水中總α放射性測量中樣品質(zhì)量厚度變化的影響及校正

杜云武,鄧曉欽,畢朝文,朱 杰,王 亮,曾 奕,郭旭影,王 艷,王 茜

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測中心站,成都 610031)

伴生放射性礦開發(fā)利用、鈾開采、鈾濃縮、核燃料組件制造、輻射環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測等均要開展地表水、飲用水和廢水中總α放射性監(jiān)測[1-2],環(huán)境介質(zhì)中總α放射性測量是常用的環(huán)境放射性監(jiān)測手段之一 。當(dāng)廢水、地表水、飲用水總α放射性指標(biāo)超過指導(dǎo)值或管理限值時,相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)一步開展核素分析和評價[1-2],以查找原因。因此,總α放射性測量的準(zhǔn)確性具有重要意義。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選用、鋪樣的均勻性、樣品的前處理、樣品的質(zhì)量厚度等[3],均影響總α放射性測量的準(zhǔn)確性。實際監(jiān)測源項的多樣性[1],其環(huán)境介質(zhì)中的α核素種類和比例相差比較大,由于不同核素發(fā)射的α射線能量和分支比均不同,α射線穿透能力相差較大,即使按照推薦的測量方法進(jìn)行探測效率刻度,仍然會帶來測量探測效率誤差,進(jìn)而影響總α放射性測量的準(zhǔn)確性。Fernndez等[4]用蒙特卡羅模擬評估典型α計數(shù)器對241Am粒子的探測效率。本研究采用含241Am的CaSO4標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制作不同質(zhì)量厚度的α源,測量探測效率,驗證蒙特卡羅模擬實驗裝置模型,通過模擬計算不同α核素不同質(zhì)量厚度源的探測效率,探討不同α核素不同質(zhì)量厚度的探測效率、計數(shù)率、探測效率的倒數(shù)等對測量結(jié)果的影響,為我國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂或常規(guī)測量總α放射性提供技術(shù)支撐。

1 實驗材料和方法

1.1 主要試劑與儀器

美國ORTEC公司生產(chǎn)的流氣式正比低本底α、β計數(shù)器,設(shè)備型號為MPC9604,出廠指標(biāo):本底為α<0.057 cpm、β<0.69 cpm,探測效率為α>42%(241Am或210Po)、β>55%(90Sr/90Y),工作氣體為P10氣體(10%CH4+90%Ar)。測量樣品盤為直徑5 cm不銹鋼樣品盤。電爐、馬弗爐、研缽、紅外烤燈、電子天平(d=0.1 mg)、烘箱和干燥箱。

α核素標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為含241Am的CaSO4固體粉末,其中總α標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)活度濃度10.40 Bq/g,該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)由全國輻射環(huán)境監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配置項目提供,全國統(tǒng)一編號10-01-01-5100,參考日期2018年4月1日,生產(chǎn)廠家Eckert &Ziegler Analytics。無水乙醇輔助鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)源的制備、測量

將標(biāo)準(zhǔn)源粉末放入烘箱中干燥至恒重后,分別稱取8個不同質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)源粉末放入已稱量的樣品盤中,借助無水乙醇將粉末鋪勻。在紅外燈下烘干,置于干燥器中冷卻至室溫待測。分別將8個標(biāo)準(zhǔn)源放入MPC9604低本底儀器測量,測量時間為300 min。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)源的探測效率及質(zhì)量厚度

標(biāo)準(zhǔn)源測量的計數(shù)率減去本底計數(shù)率,再除以標(biāo)準(zhǔn)源質(zhì)量和活度濃度之乘積,作為相應(yīng)質(zhì)量厚度的標(biāo)準(zhǔn)源核素探測效率,計算公式見式(1):

(1)

式中,ε241Am為核素探測效率;n241Am為標(biāo)準(zhǔn)源計數(shù)率,s-1;n0為測量儀器本底計數(shù)率,s-1;M為標(biāo)準(zhǔn)源質(zhì)量,mg;a為標(biāo)準(zhǔn)源活度濃度,Bq/mg。

標(biāo)準(zhǔn)源的質(zhì)量除以樣品托盤的面積,作為相應(yīng)的質(zhì)量厚度,計算公式見式(2):

(2)

