γ能谱仪因其样品前处理简单、操作方便、能同时测量多种放射性核素等特点，目前被广泛应用于土壤样品的比活度测量^[1-2]。但是，在使用γ能谱仪测量土壤样品中放射性核素的比活度之前，通常需要利用土壤标准物质进行效率刻度。在这种相对测量中，如果待测样品与土壤标准物质存在差别，就会给测量结果带来误差。为了保证γ能谱仪测量结果的准确性，一些研究者已对样品的装样密度、体积、高度以及组成成分等因素对测量结果的影响做了大量的研究，这在一定程度上提高了比活度测量的准确性^[2-6]。但是有关土壤样品的粒径大小对γ能谱仪测量土壤中放射性核素比活度的影响鲜有报道。此外，γ能谱法测量一些核素如²²⁶Ra和²²⁸Ra，并不能利用自身发出的γ射线测量其含量,而是通过测量其子体核素发射的γ射线达到测量目的，这种方法的前提是待测核素与子体核素已达到放射性平衡。因此，为保证γ能谱仪测量土壤样品中放射性核含量的准确性，平衡时间也是必须考虑的影响因素之一。基于上述背景，本研究通过比较分析不同过筛粒径的土壤样品在不同平衡时间间隔测量的放射性核素比活度，以定量评价过筛粒径和平衡时间对γ能谱仪测量土壤样品放射性核素含量的影响。

本研究的测试土壤样品是在2017年9月1日采自辽宁省本溪地区的表层（0～10 cm）棕壤土，采集的新鲜土壤样品放在塑料自封袋中，密封好带回实验室。样品制备前先除去样品中的杂草和碎石等异物，然后用电热恒温鼓风干燥箱在110℃烘干24 h至恒重。将干燥后的土壤样品分成4份，粉碎、研磨后，4份样品分别过2.0 mm、1.0 mm、0.5 mm和0.25 mm筛，然后分别装入Φ75 mm × 70 mm圆柱型塑料样品盒中，擦净，称重，密封，测量。

本研究使用的测量设备为美国CANBERRA公司生产的宽能型超低本底高纯锗γ能谱仪（BE5030），相对于3" × 3"NaI（Tl）晶体的探测效率为50.5%，对⁶⁰Co 1332 keV γ射线的能量分辨率为1.65 keV。探测器置于壁厚16.5 cm、内腔Φ23 cm × 35 cm的复合屏蔽铅室内。

γ能谱仪测量样品中核素比活度时，²²⁶Ra的特征峰选取295.21、351.92和609.31 keV，²²⁸Ra选取338.32和911.21 keV，²¹⁰Pb、⁴⁰K和¹³⁷Cs的特征峰分别选取46.54、l460.75和661. 66 keV。对4个不同过筛粒径样品分别在装样密封后0、4、8、12、16、21、25和29 d进行测量，每次样品测量时间均为24 h。

不同过筛粒径土壤样品中²²⁶Ra、²¹⁰Pb和²²⁸Ra的比活度与平衡时间的关系分别如图1～3所示，可以看出²²⁶Ra、²¹⁰Pb和²²⁸Ra的比活度随样品平衡时间的延长而变化。不同平衡时间土壤样品中²²⁶Ra比活度的变异系数分别为3.0%（0.25 mm）、2.8%（0.5 mm）、2.6%（1.0 mm）和2.5%（2.0 mm），²¹⁰Pb的变异系数为2.3%（0.25 mm）、2.9%（0.5 mm）、4.3%（1.0 mm）和3.7%（2.0 mm），²²⁸Ra的变异系数为1.7%（0.25 mm）、0.9%（0.5 mm）、1.0%（1.0 mm）和1.6%（2.0 mm），其变异系数范围为0.9%～4.3%。

图 1 不同过筛粒径土壤样品中226Ra的比活度随密封时间的变化 Figure 1 Variations of 226Ra activity concentration with sealing time in soil samples with different sieve sizes

图 2 不同过筛粒径土壤样品中210Pb的比活度随密封时间的变化 Figure 2 Variations of 210Pb activity concentration with sealing time in soil samples with different sieve sizes

图 3 不同过筛粒径土壤样品中228Ra的比活度随密封时间的变化 Figure 3 Variations of 228Ra activity concentration with sealing time in soil samples with different sieve sizes

表1显示不同过筛粒径土壤样品密封29 d后²²⁶Ra、²¹⁰Pb、²²⁸Ra、⁴⁰K和¹³⁷Cs的比活度和变异系数。从表中可以看出，4种过筛粒径土壤样品中²²⁶Ra、²¹⁰Pb、²²⁸Ra、⁴⁰K和¹³⁷Cs的比活度不同，但²²⁶Ra、²¹⁰Pb、²²⁸Ra和¹³⁷Cs呈现出一致的规律，即过筛粒径为0.5 mm的土样所测得的比活度最大，过筛粒径为0.25 mm的土样所测得的比活度最小。对于⁴⁰K而言，过筛粒径为0.5 mm的土样所测得的比活度最小，过筛粒径为2 mm的土样所测得的比活度最大。4种过筛粒径土壤样品中²²⁶Ra、²¹⁰Pb、²²⁸Ra、⁴⁰K和¹³⁷Cs比活度的变异系数如表1，按其大小顺序为²¹⁰Pb（14.1%）>¹³⁷Cs（13.2%）>⁴⁰K（8.2%）>²²⁶Ra（5.0%）>²²⁸Ra（3.7%）。

