水中总α放射性测量中样品质量厚度变化的影响及校正

杜云武,邓晓钦,毕朝文,朱 杰,王 亮,曾 奕,郭旭影,王 艳,王 茜

(四川省辐射环境管理监测中心站,成都 610031)

伴生放射性矿开发利用、铀开采、铀浓缩、核燃料组件制造、辐射环境质量监测等均要开展地表水、饮用水和废水中总α放射性监测[1-2],环境介质中总α放射性测量是常用的环境放射性监测手段之一 。当废水、地表水、饮用水总α放射性指标超过指导值或管理限值时,相关标准要求进一步开展核素分析和评价[1-2],以查找原因。因此,总α放射性测量的准确性具有重要意义。

标准物质的选用、铺样的均匀性、样品的前处理、样品的质量厚度等[3],均影响总α放射性测量的准确性。实际监测源项的多样性[1],其环境介质中的α核素种类和比例相差比较大,由于不同核素发射的α射线能量和分支比均不同,α射线穿透能力相差较大,即使按照推荐的测量方法进行探测效率刻度,仍然会带来测量探测效率误差,进而影响总α放射性测量的准确性。Fernndez等[4]用蒙特卡罗模拟评估典型α计数器对241Am粒子的探测效率。本研究采用含241Am的CaSO4标准物质制作不同质量厚度的α源,测量探测效率,验证蒙特卡罗模拟实验装置模型,通过模拟计算不同α核素不同质量厚度源的探测效率,探讨不同α核素不同质量厚度的探测效率、计数率、探测效率的倒数等对测量结果的影响,为我国相关标准的修订或常规测量总α放射性提供技术支撑。

1 实验材料和方法

1.1 主要试剂与仪器

美国ORTEC公司生产的流气式正比低本底α、β计数器,设备型号为MPC9604,出厂指标:本底为α<0.057 cpm、β<0.69 cpm,探测效率为α>42%(241Am或210Po)、β>55%(90Sr/90Y),工作气体为P10气体(10%CH4+90%Ar)。测量样品盘为直径5 cm不锈钢样品盘。电炉、马弗炉、研钵、红外烤灯、电子天平(d=0.1 mg)、烘箱和干燥箱。

α核素标准物质为含241Am的CaSO4固体粉末,其中总α标准物质活度浓度10.40 Bq/g,该标准物质由全国辐射环境监测标准物质配置项目提供,全国统一编号10-01-01-5100,参考日期2018年4月1日,生产厂家Eckert &Ziegler Analytics。无水乙醇辅助铺设标准物质。

1.2 标准源的制备、测量

将标准源粉末放入烘箱中干燥至恒重后,分别称取8个不同质量的标准源粉末放入已称量的样品盘中,借助无水乙醇将粉末铺匀。在红外灯下烘干,置于干燥器中冷却至室温待测。分别将8个标准源放入MPC9604低本底仪器测量,测量时间为300 min。

1.3 标准源的探测效率及质量厚度

标准源测量的计数率减去本底计数率,再除以标准源质量和活度浓度之乘积,作为相应质量厚度的标准源核素探测效率,计算公式见式(1):

(1)

式中,ε241Am为核素探测效率;n241Am为标准源计数率,s-1;n0为测量仪器本底计数率,s-1;M为标准源质量,mg;a为标准源活度浓度,Bq/mg。

标准源的质量除以样品托盘的面积,作为相应的质量厚度,计算公式见式(2):

(2)

式中,m为质量厚度,mg/cm2;M为标准源质量,mg;r为样品托盘半径,cm。

2 模拟模型

MPC9604低本底仪器基本参数:探测器内半径2.75 cm,探测器内深度0.8 cm,钢制探测器镀铝薄窗质量厚度80 μg/cm2,工作气体P10,气体流量55 cm3/min,气体压强68.95 kPa,样品距离窗口距离0.318 cm,钢制样品托盘厚度0.30 cm,样品介质为CaSO4。根据此样品参数建立了实验装置模拟模型,如图1所示,模拟半径为2.5 cm、8个不同质量厚度的241Am标准源的探测效率,每次运行粒子数106。

图1 实验装置模拟模型

3 实验和模拟验证结果

参照《水质总α放射性的测定 厚源法》(HJ 898—2017)[5]制备8个241Am标准源[5-6],放入本研究设备测量300 min,同时对其进行蒙特卡罗模拟,测量和模拟计算结果列于表1。模拟值和测量值相对偏差小于5.43%,模拟结果能够满足HJ 898—2017[5]平行双样测定结果的相对偏差应≤30%的要求和HJ 61—2021[1]平行样和留样复测相对偏差控制指标30%～40%的要求。