式中,m為質(zhì)量厚度,mg/cm2;M為標(biāo)準(zhǔn)源質(zhì)量,mg;r為樣品托盤半徑,cm。

2 模擬模型

MPC9604低本底儀器基本參數(shù):探測器內(nèi)半徑2.75 cm,探測器內(nèi)深度0.8 cm,鋼制探測器鍍鋁薄窗質(zhì)量厚度80 μg/cm2,工作氣體P10,氣體流量55 cm3/min,氣體壓強68.95 kPa,樣品距離窗口距離0.318 cm,鋼制樣品托盤厚度0.30 cm,樣品介質(zhì)為CaSO4。根據(jù)此樣品參數(shù)建立了實驗裝置模擬模型,如圖1所示,模擬半徑為2.5 cm、8個不同質(zhì)量厚度的241Am標(biāo)準(zhǔn)源的探測效率,每次運行粒子數(shù)106。

圖1 實驗裝置模擬模型

3 實驗和模擬驗證結(jié)果

參照《水質(zhì)總α放射性的測定 厚源法》(HJ 898—2017)[5]制備8個241Am標(biāo)準(zhǔn)源[5-6],放入本研究設(shè)備測量300 min,同時對其進(jìn)行蒙特卡羅模擬,測量和模擬計算結(jié)果列于表1。模擬值和測量值相對偏差小于5.43%,模擬結(jié)果能夠滿足HJ 898—2017[5]平行雙樣測定結(jié)果的相對偏差應(yīng)≤30%的要求和HJ 61—2021[1]平行樣和留樣復(fù)測相對偏差控制指標(biāo)30%～40%的要求。

表1 241Am標(biāo)準(zhǔn)源測量值和模擬計算值

4 模擬輻射源

4.1 輻射源α核素主要參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦和常規(guī)監(jiān)測使用的含有241Am的硫酸鈣粉末,稱取適當(dāng)質(zhì)量該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)鋪盤制成一定質(zhì)量厚度的標(biāo)準(zhǔn)源[5-6]。水環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測天然α輻射源情景主要有:天然鈾(238U、235U、234U豐度分別為99.27%、0.714%、0.016%)、4%濃縮鈾(238U、235U、234U豐度分別為95.938%、4.000%、0.062%)、97%濃縮鈾(238U、235U、234U豐度分別為1.506%、97.000%、1.494%)、平衡鈾、平衡釷、平衡226Ra-222Rn及其鈾系、釷系的衰變α子體。模擬的輻射源及其17種α核素主要α能量、分支比列于表2。

表2 輻射源及其α核素參數(shù)[7]

4.2 模擬質(zhì)量厚度

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測量α放射性水平[5-6],α核素輻射源的介質(zhì)為CaSO4。針對表1中的α核素,分別模擬20種質(zhì)量厚度,其質(zhì)量和質(zhì)量厚度列于表3。

表3 模擬輻射源的質(zhì)量及質(zhì)量厚度

4.3 數(shù)據(jù)處理

4.3.1探測效率校正因子

α核素的探測效率除以相應(yīng)質(zhì)量厚度的241Am標(biāo)準(zhǔn)源的探測效率,作為該α核素的探測效率校正因子,計算公式見式(3):

(3)

式中,λi為α核素探測效率校正因子;εi為α核素探測效率;ε241Am為241Am核素標(biāo)準(zhǔn)源探測效率。

4.3.2計數(shù)率

α核素的探測效率乘以源的質(zhì)量和源活度濃度為相應(yīng)質(zhì)量厚度的α核素的計數(shù)率,計算公式見式(4):

ζ=ε·M·a

(4)

式中,ζ為α核素計數(shù)率,s-1;ε為α核素探測效率;M為源的質(zhì)量,mg;a為源的活度濃度,Bq/mg。

4.3.3探測效率的倒數(shù)

(5)

式中,κ為相應(yīng)質(zhì)量厚度α核素探測效率的倒數(shù),ε同公式(4)。

4.3.4輻射源均值

輻射源α核素相應(yīng)比例系數(shù)乘以其相應(yīng)的探測效率、探測效率校正因子、計數(shù)率的和歸一化,作為相應(yīng)質(zhì)量厚度輻射源的均值。平衡輻射源母體和子體比例系數(shù)取1,天然鈾、不同濃縮鈾238U、235U、234U比例系數(shù)按照天然含量和濃縮度計算。

