地γ能譜測量方法在土壤內外照射指數上的可行性研究

王 嘯，汪伶俐

天津華北地質勘查局核工業二四七大隊，天津 301829

0 引言

工程場地土壤內外照射指數（Ira、Iγ）測定開始于2002年，是由國家質檢總局和建設部聯合發布實施的國家標準《民用建筑工程室內環境污染控制規范》[1]中提出的，目的是為了控制工程場地土壤中天然放射性核素238U（226Ra）、232Th和40K的比活度，從而控制土壤和室內空氣中氡濃度的水平。

目前，工程場地土壤內外照射指數的測定方法主要依據國家標準《建筑材料放射性核素限量》[2]和《土壤中放射性核素的γ能譜分析方法》[3]中提出的測量方法進行的。該方法是通過采集土壤樣品，并經過篩選、烘干、破碎等工序后，裝入標準樣品盒內，然后放入低本底鉛室內，利用多道γ能譜儀進行測量，通過對標準樣品的比對得出被測土壤中放射性核素238U（226Ra）、232Th和40K的比活度。就地γ能譜測量方法依據《地面伽馬能譜測量規范》[4]，是將儀器探頭直接放在平坦的地面上進行測量，通過一定的換算系數得出eU、eTh和K的含量。

本文就是通過在天津市濱海新區某擬新建民用建筑工程的場地，分別采用室內γ能譜法和就地γ能譜法對該場地土壤的內外照射指數進行測定，并對測定結果進行比對，以驗證就地γ能譜法在工程場地土壤內外照射指數測定方面的可行性。

1 工程場地概況

該場地位于天津市濱海新區內，總占地面積為4萬m2，主要是用于新建民用住宅建筑工程。場地范圍內的地表都被第四系沉積物覆蓋，主要成分為亞粘土和亞砂土，地表平坦度較好，無大面積積水和植被存在，周圍無放射源。

2 儀器設備及校準

2.1 儀器設備

2.1.1 就地γ能譜儀

采用的是核工業北京地質研究院研制的HD-2002型便攜式γ能譜儀，其儀器性能和技術指標為：能量分辯率：≤10%（對137Cs0.661MeV峰）；靈敏度：總道2×10-6，eU：2×10-6，eTh ：3×10-6， K ：0.5×10-2； 量 程 ：eU ：（2-l000）×10-6，eTh ：（3-1000）×10-6， K ：（0.5-100）×10-2；準 確 性 ：eU、eTh：E≤7%，eK： E≤12%。

2.1.2 室內γ能譜儀

采用的是美國ORTEC公司研制的GEM30P4型高純鍺多道γ能譜儀，其儀器性能和技術指標為：能量分辨率≤1.85KeV（對Co-60的1.33MeV）；相對探測效率≥30%；峰康比≥60；積分本底≤2.5s-1。鉛室的室壁厚10cm，內襯1mm銅和5mm的有機玻璃，內腔φ500×400mm。

所有儀器設備均經過核工業放射性勘察計量站檢定合格，獲得有效檢定證書。

2.2 儀器校準

由于就地γ能譜儀是采用直接測量的方法，所以在使用前需要對儀器進行校準，其目的是為了準確測定就地γ能譜儀的換算系數，換算系數的準確與否直接關系到測量結果的準確度，本次儀器校準由核工業放射性勘察計量站，依據《輕便窗式γ能譜儀檢定規程》[5]的要求，在地面放射性測量模型標準裝置上進行，校準程序及結果如下：

2.2.1 本底的測定

本底的測定是在標準本底模型(YB2)上進行的，結果見表1：

表1 本底模型法測定的本底

2.2.2 換算系數的測定

換算系數的測定在鈾（YU1）、釷（YTh1）、鉀（YK2）標準體源模型上進行，并將測得的換算系數置入γ能譜儀中，即可直接讀取測量結果。校準后確定的換算系數及含量計算公式如下：

式中：Nu、Nt、NK分別表示鈾、釷、鉀道扣除本底的每秒平均計數。

2.2.3 準確度驗證

利用測定的換算系數，在鈾、釷、鉀混合模型體源（YM1和YM2）上測定eU、eTh、K的含量，然后算出測定值與標準值間的相對誤差，結果見表2：

表2 準確度驗證結果

3 工作方法

3.1 就地γ能譜測量

3.1.1 測點布設

本次就地γ能譜測量采用20m×20m的均勻網格布置測線，各網格點即為測點，共布置測點100個。

3.1.2 測量

采用羅盤和測繩定位好測點后，將儀器探頭垂直放于平坦的地面上，以保證輻射立體角為2π。測量時間為60s，連續測量三次，將測量結果填入原始記錄表，并記錄測點的地質環境，測量方法嚴格按照《地面γ能譜測量規范》的要求進行。

3.1.3 質量保證措施

1）每日工作前后，在固定基點上對儀器進行比對測量，從而保證儀器的相對穩定性，選擇周圍環境穩定且無放射源的地面進行，測量方法與實際測量一致，并做好檢查記錄，要求eU、eTh、K含量的相對誤差不超過15%；

