氣溶膠中總α、總β放射性測量方法探索

劉明海，徐志燕，安桂秀

（山東省環科院環境檢測有限公司，濟南 250013）

總α、總β放射性水平是指環境介質中各種核素的α或β放射性活度等效值的總和，是環境介質中放射性總體活度水平的反映［1］。環境介質中總α、總β放射性測量具備測量速度快、成本低的特點，具有開展大量環境樣品篩選測量的優勢，在輻射環境質量監測、應急預警監測和監督性監測中應用廣泛，是一種快速、經濟、便于廣泛使用的放射性測量手段［2］，在放射性檢測領域應用前景廣泛。

氣溶膠是固體或液體微粒懸浮在空氣或氣體介質中形成的分散體系，因氣溶膠在大氣中隨氣流而遷移，放射性物質隨其快速擴散，并與地面沉積物中放射性物質相互交換，對人體造成外照射危害；氣溶膠中放射性物質濃度低，但電離效應高，是造成人體內照射的主要威脅，《輻射環境監測技術規范》（HJ 61-2021）等對氣溶膠中總α、總β的檢測提出了明確要求［3］。但是，灰化法和濾膜直接測量法測量結果差異較大，不同來源數據可比性較差。同時，氣溶膠中總α、總β的檢測沒有統一標準方法，不同實驗室間在樣品放置時間、灰化溫度等方面沒有統一的標準，同樣品不同實驗室間測量結果差距較大，制約氣溶膠中總α、總β在放射性測量結果的評價和使用。因此，開展氣溶膠中總α、總β放射性測定方法研究，明確樣品前處理過程中的技術參數，提高氣溶膠中總α、總β不同來源數據的可比性，意義重大。

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

測量儀器：FYFS-400X型四路低本底α、β計數器［本底：α≤0.1 cpm、β≤1.0 cpm，效率：α（241Am）≥10%、β（90Sr）≥40%］，分析天平、可調溫電爐、馬弗爐、測量盤、坩堝。

測量材料：聚丙烯濾膜、總α標準物質、總β標準物質、無水乙醇、濃硫酸。

1.2 方法原理

用濾膜采集一定量的氣溶膠樣品，濾膜經灰化、灼燒得到固體灰樣。稱取一定量固體灰樣均勻平鋪，用低本底α、β測量儀測量α、β的計數率，計算樣品總α、總β的放射性活度濃度。

1.3 方法步驟

在已確定空氣流通、地面平整的位置安裝采樣器，安裝采樣濾膜，采集一定體積氣溶膠樣品。

先將樣品濾膜向內折疊并放入坩堝中，在電熱板上緩慢加熱炭化完全，然后將坩堝放入馬弗爐中，400℃恒溫1小時。干燥器中冷卻后準確稱量固體殘渣總重量。研細、混勻固體殘渣，稱取樣品于測量盤中。向測量盤中粉末樣品上滴加無水乙醇浸潤，使樣品均勻鋪平測量盤，烘干制成樣品源，用低本底α、β測量儀測量［4，5］。

1.4 結果計算

氣溶膠中總α或總β活度濃度計算公式：

式中：

A——氣溶膠中總α或總β活度濃度，單位 Bq·m-3；

N——試樣計數率，單位min-1；

N0——本底計數率，單位min-1；

m0——固體殘渣總重量，單位g；

60——秒分轉換系數，單位s·min-1；

E——儀器的計數效率，單位%；

m——測量試樣的質量，單位g；

V0——采集空氣的體積，單位m3。

α、β射線同時測量時，α射線對β道的串道影響不可忽略，可參考《水質總β放射性的測定厚源法》（HJ 899-2017）中附錄B修正。

儀器探測效率計算公式：

式中：

E——儀器探測效率，單位%；

NB——標準試樣計數率，單位min-1；

A0——標準溶液活度濃度，單位Bq·g-1；

mb——標準物質質量，單位g。

計算最小可探測樣品凈計數率：

式中：

LLD——最小可探測樣品凈計數率，單位min-1；

N0——本底計數率，單位min-1；

t0——本底試樣測量時間（與測試試樣時間相同），單位 min。

LLD對應的樣品放射性活度濃度為探測下限。

2 結果

2.1 樣品放置時間

用超大流量在盡可能快的速度下采集約5000 m3氣溶膠樣品，當天灰化完全、冷卻、稱量待測。樣品采完后第2天開始用低本底α、β測量儀測量α、β計數率，然后每間隔1天測量一次。重復測量10次，測量結果見圖1、圖2。

圖1 樣品不同放置時間下總α測量結果Fig.1 The gross α measurement results at different placement times of the specimens

