水中总α、总β放射性实验的影响因素及测量方法讨论

唐桦明，张玮亮，罗海恩，韩帅帅，杨冠东，钟 瑜

(中科检测技术服务(广州)股份有限公司，广州 510650)

分析水中的总α、总β放射性活度可以快速有效地筛查和判断水体的放射性情况。我国国家标准规定了生活饮用水及其它水源水中总α、总β放射性的测量方法。李周等人曾研究过低本底测量仪的串道现象对实验结果的影响因素，提出使用遮挡物的方法屏蔽样品中的α射线用以减少α道对β道的影响[1]。格日勒满达呼等人提出了粉末标准物质修正的方法减少α串道的影响[2]。但相关文献中鲜有针对串道影响的修正计算。另外，在实际测试中，发现标准方法提供的标准曲线法有时拟合效果不佳，对测试结果产生一定影响；同时，低本底探测器测得的样品计数值与放置时间也有明显的关系，文献中鲜有相关的数据支持。

本文通过一系列比较实验，发现用线性拟合标准源的“质量厚度-净计数率”曲线，结果良好。此外，在前人的研究基础上，提出串道因子对实验结果的修正计算。最后，本研究首次通过热释光测试方法探讨测试初期计数偏高的现象，以获得影响样品源计数的因素，以此提出合理化的建议提高实验计数的准确度。

1 实验方法

1.1 主要仪器与试剂

六路低本底α、β测量仪(LB-6，北京高能科迪科技有限公司)；马弗炉(上海博迅实业有限公司)；释光测量仪(SL08，广州瑞迪爱生科技有限公司)；241Am粉末源(10.3 Bq/g，中国原子能科学研究院)；40K粉末源(14.4 Bq/g，中国原子能科学研究院)；硝酸(优级纯，广州化学试剂厂)；硫酸(优级纯，广州化学试剂厂)；无水乙醇(分析纯，天津市大茂化学试剂厂)。

1.2 水样来源

实验使用的井水来源于广东云浮郁南县居民饮用水，地下水来源于广西贵港市、广州市增城区的环境监测井，自来水来源于广州市天河区、海珠区，防水材料来源于西安某材料公司，水源水来源于内蒙古呼和浩特市，采用随机选样方式。

1.3 水中总α、总β放射性测量

实验方法和活度计算参考国家标准[3]，对于井水、生产用水、自来水等各类水样，均采用聚乙烯桶采集水样，将水样进行酸化、蒸发浓缩等处理，最后加入硫酸使之转化为硫酸盐，在马弗炉中以350 ℃灼烧1 h，取出残渣，用研钵研磨至均匀粉末状后转移至样品盘中制备成样品源，再用低本底α、β测量仪测量。本底计数率对测量结果的离散度有影响，本底计数率越高，测量结果的标准偏差越大，因此实验时应保证测量条件对本底测试的影响最小，选用清洁过的本底计数较低的样品盘。

标准曲线法的操作如下：分别称取0.5S、1S、2S、5S、7S、10S、12.5Smg(S为样品源活性区面积，15.89 cm2)的标准物质粉末(241Am、40K)于样品盘中，加入无水乙醇铺平，制备一系列不同质量厚度的标准源，在低本底α、β测量仪上进行测量获得计数。按照式(1)计算获得计数效率：

(1)

式中，εx为α或β的计数效率；ns为标准源α或β的计数率，计数/s；n0为测量仪的本底计数率，计数/s；A为样品盘中标准物质粉末的放射性活度，Bq。

1.4 热释光测试

热释光是指材料吸收了能量后，通过加热材料使其释放光信号的现象。在水中总α、总β上机测量过程中，部分样品源在测试初期会出现计数偏高的现象，尤其是样品制备完毕后立刻测量，这种现象更为显著。为了探究其原因，本文采用热释光的测试方法了解样品源的发光现象与样品温度的关系。

取一定质量的样品，用红外灯照射一定时间后，置于热释光测量仪中测试二维发光曲线，温度范围为室温至300 ℃，升温速率为5 ℃/s。

2 实验结果与分析

2.1 标准曲线法的讨论

在本实验中选用通道1、2进行分析。国家标准中推荐标准源的质量厚度D(mg/cm2)与计数效率εx的计数效率曲线作为标准曲线，用以评价标准物质与仪器响应之间的函数关系[3]。如图1所示，根据标准中推荐的方法，将标准源的质量厚度D与计数效率的关系按线性、指数、幂、对数等函数进行拟合，曲线拟合的相关系数R2列于表1。

图1 标准源的质量厚度与计数效率的关系曲线

表1 标准源质量厚度与计数效率的拟合结果

图2所示为标准源的质量厚度D与净计数率nx的关系曲线，按线性、指数、幂、对数等函数进行拟合，曲线拟合的相关系数R2列于表2。

图2 标准源的质量厚度与净计数率的关系曲线

表2 标准源质量厚度与净计数率的拟合结果

由图1、图2结果可以看出，标准源质量厚度与净计数率的拟合结果比较理想，尤其是β道的拟合结果。由图2(a)可以看出，随着标准源质量厚度的增加，α净计数率与质量厚度呈线性关系，在质量高时趋向饱和。如公式(1)所示，计数效率与标准源的净计数率和活度有关，当样品盘中标准源的质量厚度增加时，由于净计数率和活度同时增加，二者的比值变化幅度很小，计数效率与质量厚度不一定能达成明显的线性关系。

由于指数、幂、对数函数的拟合结果计算复杂，在实际应用中有不便。考虑到上机测试时多数测量仪配置的软件仅提供计数效率输入端口，实验中可通过线性拟合结果获得净计数率，再计算出计数效率，进行上机测试。

