福船院環(huán)境監(jiān)測課件第8章 環(huán)境放射性監(jiān)測

第八章

環(huán)境放射性監(jiān)測第一節(jié)基礎(chǔ)知識

8.1.1

放射性和放射性同位素

1、放射性是具有不穩(wěn)定原子核元素的一種特性。

核子自發(fā)轉(zhuǎn)換隨之引起其本身物理和化學(xué)性質(zhì)改變的現(xiàn)象，稱為放射性。

2、放射性同位素—不穩(wěn)定的同位素（原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)同，中子數(shù)不同）8.1.2

核衰變和衰變形式1、核衰變：核素自發(fā)地放射出α、β、γ射線。2、核輻射：核衰變過程中放射出的各種射線稱為核輻射。3、核衰變形式：

1、母體——子體＋α（氦核）

2、母體——子體＋β（高速電子，β正，β負(fù)）

3、母體——子體（較低能級或基態(tài)子體）＋γ＋α（或β）

（同質(zhì)異能躍遷）

4、母體——子體（K層產(chǎn)生空穴）——子體＋x(高E級e填充K層)8.1.3

放射性的度量單位

1.放射性活度（A）：

在給定時刻處于特定能態(tài)下的一定量放射性核素的放射性活度A的定義式是

A=dN/dt

式中：A—放射性活度，是放射性核素的核轉(zhuǎn)變率，其專用單位是Becquerel，簡稱貝可，用符號Bq表示，1Bq=1sec-1

。dN—在時間間隔dt內(nèi)，處于該特定能態(tài)下的一定量放射性核素，發(fā)生自發(fā)核轉(zhuǎn)變的核數(shù)目。比活度是指單位質(zhì)量或體積內(nèi)所含有的放射性活度，單位為Bq.g-1

兩種放射源的活度相同時，只說明這兩種放射源的核轉(zhuǎn)變率相同，并不能說明二者放射出的射線數(shù)目相同。2.吸收劑量（D）：

定義：吸收劑量是單位質(zhì)量的物質(zhì)對輻射能的吸收量。

定義式：D=dε/dm

式中：dε與dm分別代表受電離輻射作用的某一體積元中物質(zhì)的平均能量與物質(zhì)的質(zhì)量.單位：Gy（戈瑞），1Gy=1J.kg-1。

吸收劑量適用于任何電離輻射和任何物質(zhì)，是衡量電離輻射與物質(zhì)相互作用的一種重要的物理量。

吸收劑量率——指單位時間內(nèi)的吸收劑量，單位為Gy.s-13.劑量當(dāng)量（H）－希沃特SV

在人體組織中某一點處的劑量當(dāng)量H等于吸收劑量與其他修正因數(shù)的乘積。H的計算公式為：

H=DQN

式中：Q為品質(zhì)因子，亦稱為線質(zhì)系數(shù)，N為其它修正系數(shù)，是吸收劑量在時間或空間上分布不均勻性修正因子的乘積，對外照射源通常取N=1。

單位為SV（希沃特），1SV=1J.kg-14.照射量（X）：只用于Χ或γ輻射和空氣介質(zhì)，它是表示Χ或γ射線在空氣中產(chǎn)生電離大小的物理量。

定義：X=dQ/dm

dQ是指在一個質(zhì)量為dm的體積單元的空氣中，由光子釋放的所有電子（負(fù)電子和正電子）在空氣中全部被阻時，形成的同一種符號（正或負(fù)）的離子的總電荷的絕對值。單位：庫倫/千克，(C.kg-1),

