水中總α、總β放射性實驗的影響因素及測量方法討論

唐樺明，張瑋亮，羅海恩，韓帥帥，楊冠東，鐘 瑜

(中科檢測技術服務(廣州)股份有限公司，廣州 510650)

分析水中的總α、總β放射性活度可以快速有效地篩查和判斷水體的放射性情況。我國國家標準規定了生活飲用水及其它水源水中總α、總β放射性的測量方法。李周等人曾研究過低本底測量儀的串道現象對實驗結果的影響因素，提出使用遮擋物的方法屏蔽樣品中的α射線用以減少α道對β道的影響[1]。格日勒滿達呼等人提出了粉末標準物質修正的方法減少α串道的影響[2]。但相關文獻中鮮有針對串道影響的修正計算。另外，在實際測試中，發現標準方法提供的標準曲線法有時擬合效果不佳，對測試結果產生一定影響；同時，低本底探測器測得的樣品計數值與放置時間也有明顯的關系，文獻中鮮有相關的數據支持。

本文通過一系列比較實驗，發現用線性擬合標準源的“質量厚度-凈計數率”曲線，結果良好。此外，在前人的研究基礎上，提出串道因子對實驗結果的修正計算。最后，本研究首次通過熱釋光測試方法探討測試初期計數偏高的現象，以獲得影響樣品源計數的因素，以此提出合理化的建議提高實驗計數的準確度。

1 實驗方法

1.1 主要儀器與試劑

六路低本底α、β測量儀(LB-6，北京高能科迪科技有限公司)；馬弗爐(上海博迅實業有限公司)；釋光測量儀(SL08，廣州瑞迪愛生科技有限公司)；241Am粉末源(10.3 Bq/g，中國原子能科學研究院)；40K粉末源(14.4 Bq/g，中國原子能科學研究院)；硝酸(優級純，廣州化學試劑廠)；硫酸(優級純，廣州化學試劑廠)；無水乙醇(分析純，天津市大茂化學試劑廠)。

1.2 水樣來源

實驗使用的井水來源于廣東云浮郁南縣居民飲用水，地下水來源于廣西貴港市、廣州市增城區的環境監測井，自來水來源于廣州市天河區、海珠區，防水材料來源于西安某材料公司，水源水來源于內蒙古呼和浩特市，采用隨機選樣方式。

1.3 水中總α、總β放射性測量

實驗方法和活度計算參考國家標準[3]，對于井水、生產用水、自來水等各類水樣，均采用聚乙烯桶采集水樣，將水樣進行酸化、蒸發濃縮等處理，最后加入硫酸使之轉化為硫酸鹽，在馬弗爐中以350 ℃灼燒1 h，取出殘渣，用研缽研磨至均勻粉末狀后轉移至樣品盤中制備成樣品源，再用低本底α、β測量儀測量。本底計數率對測量結果的離散度有影響，本底計數率越高，測量結果的標準偏差越大，因此實驗時應保證測量條件對本底測試的影響最小，選用清潔過的本底計數較低的樣品盤。

標準曲線法的操作如下：分別稱取0.5S、1S、2S、5S、7S、10S、12.5Smg(S為樣品源活性區面積，15.89 cm2)的標準物質粉末(241Am、40K)于樣品盤中，加入無水乙醇鋪平，制備一系列不同質量厚度的標準源，在低本底α、β測量儀上進行測量獲得計數。按照式(1)計算獲得計數效率：

(1)

式中，εx為α或β的計數效率；ns為標準源α或β的計數率，計數/s；n0為測量儀的本底計數率，計數/s；A為樣品盤中標準物質粉末的放射性活度，Bq。

1.4 熱釋光測試

熱釋光是指材料吸收了能量后，通過加熱材料使其釋放光信號的現象。在水中總α、總β上機測量過程中，部分樣品源在測試初期會出現計數偏高的現象，尤其是樣品制備完畢后立刻測量，這種現象更為顯著。為了探究其原因，本文采用熱釋光的測試方法了解樣品源的發光現象與樣品溫度的關系。

