第八章环境中放射性污染监测.ppt

基础知识环境中的放射性放射性辐射防护标准放射性测量实验室和检测仪器放射性监测 第八章环境中放射性污染监测 第一节基础知识 一 放射性 1 核衰变 有些原子核是不稳定的 能自发地改变核结构 这种现象称核衰变 2 放射性 在核衰变过程中总是放射出具有一定动能的带电或不带电的粒子 即 和 射线 这种现象称为放射性 3 放射性同位素 不稳定的同位素 原子核内质子数同 中子数不同 一 放射性核衰变 4 天然不稳定核素能自发放出射线的放射性称为 天然放射性 通过核反应由人工制造出来的核素的放射性称为 人工放射性 5 决定放射性核素性质的基本要素是放射性衰变类型 放射性活度和半衰期 1 母体 子体 氦核 2 母体 子体 高速电子 正 负 电子俘获 x 3 母体 子体 较低能级或基态子体 或 同质异能跃迁 二 放射性衰变的类型 1 衰变 4He核 粒子 226Ra 222Rn 4He226Ra衰变有两种方式 分枝衰变 三 放射性活度和半衰期 1 放射性活度 A 在给定时刻处于特定能态下的一定量放射性核素的放射性活度A的定义式是A dN dt式中 A 放射性活度 单位Becquerel 简称贝可 用符号Bq表示 1Bq 1sec 1 dN 时间间隔dt内 处于该特定能态下的一定量放射性核素 发生自发核转变的核数目 比活度是指单位质量或体积内所含有的放射性活度 单位为Bq g 1 2 半衰期当放射性的核素因衰变而减少到原来的一半时所需的时间称为半衰期 T1 2 衰变常数与半衰期有下列关系 T1 2 0 693 半衰期是放射性核素的基本特性之一 不同核素T1 2不同 所以对一些T1 2长的核素 一旦发生核污染 要通过衰变令其自行消失 需时是十分长久的 例题 Sr的T1 2 29年 一定质量的90Sr衰变掉99 9 所需时间 解 0 693 T1 2A dN dt N或N Noe tlgN0 N t 2 303t 2 303 1 2 39 10 2 lg1 0 001 289 a 核反应 指用快速粒子打击靶核而给出新核 核产物 和另一粒子的过程 进行核反应的方法主要有 用快速中子轰击发生核反应 吸收慢中子的核反应 用带电粒子轰击发生核反应 用高能光子照射发生核反应等 四 核反应 二 照射量和剂量 1 照射量X 库仑每千克 伦琴R2 吸收剂量D 戈瑞Gy 拉德rad3 剂量当量H 希沃特SV 雷姆rem 一 照射量 表示 或 射线在空气中产生电离大小的物理量 X dQ dmdQ是指质量为dm的体积单元的空气中 光子释放的所有电子 负电子和正电子 在空气中全部被阻时 形成的同一种符号 正或负 的离子的总电荷的绝对值 单位 库伦 千克 C kg 1 旧单位是伦琴 R 1R 2 58 10 4C kg 1照射量率 指单位时间内的照射量 二 吸收剂量 D 吸收剂量是单位质量的物质对辐射能的吸收量 D d dmd 与dm分别代表受电离辐射作用的某一体积元中物质的平均能量与物质的质量 单位 Gy 戈瑞 1Gy 1J kg 1 吸收剂量适用于任何电离辐射和任何物质 是衡量电离辐射与物质相互作用的一种重要的物理量 吸收剂量率 单位时间内的吸收剂量 单位Gy s 1 三 剂量当量 H 希沃特SV 在人体组织中某一点处的剂量当量H等于吸收剂量与其他修正因数的乘积 H的计算公式为 H DQN式中 Q为品质因子 亦称为线质系数 不同电离辐射的Q值列于表8 1 N为其它修正系数 是吸收剂量在时间或空间上分布不均匀性修正因子的乘积 对外照射源通常取N 1 单位为SV 希沃特 1SV 1J kg 1 第二节环境中的放射性 一 环境中放射性的来源二 放射性核素在环境中的分布三 对人体危害 一 天然放射性的来源1 宇宙射线初级宇宙线 高能辐射 穿透力很强 次级宇宙线 比初级弱放射性核素 20余种2 天然放射性核素 与地球共生3 天然放射本源 半衰期极长 强度弱内照射 外照射 占80 一 环境中放射性的来源 1 核试验及航天事故 核裂变产物和中子活化产物放射性尘埃可在大气层滞留0 3 3年2 核工业 核废弃物 核发电 3 工农业 医学和科研等部门医学占人工污染源的90 4 放射性矿的开采和利用 二 人为放射性污染的来源 二 放射性核素在环境中的分布 一 在土壤和岩石中的分布二 在水体中的分布三 在大气中的分布四 在室内空气中的分布五 在动植物组织中的分布 一 放射性物质进入人体途径呼吸道 