磷肥中放射性核素活度浓度简易检测方法研究

卓宗奎 张子山 刘宏亮

磷肥中放射性核素活度浓度简易检测方法研究

卓宗奎 张子山 刘宏亮

（秦皇岛出入境检验检疫局 河北秦皇岛 066000）

推导建立了一种相对简易的磷肥中铀系放射性核素活度浓度检测方法。根据所采用的观测量不同，方法细分为3种。选择第3种方法进行实验测算，利用基于G-M计数管的Inspector Alert放射性探测器，在密闭环境对0.0642 g磷肥样品进行α射线探测，并最终推算得出在最不利情况下，226Ra的活度浓度为0.2293 Bq/g，238U的活度浓度为0.4586 Bq/g。

放射性平衡；活度浓度；观测量

1 前言

磷肥和含磷复合肥在农业生产中被广泛施用，其贸易流通也很频繁。由于磷肥的生产原料磷酸盐矿物含有伴生的铀系放射性核素，它们通过生产迁移到磷肥中，因此磷肥不可避免会混有一定量的放射性核素。为防止磷肥在生产、流通和使用环节对环境造成放射性污染，对生命健康构成威胁，需要对其放射性核素活度浓度进行检测限定，国家标准《磷肥及其复合肥中226镭限量卫生标准》（GB 8921-2011）即对磷肥中226镭（Ra）的含量作了强制限定，要求其活度浓度不得高于500 Bq/kg。

天然存在的铀系核素处于放射性平衡状态，各核素间含量比例固定。但天然磷酸盐矿物质在磷肥生产利用中，由于生产工艺中的化学作用，放射性系列中各核素依化学性质不同具有不同的迁移去向，使得不同的核素分别在主产品、副产品和废渣中富集。对于磷肥，主要富集的核素是U和226Ra［1］，因此，磷肥中核素活度浓度检测主要针对U和226Ra。U的常规检测方法一般为分光光度法，检测的相对偏差＜10%；226Ra的常规检测方法一般为闪烁射气法和γ能谱法，检测的相对偏差＜20%。上述检测方法所需设备条件复杂，检测工作量较大，为了满足在磷肥进出口环节对其进行放射性水平初步筛查的工作需要，利用简单设备实现比较快速的检测，本研究从简化检测作业角度出发，通过对铀系核素分布和衰变特征以及射线能量谱的分析，在适当降低检测精度前提下，利用观测方程构建了一种简易的放射性核素活度浓度检测方法。

2 磷肥中铀系放射性核素分布及其衰变特征

如上所述，磷肥的生产过程中，处于放射性平衡状态的铀系核素由于化学作用向不同产物方向富集，从而打破了原有的放射性平衡。具体为：在湿法工艺生产磷肥过程中［1］，226Ra主要迁移至副产品磷石膏中，而238U迁移至磷肥中最多，其次也迁移至白肥产品。从放射性核素衰变特性来看，铀系核素衰变顺序依次为238U、234Th、234Pa（UX2）、234Pa（UZ）、234U、230Th、226Ra、222Rn、218Po、214Pb、218At、214Bi、214Po、210Tl、210Pb、210Bi、210Po、206Tl，最后衰变至206Pb稳定，其中238U、234U、230Th、226Ra和210Pb为长寿命核素，其他为短寿命核素，也即铀系核素以长寿命核素238U起始，其后是三级短寿命核素，再经两级长寿命核素后衰变至226Ra，其后经多个短寿命核素衰变至210Pb，然后经三级短寿命衰变至稳定核素。在放射性平衡状态下，铀系各核素含量比例固定，一旦平衡被打破，各核素迁移去向各异，但无论迁移去向如何，短寿命核素很快衰变消失，只有长寿命核素留存，在其后续核素衰变周期很短的前提下，很快以各自为起始核素建立新的放射性平衡。因此，磷肥通过其生产过程中铀系核素的各向迁移富集，其中的238U、234U、230Th、226Ra和210Pb成为独立考量核素；同时，234U理化特性与238U相同，去向一致；230Th主要迁移至白肥中，并产生富集，其次迁移至磷石膏中［1］；210Pb及后续衰变子体几乎无γ射线产生。这样，238U和226Ra成为考量重点，其中，关注226Ra也是由于铀系辐射中绝大部分γ射线是由226Ra以后的衰变子体产生。

根据铀系核素射线能量谱［2］，铀系α射线全部由铀分段链中的238U、234U、230Th和镭分段链中的226Ra、222Rn、218Po、214Po、210Po产生，γ射线几乎全部由镭分段链中的214Bi等核素产生。并且可以确定，磷肥中这些产生α射线和γ射线放射性核素中，铀分段链中238U和234U处于放射性平衡，镭分段链中226Ra、222Rn、218Po、214Bi和214Po也达到放射性平衡。相对磷肥的生产使用周期，铀分段链中的230Th和镭分段链中的210Po达不到放射性平衡，此处暂不计入。对于238U和226Ra的活度浓度估计，即以此为基础通过探测α射线和γ射线计数推算实现。

3 放射性核素活度浓度测算方法推导

由上所述，若设磷肥中238U活度浓度为Cu，226Ra活度浓度为CR，测量值为α射线和γ射线计数率Nα、Nγ，则有观测方程：

100Nγ=m（0.48593Cu+2.18164CR）

100Nα=m（200Cu+400CR+Δα）

其中，m为被测磷肥质量，Δα为磷肥中残存230Th和210Po总活度与每百次衰变发射α粒子数乘积，各常数参数则是依据上述能量谱中铀分段链和镭分段链中各核素每百次衰变发射的α射线和γ射线数统计获得。于是有：