取一定質量的樣品，用紅外燈照射一定時間后，置于熱釋光測量儀中測試二維發光曲線，溫度范圍為室溫至300 ℃，升溫速率為5 ℃/s。

2 實驗結果與分析

2.1 標準曲線法的討論

在本實驗中選用通道1、2進行分析。國家標準中推薦標準源的質量厚度D(mg/cm2)與計數效率εx的計數效率曲線作為標準曲線，用以評價標準物質與儀器響應之間的函數關系[3]。如圖1所示，根據標準中推薦的方法，將標準源的質量厚度D與計數效率的關系按線性、指數、冪、對數等函數進行擬合，曲線擬合的相關系數R2列于表1。

圖1 標準源的質量厚度與計數效率的關系曲線

表1 標準源質量厚度與計數效率的擬合結果

圖2所示為標準源的質量厚度D與凈計數率nx的關系曲線，按線性、指數、冪、對數等函數進行擬合，曲線擬合的相關系數R2列于表2。

圖2 標準源的質量厚度與凈計數率的關系曲線

表2 標準源質量厚度與凈計數率的擬合結果

由圖1、圖2結果可以看出，標準源質量厚度與凈計數率的擬合結果比較理想，尤其是β道的擬合結果。由圖2(a)可以看出，隨著標準源質量厚度的增加，α凈計數率與質量厚度呈線性關系，在質量高時趨向飽和。如公式(1)所示，計數效率與標準源的凈計數率和活度有關，當樣品盤中標準源的質量厚度增加時，由于凈計數率和活度同時增加，二者的比值變化幅度很小，計數效率與質量厚度不一定能達成明顯的線性關系。

由于指數、冪、對數函數的擬合結果計算復雜，在實際應用中有不便。考慮到上機測試時多數測量儀配置的軟件僅提供計數效率輸入端口，實驗中可通過線性擬合結果獲得凈計數率，再計算出計數效率，進行上機測試。

2.2 串道的影響與修正

標準源制備完畢后，放置在同一通道中(以第6路通道為例)，以一個標準源樣品在同一通道測量10個周期后取計數平均值作為平均計數(每周期1 h)。表3為在不同標準源的測試條件下活度與平均計數的關系。由表3可見，隨著α放射性活度的增加，α計數對于β計數的串道干擾明顯；在β放射性活度增加的情況下，α計數保持穩定且處于較低的水平。這一結果與文獻報道[2]的結論相符合。

表3 α與β放射性活度對串道的影響

串道因子是低本底射線測量儀測量單獨的α(β)標準物質時，獲得的β計數與α計數(α計數與β計數)之比[2]。以α-β串道修正為例，α-β串道修正因子χα→β為：

(2)

由表3的數據，獲得樣品活度A與串道修正因子χα→β的關系曲線，如圖3所示，通過曲線擬合得到計算公式。實際應用中，可以通過擬合公式計算獲得不同活度對應的串道修正因子χα→β。

圖3 樣品活度A與串道修正因子χα→β的關系曲線

當β凈計數率足夠高時(超過本底計數31.7倍)，也會對α計數產生影響[1]。日常生活飲用水、地下水等水樣的總α、總β放射性活度不高，一般通道之間的串道干擾可以忽略[4-6]。然而對于α通道對β通道產生的串道干擾，在水樣放射性活度可能較高的情況下，如檢測醫療污水(標準GB 18466—2005 醫療機構水污染排放標準)中的總α、總β放射性活度時，可能需要進行修正[7]：

n′β=nβ-nα·χα→β

(3)

其中，nα、nβ分別為測量儀獲得的α、β原平均計數率；n′β為修正后的β平均計數率。

因此，樣品源的β放射性體積活度的計算公式為：

(4)

式中，Aβ為水樣中總β放射性活度濃度，Bq/L；n0為本底計數率；W、m分別為水樣殘渣總質量和樣品盤中殘渣質量，mg；V為水樣體積，L；εβ為β計數效率；F為放射性回收率。

