核环境监测与评价 第3章环境辐射监测方法和技术.ppt

第3章 环境辐射监测方法和技术,环境辐射:天然与人工辐射。 本底辐射：原指某一特定环境系统或地区未受人类核活动干扰或某一核设施建造、运行前业已存在的天然辐射水平；由于大气层核试验所致全球放射性沉降造成的辐射与天然辐射难以区分，常将两者合称为本底辐射。,3.1 环境辐射监测 3.1.1 环境辐射监测的目的与特点 1、监测目的 根据中华人民共和国环境核辐射监测规定，环境辐射监测目的是： 对核设施、放射性核素、本底及核设施与公众的关系等方面进行监测与评价。 2、环境辐射监测的特点 指监测对象的广泛性、衰变性、复杂性等特点(16条)。,3.1.2 环境辐射监测方案的制定 1、制定监测方案应考虑的因素 从源项单位本身及源项单位与周围环境等方面考虑。 2、环境监测方案的设计 大型的核设施一般都要进行运行前本底调查、运行中常规监测和事故应急监测。,本底调查的基本内容： 1）环境物质中放射性核素的种类、浓度、辐射水平及其随时间的变化，一般要取得运行前连续2年的资料，了解1年内本底变化和年度间的可能变化范围。 2）调查鉴别关键核素及关键途径，关键人群组的分布、习俗、饮食资料及有关“指示体”的资料。,2）核设施运行中的常规监测 常规监测：在核设施正常运行期间，对其周围环境进行的定期例行监测。 核电站环境监测对象应包括放射性物质与非放射性化学物质两方面。重点是对放射性物质与辐射水平的监测。其常规监测分析项目、内容与本底调查相似，主要有总、总、总能谱分析测定和单个核素的浓度。我国核电站的监测半径为30km。,3）核事故应急监测 目的： a 迅速测定事故造成的环境辐射水平、污染范围和程度及对公众的危害程度； b 迅速摸清释放核素的种类、性质及其在环境中的迁移行为，测定食物与饮水的污染程度、范围； c 及时向决策机构和公众通报污染情况，以便采取必要的应急措施。 应急监测分为早期和中后期监测。,4）核设施退役的环境监测 核设施服役期满或因计改、发生事故等原因而关闭后，应采取一些必要的措施，确保其安全、永久地退役。,3.1.3 环境辐射监测仪器 原理：基于射线和物质相互作用所产生的各种效应如电离、光、电或热等进行观测和测量的方法。 常用的核辐射监测仪器有： 个人剂量计、环境放射性气体监测仪和环境核辐射监测仪。 各类仪器的结构和原理基本相似，都由核辐射探测器和测量装置两部分组成。 核辐射探测器 核辐射探测器可分为电离探测器、闪烁探测器和半导体探测器等几类。,3.2 流出物监测 3.2.1 流出物监测的目的 流出物监测的目的：对流出物本身、对核设施、对周围环境等进行监测。 3.2.2 流出物监测的设计 1、气载流出物监测设计 2、液体流出物监测设计,3.2.3 流出物采样和测量技术 1、采样方式 采样方式有：连续采样、比例采样；定期采样；专门采样等。根据流出物的情况采取相应的采样方式。 2、采样技术 流出物的采样技术应满足采样及时性和代表性。,3.3 环境辐射就地监测技术 环境辐射监测可采取就地监测和实验室分析两种方式进行。就地监测是在欲测对象所在地进行的监测，一般不需采集样品，因而不会改变欲测对象在环境中的分布状态。实验室分析则要从环境中采集欲测环境物质样品，使用实验手段进行分析。,3.3.1 就地监测前的准备 根据监测对象，进行就地监测前的准备工作。 1) 就地核辐射测量之前必须先要制定详细的测量计划。作计划时，下列因素应予以考虑： a.测量对象的性质，包括要测量核素的种类，预期活度范围，物理化学性质等； b.环境条件(地形、水文、气象等)的可能影响； c.测量仪器的适应性，包括量程范围，能量响应特性和最小可探测限值等； d.设备及测量仪器在现场可能出现的故障及补救办法； e.测量人员的技术素质； f.测量的重要性以及资金的保障情况。