Y=AX

由此，可求得Cu和CR。实际测算中，忽略Δα，则由A的逆矩阵可知，Cu的结果会较实际偏大，CR的结果较实际偏小。

若以α射线计数率Nα和γ射线能注量率Iγ作为观测量，则由上述能量谱计算相应常数参数，可得观测方程：

100Iγ=m（86.95206Cu+1776.1774CR）

100Nα=m（200Cu+400CR+Δα）

同样有：

Y=AX

由此，可求得Cu和CR。同样，实际测算中，忽略Δα，则由A的逆矩阵可知，Cu的结果会较实际偏大，CR的结果较实际偏小。

若实际中只有α射线计数率Nα这一个观测量，则仍可以由观测方程第二式对Cu和CR作粗略估计，以实现对于磷肥中238U和226Ra放射性水平的初步筛查，即对于式：

100Nα=m（200Cu+400CR+Δα）

先后分别令Cu=0和CR=0，并忽略Δα，则可依次求得Cu和CR，测算结果会较实际偏大。

4 实验设计与讨论

4.1实验设计

根据实验条件，对只有α射线计数率Nα观测量的情况进行实验设计，以推算磷肥中238U活度浓度Cu和226Ra活度浓度CR。实验使用Medcom公司生产的基于G-M计数管的Inspector Alert放射性探测器，探测窗口为直径45 mm的圆形窗口，探测器可同时测量α、β和γ射线计数，连续计数时间可达24 h。

4.2实验方法

将实验对象磷肥颗粒预先研磨成粉末状，盛放检测样品容器采用Φ60×15 mm圆形玻璃培养皿，培养皿口沿粘贴双面胶条；为使样品所发射粒子尽可能多地被探测器窗口接收，样品粉末应尽量展平于培养皿底部中心位置，且呈直径略小于45 mm圆形；为控制样品厚度，应使用较少样品量。实际测量时，将探测器窗口正对培养皿口并贴紧以实现密封。

实验共测量4组数据，每组测量3次，每次测量设定为连续测量5 h。第一组测量，培养皿空置，共测得3个数据，取其平均值1；第二组测量首先用厚度约0.09 mm食品级PE薄膜将探测器窗口覆盖，培养皿空置，共测得3个数据，取其平均值2；第三组测量仍用该薄膜将探测器窗口覆盖，培养皿放入样品，共测得3个数据，取其平均值3；第四组测量将薄膜去掉，保持样品不变，共测得3个数据，取其平均值4。最终，以Nα=（4-1）-（3-2）作为样品发射的α射线计数。需要说明的是，该实验设计基于以下几点假设：第一，PE薄膜不发射α射线并能完全阻挡由磷肥样品发射的α射线；第二，PE薄膜对α射线以外的射线没有阻挡作用；第三，样品发射的α射线能够全部穿出样品层；第四，展平的样品层顶面和底面向外辐射的射线一致；第五，测量环境本底辐射水平低。

4.3实验结果

对重量为0.0642 g样品的实测数据见表1。

表1　实测射线计数

根据实测数据计算得其顶面5h α射线计数平均值为530，分别令Cu=0和CR=0，可得，CR=0.2293 Bq/g和CR=0.4586 Bq/g，在磷肥一般核素活度浓度范围内［3］，证明该方法可以用来测算核素的活度浓度。另外，上述结果是在最不利情况下的极大值，在不超过相关标准限值的情况下，可实现磷肥放射性水平的筛查目的。

5 结论

本研究通过分析磷肥中铀系放射性核素分布及其衰变特征，推导建立了一种相对简易的放射性核素活度浓度检测方法。根据所采用的观测量不同，方法可细分为三种，基本可实现磷肥放射性水平筛查目的。

［1］郑美扬，樊军芳，闻伟峰.磷矿和磷肥中放射性核素迁移及其防护［J］.核电子学与探测技术，2010，30（12）：1641-1643.

［2］程业勋，王南萍，侯胜利.核辐射场与放射性勘查［M］.北京：地质出版社，2005：5-9.

［3］龙启萍.青海省某磷肥厂放射性水平调查［J］.中国辐射卫生，2012，21（3）：318-319.

Study on Easy Measurement of Radionuclide Specific Activity in Phosphate Fertilizer

Zhuo Zongkui，Zhang Zishan，Liu Hongliang
（Qinhuangdao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Qinhuangdao，Hebei，066000）

Deduced and introduced a relative easy method for measurement of uranium-series specific activity inphosphatefertilizer.By using differentdetections，themethodisdifferentiatedinthree branches.Experiment was only designed to validate the third method，an INSPECTOR ALERT detector based on G-M tube was used，and the alpha-ray from 0.0642g phosphate fertilizer sample was detected in the closed condition.After calculating according to the detections obtained，the specific activity of

Equilibrium of Radioactive Series；Specific Activity；Detections

TL84

E-mail：jinshuke2009@sina.com

秦皇岛出入境检验检疫局科技计划项目（QHD2013K07）

2014-10-29

226Ra is less than 0.2293 Bq/g，and of238U is less than 0.4586 Bq/g.