2.3 影響計數的因素

在標準[3]中提到，用紅外燈加熱蒸干樣品的方式可以防止濺出，避免損耗。為了獲得紅外燈加熱對實際計數的影響，實驗中選用地下水、井水、防水材料浸泡液、自來水、水源水若干，按照標準的方法制備為樣品源后，放置在干燥環境中48 h，避免氡對計數值產生影響。再用紅外燈干燥15 min，在樣品盤仍有余熱時，以1 h為一個周期，測量10 h內計數值的變化，實驗結果如圖4所示，可以觀察到部分樣品源在前1 h的計數值略高于平均水平。將該批樣品靜置在環境中若干小時，用電陶爐低溫干燥后，在樣品盤仍有余熱時，重新進行計數，其α、β平均計數未出現上述情況。

圖4 樣品源在紅外燈下干燥15 min后的計數值(cph)

收集該批次水樣的殘渣，稱取相同的質量，用熱釋光測量儀進行測量，獲得樣品源溫度與發光強度的關系曲線，如圖5所示。

圖5 樣品源的熱釋光曲線

設置樣品源在300 ℃退火5 min，再置于紅外燈下輻照1 min，用熱釋光測量儀在相同的條件下進行測量，其發光曲線如圖6所示。

圖6 紅外燈照射1 min后樣品源的熱釋光曲線

由圖5和圖6的結果可以推斷，水樣殘渣的成分復雜，加入硫酸后，在灼燒的過程中合成硫酸鹽，其成分的不同導致樣品的缺陷能級各異，在吸收了能量后產生不同的熱釋光峰[8]。樣品在高溫灼燒時，已實現了一次退火的過程，因此圖5說明，樣品在退火完畢到進行測試期間，吸收了外界的能量(天然本底輻射或其它非電離輻射)，產生了比較明顯的熱釋光峰，發光峰溫基本在100 ℃左右，從室溫到發光峰溫之間可見明顯的光強增長的趨勢。事實上這一部分信號是不穩定的，在常溫下可衰退。一般而言，熱釋光測量儀的探測器是由光電倍增管和電子線路組成，對微弱的光信號靈敏，而低本底測量儀也內置了光電倍增管。推測是貯存在樣品源中的微弱能量在常溫中釋放，經設備內部的光電倍增管放大，在水中總放射性測量時對數據產生干擾。

另外，由圖6可以觀察到，水樣殘渣在紅外燈的照射下，其發光強度隨溫度的升高而增加。相較于圖5的測量結果，發光峰面積整體減少，部分發光峰向高溫方向偏移。結合圖4的結果，說明在紅外光照射下部分樣品吸收了能量，發光峰的異同也說明了樣品成分的區別。可以推斷，隨著紅外燈照射時間的增加，發光峰的面積逐漸增大，但是由于照射的同時樣品受熱導致溫度升高，加速了貯存在“陷阱”里的能量衰退的進程。

實驗用紅外燈(功率250 W左右)在加熱幾分鐘內溫度可上升至200 ℃以上。加熱干燥樣品后，樣品源應在低本底常溫干燥環境中放置2 h以上，待貯存在“陷阱”中的信號釋放完畢后，再進行上機測試，可避免其它信號對實驗數據產生干擾。

3 結論

(1)使用標準曲線法進行實驗時，可考慮通過質量厚度和凈計數率的關系曲線，獲得樣品源的凈計數率，再計算出對應的計數效率，進行上機測試。

(2)隨著α放射性活度的增加，α計數對于β計數的串道干擾明顯；在β放射性活度增加的情況下，α計數保持穩定的水平。日常生活飲用水、地下水等水樣的總α、總β放射性活度不高，一般通道之間的串道干擾可以忽略。測量放射性活度可能比較高的醫療污水時，α通道對β通道產生的串道干擾應進行修正。

(3)水樣加入硫酸后，在高溫灼燒的過程中合成硫酸鹽。這類物質吸收外界能量后，在降溫過程中容易產生光信號，可能干擾水中總放射性的測試。在常規實驗中，用紅外燈干燥足夠長的時間(>10 min)，并貯存在低本底干燥的環境中，待完全冷卻后(放置>2 h)進行測量。