,2) 就地测量之前必须准备好仪器和设备。 a. 对于常规性的就地测量，每次出发前均要清点仪器和设备，检查仪器工作状态。 b.作为应急响应的就地测量，事先必须准备好应急监测箱，应急监测箱内的仪表必须保持随时可以工作状态。 3) 从事就地核辐射监测的人员事先必须经过培训，使之熟悉监测仪器的性能，在现场可以进行简单维修，并应具备判所监测数据是否合理的能力。,3.3.2 监测网点的布设 监测网点应根据污染源的性质、规模、公众照射途径、人群分布、人群活动情况合理布设。 环境地表辐射剂量测量分为源相关及个人相关两种测量方式。源相关是针对单个源进行的，而人相关则是针对多个源进行的。,3.3.3 地表辐射剂量的测量 地表辐射剂量监测是在一定的区域内，距离地面一定高度(一般为1m) 测量周围环境中天然和人工放射性核素所产生的辐射所致空气吸收剂量。,高压电离室(香港) 在高压电离室内的压缩气体不停受到四周环境的射线电离。电离所产生的电流，可以提供射线强度的资料。高压电离室是一套灵敏度非常高的仪器，可以量度环境辐射水平的微弱变化。,1、辐射剂量仪的刻度 仪器在使用前必须用国家统一的刻度标准源和方法进行刻度。刻度标准一般分为国家基准、次级标准、三级标准和工作标准等四级。 X和剂量率仪的刻度方法有标准仪器法和标准源法两种，用于测量X和低能射线的仪器常用X射线源和标准仪器法刻度；其它的仪器宜采用137Cs、60Co、226Ra等标准源刻度。,2、辐射剂量仪自然底数的测定 自然环境中测量地表辐射剂量时，会受到宇宙射线和仪器自身的本底辐射的干扰，同一地区内海拔高相差不大时，宇宙射线的照射率基本不变，但仪器的本底各不相同。可采用水面法或铅屏法测量仪器的自然底数。,3、地表辐射剂量的步行测量 确定路线；沿路线步行测量；异常地方加点测量。 以下公式估算公众受照剂量： E=D,aK 测得空气照射量率时，则可按下式估计空气吸收剂量： D,a=fX,3.3.4 就地能谱测量 使用能谱仪就地测量地面上辐射的能谱，可以确定土壤或岩石中所含放射性核素的成分及相对浓度分布。 1、基本原理和方法 每种放射性核素都能释放出一种或几种具有特定能量的射线，因此，只要测得某种能量的特征谱线，即可确定相应核素的存在。根据这些核素释放出的射线能量之间的显著差异， 能谱仪相应地设置了不同的能谱窗口测量道，测得各测量道中的计数率后，根据这几种能量的射线在相应道中的刻度系数，即可求得土壤中相应核素的浓度。 2、测量方法 测量方法有：航空测量、汽车测量、步行测量等。,3.3.5 氡及其子体与析出率的测量 1、环境空气中氡浓度的测量 测量的标准方法有：径迹蚀刻法、活性炭盒法、双滤膜法和气球法等。,径迹蚀刻法:被动式采样，能测量采样期间内氡的累积浓度，探测器在空气中暴露20d，其探测下限可达2.1103Bqh/m3。探测器是聚碳酸脂片或CR-39薄片，置于一定形状的采样盒内，组成采样器。 氡及其子体发射的 粒子轰击探测器，使其产生亚微观型损伤径迹后，将其在一定条件下进行化学或电化学蚀刻，扩大损伤径迹，即可用显微镜或自动计数装置进行计数。单位面积的径迹数与氡浓度和暴露时间的乘积成正比，可将刻度系数将径迹密度换算成氡浓度: a, Rn=nR /T FRn,活性炭盒法:被动式采样，能测量出采样期间内平均氡浓度，暴露3 d，探测下限可达到6 Bq/m3 。 采样盒用塑料或金属制成，直径610 cm，高35 cm，内装25100 g活性炭。盒的敝开面用滤膜封住，固定活性炭且允许氡进入采样器。 氡随空气扩散到活性炭床内，即被活性炭吸附，其衰变而新产生的子体亦沉积在活性碳床内。采样停止后3h,盒内氡与其子体达到放射性暂时平衡，即用 谱仪测量活性炭盒内氡子体特征射线峰（或峰群）的面积，可求得空气中氡的平均浓度： a, Rn=a nr /( t1b e-Rnt2 ),双滤膜法:主动式采样，能测量采样瞬间的氡浓度，探测下限为3.3 Bq/m3。