氣載放射性碘采樣測量方法研究進(jìn)展*

唐方東 趙超/上海市計(jì)量測試技術(shù)研究院

0 引言

根據(jù)聯(lián)合國原子輻射效應(yīng)科學(xué)委員會（UNSCEAR）總結(jié)[1,2]，切爾諾貝利核事故與福島核事故中，放射性碘（尤其是131I）是公眾輻射暴露的主要來源之一。放射性碘在核事故中裂變產(chǎn)額相對較高，且易于富集在人體甲狀腺內(nèi)，在核事故爆發(fā)早期，對公眾電離輻射劑量貢獻(xiàn)居首位。另一方面，如果反應(yīng)堆元件棒、安全殼出現(xiàn)缺陷、裂隙，碘作為極易揮發(fā)的元素，容易在核事故早期泄漏至環(huán)境，因此也常作為監(jiān)測核事故發(fā)生與否及其等級評定的示警核素[3,4]。在核醫(yī)學(xué)中，131I、125I也被廣泛應(yīng)用于分化型甲狀腺癌、前列腺癌的診療[5,6]，其在生產(chǎn)、存儲及使用的過程中同樣存在產(chǎn)生氣載放射性碘的風(fēng)險(xiǎn)。氣載放射性碘的準(zhǔn)確測量是預(yù)警核事故、評估核事故等級、估算公眾及相關(guān)人員輻射暴露量的必要前提之一。

1 氣載放射性碘及其測量方法

氣載放射性碘，是指空氣中以氣態(tài)或氣溶膠形式存在的放射性碘同位素，其主要有無機(jī)碘、有機(jī)碘和微粒碘三種形態(tài)[3,7]。其中無機(jī)碘以單質(zhì)碘蒸汽為主，又被稱為元素碘或分子態(tài)碘，有機(jī)碘主要是甲基碘（CH3I），微粒碘則是指與氣溶膠結(jié)合，懸浮在空氣中的碘。一般認(rèn)為，常態(tài)下分子態(tài)碘和氣溶膠中碘的比例為1∶1，事故條件下分子態(tài)碘、氣溶膠中碘與甲基碘的比例為91∶5∶4[3]。

碘的同位素中，127I為穩(wěn)定同位素，其余均為放射性同位素。核裂變反應(yīng)或核醫(yī)學(xué)應(yīng)用中較受重視的放射性碘同位素及其衰變信息列于表1[5-9]。除125I、129I、131I外，其余放射性碘同位素半衰期均很短（小于1 d），即使釋放到環(huán)境中也會很快衰變殆盡，傳播擴(kuò)散范圍有限，一般僅在核事故應(yīng)急情況下測量（且其關(guān)注度也不及131I）。129I的半衰期長達(dá)百萬年，常用于環(huán)境行為的示蹤研究[10-11]，其測量往往采用加速器質(zhì)譜儀完成[12]。125I與131I的半衰期分別約為59.4 d和8.03 d，但125I的射線能量35.5 keV，分支比僅為6.7%，輻射劑量貢獻(xiàn)很?。欢?31I不僅射線能量較高，裂變分支比也大，從輻射防護(hù)與環(huán)境放射性監(jiān)測的角度，受到的關(guān)注度最高，是氣載放射性碘相關(guān)研究的主要對象。

20世紀(jì)90年代初，我國頒布了GB/T 14584-93《空氣中碘-131的取樣與測定》[13]，推薦了氣載131I采樣測量的一種基本方法。該方法考慮到空氣中131I的活度濃度通常較低，用采樣器將空氣中131I收集至采樣介質(zhì)內(nèi)，用高純鍺γ譜儀測量介質(zhì)內(nèi)131I活度。其采樣流速一般為20～200 L·min-1，采樣器如圖1所示，采樣器內(nèi)可以串聯(lián)安裝玻璃纖維濾紙、活性炭濾紙及浸漬活性炭濾筒三種采樣介質(zhì)。其中玻璃纖維濾紙可收集近100%的微粒碘，無機(jī)碘與有機(jī)碘可以透過?；钚蕴繛V紙可收集絕大部分無機(jī)碘，有機(jī)碘可以透過。一般情況下，浸漬活性炭濾筒可收集絕大部分有機(jī)碘。根據(jù)上述收集特性，分別測量串聯(lián)的玻璃纖維濾紙、活性炭濾紙及浸漬活性炭濾筒內(nèi)131I的活度，可得到大氣中三種氣載131I各自的活度濃度。該方法采樣時(shí)間長（往往以天計(jì)），采樣體積較大，探測下限可達(dá)3×10-3Bq/m3乃至更低，測量結(jié)果較為準(zhǔn)確，但是實(shí)時(shí)性相對較差，適用于非緊急情況下氣載131I的監(jiān)測。

