γ能譜法在含鈾放射性廢水應急監測中的應用

劉宇航，黃英，杜元媛，古川，陳晗

(綿陽市輻射環境監測站，四川 綿陽，621000)

0 引言

放射性污染事故是重大突發性環境污染事故之一，由于放射性污染的特殊性，快速、準確的監測結果在事故應急響應過程中尤為重要[1]。

在現行標準監測方法中，含鈾放射性廢水樣品主要通過低本底α、β計數器測量其活度濃度或者通過微量鈾分析儀測量其質量濃度[2]。前者前處理過程繁瑣、制樣時間長；后者測量樣品放射性的種類較為局限，探測限較高，其測量結果的單位與監管規范中[3]規定的活度濃度限值不一致。

γ能譜分析方法具有前處理過程簡單、快速，無破壞性等優點[4-5]，能快速識別γ放射性核素種類，在測量樣品的放射性時被廣泛應用，隨著高純鍺γ能譜儀設備技術的發展，尤其是在低能段能量分辨率的提高，使得對一些常見的低能段的核素測量成為可能。

本文以某單位危險廢物庫中的一個含鈾放射性廢水樣品為實驗材料，探索γ能譜分析方法在該類樣品監測分析中的應用，以期縮短該類樣品的監測分析時間，提升應急監測的效率。

1 材料與方法

2019年3月27日，我單位接到應急監測任務，對采集于某單位的含鈾放射性廢水樣品進行總α分析和γ能譜分析工作。

總α分析按照我國環境行業標準《水質 總α放射性的測定 厚源法》[6]中規定的方法，使用ORTEC公司生產的MPC9604型總α、β計數器測量其總α活度濃度。

對于總α分析，從接樣、前處理到出分析數據，共耗時24 h，樣品總α活度濃度為41.0 Bq/L。對于γ能譜分析，樣品采集回實驗室以后，直接裝入樣品盒待測。

測量中使用兩種規格的樣品盒，待測樣品的信息及使用測量儀器設備情況見表1所列。

表1 待測樣品信息及測量儀器設備

γ能譜分析中使用的兩臺高純鍺γ能譜儀型號分別為ORTEC公司GEM35P4型和CANBERRA公司BE5030型。其中，GEM35P4型γ譜儀配備低本底鉛室，本底值為1.85 cps，對1 332.5 keV能量峰分辨率為1.85 keV；BE5030型γ譜儀配備777型超低本底鉛室，本底值為0.82 cps，對1 332.5 keV能量峰分辨率為1.7 keV。兩種設備探頭均配置有原廠表征文件，并通過效率校準源相互驗證[7]，本次實驗使用無源效率刻度進行核素活度濃度計算。測量依據國家標準《水中放射性核素的γ能譜分析方法》[8]和環境行業標準《應急監測中環境樣品 γ 核素測量技術規范》[9]。

2 實驗結果與討論

2.1 實驗結果

含鈾放射性廢水樣品不同測量活時間的γ能譜圖見圖1所示。

含鈾放射性廢水樣品γ譜分析，從接樣、前處理到得出分析數據，共耗時1～24 h不等，樣品中238U (234Th)活度濃度列于表2。

由表2可見，在γ能譜分析中，測量活時間越長，測量結果標準差越小。

通過對含鈾放射性廢水樣品γ能譜分析，樣品中主要γ核素為234Th，按首次測量75 987 s測量活時間譜圖計算，234Th活度濃度為41.63 Bq/L，與樣品總α活度濃度基本一致。通過比較兩個分析結果可知：樣品中主要含有238U和234Th，總α活度濃度主要為238U貢獻。

2.2 測量儀器設備與測量活時間的關系

在應急監測時，選用適當的γ能譜儀，能縮短測量時間，并提高測量結果的精度。圖2(a)、圖2(b)分別為相同待測樣品使用不同儀器設備測量結果與測量活時間的關系。

由圖2可見：不同測量活時間BE5030測量結果標準差都遠小于GEM35P4；當兩種設備測量結果標準差一致時，兩種設備最小時間效率比約為6∶1；大體積的待測樣品能提高測量精度。BE5030對低能段(40～200 keV)的分辨率遠優于GEM35P4，測量低能段核素時應選用該類儀器。

表2 含鈾放射性廢水樣品γ能譜測量結果

2.3 γ能譜法測量含鈾放射性廢水的可行性

238U為重核放射性核素，主要通過α輻射衰變，半衰期T1=4.468×109a；234Th是238U衰變鏈的中間子體，半衰期T2=24.1 d。234Th屬于重核放射性核素，主要發生α衰變，但同時也發射能量為63.29 keV的特征γ射線。γ能譜法測量238U活度濃度的理論基礎是：由于半衰期T1?T2，在不受到物理或化學的作用時，樣品中238U與234Th處于長期平衡狀態，可以認為兩者活度濃度相等[10]。

為驗證測量方法的可行性，對使用馬林杯樣品盒的樣品，在首次測量完成后的40天進行重復測量。假定以測量活時間最長的測值為約定真值，GEM35P4和BE5030測值分別為41.28、42.51 Bq/L。測量結果顯示，經過234Th 的1.65個半衰期后，234Th活度濃度與首次測量結果基本一致。可以認為238U與234Th處于長期平衡狀態，該方法用于238U活度濃度測量是可行的。

2.4 γ能譜法測量含鈾放射性廢水的準確性與快速性

對于γ能譜分析，以首次測量75 987 s活時間的測量值為約定真值，238U活度濃度為41.63 Bq/L。由于樣品中未發現其他α放射性核素，即含鈾放射性廢水樣品總放射性活度濃度為41.63 Bq/L，與總α分析結果基本一致。通過兩種實驗方法的結果比對，表明γ能譜法用于測量樣品中238U活度濃度是準確的。

在圖2(b)中，以馬林杯測量為例，假設測量活時間最長的結果為約定真值，GEM35P4測量活時間為3 600 s時，測量結果的相對偏差為+10.7%，BE5030為-3.4%，遠低于我國1980年代全國放射性水平調查時確定的相對偏差≤30%的規定[4]。γ能譜法在短測量時間內，測量結果可滿足相關要求，相比總α分析，體現出其快速性的優點，在應急監測中縮短了測量時間。

3 結語

(1) 在一定條件下，將γ能譜分析用于測量放射性廢水的活度濃度是可行的。γ能譜法具有快速、準確、可重復等特點，可在該類樣品放射性測量中推廣使用，特別是在應急監測中，能快速測量出放射性核素的種類和活度濃度，縮短測量時間。

(2) 在進行放射性廢水的γ能譜法測量時，選擇與待測樣品相適應的設備能有效縮短測量時間，提高測量精度。