巖石、礦石樣品中總α總β放射性測(cè)量方法探討

鐘春明，張 鑫，柳金良，李 源

（核工業(yè)230研究所，湖南長(zhǎng)沙 410007）

介紹了巖石、礦石樣品中總α、總β放射性水平測(cè)定方法，同時(shí)介紹了測(cè)量總α?xí)r，選取241Am標(biāo)準(zhǔn)源和純鈾標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)總α測(cè)量結(jié)果的影響。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，選取241Am標(biāo)準(zhǔn)源和純鈾標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)總α進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量結(jié)果相差較大，純鈾標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)得的樣品總α結(jié)果更為準(zhǔn)確。

巖石；礦石樣品；總α；總β；測(cè)量方法

目前，各地實(shí)驗(yàn)室在總α測(cè)量時(shí)，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)源，一般采用241Am標(biāo)準(zhǔn)源、純鈾標(biāo)準(zhǔn)源和239Pu標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行刻度。總β測(cè)量時(shí)，一般采用KCl標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行刻度。

根據(jù)最近幾年中核地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室間能力比對(duì)，對(duì)比總α分析結(jié)果表明，不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一樣品總α分析結(jié)果相差高達(dá)1～8倍［1］；對(duì)比總β分析結(jié)果表明，不同實(shí)驗(yàn)室對(duì)同一樣品總β分析結(jié)果相差0.4～2.5倍。相對(duì)來(lái)講，總β分析結(jié)果比總α分析結(jié)果具有可比性。總α、總β放射性為生活飲用水四大指標(biāo)之一［2］，如何控制和減小分析誤差，提高數(shù)據(jù)的可比性，已成為環(huán)境放射性監(jiān)測(cè)中急待解決的課題。而在分析過程中，樣品成分的構(gòu)成和標(biāo)準(zhǔn)源的選取對(duì)總α測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

本文參照GB／T5750.13－2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法——放射性指標(biāo)》和EJ／T900－94《水中總β放射性測(cè)定——蒸發(fā)法》［3］。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是針對(duì)水樣品中總α、總β放射性測(cè)定方法，而本文是研究固體樣品中總α、總β放射性活度測(cè)量，因此將標(biāo)準(zhǔn)中總α、總β放射性活度的計(jì)算公式進(jìn)行修改后應(yīng)用于固體中，建立了一種固體樣品中總放射性活度水平的測(cè)定方法?？偊翜y(cè)量選用241Am標(biāo)準(zhǔn)源、純鈾標(biāo)準(zhǔn)源，總β測(cè)量選用KCl標(biāo)準(zhǔn)源。對(duì)兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)源測(cè)得的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)部分

1.1 測(cè)量?jī)x器及標(biāo)準(zhǔn)試劑

BH1216型低本底α、β測(cè)量?jī)x、干燥器、分析天平、壓樣器、GBW04301純鈾標(biāo)準(zhǔn)源（總α26.29 Bq／g）、GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)源（總α102.87 Bq／g）、241Am標(biāo)準(zhǔn)源（總α10.2 Bq／g）、KCl標(biāo)準(zhǔn)源（總β14.4 Bq／g）、GBW04327 K－40標(biāo)準(zhǔn)源（總β 1.37 Bq／g）。

其中GBW04301、GBW04302a純鈾粉末標(biāo)準(zhǔn)源、GBW04327純鉀粉末標(biāo)準(zhǔn)源為核工業(yè)北京地質(zhì)研究院提供，241Am、K－40粉末標(biāo)準(zhǔn)源為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供。

1.2 測(cè)量方法及步驟

1.2.1 本底測(cè)量

用一清潔的空白樣品盤測(cè)量計(jì)數(shù)系統(tǒng)的總α、總β本底計(jì)數(shù)率n0。測(cè)量時(shí)間為14×60 min，以保證測(cè)定結(jié)果具有足夠精度。