表1 主要放射性碘同位素及其衰變信息[5-9]

圖1 氣載131I采樣裝置示意圖

目前國內(nèi)外主流的氣載碘監(jiān)測儀采用類似的方法，主要的改變是以便攜式NaI(Tl)譜儀替代高純鍺γ譜儀作放射性碘活度測量，并將探測部件與采樣裝置組合為一套氣載放射性碘測量儀器[14,15]，在采樣的同時(shí)測量采樣介質(zhì)內(nèi)131I的活度，或者按預(yù)先設(shè)置的時(shí)間進(jìn)行采樣（一般為10～120 min）然后作一定時(shí)間的測量，循環(huán)反復(fù)。這種測量方法采樣時(shí)間較短，采樣體積較小，且NaI(Tl)譜儀的性能不及高純鍺γ譜儀，測量準(zhǔn)確度相對較低，探測下限通常為10-1Bq/m3量級（典型值：0.5 Bq/m3），但使用簡便、響應(yīng)迅速，尤其適用于應(yīng)急情況下的快速測量。出于監(jiān)測目標(biāo)與集成難度考慮，這種方法一般僅用浸漬活性炭濾盒采集總131I，而不對微粒碘、無機(jī)碘、有機(jī)碘加以區(qū)分。

2 氣載放射性碘的采樣方法

早在1970年，F(xiàn)ukuda等就提出了一套結(jié)合活性炭濾紙與活性炭濾盒的高效采樣裝置，并探討了濕度、采樣面速度對采樣的影響[16]。Collins等比較了20余種胺浸漬的炭層的吸附性能，發(fā)現(xiàn)采用TEDA浸漬過的活性炭對甲基碘的吸附效果最好[17]。Kulyukhin等對沸石分子篩、活性炭、硅膠、金屬氧化物等多類采樣介質(zhì)進(jìn)行了比較[18]。Alexander等研究了基于聚氨酯泡沫吸附劑對甲基碘的采集效果[19]。國內(nèi)學(xué)者岳龍清等研究者綜述了放射性碘吸附材料的發(fā)展歷程[20]?？偟膩碚f，在國內(nèi)外大量研究者的參與下，氣載放射性碘的采集用的材料與采樣技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對成熟，采樣濾盒已經(jīng)有多種規(guī)格型號的商用產(chǎn)品，目前應(yīng)用最廣泛的是TEDA浸漬活性炭濾盒。

3 分布參數(shù)對測量的影響及其解決方案

哈繼錄等指出131I在采樣樣品內(nèi)隨濾盒深度呈指數(shù)衰減[21]，如式（1）所示。

式中：d——深度，也即沿采樣氣流方向，從采樣樣品表面到內(nèi)部的深度，mm；

A(d)——131I活度隨深度d的密度分布函數(shù)，Bq/mm；

a——分布參數(shù)，mm-1；

A——采樣樣品內(nèi)131I的總活度，Bq；

D——采樣樣品總厚度，mm

根據(jù)式（1），分布參數(shù)a的取值影響131I在采樣樣品內(nèi)的相對分布：當(dāng)分布參數(shù)趨向于零，131I在樣品內(nèi)趨于均勻分布；當(dāng)分布參數(shù)趨向于無窮大，131I在樣品內(nèi)趨于集中在表層。而分布參數(shù)a又受采樣介質(zhì)及采樣流體的影響。對于同一采樣介質(zhì)，采樣流速、溫濕度均可能影響分布參數(shù)的取值。實(shí)際上，由于采樣流體的混沌性，即使嚴(yán)格控制采樣條件的一致性，分布參數(shù)取值也可能不同。由于γ譜儀對采樣樣品內(nèi)不同深度處131I的探測效率不同，因此當(dāng)分布參數(shù)變化，γ譜儀對采樣介質(zhì)內(nèi)131I的平均探測效率也將發(fā)生改變。這一效應(yīng)將影響γ譜儀對采樣介質(zhì)內(nèi)131I的測量。事實(shí)上，分布參數(shù)的變化導(dǎo)致平均探測效率的變化是131I采樣樣品測量中的最大難題。