抽气泵开动后含氡空气经过滤膜进入衰变筒，被滤掉子体的纯氡在通过衰变筒的过程中又生成新子体，新子体的一部分为出口滤膜所收集。测量出口滤膜上氡子体的计数就可换算出氡浓度。,气球法：主动式采样，能测量出采样瞬间空气中氡及其子体浓度，探测下限：氡2.2Bq/m3，子体5.710-7J/m3。 其工作原理同双滤膜法，只不过气球代替了衰变筒。把气球法则氡和马尔柯夫法测潜能联合起来，一次操作用25 min，即可得到氡及其子体潜能浓度。,测氡仪-RAD7-美国RAD,FD216环境测氡仪,2、环境空气中氡子体潜能浓度的测量和估计 氡子体所致吸入内照射剂量远比氡的剂量贡献大，对空气中氡子体潜能浓度的测量和估计具有更重要的意义。空气中氡的实测浓度估计相应的氡子体潜能浓度： a,p=5.610-9a,RnFRn 潜能浓度,单位为 MeVL-1 工作水平：在辐射防护中，以前用过一个特定的单位“工作水平”，以WL表示1WL=1.3105MeVL-1 工作水平月：在具有一个工作水平的子体潜能值的场所工作170小时，则其总暴露量为一个工作水平月，用WLM表示。 1MeV=1.610-13J; 1MeV/L=1.610-10Jm-3; 1WL=2.0810-5Jm-3; 1WLM=4.2410-3J。,3、氡析出率的测量 氡析出率测量方法有静态法和动态法两种。静态法是在含氡 物质表面设置一个封闭的积累空间，在没有通风的条件下，测量其中氡浓度随时间的积累增长，计算其析出率。 静电收集装置内氡浓度的变化 收集室扣在介质表面后，令t=0时，收集室中的氡浓度为C0，则式的解为： （1） 如果进行时间间隔为T的连续测量，则相邻两次测得的收集室中的氡浓度有如下关系： （2）,令：,则有:,Ci=A+BCi-1 （3）,对一定的介质而言，由于开始时氡的反扩散可以忽略，收集室中氡浓度的减少只是由其衰变引起的，e近似等于氡的物理衰变常数，因而A和B都是常数，二者之间有： (4) 这样，多次测量后用最小二乘法求出A、B和e，即可求出氡析出率R为： (5),3.4 环境样品的采集和前处理 3.4.1 环境样品的采集 要获得可靠的监测结果主要在于两方面：一是可靠的仪器；二是可靠的取样。 1、采样方案的制定 样本的容量：指样本所包含的实测个体或单元的数目。由样本所代表的待测对象的全体则称为总体。 通常依据置信区间确定样本容量，当监测项目的测量值遵从正态分布规律时，如要求由样本均数 推断总体的均数的置信区间不超过2L(L为置信区间的1/2)，则有 S样本监测结果的标准差； t所需样本容量； - Student因子。 则,2、最小采样量 它是由监测分析样 和贮存备用样 两部分构成。 M= +,若仪器的最低探测限为LD，则单次分析所需最小样品量为：,3、空气样品的采集 采样体积的确定、采样点的选定、采样方法的确定。,采样体积的确定 对于累积空气样品的采集，每个单样所需的采样体积为： V=FT=q/x,几何图形布点法：目前常用以下几种布设方法: 网格布点法； 同心圆布点法； 扇形布点法,（1）采样点的选定,网格布点法：这种布点法是将监测区域地面划分成若干均匀网状方格，采样点设在两条直线的交点处或方格中心。这种布点方法适用于有多个污染源，且污染源分布比较均匀的情况。,同心圆布点法：此种布点方法主要用于多个污染源构成的污染群，或污染集中的地区。,扇形布点法：此种方法适用于主导风向明显的地区，或孤立的高架点源。以点源为顶点，主导风向为轴线，在下风向地面上划出一个扇形区域作为布点范围。扇形角度一般为4590。采样点设在距点源不同距离的若干弧线上，相邻两点与顶点连线的夹角一般取1020。