1.2.2 總α測(cè)量方法

1.2.2.1 總α標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)定

用已知質(zhì)量活度的241Am和GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)源粉末，制備成一系列不同質(zhì)量厚度的標(biāo)準(zhǔn)源，在低本底α、β測(cè)量?jī)x用α道測(cè)量α計(jì)數(shù)，由α凈計(jì)數(shù)率和構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)源的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)粉末的活度，計(jì)算給出測(cè)量系統(tǒng)的α計(jì)數(shù)效率εα，將εα與標(biāo)準(zhǔn)源質(zhì)量厚度D的對(duì)應(yīng)關(guān)系繪制α計(jì)數(shù)效率曲線。樣品測(cè)量時(shí)，由樣品源的質(zhì)量厚度查出對(duì)應(yīng)的α計(jì)數(shù)效率，計(jì)算樣品的總α放射性活度。

1.2.2.2 總α標(biāo)準(zhǔn)源的制備與測(cè)量

分別稱取0.02 g、0.04 g、0.06 g、0.08 g、0.10 g、0.12 g、0.14 g、0.16 g、0.18 g、0.20 g、0.30 g、0.50 g、0.70 g、1.0 g（樣品盤面積為19.6 cm2）的GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)源和241Am標(biāo)準(zhǔn)源，置于樣品盤中，制備成一系列標(biāo)準(zhǔn)源。將制備好的一系列標(biāo)準(zhǔn)源分別置于低本底α、β測(cè)量?jī)x的α道測(cè)量，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源的測(cè)量時(shí)間不低于240 min。根據(jù)下列公式計(jì)算α計(jì)數(shù)效率εα。

式中：εα為計(jì)數(shù)系統(tǒng)的α計(jì)數(shù)效率；nα標(biāo)值為標(biāo)準(zhǔn)源α計(jì)數(shù)率／s；n0為測(cè)量系統(tǒng)α本底計(jì)數(shù)率／s；A為樣品盤中標(biāo)準(zhǔn)源粉末的α放射性活度／Bq。

由計(jì)數(shù)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)源的計(jì)數(shù)效率εα（縱坐標(biāo)）與對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)源的質(zhì)量厚度D（mg／cm2）（橫坐標(biāo)）作圖，繪制出測(cè)量系統(tǒng)的α計(jì)數(shù)效率曲線，如圖1、圖2所示。

圖1 241Am標(biāo)準(zhǔn)源總α計(jì)數(shù)效率曲線

圖2 GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)源總α計(jì)數(shù)效率曲線

由圖1和圖2可看出，在樣品達(dá)到飽和層厚度時(shí)（約為13 mg／cm2），241Am標(biāo)準(zhǔn)源總α計(jì)數(shù)效率比GBW 04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)源總α計(jì)數(shù)效率偏高。主要是因?yàn)闃悠乏亮Ｗ幽芰康母叩蜁?huì)影響儀器探測(cè)效率，而經(jīng)過飽和層射出來(lái)的α粒子的平均能量，不同于樣品所存在核素的α粒子平均能量。天然鈾α粒子平均能量為4.54Mev，241Amα粒子平均能量為5.48Mev，當(dāng)用241Am為標(biāo)定儀器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其效率就會(huì)偏高，致使結(jié)果偏低。

1.2.2.3 粉末標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)活度計(jì)算［4］

任何放射物質(zhì)1 g的放射性活度C：

式中：M為放射性核素原子量；T1／2為放射性核素半衰期。

根據(jù)公式（2）可以算出1g u－238有多少Bq的α放射性：

C（u－238）＝4.18×1023／（238×1.41×1017）＝1.24×104（Bq）

當(dāng)u－238和u－234處于平衡時(shí)，天然混合物中u同位素的α放射性活度的比例關(guān)系為：u－238∶u－235∶u－324＝1∶0.046∶1

