水中γ核素放射性實驗過程中的問題探討

胡志強，劉傳秋，陳金鵬

（山東省東營生態環境監測中心，山東 東營 257100）

引言

水中的放射性核素主要來自于巖石、土壤以及空氣中的放射性物質。巖石、土壤中的天然放射性物質會通過降雨、降雪等方式形成水溶物，這些帶有放射性核素的水溶物會流到地下水、河流當中。此外，在核設施運行和生產過程中、含鈾等天然放射性核素礦石的開采、加工、精煉等過程也會形成帶有放射性物質的氣溶膠，這些氣溶膠會隨著降雨降雪等過程帶入水中[1]。若人們攝入的飲用水中含有超劑量的放射性物質，會引起慢性或急性輻射病，使人出現毛發脫落、嘔吐、貧血、壽命縮短甚至死亡的情況[2]。由于水中絕大部分放射性核素都會發生γ衰變，通過測量γ核素可以快速全面地對水中放射性核素種類進行定性，通過γ射線活度濃度可以對水中的放射性核素進行定量。因此，水中γ核素放射性監測至關重要[3]。

1 實驗原理

去除水中的雜物，通過蒸餾減容的方法將水進行濃縮，裝入馬林杯，密封后待測，并利用高純鍺γ譜儀對制好的水樣品進行放射性測量，通過對譜圖進行分析計算得到水樣品的活度濃度[4]。

1.1 實驗儀器

高純鍺（HPGE）γ譜儀（GEM60P4-83型，美國ORTEC）、相對探測效率為60.6%，Co-60在1 332 kev處的能量分辨率（半高寬）為1.75 kev，分析軟件GammaVision、數字化多道分析儀DSPEC jr2.0、UPS備用電源。

1.2 水樣品的預處理

用蒸發濃縮法對淡水樣品進行預處理，即將待處理的水樣轉移到燒杯中，并記錄好樣品量，再通過電熱板等加熱裝置對水樣品進行蒸發減容，溫度控制在70 ℃以下，避免蒸發時碘等易揮發核素的損失。在濃縮過程中，當樣品需要轉移時，用蒸餾水或者水樣品對使用過的容器進行洗滌，然后將洗液加入到蒸發燒杯中。用淀帚認真擦洗壁上的吸附物，并將洗液匯集到蒸發燒杯中，待濃縮完成后將樣品放置冷卻，匯集到馬林杯中，密封待測[4]。

1.3 測量方法

對水標準源、帶盒本底、水樣品進行測量，確保水樣品的性狀、體積、均勻性等特征與水標準源保持一致，通過效率刻度法[5]，即通過高純鍺γ譜儀對標準源進行測量得到譜圖，在譜圖的50～3 000 kev能量區間內，選擇7個能量的無干擾全能峰，刻度其效率，并用GammaVision分析軟件對這些效率進行擬合，得到效率曲線，通并過公式（1）[5]得到水樣品的活度濃度。

式中，Q表示待測樣品中第i種核素的活度濃度；A表示待測樣品的第i種核素的全能峰凈面積；Aib表示帶盒本底的第i種核素的全能峰凈面積；W表示待測樣品的樣品量；t表示測量時間；εi表示第i種核素的全能峰效率；Pi表示第i種核素被選定特征峰的分支比。

2 結果討論

2.1 水樣品預處理方法的改進

在實驗過程中，利用《水中放射性核素的γ能譜分析方法》（GB/T 16140-2018）[4]中蒸發濃縮法直接對水樣品進行蒸發減容，濃縮后會導致部分水樣品中（例如地表水、地下水）的有機物等物質濃縮以后形成固態物質，導致樣品不均勻，進而影響與有源效率刻度的符合性，進一步影響數據的準確性。對此，向不測量碘核素的水樣品中加入濃硝酸，使水樣品的pH值保持在1～2之間，使濃縮以后得到的水樣品更加均勻，與標準源符合性更高，數據更準確。同時，可以對水樣品進行抽濾，避免水中存在的雜物和大顆粒物質影響實驗結果的準確性。

2.2 測量樣品的最佳時間

根據需要監測核素的半衰期確定測量時間，I-131的半衰期為8.05天，若需要測量的水樣品為I-131，則需要在8.05天內完成測量，超過半衰期I-131衰變完全，就無法對I-131進行有效測量；對于運用子母體平衡原理測量的核素，則需要子體放射性核素與母體放射性核素在密封條件下充分平衡后，子體放射性核素的活度等于母體放射性核素的活度，再進行測量，平衡時間一般是子體放射性核素半衰期的3～5倍[6]，例如Th-232和Ac-228，由于Th-232的特征峰干擾較多，所以選擇通過測量其子體放射性核素的活度來獲得母體放射性核素的活度，Ac-228的半衰期為6.13小時，則Th-232和Ac-228的平衡時間為1天左右，因此應在1天之后對Ac-228進行測量獲得Ac-228的活度，從而利用子母體平衡原理計算出Th-232的活度。

2.3 本底測量對數據結果的影響

由于部分水樣品的個別核素活度濃度較低，因而本底測量對數據的結果會產生直接影響，詳見表1。

表1 相對測量效率及本底統計

本底的數值會隨著環境的變化、儀器的老化等而發生變化，因此對實驗室P型高純鍺γ譜儀的相對效率和空白本底計數（63.29 kev、609.31 kev、1 461 kev）進行了每月一次（連續12個月）的統計（數據見表1中1～12行），每天一次（連續3天）的本底測量（數據見表1中13～15行）。由表1中1～12行每月數據可知，高純鍺γ譜儀的相對測量效率相對穩定，三個能量處的本底計數會發生小范圍波動。觀察表1中13～15行每天數據可知，短時間內三個測量能量處的本底計數變化很小。由公式（1）可知，本底的升高或降低會直接影響測量結果，本底計數的小范圍波動會對樣品中活度濃度較小核素的測量結果產生較大影響，對活度濃度較大的核素測量結果影響很小[7]，因此測量低活度濃度樣品與測量本底間隔的時間應盡可能地縮短。

