放射性實(shí)驗車上，用輻射應(yīng)急監(jiān)測優(yōu)化設(shè)計實(shí)驗方案對10個樣品進(jìn)行總α、總β放射性活度分析，再將這10個樣品在實(shí)驗室中按常規(guī)實(shí)驗方法進(jìn)行放射性測定，將兩者的分析結(jié)果進(jìn)行比對，詳見表4。通過兩者的結(jié)果比對，用兩種方法測量10個總α、總β放射性活度的相對偏差在30%[7]以內(nèi)，均在可以接受的相對偏差范圍內(nèi)，在一定程度上證明該優(yōu)化設(shè)計實(shí)驗方案的可行性以及該方案分析測量的準(zhǔn)確性。同時，在5個水樣中有2個樣品進(jìn)行了平行雙樣分析，在5個固體樣品同樣也有2個樣品進(jìn)行了平行雙樣分析。從表4可以看出，4對平行樣相對偏差均在15%以內(nèi)，說明按照優(yōu)化設(shè)計實(shí)驗方案進(jìn)行環(huán)境樣品的總α、總β放射性活度測定，實(shí)驗結(jié)果精密性比較好。

因此，優(yōu)化設(shè)計實(shí)驗方案的分析結(jié)果具有準(zhǔn)確性和精密性。在輻射應(yīng)急響應(yīng)行動要求“快速”的前提下，按照優(yōu)化設(shè)計方案通過分析仍可正確反映出實(shí)時的輻射環(huán)境狀況，為應(yīng)急決策的快速制定提供了重要的依據(jù)，證明了優(yōu)化設(shè)計方案在核與輻射應(yīng)急監(jiān)測中的可行性。

[1] 汪 偉．核事故應(yīng)急輻射環(huán)境實(shí)時移動監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]．杭州：浙江大學(xué)，2006．

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Optimization Design of Gross Alpha and Gross Beta Radioactivity Measurement Methods in the Mobile Radioactive Laboratory

LUO Mao-dan,LIU Pei,LI Bin,LI Xue-hong

(SichuanRadiationEnvironmentalMonitoringCenter,Chengdu610031,China)

Because of fast and low cost of the measurement of gross alpha and gross beta radioactivity, it can rapid screen a large number of radiological monitoring samples, thus, it is important and necessary monitoring parameters in the mobile radioactive laboratory. This paper is focusing on how to quickly and accurately measure gross alpha and beta activities in emergency environmental samples monitoring such as water, solid samples, in mobile radioactive laboratory, and the optimization experiment design is proposed.

The mobile radioactive laboratory;gross alpha radioactivity;gross beta radioactivity;optimization design

2017-03-10

羅茂丹(1983-)，女，四川達(dá)州人，2014年畢業(yè)于四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)，工程師，碩士，研究方向為輻射環(huán)境監(jiān)測。

X837

A

1001-3644(2017)03-0095-07