圖2 樣品不同放置時間下總β測量結果Fig.2 The gross β measurement results at different placement times of the specimens

氣溶膠中總α、總β測量結果與樣品放置時間有關，前4天隨放置時間的延長而迅速降低，且總α的降低更明顯；放置5～10天測量結果基本恒定，這主要受氣溶膠樣品中放射性核素的衰變影響［6］。在檢測主要包含鈾（U）、釷（Th）及其子體等天然放射性核素和長半衰期人工核素的環境質量樣品時，為確保歷史數據的可比性，通常在采樣后5～10天分析測試；在檢測對象為短半衰期放射性核素時，通常需根據放射性核素的衰變規律確定測量時間并根據需要進行衰變修正。氣溶膠中總α、總β測量結果，前4天隨放置時間的延長而迅速降低，且總α的降低更明顯；放置5～10天測量結果基本恒定。

2.2 灰化溫度

用超大流量采樣器采集20000 m3氣溶膠樣品。350℃灰化1 h，用研缽將固體殘渣研細、混勻，稱量6等份。6份樣品在350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃條件下，用馬弗爐繼續分別灰化1 h，冷卻、稱量。然后用低本底α、β測量儀測量α、β計數率。測量結果見圖3、圖4。

圖3 總α測量結果Fig.3 The gross α measurement results

圖4 總β測量結果Fig.4 The gross β measurement results

氣溶膠中總α、總β測量結果受樣品灰化溫度的影響，溫度小于350℃時較難灰化完全，影響測量結果準確性；350℃～450℃時，測量結果未隨灰化溫度的變化而明顯變化；450℃～600℃時，測量結果隨灰化溫度的升高而明顯降低。原因可能是受釙-210、鉍-210、銫-137等可揮發核素高溫環境下含量損失的影響。為保證測量結果的準確性和穩定性，氣溶膠中總α、總β測量過程中灰化溫度建議確保灰化完全，且不超過400℃為宜。

2.3 探測下限

取空白樣品盤，用低本底α、β測量儀分別測試空白樣品計數率，重復測試7次，以7次探測下限計算結果的平均值和3倍標準偏差之和作為探測下限，測試結果見表1。

表1 探測下限測試數據Table 1 Test data of lower detection limit

以采集樣品10000 m3、固體殘渣0.5 g、測量時間1000 min、α探測效率7.5%、β探測效率45%為典型條件，該方法總α探測下限為3 μBq·m-3，總β探測下限為 2 μBq·m-3。

2.4 精密度

在同一環境中安裝平行的6臺采樣器，采集平行樣作為精密度測試樣品，分別灰化測試，測試結果見表2。

表2 精密度數據Table 2 Precision data

由表2可得，活度濃度約 0.081 mBq·m-3、0.34 mBq·m-3的6個平行樣總α測試結果相對標準偏差分別為10.9%、15.6%；活度濃度約0.94 mBq·m-3、2.04 mBq·m-3的 6 個平行樣總β測試結果相對標準偏差分別為13.1%、8.1%。

2.5 準確度

在同一環境中安裝平行的6臺采樣器，采集6個平行樣，分別加入一定活度的241Am、40K標準溶液，灰化測試加標回收率，測試結果見表3、表4。

表3 總α準確度測試數據Table 3 The accuracy test data of gross α

表4 總β準確度測試數據Table 4 The accuracy test data of gross β

由表3、表4可知，加標活度濃度為0.149 mBq·m-3、0.826 mBq·m-3的樣品，總α加標回收率測試結果分別為89.3%、92.0%；加標活度濃度為 1.92 mBq·m-3、4.20 mBq·m-3的樣品，總β加標回收率測試結果分別為87.0%、95.5%。

3 結論

（1）該方法測定環境氣溶膠樣品中總α、總β的結果受氣溶膠樣品中天然短半衰期放射性核素的衰變影響較大。在使用該方法時應根據被測對象的放射性衰變特性合理確定樣品放置時間，并在出具結果時注明。

（2）高溫灰化處理樣品的方法謹慎用于易揮發放射性核素的測定。灰化處理樣品時溫度不宜太高，既要確保濾膜灰化完全，又要減少核素揮發。

（3）典型條件下，該方法總α探測下限為3 μBq·m-3，測試結果相對標準偏差最大值為15.6%，加標回收率測試結果最小值為89.3%；總β探測下限為2 μBq·m-3，測試結果相對標準偏差最大值為13.1%，加標回收率測試結果最小值為87.0%，滿足近年生態環境監測部門對氣溶膠中總α、總β監測的要求。