地γ能譜測量方法在土壤內(nèi)外照射指數(shù)上的可行性研究

王 嘯，汪伶俐

天津華北地質(zhì)勘查局核工業(yè)二四七大隊(duì)，天津 301829

0 引言

工程場地土壤內(nèi)外照射指數(shù)（Ira、Iγ）測定開始于2002年，是由國家質(zhì)檢總局和建設(shè)部聯(lián)合發(fā)布實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)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(nèi)空氣中氡濃度的水平。

目前，工程場地土壤內(nèi)外照射指數(shù)的測定方法主要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《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(jìn)行的。該方法是通過采集土壤樣品，并經(jīng)過篩選、烘干、破碎等工序后，裝入標(biāo)準(zhǔn)樣品盒內(nèi)，然后放入低本底鉛室內(nèi)，利用多道γ能譜儀進(jìn)行測量，通過對標(biāo)準(zhǔn)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(jù)《地面伽馬能譜測量規(guī)范》[4]，是將儀器探頭直接放在平坦的地面上進(jìn)行測量，通過一定的換算系數(shù)得出eU、eTh和K的含量。

本文就是通過在天津市濱海新區(qū)某擬新建民用建筑工程的場地，分別采用室內(nèi)γ能譜法和就地γ能譜法對該場地土壤的內(nèi)外照射指數(shù)進(jìn)行測定，并對測定結(jié)果進(jìn)行比對，以驗(yàn)證就地γ能譜法在工程場地土壤內(nèi)外照射指數(shù)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(qū)內(nèi)，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(nèi)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(shè)備及校準(zhǔn)

2.1 儀器設(shè)備

2.1.1 就地γ能譜儀

采用的是核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研制的HD-2002型便攜式γ能譜儀，其儀器性能和技術(shù)指標(biāo)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(zhǔn) 確 性 ：eU、eTh：E≤7%，eK： E≤12%。

2.1.2 室內(nèi)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(shù)指標(biāo)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(nèi)襯1mm銅和5mm的有機(jī)玻璃，內(nèi)腔φ500×400mm。

所有儀器設(shè)備均經(jīng)過核工業(yè)放射性勘察計(jì)量站檢定合格，獲得有效檢定證書。

2.2 儀器校準(zhǔn)

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(jìn)行校準(zhǔn)，其目的是為了準(zhǔn)確測定就地γ能譜儀的換算系數(shù)，換算系數(shù)的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，本次儀器校準(zhǔn)由核工業(yè)放射性勘察計(jì)量站，依據(jù)《輕便窗式γ能譜儀檢定規(guī)程》[5]的要求，在地面放射性測量模型標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行，校準(zhǔn)程序及結(jié)果如下：

2.2.1 本底的測定

本底的測定是在標(biāo)準(zhǔn)本底模型(YB2)上進(jìn)行的，結(jié)果見表1：

表1 本底模型法測定的本底

2.2.2 換算系數(shù)的測定

換算系數(shù)的測定在鈾（YU1）、釷（YTh1）、鉀（YK2）標(biāo)準(zhǔn)體源模型上進(jìn)行，并將測得的換算系數(shù)置入γ能譜儀中，即可直接讀取測量結(jié)果。校準(zhǔn)后確定的換算系數(shù)及含量計(jì)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(jì)數(shù)。

2.2.3 準(zhǔn)確度驗(yàn)證

利用測定的換算系數(shù)，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(biāo)準(zhǔn)值間的相對誤差，結(jié)果見表2：

表2 準(zhǔn)確度驗(yàn)證結(jié)果

3 工作方法

3.1 就地γ能譜測量

3.1.1 測點(diǎn)布設(shè)

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

3.1.2 測量

采用羅盤和測繩定位好測點(diǎn)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(shí)間為60s，連續(xù)測量三次，將測量結(jié)果填入原始記錄表，并記錄測點(diǎn)的地質(zhì)環(huán)境，測量方法嚴(yán)格按照《地面γ能譜測量規(guī)范》的要求進(jìn)行。