人体 肺 血液全身消化道 人体 肝脏 血液 全身皮肤或粘膜 人体 可溶性物质易被皮肤吸收 伤口的吸收率更较高 三 剂量当量 H 希沃特SV 1 损伤机理1 高速带电粒子属直接电离粒子 2 射线等不带电的粒子为间接带电粒子 统称为电离辐射 引起生物组织内原子 分子电离 破坏组织中的大分子结构 2 影响因素 射线性质剂量 次数 时间 部位 方式 致死剂量 半致死剂量 3 损伤方式 急性 慢性 远期效应 躯体效应 遗传效应 二 放射性的危害 第三节放射性辐射防护标准 一 部分环境质量标准对放射性辐射的限制值二 放射性辐射防护标准 第四节放射性测量实验室和检测仪器 一 放射性测量实验室二 核辐射探测仪器的监测原理 一 放射性化学实验室 墙壁 门窗 天花板等要涂刷耐酸油漆 电幻和电线应装在墙壁内 安装良好的通风设备 大多数放射化学操作应在通风橱内进行 通风马达应装在管道外 且以选用离心式马达为宜 橱柜 凳子 家具 台面 地面等要使用光平材料制作 操作台面上要铺塑料布 洗涤池和下水池最好不要有尖角 放水用足踏式龙头 下水道中尽量少用弯头和接头等 一 放射性测量实验室 放射性计测实验室装备有灵敏度 选择性和稳定性好的放射性计量仪器和装置 设计此类实验室时 特别要考虑到消除放射性本底问题 一方面要在了解其来源的基础上 采取措施 将其降到最小程度 另一方面 需通过数据处理 对测量结果做修正 电学仪器还需有良好接地和有效的电磁屏蔽 最好在恒温条件下工作 二 放射性计测实验室 核辐射剂量的监测需要用核辐射探测仪器 是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 通常采用的探测器有电离探测器 闪烁探测器和半导体探测器等 二 放射性检测仪器 原理 如果核辐射被电离室中的气体吸收 该气体将发生电离 电离探测器即是通过收集射线在气体中产生的电离电荷进行测量的 仪器 常用的有电离室 正比计数管 盖革 弥勒计数管 G M管 用法 电离室是测量由电离作用而产生的电离电流 适用于测量强放射性 正比计数管和盖革 弥勒计数管则是测量由每一入射粒子引起电离作用而产生的脉冲式电压变化 从而对入射粒子逐个计数 这适合于测量弱放射性 一 电离型检测器 原理 是利用射线照射在某些闪烁体上而使它发生闪光的原理进行测量的仪器 它具有一个闪烁体 当射线进入其中时产生闪光 然后用光电倍增管将闪光讯号放大 记录下来 用法 该探测器以其高灵敏度和高计数率的优点而被用作测量 辐射强度 由于它对不同能量的射线具有很高的分辨率 所以又可作谱仪使用 通过能谱测量 鉴别放射性核素 并且在适当的条件下 能够定量的分析几种放射性核素的混合物 此外 这种仪器还能测量照射量和吸收剂量 二 闪烁检测器 原理 是将辐射吸收在固态半导体中 当辐射与半导体晶体相互作用时将产生电子 空穴对 由于产生电子 空穴对的能量较低 所以该种探测器具有能量分辨率高且线性范围宽等优点 用法 用硅制作的探测器可用于 计数 能谱测定 用锗制作的半导体探测器可用于 能谱测量 而且探测效率高 分辨能力好 半导体探测器是近年来迅速发展的一类新型核辐射探测仪器 三 半导体检测器 第五节放射性监测 环境放射性监测的目的是为了掌握环境中的天然 人工放射性核素的水平 动态变化 转移规律 污染特点以及对公众造成的辐射剂量情况 放射性污染监测的内容包括两大类 1 辐射剂量的测量 这是对环境辐射的物理测量方法 2 放射性核素的测定 这属于放射化学的分析方法 放射源强度 半衰期 射线种类及能量 环境和人体中放射性物质含量 放射性强度 空间照射量或电离辐射剂量 一 监测对象及内容 放射性监测按照监测对象可分为 1 现场监测 对放射性物质生产或应用单位内部工作区域所作的监测 2 个人剂量监测 对放射性专业工作人员或公众作内照射和外照射的剂量监测 3 环境监测 天然本底 核试验 核企业 生产和使用放射性核素以及其它场所的监测 主要测定的放射性核素为 1 放射性核素 226Ra 222Rn 235U等 2 放射性核素 134Cs 137Cs 131I和60Co等 环境放射性监测方法有定期监测和连续监测 定期监测的一般步骤是采样 样品预处理 样品总放射性或放射性核素的测定 连续监测是在现场安装放射性自动监测仪器 实现采样 预处理和测定自动化 对环境样品进行放射性测量和对非放射性环境样品监测过程一样 也是经过 样品采集 样品前处理和选择适宜方法 