20世紀(jì)90年代以來，國內(nèi)多位研究者提出了該問題的不同解決方案，其技術(shù)方案及局限性見表2[21-25]，國外則未見關(guān)注該問題的相關(guān)報(bào)道。從表2中可以看到，無論何種解決方案，都存在一定的局限性，且大多數(shù)方案都涉及比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算，可見該問題是氣載放射性碘采樣測量中的一大難題。

4 量值溯源

作為一種相對測量方法，氣載放射性碘采樣測量結(jié)果需要實(shí)現(xiàn)量值溯源。131I半衰期僅為8.03 d，131I參考源作為測量標(biāo)準(zhǔn)不能長期反復(fù)使用。Olson為此提出了用能譜接近的133Ba替代131I刻度探測器對氣載131I采樣樣品的探測效率[26]。英國國家物理實(shí)驗(yàn)室（National Physical Laboratory，NPL）、美國能源部（U.S. Department of Energy）及國內(nèi)原子能科學(xué)研究院等國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)一直沿用該方法。我國大多數(shù)研究者也采用此方法[27,28]。然而以133Ba參考源作為測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行刻度存在兩大問題：1）131I主射線（364.49，81.50%）與133Ba的主要γ射線（356.01，62.05%）能量接近，是133Ba替代131I刻度的基礎(chǔ)所在，但133Ba其他射線（81.00，32.90%；276.40，7.16%；302.85，18.34%；383.8，8.94%）分支比相對較大，可能通過串道、符合相加等機(jī)制干擾主射線的測量，最終產(chǎn)生較大的刻度誤差；2）目前使用的133Ba參考源內(nèi)133Ba都是均勻分布的，而氣載131I采樣樣品內(nèi)131I核素是指數(shù)分布的，更集中于采樣一端，兩者之間的差異將在刻度過程中引入較大的系統(tǒng)誤差。Zimmerman等指出以133Ba替代131I刻度極可能引入相當(dāng)大的誤差，某些情況下可高達(dá)實(shí)際值的300%[29]。表2中事實(shí)上收錄了對該問題較為杰出的解決方案，然而近30年來大多數(shù)研究實(shí)際上忽視了該問題[27,28]。

較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆椒ㄊ牵河靡阎然疃鹊?31I溶液制備參考面源[21,22,30]，用參考面源刻度γ譜儀對于采樣樣品不同深度處131I的探測效率，刻度時(shí)應(yīng)該在面源上下鋪墊活性炭顆粒以保證與采樣樣品一致的自吸收效應(yīng)。由此得到探測效率隨深度的變化曲線，在實(shí)際應(yīng)用中還應(yīng)配合分布參數(shù)計(jì)算平均探測效率。該方法步驟復(fù)雜繁瑣，較難應(yīng)用于日常的儀器校準(zhǔn)。事實(shí)上131I溶液成本低且易于獲取，趙超等研發(fā)建立了用131I溶液快速制備131I參考源的技術(shù)，提出了一種新型校準(zhǔn)方法[25]，131I參考源的幾何尺寸與采樣濾盒一致，核素分布與氣載放射性碘監(jiān)測采樣樣品基本相似，可實(shí)現(xiàn)氣載放射性碘監(jiān)測儀器對參考源的探測效率與其對采樣樣品的探測效率基本一致，保障量值溯源的可行性與可靠性。

表2 分布參數(shù)對測量影響的解決方案

5 結(jié)語

本文綜述了氣載放射性碘的形態(tài)、主要同位素種類、測量方法、采樣方法、探測效率刻度方法及其相關(guān)研究與進(jìn)展，并著重討論了分布參數(shù)對測量的影響與相應(yīng)的解決方案。氣載放射性碘采樣測量需要關(guān)注兩個(gè)主要問題：1）選擇合適的方法處理分布參數(shù)對測量的影響；2）為避免使用133Ba參考源刻度產(chǎn)生的133Ba分支射線串道、符合相加的干擾及分布差異帶來的影響，宜采用符合氣載放射性碘監(jiān)測采樣核素分布的131I參考源作測量標(biāo)準(zhǔn)。