气载放射性碘采样测量方法研究进展*

唐方东 赵超/上海市计量测试技术研究院

0 引言

根据联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）总结[1,2]，切尔诺贝利核事故与福岛核事故中，放射性碘（尤其是131I）是公众辐射暴露的主要来源之一。放射性碘在核事故中裂变产额相对较高，且易于富集在人体甲状腺内，在核事故爆发早期，对公众电离辐射剂量贡献居首位。另一方面，如果反应堆元件棒、安全壳出现缺陷、裂隙，碘作为极易挥发的元素，容易在核事故早期泄漏至环境，因此也常作为监测核事故发生与否及其等级评定的示警核素[3,4]。在核医学中，131I、125I也被广泛应用于分化型甲状腺癌、前列腺癌的诊疗[5,6]，其在生产、存储及使用的过程中同样存在产生气载放射性碘的风险。气载放射性碘的准确测量是预警核事故、评估核事故等级、估算公众及相关人员辐射暴露量的必要前提之一。

1 气载放射性碘及其测量方法

气载放射性碘，是指空气中以气态或气溶胶形式存在的放射性碘同位素，其主要有无机碘、有机碘和微粒碘三种形态[3,7]。其中无机碘以单质碘蒸汽为主，又被称为元素碘或分子态碘，有机碘主要是甲基碘（CH3I），微粒碘则是指与气溶胶结合，悬浮在空气中的碘。一般认为，常态下分子态碘和气溶胶中碘的比例为1∶1，事故条件下分子态碘、气溶胶中碘与甲基碘的比例为91∶5∶4[3]。

碘的同位素中，127I为稳定同位素，其余均为放射性同位素。核裂变反应或核医学应用中较受重视的放射性碘同位素及其衰变信息列于表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），即使释放到环境中也会很快衰变殆尽，传播扩散范围有限，一般仅在核事故应急情况下测量（且其关注度也不及131I）。129I的半衰期长达百万年，常用于环境行为的示踪研究[10-11]，其测量往往采用加速器质谱仪完成[12]。125I与131I的半衰期分别约为59.4 d和8.03 d，但125I的射线能量35.5 keV，分支比仅为6.7%，辐射剂量贡献很小；而131I不仅射线能量较高，裂变分支比也大，从辐射防护与环境放射性监测的角度，受到的关注度最高，是气载放射性碘相关研究的主要对象。

20世纪90年代初，我国颁布了GB/T 14584-93《空气中碘-131的取样与测定》[13]，推荐了气载131I采样测量的一种基本方法。该方法考虑到空气中131I的活度浓度通常较低，用采样器将空气中131I收集至采样介质内，用高纯锗γ谱仪测量介质内131I活度。其采样流速一般为20～200 L·min-1，采样器如图1所示，采样器内可以串联安装玻璃纤维滤纸、活性炭滤纸及浸渍活性炭滤筒三种采样介质。其中玻璃纤维滤纸可收集近100%的微粒碘，无机碘与有机碘可以透过。活性炭滤纸可收集绝大部分无机碘，有机碘可以透过。一般情况下，浸渍活性炭滤筒可收集绝大部分有机碘。根据上述收集特性，分别测量串联的玻璃纤维滤纸、活性炭滤纸及浸渍活性炭滤筒内131I的活度，可得到大气中三种气载131I各自的活度浓度。该方法采样时间长（往往以天计），采样体积较大，探测下限可达3×10-3Bq/m3乃至更低，测量结果较为准确，但是实时性相对较差，适用于非紧急情况下气载131I的监测。

表1 主要放射性碘同位素及其衰变信息[5-9]

图1 气载131I采样装置示意图

目前国内外主流的气载碘监测仪采用类似的方法，主要的改变是以便携式NaI(Tl)谱仪替代高纯锗γ谱仪作放射性碘活度测量，并将探测部件与采样装置组合为一套气载放射性碘测量仪器[14,15]，在采样的同时测量采样介质内131I的活度，或者按预先设置的时间进行采样（一般为10～120 min）然后作一定时间的测量，循环反复。这种测量方法采样时间较短，采样体积较小，且NaI(Tl)谱仪的性能不及高纯锗γ谱仪，测量准确度相对较低，探测下限通常为10-1Bq/m3量级（典型值：0.5 Bq/m3），但使用简便、响应迅速，尤其适用于应急情况下的快速测量。出于监测目标与集成难度考虑，这种方法一般仅用浸渍活性炭滤盒采集总131I，而不对微粒碘、无机碘、有机碘加以区分。

