一 前言

核事故应急中各种环境介质中污染水平的实际监测数据是辐射后果评价的基础, 这些监测数据可以采取不同的手段和方法以不同形式提供。但估算和评价广大公众受照内剂量时所需要的最基本最主要的数据应是通过食品和饮用水燎射途径所摄入的各种放射性核素的真实含量。直接分析食品和饮用水中各种核素活度要比其他方法更实际、直接和更精确。核事故应急期要求核素分析尽可能快速准确。早期阶段有限的监测数据是计算机评价系统一辐射环境转移和剂量估算模式的重要补充和验证, 中期阶段, 特别是事故后期, 实际监测的核素数据很可能是采取或终止防护措施、进行正当干预的最主要依据。只有监测数据准确可靠, 才能对核事故后果作出正确评价。

理论研究和苏联切尔诺贝利核电站事故等监测分析表明, 具有显著放射卫生防护意义的重要核素如附表所示。分析其辐射特征可以看出, 大部分核素都发射γ射线。对于水和食品污染问题不需要考虑惰性气休, 因此除了铭、部分超铀元素等发射β、a射线不能用γ谱仪分析外, 大部分核素原则上都可以用γ谱仪分析。锗γ谱仪分析系统具有分辨高、能够直接地一次就可完成样品中所有γ核素分析, 而且大体积锗谱分析系统使用已较普遍, 因此γ谱分析方法在核事故应急期能够快速准确地分析污染样品, 其分析数据可为快速评价污染状况和尽早采取防护措施提供依据。

二 γ谱方法概要

1.样品采集

(1) 根据核事故应急计划中监测方案和对事故早、中期阶段了解与掌握的事态真实情况, 迅速确定采集样品地点和路线, 尽可能早地采集到样品。对事故中、后期, 根据已经了解掌握的烟羽污染范围和大概的污染水平, 进一步确定或调整采样地点、数量和监测频度。

(2) 采样方法按有关规定执行, 采集的样品要有代表性, 重点应是针对关键核素、关键途径和关键居民组的那些样品、种类。

(3) 采样数量根据样品种类、可能污染的水平与分析时使用的样品盒大小等条件来估算, 并应对采样量留有充分余地。

(4) 在预先准备好的记录纸上填写好采样记录, 如时间、地点、位置、气象条件和体积。

(5) 采集的样品在保存、运输、处理等过程中必须严格防止放射性交叉污染、遗失、腐烂等。如水、牛奶等装样容器应使用聚乙烯一类的壁吸附作用小的塑料瓶或盒。

2.样品预处理与侧量样品的制备

(1) 牛奶、水等液体样品, 可以不经任何处理, 直接取一定量装入预先选定的样品盒中进行测量。

(2) 食品类样品可按分析目的要求作简单预处理, 通常做法是去掉不可食部分, 按消费形态处理并制备测量样品。蔬菜水果类要去泥土, 去根须, 去仔, 剥去外皮(壳)等; 动物和肉类样品分别取其肌肉和内脏; 虾、蟹、贝等水生物去外壳取其软体部分; 鱼类用清水洗净、控水或吸水纸拭干后取共可食部分; 有些样品可能要干燥, 一般可取一定量样品置于烘箱中, 缓缓加温到105℃左右供干称重(对合碘样品, 最好不要超过80℃)。

事故早、中期阶段, 如果目的在于了解污染水平为采取防护措施提供依据时, 可对某些样品直接装样测量, 但应尽可能和推导导出干预水平时所作的假定条件一致。

(3) 将上述处理后的鲜样或干样粉碎, 然后装样称重。有些样品可直接装样, 或经压缩成一定形状和体积后制成测量样品。

(4) 测量样品盒可选用ϕ75×75、ϕ75×50或ϕ75×25圆柱形塑盒, 660ml或1000环形(Marineli)塑料盒, 或者一些标准体积的聚乙烯塑料汽。制备的样品体积和装样密度应尽量控制与谱仪刻度时的条件一致。