舊單位是倫琴(R),

1R=2.58×10-4C.kg-1

照射量率：指單位時間內(nèi)的照射量。在環(huán)境放射性監(jiān)測中是一個重要的概念。8.1.4

單位放射線與物質(zhì)的相互作用1.電離作用——由于帶電粒子和殼層電子間的靜電作用，使殼層電子獲得足夠能量而脫離原子、分子形成自由電子和正離子。自由電子和一個正離子組成一個離子對，這就稱為電離作用。2.激發(fā)作用——如果殼層電子獲得能量較小而未能脫離原子或分子，只是由低能級躍遷到高能級，則稱為激發(fā)。帶電粒子稱為直接電離粒子，不帶電粒子能使物質(zhì)產(chǎn)生間接電離，故稱為間接電離粒子。3.照像作用；是指放射線照射到攝影膠片上，會使攝影膠片感光的現(xiàn)象。4.熒光作用；如果放射線照射在熒光物質(zhì)上，會使其產(chǎn)生熒光。5.熱效應(yīng)：由于帶電粒子和物質(zhì)的原子或分子不斷碰撞，使分子不規(guī)則熱運動增加，從而使物質(zhì)變熱。6.射程與穿透作用：射線通過物質(zhì)時，不斷與物質(zhì)相互作用而損失能量，直至停止前進(jìn)。射線從進(jìn)入物質(zhì)到停止前進(jìn)所經(jīng)過的距離，稱為該射線在該物質(zhì)中的射程，以厘米為單位。如果射

線通過時，不被物質(zhì)阻止前進(jìn)而一直穿過物質(zhì)，則稱其具有穿透作用。7.其它：某些射線還可以產(chǎn)生光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對效應(yīng)，或引起物質(zhì)的核反應(yīng)，引起物質(zhì)發(fā)生化學(xué)變化等。第二節(jié)環(huán)境中的放射性

8.2.1污染源

(一)天然源

1、宇宙射線

初級宇宙線－高能輻射，穿透力很強(qiáng);

次級宇宙線

2、天然放射性核素

3、天然放射本源：內(nèi)照射、外照射，占80％

(二)人工源

1、核試驗－核裂變產(chǎn)物和中子活化產(chǎn)物放射性塵?？稍诖髿鈱訙?.3－3年

2、核工業(yè)及其他：核廢棄物（核發(fā)電）

醫(yī)療（占人工污染源的90％）

3、人類在環(huán)境中受到的輻射總劑量：每人每年接收的劑量不超過2mSV（其中天

然本底占50%以上）8.2.2

放射性污染的特點

放射性污染雖然是由于具有放射性核素的化學(xué)物質(zhì)而造成的，但是放射性污染與一般的化學(xué)毒害物質(zhì)污染有顯著區(qū)別。主要表現(xiàn)在以下5點：

1）放射性污染物的放射性與物質(zhì)的化學(xué)狀態(tài)無關(guān)；

2）每一種放射性核素都能放射出具有一定能量的一種或幾種射線；

3）每一種放射性核素都有一定的半衰期，不因氣壓、溫度而改變；有的放射性核素的半衰期極長，例如241Pu的β衰變產(chǎn)物241Am的半衰期為433年，23893U高達(dá)109年，而有些則只有幾分鐘甚至幾秒；

4）除了核反應(yīng)條件外，任何化學(xué)、物理、生物的處理都不能改變放射性核素的性質(zhì)；

5）放射性物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境后，可隨介質(zhì)的擴(kuò)散或流動在自然界稀釋和遷移，還可在生物體內(nèi)被富集并由此而產(chǎn)生在人體內(nèi)的放射性污染即內(nèi)照射。8.2.3

對人體危害

（一）進(jìn)入人體途徑

呼吸道－－人體－－肺，血液全身

消化道－－人體－－肝臟，血液，全身

皮膚或粘膜－－人體－－可溶性物質(zhì)易被皮膚吸收（傷口的吸收率更較高）（二）危害

1、損傷機(jī)理

1）α、β高速帶電粒子與物質(zhì)接觸時，能直接引起物質(zhì)的電離。屬直接電離粒子。

2）γ射線等不帶電的粒子，只能通過與物質(zhì)作用的次收帶電粒子引起物質(zhì)的電離，稱為間接帶電粒子。

——統(tǒng)稱為電離輻射：引起生物組織內(nèi)原子、分子電離

2、影響因素－射線性質(zhì)劑量、次數(shù)、時間、部位、方式。

3、損傷方式－急性、慢性。第三節(jié)放射性保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

最基本的標(biāo)準(zhǔn)是：對人體所受劑量當(dāng)量的限制。

一、我國環(huán)境放射性基本標(biāo)準(zhǔn)

二、我國露天水源中限制濃度和放射性工作場所空氣中最大允許濃度

三、國外的一些標(biāo)準(zhǔn)

第四節(jié)放射性測量實驗室和檢測儀器

8.4.1

放射性監(jiān)測的對象及內(nèi)容

環(huán)境放射性監(jiān)測的目的是為了掌握環(huán)境中的天然、人工放射性核素的水平、動態(tài)變化、轉(zhuǎn)移規(guī)律、污染特點以及對公眾造成的輻射劑量情況.