5 結(jié)果和討論

5.1 探測效率和質(zhì)量厚度關(guān)系

平衡鈾、平衡226Ra-222Rn、平衡釷、天然鈾、4%濃縮鈾、97%濃縮鈾的α核素探測效率及均值隨CaSO4介質(zhì)質(zhì)量厚度的變化如圖2所示。

A:平衡鈾;B:平衡226Ra-222Rn;C:平衡釷;D:天然純鈾;E:4%濃縮鈾;F:97%濃縮鈾。

相同的質(zhì)量厚度,不同α核素和不同α輻射源的探測效率是不同的;探測效率隨質(zhì)量厚度增加成指數(shù)關(guān)系減小,當(dāng)質(zhì)量厚度增大到一定值后,探測效率趨近于恒定值。

5.2 計數(shù)率和質(zhì)量厚度關(guān)系

平衡鈾、平衡226Ra-222Rn、平衡釷、天然鈾、4%濃縮鈾、97%濃縮鈾的α核素計數(shù)率及均值隨CaSO4介質(zhì)質(zhì)量厚度的變化如圖3所示。

G:平衡鈾;H:平衡226Ra-222Rn;I:平衡釷;J:天然純鈾;K:4%濃縮鈾;L:97%濃縮鈾。

輻射源和其子體輻射源在CaSO4介質(zhì)的有效飽和厚度列于表4,241Am有效飽和厚度與《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗方法放射性指標(biāo)》(GB/T 5750.13—2006)推薦值4.0 mg/cm2一致[6]。

表4 CaSO4介質(zhì)中α核素輻射源有效飽和厚度

相同的質(zhì)量厚度、不同α核素和不同α輻射源的計數(shù)率是不同的;計數(shù)率隨CaSO4介質(zhì)質(zhì)量厚度增大而增大,當(dāng)質(zhì)量厚度增大到一定值時,其計數(shù)率不再增加。

5.3 探測效率校正因子和質(zhì)量厚度關(guān)系

平衡鈾α核素探測效率校正因子及其均值列于表5,平衡釷α核素探測效率校正因子及其均值列于表6,平衡226Ra-222Rn、天然鈾、4%濃縮鈾、97%濃縮鈾等α核素探測效率校正因子及其均值列于表7。平衡鈾探測效率校正因子隨質(zhì)量厚度增加,當(dāng)質(zhì)量厚度達(dá)到7.00 mg/cm2時,其探測效率校正因子為0.96。平衡釷探測效率校正因子隨質(zhì)量厚度增加,當(dāng)質(zhì)量厚度達(dá)到2.00 mg/cm2時,其探測效率校正因子為1.01。平衡226Ra-222Rn探測效率校正因子隨質(zhì)量厚度增加,當(dāng)質(zhì)量厚度達(dá)到2.00 mg/cm2時,其探測效率校正因子為1.05。天然鈾、4%濃縮鈾、97%濃縮鈾探測效率校正因子隨質(zhì)量厚度增加而減小,當(dāng)質(zhì)量厚度大于4 mg/cm2時,其值基本恒定,分別為0.39、0.39、0.47。

表5 平衡鈾α核素探測效率校正因子及其均值

表6 平衡釷α核素探測效率校正因子及其均值

表7 平衡226Ra-222Rn、天然鈾、4%濃縮鈾、97%濃縮鈾等α核素探測效率校正因子及其均值

當(dāng)質(zhì)量厚度小于0.510 mg/cm2時,單個α核素輻射源的探測效率校正因子均大于0.70,即當(dāng)不知道天然α核素輻射源的種類和比例時,采用薄源法,源的質(zhì)量厚度小于0.510 mg/cm2以下,探測準(zhǔn)確度能夠大于70%以上,測量結(jié)果能夠滿足HJ 898—2017[5]平行雙樣測定結(jié)果的相對偏差應(yīng)≤30%的要求和HJ 61—2021[1]平行樣和留樣復(fù)測相對偏差控制指標(biāo)30%～40%的要求。