長時間用來測量高活度濃度樣品（例如：核設施液態流出物等）的高純鍺γ譜儀應當與測量低活度濃度樣品（例如：飲用水、地表水等）的譜儀分開使用，長時間測量高活度樣品的高純鍺γ譜儀實驗室的本底會受到樣品放射性的影響，部分核素的γ射線半衰期非常長，一旦升高，短時間之內無法恢復，因而在高活度環境本底下，使探測下限升高，無法準確地對低活度的水樣品進行定性定量。

下雨天氣時空氣濕度會升高，空氣中的Rn-222會迅速升高，Rn-222和Ra-226同屬于U-238衰變系列，Bi-214是兩者衰變的共同中間物質，而母體Ra-226的活度濃度的計算正是通過Bi-214子體的測量來獲得的，下雨天氣會使測得的Ra-226活度偏低或者偏高。通過P型高純鍺γ譜儀于2022年6月對地表水（水庫水）樣品在雨天、晴天分別進行測量，對下雨前、中、后的實驗室本底進行了三次測量，測量時間均為86 400秒，五次測量完成后，將譜圖中Bi-214在609.31 kev處的特征峰凈面積、地表水樣品分別扣除晴天、下雨中、雨停后本底得到的Ra-226的活度濃度以及探測下限進行了統計，數據見表2。

表2 下雨前后數據統計

由表2可知，晴天、下雨中、雨停后三次測得的本底先升高后降低，高純鍺γ譜儀的鉛室并不能完全屏蔽下雨引起的Rn-222本底升高帶來的影響，下雨會提高本底中Bi-214的含量，若空白本底沒有與樣品在相同環境下接續測量會導致得出的Ra-226活度濃度偏高或偏低甚至未檢出，使所得到的數據不準確。晴天測量的地表水樣品扣除晴天測量的空白本底得到的結果與雨天測量地表水樣品扣除雨天測量空白本底得到的Ra-226活度濃度結果相近，相對偏差只有0.985%，因此對于晴天和雨天測量的水樣品，應扣除同環境下同時測得的本底，從而有效消除下雨后Rn-222增多對實驗結果的影響。

2.4 樣品量的選擇

當水樣品中的放射性核素活度足夠大時（＞1 Bq/L），可以直接將樣品（＞400 mL）裝入馬林杯密封待測[4]。在應急情況下，若水樣品活度很高，但是樣品量不足時，記錄好應急水樣品的最初樣品量，并加入一定量的蒸餾水，可以使水的總量和水標準源的量相等，將最初樣品量代入公式（1）計算，得到應急水樣品的活度濃度。由于部分水樣品中的個別核素活度濃度很低，存在超過探測下限的可能性，譜圖上該核素的特征峰雖然存在但不明顯，所以可以通過蒸發濃縮法適當地增加樣品量，以確認該核素是否超過檢出限。

2.5 解譜時遇到的干擾和影響因素

2.5.1 全能峰重疊的影響

待測核素的特征峰相近能量處可能存在其他核素的全能峰，干擾峰與待測全能峰發生重疊，如果不進行扣除會導致實驗結果偏高，影響數據的準確性[6]。例如測量K-40活度濃度用到的是1 461 kev能量處的特征峰，而Ac-228在1 459 kev處的特征峰由于與待測的K-40全能峰能量相近而發生重合導致測出的K-40活度濃度偏高，通過公式（2）[6]對1 459 kev處特征峰的貢獻進行扣除得到K-40的正確活度濃度。

式中，Q（40K）表示K-40的活度濃度，Q1461表示采用沒有扣除Ac-228貢獻的1 461 kev全能峰計算得到活度濃度，pγ表示K-40在1 461 kev處特征峰的分支比，Q（228Ac）表示樣品中Ac-228的活度濃度，pγ（Ac）表示Ac-228在1 459 kev處特征峰的分支比。

2.5.2 符合相加效應的影響

該效應指的是級聯γ光子發射的γ射線存在被探測器同時記錄為一個事件的可能性，使得實際測量過程中出現級聯符合相加效應的全能峰面積增加或減少，影響實際測量結果的準確性。相關文獻[8]中指出液體標準源的符合相加修正因子比點源的修正因子小很多，影響符合相加效應的主要因素是探測器與待測樣品的幾何條件。通常立體角越大，則符合相加效應越明顯，待測樣品高度越高，立體角越小，符合相加效應的影響越少。將液體標準源測量高度升到19.2 cm后，符合相加效應可忽略不計。因此，可以適當提高水樣品的高度來消除符合相加效應的影響。

3 結語

本文匯總了在水中γ核素放射性監測實驗過程中遇到的預處理樣品均勻性問題、測量時間的選擇、空白本底變化對實驗的影響、不同情況下樣品量的選擇、解譜時遇到的干擾等相關問題。通過實驗驗證了存在問題的原因，并提出了相應的解決方法，并通過對實驗過程的優化和改進，可以更加準確、高效地完成水中γ核素的放射性測量分析。