放射性污染監(jiān)測的內(nèi)容包括兩大類：

(1)輻射劑量的測量，這是對環(huán)境輻射的物理測量方法，通常有測量放射源的活度、射線種類、半衰期、能量和對空氣的電離情況，以及在環(huán)境與人體中的電離輻射劑量的監(jiān)測等。

(2)放射性核素的測定，這屬于放射化學(xué)的分析方法，目的在于了解各種放射性核素的含量、分布和轉(zhuǎn)移規(guī)律，同時也可以掌握污染環(huán)境的主要核素的情況。放射性監(jiān)測按照監(jiān)測對象可分為：

(1)現(xiàn)場監(jiān)測：對放射性物質(zhì)生產(chǎn)或應(yīng)用單位內(nèi)部工作區(qū)域所作的監(jiān)測；

(2)個人劑量監(jiān)測：對放射性專業(yè)工作人員或公眾作內(nèi)照射和外照射的劑量監(jiān)測；

(3)環(huán)境監(jiān)測：天然本底、核試驗、核企業(yè)、生產(chǎn)和使用放射性核素以及其它場所的監(jiān)測。8.4.2

核輻射探測儀器的監(jiān)測原理

核輻射劑量的監(jiān)測需要用核輻射探測儀器。是基于射線和物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的各種效應(yīng)如電離、光、電或熱等進(jìn)行觀測和測量的方法。

通常采用的探測器有電離探測器、閃爍探測器和半導(dǎo)體探測器等。（1）電離探測器：

原理：如果核輻射被電離室中的氣體吸收，該氣體將發(fā)生電離。電離探測器即是通過收集射線在氣體中產(chǎn)生的電離電荷進(jìn)行測量的。

2）閃爍探測器：

原理：是利用射線照射在某些閃爍體上而使它發(fā)生閃光的原理進(jìn)行測量的儀器。它具有一個閃爍體，當(dāng)射線進(jìn)入其中時產(chǎn)生閃光，然后用光電倍增管將閃光訊號放大、記錄下來。（3）半導(dǎo)體探測器：

原理：是將輻射吸收在固態(tài)半導(dǎo)體中，當(dāng)輻射與半導(dǎo)體晶體相互作用時將產(chǎn)生電子—空穴對。由于產(chǎn)生電子—空穴對的能量較低，所以該種探測器具有能量分辨率高且線性范圍寬等優(yōu)點。第五節(jié)放射性監(jiān)測8.5.1

放射性樣品的采集

1、概述

1）對環(huán)境樣品進(jìn)行放射性測量和對非放射性環(huán)境樣品監(jiān)測過程一樣，也是經(jīng)過以下三個過程：

樣品采集——樣品前處理——儀器測定

2）根據(jù)下列因素決定采集樣品的種類。

1、監(jiān)測目的和監(jiān)測對象，

2、待測核素的種類、輻射特性及其物理化學(xué)形態(tài)

3、在環(huán)境中的遷移及影響

4、有時要同時采集大氣、水、土壤和生物樣品來確定某污染源或某地區(qū)的放射性污染狀況。

3）采樣必須具有代表性、均勻性與適時性。

如果采集的樣品含放射性核素濃度較高，可直接制備成樣品源進(jìn)行測量；

如濃度較低，則需先將樣品進(jìn)行濃縮后制成樣品源，再進(jìn)行測量。

2.采樣點的布設(shè)

1）原則：通常在核企業(yè)可能影響到的地區(qū)，約80公里范圍內(nèi)布設(shè)采樣點。對大氣、土壤、植物監(jiān)測可以采用網(wǎng)格法或扇形布點法，對水體的監(jiān)測可參考水樣采集的布點法，根據(jù)具體情況，可加大布點密度。