3.谱仪系统刻度

刻度包括能量刻度和效率刻度。该项工作应属于应急监测与准备工作中的一部分, 平时就应选定好样品盒和确定谱仪工作条件, 用不同γ标准源将能量与效率刻度好, 并定期检验谱仪是否处于正常工作状态, 特别检验效率是否发生变化。事故期间, 能量刻度应随时进行, 效率刻度可视具体情况, 若经验证谱仪系统是稳定的, 则可直接使用预先刻度的系数。

(1) 能量刻度要选择能量精确、半衰期较长、能量分布比较均匀, 范围较宽(如50keV~3000keV的γ射线源。通常使用的核素有¹⁵²Eu, ¹³³Ba、²⁴¹Am、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Cu、¹³⁷C₃、⁵⁴Mn、⁶⁰Co, ⁸⁸Y ²²⁶Ra等。在选定的工作条件下获取刻度γ谱, 求出若干已知能量E所对应的峰位P (道址), 用下列多项式对已知数据作最小二乘法拟合:

(1)

式中, a₀, a₁, …a_n为待定参数。一般情况下, 取二次或一次多项式拟合即可。对样品中任一γ射线峰所对应的能量即可由拟合的曲线(1)而求得。

(2) 谱仪效率刻度通常是指给定条件下, 建立γ射线能量与其全能峰效率关系曲线, 或确定一些具体核素的刻度系数。原则上必须选定与待分析样品的几何形状和大小完全相同, 基质一样或类似, 质量密度相等, 核素能量与活度都准确知道, 以及源容器材料和使用的样品盒材料也相同的体Y辐射刻度源。刻度源可以是萆一核素的或多种核素混合的; 也可以是发射单能γ射线的或发射多能γ射线的。一般情况下, 刻度用的体源其核素活度总不确定度应控制在 < 7%(3δ), 活度适当且具有良好的均匀性稳定性, 一般源活度为被测样品的10~30倍。

在固定的几何位置和测量条件下获取标准γ谱, 计算各已知γ能量的全能峰面积。用于效率刻度的峰两积统计误差尽可能小于0.5%(2δ), 全能峰(绝对)探测效率ε按公式(2)计箅:

(2)

式中, As为t时刻测量的峰面积计数率; A₀为t₀时刻标准源桟素活度; P为相应γ射线发射几率; λ为核素衰变常数。

在一组全能峰效率ε和扣应能量E实验点确定后, 效率曲线可用下列公式(3)作加权最小二乘法拟合, 求出待定参数a₀, a₁, …，a_N-1。对任意γ能量的全能峰效率再通过曲线内插求得:

(3)

效率曲线也可以使用一两个具有多种y辐射巧体源先作相对效率刻度, 然后使用一两种单能γ辖射标准源归一, 再求出绝对效率曲线。相对效率刻度只需知道射线的相对强度, 源的绝对活度可以不知道, 但精确效率刻度时, 应对有关峰面积因符合相加效应引起的误差作校正。

实践表明, 事故情况下, 如碘、铯等放射性核素是具有重要意义的核素, 因此在条件允许的情况下, 最好使用相应单一桟素标准源作相对比较测量, 以提高分析准确度。

4.样品γ谱获取

将待分析样品置于探测器适当位置上, 使其几何条件与谱仪系统刻度时完全一样, 并在相同的工作条件下获取γ谱。测量时问取决样品中核素含量和对待征峰面积统计误差大小的要求, 以及当时的具体条件。样品γ谱非常复杂时, 如核素种类很多, 各种γ射线强弱差別极大, 相互干扰、重叠严重, 某些感兴趣的核素γ峰难以鉴别等等, 应对样品作适当跟踪测量, 而且获取的γ谱应作适当保留, 以便对事故后杲全面评价时作一些补充性的分析研究。如果使用的设备是反康谱顿γ谱仪系统, 应注意获取样品γ谱时要同时记录反康谱、符合谱或单谱, 以便分析样品中有的核素。