所以1 g平衡的天然u每秒所發(fā)射α粒子為：

1.2.2.4 巖石樣品總α理論推算值計(jì)算

在巖石、礦石樣品中，α輻射體核素主要為少數(shù)幾種天然存在的U、Ra、Th及其子體。當(dāng)樣品中238U、232Th輻射衰變系列未被破壞時(shí)，根據(jù)樣品中238U、232Th、226Ra含量以及238U、232Th輻射衰變系列圖［5］（235U含量過低，此處不予考慮），可推算出樣品總α大致結(jié)果。理論上測(cè)量結(jié)果不應(yīng)小于推算值。

式中：Cαu－238系列、CαTh－232系列分別為238U、232Th輻射衰變系列提供的α放射性比活度／Bq·g－1；C238U、C236Ra、C232Th分別為樣品中238U、226Ra、232Th放射性比活度／Bq·g－1；η238U為238U輻射衰變系列氡射氣系數(shù)；Cα推算值為巖石樣品中總α推算值／Bq·g－1。

1.2.2.5 樣品總α測(cè)量結(jié)果計(jì)算

樣品總α測(cè)量結(jié)果可根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Cα為樣品總α放射性比活度／Bq·g－1；nX為樣品α測(cè)量計(jì)數(shù)率／s；m為樣品盤中樣品質(zhì)量／mg。

1.2.3 總β測(cè)量方法

在自然界中，只有鈾、釷、鐳子體及鉀－40、碳－14等少量核素發(fā)射β粒子，其輻射貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)大致為α粒子的100倍。樣品源的厚度對(duì)β射線的測(cè)量影響較小，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)總α、總β的同時(shí)測(cè)量，樣品源的厚度只需滿足α計(jì)數(shù)測(cè)量的要求即可。

對(duì)EJ／T900－94《水中總β放射性測(cè)定——蒸發(fā)法》中總β計(jì)算公式進(jìn)行修改后，可根據(jù)下式計(jì)算固體樣品中總β測(cè)量結(jié)果：

式中：Cβ為樣品總β放射性比活度／Bq·g－1；nβ為樣品β計(jì)數(shù)率／s；nβ標(biāo)值為β標(biāo)準(zhǔn)源β計(jì)數(shù)率／s；Cβ標(biāo)值為β標(biāo)準(zhǔn)源總β放射性比活度／Bq·g－1。

2 樣品總α、總β測(cè)量結(jié)果與討論

本次選取的測(cè)量樣品為2012年中核地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室間能力比對(duì)固體樣品中的Albiug－1、Albiug－2，其主要為鈾巖石、鈾礦石、伴生放射性礦石等分析測(cè)試樣品副樣經(jīng)組合并球磨混均后，制備成的樣品。樣品Albiug－1、Albiug－2主要天然放射性核素含量見表1。每個(gè)樣品稱取三份不同質(zhì)量的平行樣進(jìn)行獨(dú)立測(cè)量，測(cè)量總時(shí)間240min以上，最終測(cè)量結(jié)果為三份樣品測(cè)量結(jié)果的平均值。同時(shí)在測(cè)量樣品過程中，帶入GBW04301純鈾標(biāo)準(zhǔn)源和GBW04327 K－40標(biāo)準(zhǔn)源。樣品總α、總β測(cè)量結(jié)果見表2、表3。

表1 樣品Albiug－1、Albiug－2主要放射性核素含量

表2 樣品總α測(cè)量結(jié)果

表3 樣品總β測(cè)量結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可知，以241Am標(biāo)準(zhǔn)粉末測(cè)得的樣品總α測(cè)量值比總α推算值小，而以GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)粉末測(cè)得的樣品總α測(cè)量值比總α推算值大。相較而言，以GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)粉末測(cè)得的樣品總α測(cè)量值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差較小。在巖石、礦石樣品中，α輻射體核素主要為少數(shù)幾種天然存在的U、Ra、Th及其子體，選用天然鈾為標(biāo)定儀器的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)得的巖石、礦石中總α結(jié)果將更接近推算值，結(jié)果更為準(zhǔn)確。