2 气载放射性碘的采样方法

早在1970年，Fukuda等就提出了一套结合活性炭滤纸与活性炭滤盒的高效采样装置，并探讨了湿度、采样面速度对采样的影响[16]。Collins等比较了20余种胺浸渍的炭层的吸附性能，发现采用TEDA浸渍过的活性炭对甲基碘的吸附效果最好[17]。Kulyukhin等对沸石分子筛、活性炭、硅胶、金属氧化物等多类采样介质进行了比较[18]。Alexander等研究了基于聚氨酯泡沫吸附剂对甲基碘的采集效果[19]。国内学者岳龙清等研究者综述了放射性碘吸附材料的发展历程[20]。总的来说，在国内外大量研究者的参与下，气载放射性碘的采集用的材料与采样技术已经发展得相对成熟，采样滤盒已经有多种规格型号的商用产品，目前应用最广泛的是TEDA浸渍活性炭滤盒。

3 分布参数对测量的影响及其解决方案

哈继录等指出131I在采样样品内随滤盒深度呈指数衰减[21]，如式（1）所示。

式中：d——深度，也即沿采样气流方向，从采样样品表面到内部的深度，mm；

A(d)——131I活度随深度d的密度分布函数，Bq/mm；

a——分布参数，mm-1；

A——采样样品内131I的总活度，Bq；

D——采样样品总厚度，mm

根据式（1），分布参数a的取值影响131I在采样样品内的相对分布：当分布参数趋向于零，131I在样品内趋于均匀分布；当分布参数趋向于无穷大，131I在样品内趋于集中在表层。而分布参数a又受采样介质及采样流体的影响。对于同一采样介质，采样流速、温湿度均可能影响分布参数的取值。实际上，由于采样流体的混沌性，即使严格控制采样条件的一致性，分布参数取值也可能不同。由于γ谱仪对采样样品内不同深度处131I的探测效率不同，因此当分布参数变化，γ谱仪对采样介质内131I的平均探测效率也将发生改变。这一效应将影响γ谱仪对采样介质内131I的测量。事实上，分布参数的变化导致平均探测效率的变化是131I采样样品测量中的最大难题。

20世纪90年代以来，国内多位研究者提出了该问题的不同解决方案，其技术方案及局限性见表2[21-25]，国外则未见关注该问题的相关报道。从表2中可以看到，无论何种解决方案，都存在一定的局限性，且大多数方案都涉及比较复杂的数学计算，可见该问题是气载放射性碘采样测量中的一大难题。

4 量值溯源

作为一种相对测量方法，气载放射性碘采样测量结果需要实现量值溯源。131I半衰期仅为8.03 d，131I参考源作为测量标准不能长期反复使用。Olson为此提出了用能谱接近的133Ba替代131I刻度探测器对气载131I采样样品的探测效率[26]。英国国家物理实验室（National Physical Laboratory，NPL）、美国能源部（U.S. Department of Energy）及国内原子能科学研究院等国内外多家机构一直沿用该方法。我国大多数研究者也采用此方法[27,28]。然而以133Ba参考源作为测量标准进行刻度存在两大问题：1）131I主射线（364.49，81.50%）与133Ba的主要γ射线（356.01，62.05%）能量接近，是133Ba替代131I刻度的基础所在，但133Ba其他射线（81.00，32.90%；276.40，7.16%；302.85，18.34%；383.8，8.94%）分支比相对较大，可能通过串道、符合相加等机制干扰主射线的测量，最终产生较大的刻度误差；2）目前使用的133Ba参考源内133Ba都是均匀分布的，而气载131I采样样品内131I核素是指数分布的，更集中于采样一端，两者之间的差异将在刻度过程中引入较大的系统误差。Zimmerman等指出以133Ba替代131I刻度极可能引入相当大的误差，某些情况下可高达实际值的300%[29]。表2中事实上收录了对该问题较为杰出的解决方案，然而近30年来大多数研究实际上忽视了该问题[27,28]。

较为严谨的方法是：用已知比活度的131I溶液制备参考面源[21,22,30]，用参考面源刻度γ谱仪对于采样样品不同深度处131I的探测效率，刻度时应该在面源上下铺垫活性炭颗粒以保证与采样样品一致的自吸收效应。由此得到探测效率随深度的变化曲线，在实际应用中还应配合分布参数计算平均探测效率。该方法步骤复杂繁琐，较难应用于日常的仪器校准。事实上131I溶液成本低且易于获取，赵超等研发建立了用131I溶液快速制备131I参考源的技术，提出了一种新型校准方法[25]，131I参考源的几何尺寸与采样滤盒一致，核素分布与气载放射性碘监测采样样品基本相似，可实现气载放射性碘监测仪器对参考源的探测效率与其对采样样品的探测效率基本一致，保障量值溯源的可行性与可靠性。

表2 分布参数对测量影响的解决方案

5 结语

本文综述了气载放射性碘的形态、主要同位素种类、测量方法、采样方法、探测效率刻度方法及其相关研究与进展，并着重讨论了分布参数对测量的影响与相应的解决方案。气载放射性碘采样测量需要关注两个主要问题：1）选择合适的方法处理分布参数对测量的影响；2）为避免使用133Ba参考源刻度产生的133Ba分支射线串道、符合相加的干扰及分布差异带来的影响，宜采用符合气载放射性碘监测采样核素分布的131I参考源作测量标准。