表1 241Am标准源测量值和模拟计算值

4 模拟辐射源

4.1 辐射源α核素主要参数

标准物质为按照相关标准推荐和常规监测使用的含有241Am的硫酸钙粉末,称取适当质量该标准物质铺盘制成一定质量厚度的标准源[5-6]。水环境质量监测天然α辐射源情景主要有:天然铀(238U、235U、234U丰度分别为99.27%、0.714%、0.016%)、4%浓缩铀(238U、235U、234U丰度分别为95.938%、4.000%、0.062%)、97%浓缩铀(238U、235U、234U丰度分别为1.506%、97.000%、1.494%)、平衡铀、平衡钍、平衡226Ra-222Rn及其铀系、钍系的衰变α子体。模拟的辐射源及其17种α核素主要α能量、分支比列于表2。

表2 辐射源及其α核素参数[7]

4.2 模拟质量厚度

按照相关标准测量α放射性水平[5-6],α核素辐射源的介质为CaSO4。针对表1中的α核素,分别模拟20种质量厚度,其质量和质量厚度列于表3。

表3 模拟辐射源的质量及质量厚度

4.3 数据处理

4.3.1探测效率校正因子

α核素的探测效率除以相应质量厚度的241Am标准源的探测效率,作为该α核素的探测效率校正因子,计算公式见式(3):

(3)

式中,λi为α核素探测效率校正因子;εi为α核素探测效率;ε241Am为241Am核素标准源探测效率。

4.3.2计数率

α核素的探测效率乘以源的质量和源活度浓度为相应质量厚度的α核素的计数率,计算公式见式(4):

ζ=ε·M·a

(4)

式中,ζ为α核素计数率,s-1;ε为α核素探测效率;M为源的质量,mg;a为源的活度浓度,Bq/mg。

4.3.3探测效率的倒数

(5)

式中,κ为相应质量厚度α核素探测效率的倒数,ε同公式(4)。

4.3.4辐射源均值

辐射源α核素相应比例系数乘以其相应的探测效率、探测效率校正因子、计数率的和归一化,作为相应质量厚度辐射源的均值。平衡辐射源母体和子体比例系数取1,天然铀、不同浓缩铀238U、235U、234U比例系数按照天然含量和浓缩度计算。

5 结果和讨论

5.1 探测效率和质量厚度关系

平衡铀、平衡226Ra-222Rn、平衡钍、天然铀、4%浓缩铀、97%浓缩铀的α核素探测效率及均值随CaSO4介质质量厚度的变化如图2所示。

A:平衡铀;B:平衡226Ra-222Rn;C:平衡钍;D:天然纯铀;E:4%浓缩铀;F:97%浓缩铀。

相同的质量厚度,不同α核素和不同α辐射源的探测效率是不同的;探测效率随质量厚度增加成指数关系减小,当质量厚度增大到一定值后,探测效率趋近于恒定值。

5.2 计数率和质量厚度关系

平衡铀、平衡226Ra-222Rn、平衡钍、天然铀、4%浓缩铀、97%浓缩铀的α核素计数率及均值随CaSO4介质质量厚度的变化如图3所示。

G:平衡铀;H:平衡226Ra-222Rn;I:平衡钍;J:天然纯铀;K:4%浓缩铀;L:97%浓缩铀。

辐射源和其子体辐射源在CaSO4介质的有效饱和厚度列于表4,241Am有效饱和厚度与《生活饮用水标准检验方法放射性指标》(GB/T 5750.13—2006)推荐值4.0 mg/cm2一致[6]。

表4 CaSO4介质中α核素辐射源有效饱和厚度

相同的质量厚度、不同α核素和不同α辐射源的计数率是不同的;计数率随CaSO4介质质量厚度增大而增大,当质量厚度增大到一定值时,其计数率不再增加。

5.3 探测效率校正因子和质量厚度关系

平衡铀α核素探测效率校正因子及其均值列于表5,平衡钍α核素探测效率校正因子及其均值列于表6,平衡226Ra-222Rn、天然铀、4%浓缩铀、97%浓缩铀等α核素探测效率校正因子及其均值列于表7。平衡铀探测效率校正因子随质量厚度增加,当质量厚度达到7.00 mg/cm2时,其探测效率校正因子为0.96。平衡钍探测效率校正因子随质量厚度增加,当质量厚度达到2.00 mg/cm2时,其探测效率校正因子为1.01。平衡226Ra-222Rn探测效率校正因子随质量厚度增加,当质量厚度达到2.00 mg/cm2时,其探测效率校正因子为1.05。天然铀、4%浓缩铀、97%浓缩铀探测效率校正因子随质量厚度增加而减小,当质量厚度大于4 mg/cm2时,其值基本恒定,分别为0.39、0.39、0.47。