2）方法：（1）扇形布點法：（2）網(wǎng)格法：

3）采樣點的布設(shè)方法：

（1）扇形布點法：以企業(yè)源為中心，按22.5°或45°劃分扇形，在距源1、2、3、5、8、10、15、20、30、50、80公里處分別隨機(jī)設(shè)置采樣點。

（2）網(wǎng)格法：將監(jiān)測區(qū)分成20×20的網(wǎng)格，隨機(jī)布點采樣。3.采樣頻率和監(jiān)測頻率

1）監(jiān)測頻率依環(huán)境污染的情況而定，常規(guī)監(jiān)測可一年兩次或每季度一次。

2）若監(jiān)測排放源情況時，應(yīng)根據(jù)排放周期的變化、放射性核素的半衰期、環(huán)境介質(zhì)的穩(wěn)定情況及統(tǒng)計學(xué)的要求而定。

3）核素半衰期短，采樣頻率應(yīng)高，可連續(xù)采樣或每日采樣一次；并且對于半衰期短的放射性核素，監(jiān)測頻率和采樣頻率相同，而對半衰期長的放射性核素，測量頻率可以減少，且可將幾次采集的樣品混合，進(jìn)行一次性的測定。

4.樣品的采集方法（1）放射性氣體的采集——采集放射性氣體樣品，常采用活性炭、硅膠吸附法、液體吸收法、冷凝法以及直接抽氣測量等方法。

①活性炭吸附法：是將裝有活性炭的裝置與抽氣裝置連接，氣體通過活性炭時，放射性氣體被活性炭吸附，將活性炭在高溫下解吸，則放射性氣體即被解吸下來，再對其進(jìn)行放射性測量?；蛘咧苯訙y量活性炭上的放射性強(qiáng)度。

②硅膠吸附法：將裝有硅膠的裝置與抽氣動力裝置連接，氣體通過硅膠時，放射性氣體則被硅膠吸附，然后直接測量硅膠上的放射性強(qiáng)度或?qū)⑷雍蟮墓枘z進(jìn)行蒸餾，對蒸餾液測其放射性強(qiáng)度。

③液體吸收法：該法是利用氣體在液相中的特殊反應(yīng)或在其中的溶解而進(jìn)行的。為除去氣溶膠，可在采樣管前安裝氣溶膠過濾器。

④冷凝法：采用冷凝器收集揮發(fā)性的放射性物質(zhì)，用于冷凝器的冷卻劑有干冰和液態(tài)氮。裝有冷肼的冷凝器適于收集有機(jī)揮發(fā)性化合物和惰性氣體。（2）放射性氣溶膠的采集——采集方法有過濾法、沉積法、粘著法、撞擊法和向心法等。

過濾法簡單，應(yīng)用最廣。采樣設(shè)備包括過濾器、過濾材料、抽氣動力和流量計等。采樣時抽氣流速約為100-200升/分，氣溶膠被阻擋在濾布或特制微孔濾膜上。采樣結(jié)束后，將過濾材料取下，進(jìn)行樣品源的制備與放射性測量。

（3）放射性水樣的采集：

放射性水樣的布點，采樣原則與水質(zhì)污染監(jiān)測基本相同。

采集水樣的工具可用普通清潔的、沒有放射性污染的玻璃瓶采集樣品。

采集的水樣應(yīng)盛放于塑料瓶中，以減少放射性吸附；有時可加入烯酸或載體、絡(luò)合劑等，以防止放射性核素的損失。

采集的水樣根據(jù)需要可供作各種放射性監(jiān)測分析。（4）食品、生物樣品：

——于收獲季節(jié)在田地里布設(shè)的采樣點位采集糧食的樣品后混合；

——對已收獲的糧食在存放處的上、中、下各層均勻采集后混合。

——蔬菜應(yīng)采集不同類型品種的樣品。

——在核爆炸期間主要以采集葉菜為主。

——魚、蝦類應(yīng)根據(jù)在水中分布情況，可分別采集各類樣品。

——樣品采集后，去掉非食用部分，洗凈，將表面水晾干，稱鮮重。然后切碎置于蒸發(fā)皿中，加熱讓其炭化，轉(zhuǎn)入馬福爐中于400～500℃灰化，冷卻后稱重。供測量使用。（5）土壤：放射性沉降物及各類來源的放射性廢物都可直接污染土壤。

