近年来, 随着我国经济的飞速发展, 陶瓷、化工、耐火、精密铸造等行业对锆英砂的需求量迅速增长, 不断加大的需求促进了锆英砂的进口量的迅速增长^[1]。然而, 锆英砂是一种存在于火成岩的矿物, 其形成的天然条件决定了该矿中会伴生一定浓度的天然核素。其中, ²³⁸U、²³²Th和²²⁶Ra的含量较高, 欧美许多国家已明确将锆英砂作为“放射性物质”监管, 在一定范围内限制其使用, 或禁止使用未经放射性物质分离处理的锆英砂原料^[2]。我国对锆英砂放射性的检验监管也制定了相应的国家标准或规程^{[3, 4]}。不断增长的锆英砂进口量对检测工作提出了新的要求, 锆英砂放射性的准确测量除测量仪器和测量方法外, 还有一个重要因素即各核素放射性需达到平衡, 通常认为需要密封20天左右才能测量。然而, 进口锆英砂从国外到达目的港口后, 如果一直停靠港口等待放射性测量数据是不现实的, 通常都是需要尽快拿到放射性检测报告来报关、通关, 以降低锆英砂的使用成本, 节省时间成本。基于此, 为了缩短检测周期, 本文考察密封时间对锆英砂中天然核素测量值的影响, 以此达到尽快检测同时又能准确检测的目的。

1 实验材料和方法 1.1 实验仪器

采用美国ORTEC公司的HPGe γ能谱仪, 由探测器、多道分析器、接口、计算机等组成。高纯锗同轴探测器由探测器、前置放大器和冷却系统组成, 能量范围3 keV~10 MeV, 相对效率为40%, 分辨率(FWHM)优于2.0 keV~1332.5 keV。铅室壁厚12 cm。谱分析软件:Gamma Vision。

1.2 锆英砂样品

锆英砂样品经研磨后, 过150目筛。测量样品共5个, 装填于直径69 mm×65 mm的聚乙烯塑料盒内进行测量。

1.3 效率刻度

采用²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra和⁴⁰K比活度已知的标准体源进行效率刻度, 效率刻度的标准体源其几何形状与被测样品相同, 基质密度和有效原子系数与被测样品相近。

1.4 活度计算

样品活度为A = (S/T-S₀/T₀) F×F₂ ×HXB/(E ×Q× F₁ ×P), 其中, S为样品全能峰净面积, T为样品测量时间, S₀为本底谱全能峰净面积, T₀为本底测量时间, HXB为灰鲜比, E为全能峰效率, Q为取样量, P为全能峰分枝比, F为采样时间修正, F₁为存放时间修正, F₂为测量时间修正。

2 结果与讨论 2.1 不同密封时间对²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra和⁴⁰K比活度测量值的影响

将5个不同批次的进口锆英砂样品密封于Ф69 mm×65 mm的聚乙烯塑料盒, 分别密封0、1、4、7、11、15、20和30天, 采用HPGe γ谱仪测量锆英砂中四种天然核素²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra和⁴⁰K的比活度, 结果如表 1所示。

从表 1可以看出, ²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的比活度测量值很稳定, 随密封时间的不同而变化不大。相比²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的比活度测量值, ²²⁶Ra的测量值随密封时间的不同呈现的变化最大, 具体的变化规律见2.2。

2.2 密封时间对锆英砂中²²⁶Ra平衡度的影响

以密封时间30天作为放射性达到平衡的基准, 将5个不同批次的锆英砂样品中的²²⁶Ra测量值与该基准值的比值作为平衡度(%), 将之与密封时间作图, 如图 1所示。

理论上, ²²²Rn经过5个半衰期, 即密封达到20天, 平衡度将达到96.9%以上, 可以认为Ra-Rn基本达到放射性平衡状态。由图 1可知, 5个样品在装样后立即测量, 平衡度均在98%以上。此后, 随着密封时间的推移, 平衡度呈现一定的波动, 但波动的范围均在98%~100.5%之间。随着密封时间的不同, ²²⁶Ra的平衡度产生一定的波动, 一方面是因为核素衰变的统计涨落规律造成测量的伽马谱的全能峰面积存在波动^[5], 另一方面可能在于锆英砂制样过程中存在少量的²²²Rn气体逸出。尽管上述两方面原因会给测量结果带来一定的影响, 导致测量结果产生些许波动, 但其波动的范围在98%~100.5%之间, 基本不会影响测量结果的准确性, 因而密封时间对²²⁶Ra的测量值的影响可忽略。

3 小结

不同的密封时间, 锆英砂中²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的测量值很稳定, 密封时间对这三种天然核素的测量值不产生影响。相对于²³⁸U、²³²Th和⁴⁰K的测量值, 随着密封时间的不同, 锆英砂中226Ra的测量值产生一定的波动, 波动范围在98%~100.5%之间, 这种波动不会给出入境监管部门对于锆英砂放射性的监管带来影响, 可忽略不计。因此, 对进口锆英砂中四种天然核素²³⁸U、²³²Th、²²⁶Ra和⁴⁰K比活度的表征, 可以在拿到样品后第一时间进行, 无需密封等待, 密封时间不会影响测量值的准确性。