,（2）采样方法和采样仪器,滤料采样法(大气中的气溶胶、可吸入颗粒物、尘等总粒子浓度测定) 这种方法是将过滤材料（滤纸或滤膜）夹在采样夹上。采样时，用抽气装置抽气。气体中的颗粒物质被阻留在过滤材料上。,旋风式、向心分离式和撞击式采样器等多种。它们又分为二级式和多级式。二级式用于采集10m以下的颗粒物，多级式可分级采集不同粒径的颗粒物，用于测定颗粒物的粒度分布。,粒度分级采样（大气飘尘测定）,空气以高速度沿180渐开线进入分尘器的圆筒内，形成沿外壁由上而下的旋转气流： 大于10m的颗粒物惯性较大，在离心力的作用下，甩到筒壁上，沿壁面落入大颗粒物收集器内； 小于10m的颗粒物惯性小，不易被甩到筒壁上。当空气进入分尘器向下高速旋转时，顶部压力下降，在压力差作用下，小于10m的细颗粒随气流沿气体排出管上升，达到分离空气中粗、细颗粒物的目的。沿分尘器气体排出管排出的气体进入过滤器，气体中的细颗粒物被滤膜捕集。,二级旋风分尘器的工作原理,旋风分尘器的工作原理示意图,当气流从小孔高速喷出时，气流携带不同质量的颗粒物，其运动轨迹也不同。质量越大，惯性越大，越不容易随气流改变运动轨迹。 当大颗粒物随气流穿过小孔后，在惯性作用下，仍沿着中心轴线继续前进，进入锥形收集器，被收集器底部的滤膜收集； 当小颗粒物随气流穿过小孔后，由于小颗粒物惯性小，可以随气流改变运动轨迹，绕过锥形收集器入口，随气流进入下一级。,向心式分尘器工作原理,当含颗粒物气体以一定速度由喷嘴喷出后，颗粒获得一定的动能产生一定的惯性。在同一喷射速度下粒径越大，惯性越大。 气流从第一级喷嘴喷出后，大颗粒惯性大，难于改变运动方向，与第一块捕集板碰撞被沉积下来，惯性较小的颗粒则随气流绕过第一块捕集板进入第二级喷嘴；第二级喷嘴比第一级喷嘴口径小，喷出颗粒物动能增加，小颗粒获得较大的惯性与第二块捕集板碰撞而被沉积，而惯性更小的颗粒物继续向下级运动。 如此一级一级地进行下去，则气流中的颗粒物由大到小地一级一级地分开，分别沉积在不同的捕集板上。最末级捕集板用玻璃纤维滤膜代替，捕集最小的颗粒物。,多段撞击式采样器的工作原理,多段撞击式采样器原理示意图,大气中放射性气体和蒸汽的样品采集： 活性炭、浸渍活性碳吸附剂及活性碳滤纸（氡、碘和有机碘）；硅胶（氚化水蒸汽）,4、水样的有采集 从采样点的确定、采样频度和采样量等方面去考虑。,河流监测断面需设置背景断面、对照断面、控制断面和消减断面,为特定的环境管理还可设管理断面。,采样时间与采样频率的确定,1）河流：采样时间为丰水期、枯水期和平水期，每期采样至少1次。 2）潮汐河流：涨、退潮时分别采样。,（1）土壤采样点布设方法,对角线布点法 适用于面积较小，地势平坦的污灌或污染河水灌溉田块,自进水口划对角线,均分35段,在区段中心取样,梅花形布点法 适用于面积较小、地势平坦,土壤物质和污染程度较均匀田块。中心点在对角线交点，一般设510个点,5 土壤样的采集,棋盘式布点法 适用于中等面积，地势平坦，地形完整开阔，但土壤较不均匀田块，10点以上。受污染土壤20点以上,蛇形布点法 适用于面积较大，地势不很平坦，土壤不够均匀的田块布点数量较多,（2）采样的深度,水底沉积物:矿物、岩石、土壤的自然侵蚀产物，废（污）水排出物沉积及生物活动物质之间物理、化学反应等过程的产物。指水体底部表层沉积物质。,（1）水底沉积物监测的意义和目的,6 水底沉积物的采集,意义和目的：可以了解水环境污染现状，追溯水环境的污染历史，研究污染物的沉积、迁移、转化规律和对水生生物特别是底栖生物的影响，并对评价水体质量，预测水体变化趋势和沉积污染物对水体的潜在危险提供依据。,（2）样品采集,1）断面设置(cross section setting) ：设置原则与水质监测断面相同，其位置应尽可能与水质监测断面相重合 。,2）采样次数(Sampling tim