表5 平衡铀α核素探测效率校正因子及其均值

表6 平衡钍α核素探测效率校正因子及其均值

表7 平衡226Ra-222Rn、天然铀、4%浓缩铀、97%浓缩铀等α核素探测效率校正因子及其均值

当质量厚度小于0.510 mg/cm2时,单个α核素辐射源的探测效率校正因子均大于0.70,即当不知道天然α核素辐射源的种类和比例时,采用薄源法,源的质量厚度小于0.510 mg/cm2以下,探测准确度能够大于70%以上,测量结果能够满足HJ 898—2017[5]平行双样测定结果的相对偏差应≤30%的要求和HJ 61—2021[1]平行样和留样复测相对偏差控制指标30%～40%的要求。

5.4 探测效率的倒数和质量厚度关系

平衡铀、平衡226Ra-222Rn、平衡钍、天然铀、4%浓缩铀、97%浓缩铀的α核素探测效率的倒数及均值随CaSO4介质质量厚度的变化如图4所示。

M:平衡铀;N:平衡226Ra-222Rn;O:平衡钍;P:天然纯铀;Q:4%浓缩铀;U:97%浓缩铀。

相同质量厚度、不同α核素或不同α辐射源探测效率的倒数是不同的;当质量厚度大于有效饱和厚度后,探测效率的倒数和质量厚度成线性关系;利用线性关系便于准确计算探测效率。

5.5 α核素α射线能量均值和探测效率关系

表8 天然α核素α射线平均能量

V:质量厚度1.019～5.096 mg/cm2;W:质量厚度6.115～17.325 mg/cm2。

相同α能量、不同质量厚度的探测效率不同;相同质量厚度,探测效率与α能量成指数关系。

利用指数关系,通过已知几个α核素的探测效率,可以计算出其他能量α核素探测效率。

5.6 α射线能量和有效饱和厚度关系

根据表4和表8得到17种α核素的有效饱和厚度随CaSO4介质α射线能量的变化如图6所示。根据有效饱和厚度与α射线能量曲线,得到拟合函数msat=msat0+msat1E,校正决定系数>0.984,msat0、msat1为拟合系数,msat为有效饱和厚度(mg/cm2)、E为α射线能量(keV),有效饱和厚度和α射线能量成线性关系。

图6 α射线能量与有效饱和厚度的关系

不同α核素,其有效饱和厚度不同;有效饱和厚度与α能量成线性关系。利用线性关系,已知2～3种α核素的有效饱和厚度,可计算出其他α核素有效饱和厚度。

5.7 α放射性测量计数效率校正

α放射性测量计数效率等于该α核素探测效率除以其α射线分支比,计算公式见式(6):

(6)

式中,Ca为α放射性测量计数效率;ι为α核素α射线分支比;λ为α核素探测效率校正因子;ε、ε241Am同公式(3)、(4)。

平衡辐射源总α放射性测量计数效率等于所含α核素探测效率校正因子除以该α核素α射线分支比之和除以α核素个数,再乘以标准源α核素(241Am)探测效率。

6 结论

水中总α放射性测量,需要根据不同辐射源α核素,制备适当质量厚度样品或者利用探测效率校正因子、分支比和成分比例进行修正,来提高测量结果准确性。质量厚度7 mg/cm2,平衡铀探测效率校正因子为0.96;质量厚度2 mg/cm2,平衡钍探测效率校正因子为1.01、平衡226Ra-222Rn探测效率校正因子为1.05;质量厚度大于4 mg/cm2,天然铀、4%浓缩铀、97%浓缩铀探测效率校正因子基本恒定,分别为0.39、0.39、0.47;质量厚度小于0.510 mg/cm2,单个α核素辐射源的探测效率校正因子均大于0.70。质量厚度大于有效饱和厚度,探测效率的倒数与质量厚度成线性关系;质量厚度小于有效饱和厚度,探测效率的倒数与质量厚度成指数关系。有效饱和厚度与α射线能量成线性关系,可以最优进行质量厚度源制备。

水中天然α核素种类和比例不确定情况下,总α放射性薄样法测定(质量厚度小于0.510 mg/cm2),其结果可以满足相关标准要求[1,5]。另外,实验室辐射源铺样均匀性,是测量准确性的关键环节和技术[8]。