大气环境中¹³⁷Cs是由1980年以前的423次核试验^[1]及1986年切尔诺贝利核事故等核污染所造成的放射性物质部分停留在大气同温层, 随大气涡流扩散转移, 由重力等作用不断向地面沉降造成的。大气环境中¹³⁷Cs活度通常用环境样品⁹⁰Sr-¹³⁷Cs联合测量的放射分析化学方法分析^[2], 环境大气中¹³⁷Cs放射性水平不断衰减, 放射化学分析方法回收率不高, 加之其分析程序较复杂, 而HPGe-γ谱仪对¹³⁷Cs分辨率高, 为非破坏性样品分析手段, 所以探索用质量-效率曲线法测量沉降灰中¹³⁷Cs活度, 来分析近年来环境中¹³⁷Cs沉降的水平。

1 仪器设备 1.1 仪器

中国原子能研究院研制的HPGe-γ谱仪测量系统(型号:CIAE-MMCA8000), ¹³⁷Cs的能量分辨率为1.69 keV。

1.2 标准源

标准物质是用放射性污染的土壤为基质, 加入一定比例的本底土壤制成(国防科工委放射性计量一级站提供), 参考日期:1985年10月1日, 含有¹³⁷Cs的活度为(83 ±6) Bq·kg^-1。

2 样品采集及预处理

用直径为56.7 cm的不锈钢承托盘加入适量蒸馏水(保持承托盘在收集大气沉降物期间有适量水), 到期收集承托盘内的样品。样品经自然沉淀后, 上清液转移到烧杯中, 加适量6 mol盐酸, 接近蒸干时与沉降物一块转移入γ谱用测量杯, 用红外线灯烤干, 压实, 秤其质量, 密封后可随时测量。

3 质量-效率的测定 3.1 制样

分别称取10.00 g、15.00 g、20.00 g、30.00 g、40.00 g、60.00 g、80.00g、100.00 g、120.00 g、150.00 g标准物质, 放入测量杯中铺平、压实, 待测。

3.2 测量

分别测量上述质量的待测标准物质, 要求661.6 keV的净峰面积均大于350, 测量并记录不同质量标准物质的活时间、661.6 keV的净峰面积。

3.3 计算

用公式(1)、公式(2)分别计算不同质量的标准物质的当前活度、不同质量的效率。

(1)

(2)

式中:A_i-刻度时不同质量标准物质中¹³⁷Cs的活度(Bq); A_i0-参考日期时相应质量标准物质中¹³⁷Cs的活度(Bq); t -刻度日期到参考日期的时间差(a); T-¹³⁷Cs的半衰期(a); F_i-不同质量的¹³⁷Cs全能峰效率; S_i -不同质量的¹³⁷Cs全能峰净计数; T_i -不同质量的¹³⁷Cs全能峰测量活时间; η-¹³⁷Cs 661.6 keV全能峰分支比。

3.4 质量-效率刻度曲线

HPGe-谱仪质量-效率刻度数据见表 1, HPGe-谱仪质量-效率刻度曲线见图 1。用直线回归的方法得出HPGe-γ谱法质量效率曲线为:Y=0.026 m ^-0.178(15 g ≤ m ≤ 120 g), 其中r=-0.986。

式中:Y为不同质量下的¹³⁷Cs效率, m样品质量(g)。

4 大气沉降物中¹³⁷Cs活度分析 4.1 大气沉降物中¹³⁷Cs活度水平

1999年至2002年大气沉降物中¹³⁷Cs年沉降量均值为1.28 Bq·m^-2, ¹³⁷Cs的年沉降量变化明显, 不同季度¹³⁷Cs的沉降量变化也明显, 最高为2000年第二季度为0.90 Bq·m^-2, 最低为2000年第三季度为0.06 Bq· m^-2, 均低于1993年我们测的年沉降量5.71 Bq·m^-2(化学法)。1999年至2002年一、二季度大气沉降物中¹³⁷Cs的沉降量大部分低于1995年一、二季度¹³⁷Cs的沉降量, 与1994年我们用化学法测的一季度为0.70 Bq·m^-2, 二季度为0.59 Bq·m^-2接近。在近年大气沉降物中¹³⁷Cs活度见表 2。

4.2 大气沉降物与浅层土壤中¹³⁷Cs活度浓度比较

大气沉降物中¹³⁷Cs的活度浓度范围为0.65~6.75 Bq·kg^-1, 平均值为3. 18 Bq·kg^-1; 收集大气沉降物楼前的浅层土壤中¹³⁷Cs的活度浓度范围为0.75~0.95 Bq·kg^-1, 平均值为0.85 Bq·kg^-1, 取30 g用上述质量效率分析的相同土壤中¹³⁷Cs平均活度浓度为0.83 Bq·kg^-1; 山东省部分地区浅层土壤中¹³⁷Cs的活度浓度范围为0.14~2.10 Bq·kg^-1, 平均值为0.91 Bq·kg^-1。大气沉降物¹³⁷Cs活度浓度高于浅层土壤中¹³⁷Cs活度浓度。大气沉降物与浅层土壤中¹³⁷Cs活度浓度比较见表 3。

5 结论 5.1 分析方法可行性

用国防科工委放射性计量一级站提供的标准物质做的质量-效率曲线相关性好, 基质和沉降灰的基质(含有再悬浮的土壤颗粒)相类似, 所收集沉降灰样品质量在15~120 g之间, 大部分在30 g左右, 因此¹³⁷Cs的子体^137mBi发出的661.6 keV的γ射线自吸收影响造成的差别可以忽略。此方法的探测下限为1.3×10^-2 Bq, 可以测量较低活度的少量沉降物样品中低活度的¹³⁷Cs放射性。

5.2 与普通测量方法比较

浅层土壤因样品量大, 可制成与标准物质类似的体积, 直接用与标准物质比较的方法可以求出其活度, 此方法分析的大气沉降物中¹³⁷Cs的活度浓度与取30 g用上述质量效率分析的相同土壤中¹³⁷Cs活度浓度没有差别, 1995年谱仪法测的一、二季度沉降量与1994年化学法测的一、二季度沉降量处在同一数量级水平。

5.3 大气沉降物监测

近年来大气环境中¹³⁷Cs沉降量处在较低水平的波动状态, 在大风、干燥的春夏季(济南) ¹³⁷Cs沉降量明显高于其他季节。