2）測量過程中每工作2小時和發現異常后均對儀器的工作狀態和有關參數進行檢查，并做好檢查記錄。

3.2 室內γ能譜測量

3.2.1 樣品采集及處理

樣品采集密度為1個點/5 000m2，采樣點布設要均勻，按采樣格子布點，每個采樣小格（5 000m2）范圍內采用梅花形布點，采樣深度為30cm，將每個小格內多點采集的土壤除去石塊、草根等雜物現場混合均勻后取2kg～3kg樣品裝入雙層塑料袋內密封。

樣品運至實驗室，除去雜物，置于搪瓷盤中晾干，鼓風干燥箱內110℃恒溫烘干至恒重，計算失水量。研磨過篩（50目）稱重后裝入與標準樣品相同形狀和體積的樣品盒中，密封，放置3～4周后測量。

3.2.2 測量方法

將處理好的樣品放入鉛室內，采用美國GEM30P4型低本底多道γ能譜儀進行測量，測量方法嚴格按照《土壤中放射性核素γ能譜分析方法》和《建筑材料放射性核素限量》的要求進行。此外還應測量空樣品盒本底和標準樣品，要求其相對探測器的位置應與被測樣品一致。為滿足測量技術統計誤差的要求，空盒本底、標準樣品和被測樣品的測量時間都為30 000s。

4 測量結果及分析比對

4.1 就地γ能譜測量結果

通過對100個點的測量結果的統計分析，直接測量結果見表3。該測量結果并不能直接用于內外照射指數的計算，為此需要將就地γ能譜測量的結果進行必要的換算，換算系數見表4，采用換算系數轉換后的結果見表5。經過換算后，即可采用公式（5）、（6）來計算土壤的內外照射指數，計算如下：

內照射指數（IRa）：0.11； 外照射指數（Iγ）：0.33

內照射指數外照射指數IRa=CRa/200 （5）

外照射指數：Iγ=CRa/370+CTh/260+CK/4200 （6）

式中：CRa 、CTh 、CK-分別為土壤中 238U（226Ra）、232Th、 40K的比活度，Bq/kg；

200，370，260 、4200-分別為各核素各自單獨存在時標準中規定的限量，Bq/kg；

表3 就地γ能譜測量的結果

表4 就地γ能譜測量結果換算系數

表5 就地γ能譜測量的結果

4.2 室內γ能譜測量結果

通過對8個采集樣品的室內γ能譜分析，結果見表6。

表6 室內γ能譜測量的結果

4.3 分析比對結果

就地γ能譜測量結果與室內γ能譜測量結果比對分析結果見表5.5，兩種測量方法以238U（226Ra）的相對偏差最大，為9.90%，；232Th和40K的符合性比較好，相對偏差分別為1.00%和1.98%；內照射指數（IRa）由于直接由238U（226Ra）計算得來的，所以其相對偏差較大，為6.07%；而內照射指數（Iγ）的相對偏差較小，為2.69%。

表7 就地γ能譜與室內γ能譜比對結果

5 結論

從兩種測量方法的比對結果可以看出，238U（226Ra）測量結果的相對偏差較大，這主要是由于就地γ能譜測量受大氣中氡、土壤濕度和鈾釷系放射性不平衡等因素的影響，其中以鈾釷系的放射性不平衡影響較大。在自然界中，由于鈾系子體的半衰期較長，其達到放射性平衡所需的時間也比較長，再加上物理、化學等自然因素的影響，所以鈾系的放射性平衡很容易被破壞，也就造成了就地γ能譜和室內γ能譜兩種測量方法在測量238U（226Ra）時產生一定的偏差，這在采用就地γ能譜測量時一定要注意到；而釷系中半衰期最長的核素228Ra為5.75a，只需要60a釷系就可以達到放射性平衡，所以釷系在自然界中總被人為是平衡的，所以兩種方法在測量232Th時，產生的偏差較小；40K為單一核素，且譜峰單一，易分辨，兩種測量方法產生的偏差也比較小。

與室內γ能譜相比，就地γ能譜有很多優點，比如不需要采集樣品、可現場獲得數據、測量時間短效率高、對測量對象無破壞性等，雖然也存在一些影響因素，但如果能夠采取一定的措施對這些因素進行控制的話，還是非常適宜于對工程場地土壤內外照射指數的測定。

[1]中華人民共和國國家標準.民用建筑工程室內環境污染控制規范 GB 50325-2010.

[2]中華人民共和國國家標準.建筑材料放射性核素限量GB6566-2010.

[3]中華人民共和國國家標準. 土壤中放射性核素的γ能譜分析方法 GB/T 11743-1989.

[4]中華人民共和國核工業行業標準.地面伽馬能譜測量規范 EJ/T 363-1998.

[5]中華人民共和國計量檢定規程.輕便窗式γ能譜儀檢定規程 JJG(核工) 021-1998.