2.2 串道的影响与修正

标准源制备完毕后，放置在同一通道中(以第6路通道为例)，以一个标准源样品在同一通道测量10个周期后取计数平均值作为平均计数(每周期1 h)。表3为在不同标准源的测试条件下活度与平均计数的关系。由表3可见，随着α放射性活度的增加，α计数对于β计数的串道干扰明显；在β放射性活度增加的情况下，α计数保持稳定且处于较低的水平。这一结果与文献报道[2]的结论相符合。

表3 α与β放射性活度对串道的影响

串道因子是低本底射线测量仪测量单独的α(β)标准物质时，获得的β计数与α计数(α计数与β计数)之比[2]。以α-β串道修正为例，α-β串道修正因子χα→β为：

(2)

由表3的数据，获得样品活度A与串道修正因子χα→β的关系曲线，如图3所示，通过曲线拟合得到计算公式。实际应用中，可以通过拟合公式计算获得不同活度对应的串道修正因子χα→β。

图3 样品活度A与串道修正因子χα→β的关系曲线

当β净计数率足够高时(超过本底计数31.7倍)，也会对α计数产生影响[1]。日常生活饮用水、地下水等水样的总α、总β放射性活度不高，一般通道之间的串道干扰可以忽略[4-6]。然而对于α通道对β通道产生的串道干扰，在水样放射性活度可能较高的情况下，如检测医疗污水(标准GB 18466—2005 医疗机构水污染排放标准)中的总α、总β放射性活度时，可能需要进行修正[7]：

n′β=nβ-nα·χα→β

(3)

其中，nα、nβ分别为测量仪获得的α、β原平均计数率；n′β为修正后的β平均计数率。

因此，样品源的β放射性体积活度的计算公式为：

(4)

式中，Aβ为水样中总β放射性活度浓度，Bq/L；n0为本底计数率；W、m分别为水样残渣总质量和样品盘中残渣质量，mg；V为水样体积，L；εβ为β计数效率；F为放射性回收率。

2.3 影响计数的因素

在标准[3]中提到，用红外灯加热蒸干样品的方式可以防止溅出，避免损耗。为了获得红外灯加热对实际计数的影响，实验中选用地下水、井水、防水材料浸泡液、自来水、水源水若干，按照标准的方法制备为样品源后，放置在干燥环境中48 h，避免氡对计数值产生影响。再用红外灯干燥15 min，在样品盘仍有余热时，以1 h为一个周期，测量10 h内计数值的变化，实验结果如图4所示，可以观察到部分样品源在前1 h的计数值略高于平均水平。将该批样品静置在环境中若干小时，用电陶炉低温干燥后，在样品盘仍有余热时，重新进行计数，其α、β平均计数未出现上述情况。

图4 样品源在红外灯下干燥15 min后的计数值(cph)

收集该批次水样的残渣，称取相同的质量，用热释光测量仪进行测量，获得样品源温度与发光强度的关系曲线，如图5所示。

图5 样品源的热释光曲线

设置样品源在300 ℃退火5 min，再置于红外灯下辐照1 min，用热释光测量仪在相同的条件下进行测量，其发光曲线如图6所示。

图6 红外灯照射1 min后样品源的热释光曲线

由图5和图6的结果可以推断，水样残渣的成分复杂，加入硫酸后，在灼烧的过程中合成硫酸盐，其成分的不同导致样品的缺陷能级各异，在吸收了能量后产生不同的热释光峰[8]。样品在高温灼烧时，已实现了一次退火的过程，因此图5说明，样品在退火完毕到进行测试期间，吸收了外界的能量(天然本底辐射或其它非电离辐射)，产生了比较明显的热释光峰，发光峰温基本在100 ℃左右，从室温到发光峰温之间可见明显的光强增长的趋势。事实上这一部分信号是不稳定的，在常温下可衰退。一般而言，热释光测量仪的探测器是由光电倍增管和电子线路组成，对微弱的光信号灵敏，而低本底测量仪也内置了光电倍增管。推测是贮存在样品源中的微弱能量在常温中释放，经设备内部的光电倍增管放大，在水中总放射性测量时对数据产生干扰。

另外，由图6可以观察到，水样残渣在红外灯的照射下，其发光强度随温度的升高而增加。相较于图5的测量结果，发光峰面积整体减少，部分发光峰向高温方向偏移。结合图4的结果，说明在红外光照射下部分样品吸收了能量，发光峰的异同也说明了样品成分的区别。可以推断，随着红外灯照射时间的增加，发光峰的面积逐渐增大，但是由于照射的同时样品受热导致温度升高，加速了贮存在“陷阱”里的能量衰退的进程。

实验用红外灯(功率250 W左右)在加热几分钟内温度可上升至200 ℃以上。加热干燥样品后，样品源应在低本底常温干燥环境中放置2 h以上，待贮存在“陷阱”中的信号释放完毕后，再进行上机测试，可避免其它信号对实验数据产生干扰。

3 结论

(1)使用标准曲线法进行实验时，可考虑通过质量厚度和净计数率的关系曲线，获得样品源的净计数率，再计算出对应的计数效率，进行上机测试。

(2)随着α放射性活度的增加，α计数对于β计数的串道干扰明显；在β放射性活度增加的情况下，α计数保持稳定的水平。日常生活饮用水、地下水等水样的总α、总β放射性活度不高，一般通道之间的串道干扰可以忽略。测量放射性活度可能比较高的医疗污水时，α通道对β通道产生的串道干扰应进行修正。

(3)水样加入硫酸后，在高温灼烧的过程中合成硫酸盐。这类物质吸收外界能量后，在降温过程中容易产生光信号，可能干扰水中总放射性的测试。在常规实验中，用红外灯干燥足够长的时间(>10 min)，并贮存在低本底干燥的环境中，待完全冷却后(放置>2 h)进行测量。