土壤采樣點應(yīng)選地勢平坦的地方，在一定范圍內(nèi)布設(shè)的采樣點位采集樣品。

采樣時取出10×10平方厘米方塊上垂直10厘米深的土壤。

采集的樣品應(yīng)置于無放射性污染的容器內(nèi)。

將樣品晾干（或在110℃烘干），除去雜物，稱重，將樣品混合均勻，用四分法縮分，然后將土樣在馬福爐中于500℃灼燒兩小時，冷卻后，研碎、過篩，供各種測量使用。8.5.2

放射性樣品的前處理1、目的：濃集對象核素、去除干擾核素、將樣品的物理形態(tài)轉(zhuǎn)換成易于進(jìn)行放射性檢測的形態(tài)。2、方法：

1．蛻變法：

樣品放置一段時間，使壽命短的干擾放射性核素蛻變后，再對樣品進(jìn)行放射性測量。

在測定大氣中放射性氣溶膠的總α、β放射性時常用這種方法，在用過濾法采樣后，放置4-5小時，以使短壽命的氡、釷子體蛻變殆盡。

2．有機(jī)溶劑溶解法：用適宜的有機(jī)溶劑處理固態(tài)樣品如飄塵、土壤、沉積物、生物樣等，使其中所含待測核素得以溶解浸出，浸出液可轉(zhuǎn)入測量盤中，用紅外燈烘干后進(jìn)行放射性測量。

3.灰化法：固態(tài)樣品或蒸干的水樣，可放入瓷坩堝內(nèi)，置于500℃馬福爐中灰化一定時間，冷卻后稱量灰重，并轉(zhuǎn)入測量盤中，均勻鋪樣后檢測其放射性。4．溶劑萃取法：

早期是應(yīng)核武器制造需要而迅速發(fā)展起來的一門專用技術(shù)，對于環(huán)境樣品來說，它也是分離極微量放射性核素的最常用方法之一。該方法的特點是達(dá)到相平衡所需時間短、分離濃集效率高。

例如，對第一顆钚原子彈爆炸地日本長崎地區(qū)周圍土壤及太平洋海水樣品中钚的測定，曾采用三辛胺-硝酸鹽體系的溶劑萃取法作為分離手段。該方法將樣品用8mol/l硝酸處理后，以三辛胺萃取钚，所得萃取有機(jī)相先后用8mol/l硝酸和10mol/l鹽酸洗滌，借此除去鐳、鎂、鐵、釷等元素，此時钚（Ⅳ）以氯絡(luò)陰離子形態(tài)留在有機(jī)相，可用8mol/l鹽酸+0.2mol/l氟化氫將其反萃取出有機(jī)相以與鈾分離，最后用電沉積方法在金屬薄片上制得钚源，可作α測量之用。5．離子交換法：

是目前最重要和應(yīng)用最廣泛的放射化學(xué)分離法之一，可用于分離幾乎所有的無機(jī)離子和許多結(jié)構(gòu)復(fù)雜的有機(jī)化合物，還特別適用于同族元素分離和超微量組分的分離。

現(xiàn)以天然水中鈾、釷分離為例，說明離子交換法在環(huán)境放射性樣品前處理中的應(yīng)用：取1升天然水（或礦井水）水樣，用檸檬酸酸化、過濾后，再加入一定數(shù)量檸檬酸鈉和抗壞血酸使溶液pH=3，再將此水樣通過陰離子交換柱Ⅰ（柱內(nèi)裝載4gDowexl×8檸檬酸型的樹脂），水樣中所含鈾和釷與檸檬素絡(luò)合而被樹脂吸附，然后以8mol/L

HCL洗脫釷；

為了將洗脫液中對測定釷有干擾的雜質(zhì)進(jìn)一步除去，用8mol/LHNO3處理該洗脫液將其轉(zhuǎn)化為絡(luò)陰離子后，再流過另一根陰離子交換柱