水中放射性核素的分析测量一般采用载体共沉淀、离子交换吸附等传统的放射化学分析方法, 程序繁杂, 分析周期长。HPGe-γ谱仪是具有国际先进水平的核素分析系统, 它分辨率高、本底低采用非破坏性的分析手段, 可同时测量样品中²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、⁴⁰K等多个放射性核素, 充分显示其优越性。1997年我们利用HPGe-γ谱仪对小清河水、水中悬浮物及底泥中的放射性进行了分析。

1 仪器与设备 1.1

中国原子能研究院研制的HPGe-γ谱仪(谱仪型号: CIAE-MMCA 8000), 其能量分辨率(对1.33 MeV)为FWHM= 1.70 keV, 探测效率(相对"3×3"NaI (Tl))为20%, 峰康比为50, 50 keV~2 M eV积分本底为2.83 s^-1。

1.2

铅室由中国原子能研究院提供, 为7 500 C型柱体迭层式铅室。铅料选用存放多年的老铅, 内镶3 mm铜衬和5 mm有机玻璃套。铅室主要几何参数:室体高度为650 mm、内腔高度500 mm、内腔直径为400 mm、室壁厚110 mm。

1.3

标准物质由国防科工委放射性计量一级站提供。标准物质是采集经过放射性污染的土壤作基质, 按一定比例加入本底土, 经粗筛、烘干、细筛、粉碎、混匀等步骤制成。内含已知活度的²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra、¹³⁷Cs、⁶⁰Co、⁴⁰K等核素。

1.4

测量样品杯采用上海辐射环境监理所提供的塑料环型测量杯Φ75 mm ×70 mm。

2 样品预处理 2.1 水样及水中悬浮物的分离

河水采集静置一段时间后, 较大的固体颗粒通过自然沉淀与水分离, 再将液相部分进行抽滤, 分离得到的固体物质与前期沉淀合并为悬浮物, 分离出的水为水样。

2.2 水样

20 L水样逐渐转移到5 000 ml烧杯中, 加入6 N盐酸适量加热蒸发, 当液体量浓缩至50 ml左右, 转移到100 ml烧杯中, 文火浓缩至20 ml左右, 转移到已称重的测量杯中, 500 W红外线灯下烤干, 密封待测。

2.3 悬浮物

200 L水样分离得到的悬浮物, 再次自然沉淀、虹吸并离心后, 放入大蒸发皿蒸干, 研磨、100目过筛, 称重后转移到测量杯中密封待测。

2.4 底泥样品

底泥样品经120℃烤干、破碎, 拣去动植物残体及石子, 放入马福炉450℃灼烧1 h, 以除去有机物质, 研磨后100目过筛, 放入测量杯中, 密封以备测量。

3 标准源的制备

以标准物质作为刻度仪器效率的标准源。标准源的γ能谱见附图。

4 全能峰效率刻度

在与样品相同的测量条件下, 测量标准源。获得92.8, 238.6, 609.3, 661.6, 1 173.2, 1 332.0, 1 460.8 keV全能峰探测效率。其计算公式为:

式中:F_i标-全能峰效率; S_i标-被刻度的全能峰的净计数; t-测量时间; A_i标-标准源中被刻度核素的活度; η_i标-被刻度的全能峰的分支比。经最小二乘法拟合, 得到能量效率刻度曲线^[1]。

由于所测水样、悬浮物、底泥样品的质量各不相同, 因此对谱仪进行全能峰效率刻度时, 必须对不同质量的标准源分别进行效率刻度。因为水样、悬浮物质量大多在5~50 g之间, 底泥质量在300 g左右, 所以我们分别取5, 10, 25, 50, 100, 300 g标准源进行效率刻度。

经过全能峰效率刻度, 我们得到不同质量样品的能量-效率刻度曲线和各个核素的质量-效率刻度曲线。

5 核素比活度的计算

我们选用²³⁴Th 92.4 keV和92.8 keV γ射线来确定²³⁸U (因92.4 keV、92.8 keV两个峰在能谱上合为一个峰, 所以我们以92.6 keV作为该全能峰的能量, 以两者分支比之和作为该全能峰的分支比), 选用²¹²Pb 238.6 keV γ射线来确定²³²Th, 选²¹⁴Bi 609.3 keV γ射线来确定²²⁶Ra, 选用661.6 keV γ射线来确定¹³⁷Cs, 选用1460.8 keV γ射线来确定⁴⁰K^[2]。计算公式如下:

式中:A_i-样品中某核素的比活度, 悬浮物、底泥样品(Bq/ kg)水样(Bq/L); S_i-谱仪对样品中某核素γ射线在测量时间内记录的净峰面积; t-样品的测量时间; F_i-谱仪对样品中某核素γ射线全能峰探测效率; η_i-样品中某核素γ射线的分支比:W-样品质量(kg); V-水样体积(L)。

6 计算结果

利用高纯锗γ谱仪测量小清河水、水中悬浮物和底泥中的放射性水平, 结果见附表。

7 小结

高纯锗γ谱仪分析水、水中悬浮物及底泥中的放射性水平是一种可同时分析多种放射性核素的方便、快捷、精确的方法。该方法可广泛应用于环境辐射常规监测和核应急监测。