5.4 探測效率的倒數(shù)和質(zhì)量厚度關(guān)系

平衡鈾、平衡226Ra-222Rn、平衡釷、天然鈾、4%濃縮鈾、97%濃縮鈾的α核素探測效率的倒數(shù)及均值隨CaSO4介質(zhì)質(zhì)量厚度的變化如圖4所示。

M:平衡鈾;N:平衡226Ra-222Rn;O:平衡釷;P:天然純鈾;Q:4%濃縮鈾;U:97%濃縮鈾。

相同質(zhì)量厚度、不同α核素或不同α輻射源探測效率的倒數(shù)是不同的;當(dāng)質(zhì)量厚度大于有效飽和厚度后,探測效率的倒數(shù)和質(zhì)量厚度成線性關(guān)系;利用線性關(guān)系便于準(zhǔn)確計算探測效率。

5.5 α核素α射線能量均值和探測效率關(guān)系

表8 天然α核素α射線平均能量

V:質(zhì)量厚度1.019～5.096 mg/cm2;W:質(zhì)量厚度6.115～17.325 mg/cm2。

相同α能量、不同質(zhì)量厚度的探測效率不同;相同質(zhì)量厚度,探測效率與α能量成指數(shù)關(guān)系。

利用指數(shù)關(guān)系,通過已知幾個α核素的探測效率,可以計算出其他能量α核素探測效率。

5.6 α射線能量和有效飽和厚度關(guān)系

根據(jù)表4和表8得到17種α核素的有效飽和厚度隨CaSO4介質(zhì)α射線能量的變化如圖6所示。根據(jù)有效飽和厚度與α射線能量曲線,得到擬合函數(shù)msat=msat0+msat1E,校正決定系數(shù)>0.984,msat0、msat1為擬合系數(shù),msat為有效飽和厚度(mg/cm2)、E為α射線能量(keV),有效飽和厚度和α射線能量成線性關(guān)系。

圖6 α射線能量與有效飽和厚度的關(guān)系

不同α核素,其有效飽和厚度不同;有效飽和厚度與α能量成線性關(guān)系。利用線性關(guān)系,已知2～3種α核素的有效飽和厚度,可計算出其他α核素有效飽和厚度。

5.7 α放射性測量計數(shù)效率校正

α放射性測量計數(shù)效率等于該α核素探測效率除以其α射線分支比,計算公式見式(6):

(6)

式中,Ca為α放射性測量計數(shù)效率;ι為α核素α射線分支比;λ為α核素探測效率校正因子;ε、ε241Am同公式(3)、(4)。

平衡輻射源總α放射性測量計數(shù)效率等于所含α核素探測效率校正因子除以該α核素α射線分支比之和除以α核素個數(shù),再乘以標(biāo)準(zhǔn)源α核素(241Am)探測效率。

6 結(jié)論

水中總α放射性測量,需要根據(jù)不同輻射源α核素,制備適當(dāng)質(zhì)量厚度樣品或者利用探測效率校正因子、分支比和成分比例進(jìn)行修正,來提高測量結(jié)果準(zhǔn)確性。質(zhì)量厚度7 mg/cm2,平衡鈾探測效率校正因子為0.96;質(zhì)量厚度2 mg/cm2,平衡釷探測效率校正因子為1.01、平衡226Ra-222Rn探測效率校正因子為1.05;質(zhì)量厚度大于4 mg/cm2,天然鈾、4%濃縮鈾、97%濃縮鈾探測效率校正因子基本恒定,分別為0.39、0.39、0.47;質(zhì)量厚度小于0.510 mg/cm2,單個α核素輻射源的探測效率校正因子均大于0.70。質(zhì)量厚度大于有效飽和厚度,探測效率的倒數(shù)與質(zhì)量厚度成線性關(guān)系;質(zhì)量厚度小于有效飽和厚度,探測效率的倒數(shù)與質(zhì)量厚度成指數(shù)關(guān)系。有效飽和厚度與α射線能量成線性關(guān)系,可以最優(yōu)進(jìn)行質(zhì)量厚度源制備。

水中天然α核素種類和比例不確定情況下,總α放射性薄樣法測定(質(zhì)量厚度小于0.510 mg/cm2),其結(jié)果可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[1,5]。另外,實驗室輻射源鋪樣均勻性,是測量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和技術(shù)[8]。