5.γ谱分析

谱数据分析包括放射性核素鉴别和枝素含量确定, 即定性定量分析。

(1) 核素鉴别通常包括数据光滑、寻峰与峰位确定、能量计算和核素确定等步骤。统计性较差的峰, 数据光滑有助于找峰和峰位确定, 一般可按多项式作最小二乘移动平滑。平滑后的谱可用导数法找峰并确定峰位, 然后用能量刻度系数计算出相应峰的γ能量。用能量~核素数据表(库)确定样品中相应的核素。但往往需要辅助一些其他手段或方法才能进一步证实和确认, 如根据核素半衰期(具体要测量峰面积的衰变曲线)、一种核素多个γ射浅特征峰和其发射几率等, 必要时还可根据核素的低能特征X射线等加以区分鉴别。

(2) 根据鉴别的核素选择其特征峰, 计算峰面积, 然后根据刻度效率等参数即可计算出核羞活度。(i)原则上特征峰尽量选择γ射钱发射几率大, 受其他因素干扰小的一个或多个全能峰。事故情况下, 样品γ谱可能十分复杂和伴有短半衰期核素, 造成特征峰选定困难, 这时可用不同时间踉踪测量谱作适当处理。(ii)峰面积计算要根据样品谱特征、峰的强弱和具体条件选择峰面积计算方法, 原则上和谱仪刻度时使用的方法一样。重峰和受干扰严重的峰须用具有重峰分析能力的谱分析程序, 其本底函数可用多项式表示, 峰形函数可选用对称或不对称高斯函数表示, 曲线拟合使用非线性最小二乘法。(iii)峰面积确定后, 样品中核素活度A按公式(4)计算：

(4)

式中:As为测量样品开始到结束时所获得的核素特征峰净面积(计数); F₁按公式(5)计算的样品测量期间的衰变校正因子, 如果被分析的核素半衰期与样品测量的时间相比大于30, F₁可取为1;F₂为样品相对于刻度源γ自吸收校正系数, 若样品密度和刻度源的密度相同或相近, F₂可取1;F₃为γ符合相加修正系数, 对发射单能γ射线核素, 或估计被分析γ射线的相应修正系数不大时, 可取F₃为1, 否则应设法估算F₃或避免F₃出现, 如作相对比较测量; ε为相应能量γ射线的全能峰效率; P为相应能量γ射线发射几率; T为样品测量活时间; m为测量样品的质量或体积; △t为核素衰途时间, 即从采样时刻到样品测量时刻之间的时间间隔; λ为放射性核素衰变常数。

核事故期间, 样品中可能出现短半衰期γ放射性核素, 测量时间校正因子F₁不能忽略。F₁计算公式为:

(5)

式中, t_c为测量样品的真实时间(不是公式(4)中的有效活时间T); λ同上。

三 结语

1.本方法是在大量环境样品、一些核设施释放和事故释放下污染的样品, 以及我国核试验落下灰等样品γ谱分析实践经验和文献调研基础上提出和建立的, 相信核事故应急期用锗γ谱仪快速分析食品和饮用水中的放射性梭素活度方法是不可缺少的, 它的快速、准确优点是其他分析方法不易代替和比拟的。但γ谱方法本身涉及到技术性问题较多, 要得到准确可靠的分析结果, 必须对公式(4)各参数对活度A引进的误差加以严格控制。这就要求平时就应做好有关的应急准备工作, 特别是预先做好γ自吸校正系数F₂和γ符合相加修正系数F₃等参数。

样品采集有无真实代表性, 能否保证f品贮存运输、预处理和制样过程中核素不损失, 芣交叉污染, 是分析结果可靠性的另一个重要方面, 也是事故后果最终评价的重要质量保证。

2.本文介绍的方法和原则也适用于事故应急时分折空气样品、土壤样品等环境样品中γ放射性核素。

3.某些情况下, 样品中核素含量可能很弱(如事故后期样品), 直接装样分析比较困难, 可以通过适当浓缩、蒸发等方法提高分析方法灵敏度。