3.1.3 質(zhì)量保證措施

1）每日工作前后，在固定基點(diǎn)上對儀器進(jìn)行比對測量，從而保證儀器的相對穩(wěn)定性，選擇周圍環(huán)境穩(wěn)定且無放射源的地面進(jìn)行，測量方法與實(shí)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(shí)和發(fā)現(xiàn)異常后均對儀器的工作狀態(tài)和有關(guān)參數(shù)進(jìn)行檢查，并做好檢查記錄。

3.2 室內(nèi)γ能譜測量

3.2.1 樣品采集及處理

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

樣品運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室，除去雜物，置于搪瓷盤中晾干，鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)110℃恒溫烘干至恒重，計(jì)算失水量。研磨過篩（50目）稱重后裝入與標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)，采用美國GEM30P4型低本底多道γ能譜儀進(jìn)行測量，測量方法嚴(yán)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(jìn)行。此外還應(yīng)測量空樣品盒本底和標(biāo)準(zhǔn)樣品，要求其相對探測器的位置應(yīng)與被測樣品一致。為滿足測量技術(shù)統(tǒng)計(jì)誤差的要求，空盒本底、標(biāo)準(zhǔn)樣品和被測樣品的測量時(shí)間都為30 000s。

4 測量結(jié)果及分析比對

4.1 就地γ能譜測量結(jié)果

通過對100個(gè)點(diǎn)的測量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，直接測量結(jié)果見表3。該測量結(jié)果并不能直接用于內(nèi)外照射指數(shù)的計(jì)算，為此需要將就地γ能譜測量的結(jié)果進(jìn)行必要的換算，換算系數(shù)見表4，采用換算系數(shù)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果見表5。經(jīng)過換算后，即可采用公式（5）、（6）來計(jì)算土壤的內(nèi)外照射指數(shù)，計(jì)算如下：

內(nèi)照射指數(shù)（IRa）：0.11； 外照射指數(shù)（Iγ）：0.33

內(nèi)照射指數(shù)外照射指數(shù)IRa=CRa/200 （5）

外照射指數(shù)：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(dú)存在時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限量，Bq/kg；

表3 就地γ能譜測量的結(jié)果

表4 就地γ能譜測量結(jié)果換算系數(shù)

表5 就地γ能譜測量的結(jié)果

4.2 室內(nèi)γ能譜測量結(jié)果

通過對8個(gè)采集樣品的室內(nèi)γ能譜分析，結(jié)果見表6。

表6 室內(nèi)γ能譜測量的結(jié)果

4.3 分析比對結(jié)果

就地γ能譜測量結(jié)果與室內(nèi)γ能譜測量結(jié)果比對分析結(jié)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(nèi)照射指數(shù)（IRa）由于直接由238U（226Ra）計(jì)算得來的，所以其相對偏差較大，為6.07%；而內(nèi)照射指數(shù)（Iγ）的相對偏差較小，為2.69%。

表7 就地γ能譜與室內(nèi)γ能譜比對結(jié)果

5 結(jié)論

從兩種測量方法的比對結(jié)果可以看出，238U（226Ra）測量結(jié)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(dá)到放射性平衡所需的時(shí)間也比較長，再加上物理、化學(xué)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(nèi)γ能譜兩種測量方法在測量238U（226Ra）時(shí)產(chǎn)生一定的偏差，這在采用就地γ能譜測量時(shí)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(dá)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(shí)，產(chǎn)生的偏差較?。?0K為單一核素，且譜峰單一，易分辨，兩種測量方法產(chǎn)生的偏差也比較小。

與室內(nèi)γ能譜相比，就地γ能譜有很多優(yōu)點(diǎn)，比如不需要采集樣品、可現(xiàn)場獲得數(shù)據(jù)、測量時(shí)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(jìn)行控制的話，還是非常適宜于對工程場地土壤內(nèi)外照射指數(shù)的測定。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范 GB 50325-2010.

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

[3]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). 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(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).地面伽馬能譜測量規(guī)范 EJ/T 363-1998.

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