表 1 Table 1

表 1 不同过筛粒径土壤样品中226Ra、210Pb、228Ra、40K和137Cs的测量结果 Table 1 Activity concentrations of 26Ra, 210Pb, 228Ra, 40K and 137Cs in soil samples of different sieve sizes 过筛粒径/mm 比活度（Bq/kg） 226Ra 210Pb 228Ra 40K 137Cs 0.25 29.5 ± 2.3 141.9 ± 4.6 53.8 ± 4.2 746.0 ± 6.8 7.3 ± 0.3 0.5 33.2 ± 2.8 200.3 ± 6.2 58.5 ± 1.6 724.8 ± 6.5 9.6 ± 0.3 1.0 30.9 ± 2.6 175.6 ± 6.2 55.4 ± 1.2 759.4 ± 6.6 9.0 ± 0.3 2.0 30.8 ± 3.1 166.0 ± 6.2 57.3 ± 3.8 867.3 ± 7.1 7.5 ± 0.3 均值 31.1 ± 1.5 171.0 ± 24.2 56.2 ± 2.1 774.4 ± 63.6 8.3 ± 1.1 变异系数 5.0% 14.1% 3.7% 8.2% 13.2%

表 1 不同过筛粒径土壤样品中226Ra、210Pb、228Ra、40K和137Cs的测量结果 Table 1 Activity concentrations of 26Ra, 210Pb, 228Ra, 40K and 137Cs in soil samples of different sieve sizes

γ能谱方法测量土壤样品中不平衡铀系和钍系核素前，一般需要将待测样品密封一段时间使其各个子系达到衰变平衡。根据本实验的研究结果，土壤样品中不同平衡时间间隔测量的²²⁶Ra、²¹⁰Pb和²²⁸Ra比活度的变异系数均低于5.0%，这很可能与样品经过干燥、粉碎、研磨、过筛机械加工等物理方法处理，样品内固有的放射性平衡关系没有被严重破坏有关^[7-8]。因此，在应急情况而不要求高精确度时，土壤样品封装后可以立即测量或缩短放置时间，而不必等待其达到衰变平衡。另外，从图1～图3可以看出，只有²²⁶Ra在前5 d有增加的趋势，而²¹⁰Pb和²²⁸Ra并没有呈现明显的规律。这可能是因为²²⁰Rn的半衰期只有55 s，测量²²⁸Ra仅需要放置1 d就可以达到衰变平衡^[9]，因此对²²⁸Ra的测定基本是没有影响的；而²¹⁰Pb理论上受²²²Rn的影响较小，但由于²¹⁰Pb 发射出的γ射线能量46.5 keV较低，一般会在测量前将制备好的土壤样品放置一段时间，使氡、钍短半衰期子体充分衰变，以减少对γ能谱仪测量²¹⁰Pb 比活度时的干扰。

目前，实验室使用γ能谱方法测量土壤中放射性核素的比活度时，其样品过筛粒径各异。在国标GB/T 11743—2013 《土壤中放射性核素的γ能谱分析方法》中推荐过筛粒径为40目～60目（0.425 mm～0.25 mm），也有文献报道选用的过筛粒径为2 mm，原因是在此粒径下可以筛分去除土壤中的岩石碎屑^[10]。本研究结果显示，过筛粒径对γ能谱法测量土壤样品中²²⁶Ra、²¹⁰Pb、²²⁸Ra、⁴⁰K和¹³⁷Cs的比活度均有不同程度的影响，尤其是对²¹⁰Pb和¹³⁷Cs的影响程度分别达到了14.1%和13.2%。此外，另有研究也表明粒径会影响γ能谱测量土壤和花岗岩样品中放射性核素比活度^[10-11]。其原因之一是采集的土壤样品不同粒径中放射性核素的比活度很可能原本就不同，由此导致不同的过筛粒径测量的放射性核素结果出现了一定的差异。已有研究表明，¹³⁷Cs的比活度与土壤颗粒粒径具有明显的相关性^[12]。此外，不同土壤类型的标准物质因其不同化学成分会对土壤中²¹⁰Pb 测定的准确性有显著影响^[13]。土壤作为不同矿物的集合体，不同粒径的土壤其矿物组成组分并不相同，因此也有可能是因为某种粒径的土壤样品与选用的标准物质的化学成分产生了较大差异所致。基于本研究结果，使用γ能谱法测量土壤样品中放射性核素（尤其是²¹⁰Pb和¹³⁷Cs）的比活度时，应考虑过筛粒径对测量结果的影响，但是如何对其比活度进行粒度校正，以获取更为精确的结果，还需进一步研究。当前，可将过筛粒径作为B类不确定度的一个因素，在对测量结果进行不确定度评定时加以考虑。