由表2、表3數(shù)據(jù)可知，與總α測(cè)量值相比較，總β測(cè)量值相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)誤差較小，符合更好，說明方法比較合理、可靠、準(zhǔn)確性較好。

3 結(jié) 論

1.對(duì)同一礦石樣品總α測(cè)量時(shí)，分別采用241Am標(biāo)準(zhǔn)粉末和GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)粉末進(jìn)行儀器標(biāo)定，總α測(cè)量值相差較大，其中以241Am標(biāo)準(zhǔn)粉末測(cè)得的樣品總α結(jié)果偏低。以GBW04302a純鈾標(biāo)準(zhǔn)粉末測(cè)得的樣品總α結(jié)果更接近推算值，準(zhǔn)確性更高。

2.在作總α計(jì)數(shù)效率曲線時(shí)，當(dāng)使用直徑為5 cm的樣品盤，盡量按照每個(gè)標(biāo)樣以1 mg／cm2遞增稱取標(biāo)準(zhǔn)樣品，同時(shí)標(biāo)樣個(gè)數(shù)應(yīng)不少于10組，以便更精確地繪制總α計(jì)數(shù)效率曲線圖。

3.樣品源的厚度對(duì)β射線的測(cè)量影響較小，樣品源的厚度在滿足總α測(cè)量條件下，同時(shí)測(cè)得的總β測(cè)量值符合好，準(zhǔn)確性較高。

4.在實(shí)際工作中，為提高測(cè)量的靈敏度和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)該注意樣品盤內(nèi)的樣品盡量鋪得均勻，不可將樣品沾污在樣品盤邊緣，以免污染測(cè)量?jī)x器。

4 建 議

從BRIUG IC－2012鈾礦地質(zhì)樣品成分分析實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)結(jié)果報(bào)告中總α對(duì)比結(jié)果可以看出［1］，由于各個(gè)實(shí)驗(yàn)室使用的α標(biāo)準(zhǔn)源不統(tǒng)一，加上在樣品制備和測(cè)量方法上也是多樣化，造成了同一樣品總α測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)可比性較差。為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度的可比性，建議對(duì)比實(shí)驗(yàn)時(shí)可統(tǒng)一測(cè)量方法和總α標(biāo)準(zhǔn)源。

［1］ 核工業(yè)地質(zhì)分析測(cè)試研究中心.BRIUG IC－2012鈾礦地質(zhì)樣品成分分析實(shí)驗(yàn)室間比對(duì)結(jié)果報(bào)告［R］.成都：核工業(yè)地質(zhì)分析測(cè)試研究中心，2012.

［2］ GB／T5750.13－2006，生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法——放射性指標(biāo)［S］.

［3］ EJ／T900－94.水中總β放射性測(cè)定——蒸發(fā)法［S］.

［4］ 徐春長(zhǎng)，趙清，楊元第.全國(guó)環(huán)境樣品中總α／β測(cè)量概況［J］.現(xiàn)代計(jì)量測(cè)試，2001，（4）：20－23.

［5］ 《礦石巖石中鈾鐳釷的物理測(cè)定》編寫組.礦石巖石中鈾鐳釷的物理測(cè)定［M］.北京：原子能出版社，1978.11－28.

Investigation of G lobal-αand G lobal-βRadioactivity M easurements M ethod in Rock or O re Sam ples

ZHONG Chun-ming，ZHANG Xin，LIU Jin-liang，LIYuan
（Research Institute No.230，CNNC，Changsha 410007，China）

This paper introduced determination of global-αand global-βradioactivity levels in rock or ore samples，also introduced tomeasure the global-αwhen select241Am standard source and U standard source on the global-α measurement results.Comparison of experimental results indicate that the standard source selection241Am and U standard source on the global-αto be measured，the measurement results quite different，and the result of the U standard source samplemeasured global-αismore accurate.

rock；ore samples；global-α；global-β；measurement

TG115.22＋1

A

1003－5540（2016）02－0077－04

2015－12－28

鐘春明（1986－），男，工程師，主要從事分析檢測(cè)、輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。