仪器测定 二 放射性监测方法 1 放射性沉降物的采集2 放射性气溶胶的采集3 放射性水样的采集4 食品 生物样品的采集5 土壤样品的采集 一 样品采集 二 样品预处理 三 环境中放射性监测 1 放射性沉降物的采集沉降物包括干沉降物和湿沉降物 主要来源于大气层核爆炸所产生的放射性尘埃 小部分来源于人工放射性微粒 对于放射性干沉降物样品可用水盘法 粘纸法 高罐法采集 湿沉降物系指随雨 雪 降落的沉降物 其采集方法除上述方法外 常用一种能同时对雨水中核素进行浓集的采样器 离子交换树脂湿沉降物采集器 一 样品采集 2 放射性气溶胶的采集 采集方法有过滤法 沉积法 粘着法 撞击法和向心法等 滤料阻留采样法简单 应用最广 其原理与大气中颗粒物的采集相同 采样设备包括过滤器 过滤材料 抽气动力和流量计等 采样时抽气流速约为100 200升 分 气溶胶被阻挡在滤布或特制微孔滤膜上 采样结束后 将过滤材料取下 进行样品源的制备与放射性测量 3 放射性水样的采集 放射性水样的布点 采样原则与水质污染监测基本相同 采集水样的工具可用普通清洁的 没有放射性污染的玻璃瓶采集样品 采集的水样应盛放于塑料瓶中 以减少放射性吸附 有时可加入烯酸或载体 络合剂等 以防止放射性核素的损失 采集的水样根据需要可供作各种放射性监测分析 4 食品 生物样品 于收获季节在田地里布设的采样点位采集粮食的样品后混合 对已收获的粮食在存放处的上 中 下各层均匀采集后混合 蔬菜应采集不同类型品种的样品 在核爆炸期间主要以采集叶菜为主 鱼 虾类应根据在水中分布情况 可分别采集各类样品 样品采集后 去掉非食用部分 洗净 将表面水晾干 称鲜重 然后切碎置于蒸发皿中 加热让其炭化 转入马福炉中于400 500 灰化 冷却后称重 供测量使用 5 土壤 放射性沉降物及各类来源的放射性废物都可直接污染土壤 土壤采样点应选地势平坦的地方 在一定范围内布设的采样点位采集样品 采样时取出10 10平方厘米方块上垂直10厘米深的土壤 采集的样品应置于无放射性污染的容器内 将样品晾干 或在110 烘干 除去杂物 称重 将样品混合均匀 用四分法缩分 然后将土样在马福炉中于500 灼烧两小时 冷却后 研碎 过筛 供各种测量使用 1 目的 浓集对象核素 去除干扰核素 将样品的物理形态转换成易于进行放射性检测的形态 2 方法 衰变法 共沉淀法 灰化法 电化学法 其它方法 有机溶剂溶解法 萃取法 离子交换法等 二 样品预处理 1 衰变法 样品放置一段时间 使寿命短的干扰放射性核素衰变后 再对样品进行放射性测量 在测定大气中放射性气溶胶的总 放射性时常用这种方法 在用过滤法采样后 放置4 5小时 以使短寿命的氡 钍子体蜕变殆尽 2 共沉淀法 加入共沉淀剂使待测核素得以沉淀析出 此法具有简便 实验条件易满足等优点 在某些情况下还能直接提供固态样品源 所以在微量放射性核素的分析中也是一种常用的分离浓集手段 居里夫妇发现一系列天然放射性元素便是运用这种技术 用一般化学沉淀法分离环境样品中的微量放射性核素时 有时达不到溶度积 因而不能达到分离要求 为此 可加入毫克数量级惰性载体 固态样品或蒸干的水样 可放入瓷坩埚内 置于500 马福炉中灰化一定时间 冷却后称量灰重 并转入测量盘中 均匀铺样后检测其放射性 3 灰化法 4 电化学法 通过电解的方法将放射性核素 如Ag Pb Bi等 沉积在阴极 或以氧化物 如Pb Co 的形式沉积在阳极上 该法的优点是分离纯度高 沉积在惰性金属片 或丝 电极上的沉积物可直接 或做成样品源 进行放射性测量 1 有机溶剂溶解法 用适宜的有机溶剂处理固态样品如飘尘 土壤 沉积物 生物样等 使其中所含待测核素得以溶解浸出 浸出液可转入测量盘中 用红外灯烘干后进行放射性测量 5 其它方法 1 有机溶剂溶解法2 溶剂萃取法3 离子交换法 2 溶剂萃取法 早期是应核武器制造需要而迅速发展起来的一门专用技术 对于环境样品来说 它也是分离极微量放射性核素的最常用方法之一 该方法的特点是达到相平衡所需时间短 分离浓集效率高 例如 对第一颗钚原子弹爆炸地日本长崎地区周围土壤及太平洋海水样品中钚的测定 曾采用三辛胺 硝酸盐体系的溶剂萃取法作为分离手段 3 离子交换法 是目前最重要和应用最广泛的放射化学分离法之一 可用于分离几乎所有的无机离子和许多结构复杂的有机化合物 还特别适用于同族元素分离和超微量组分的分离 例天然水中铀 钍分离 取1升天然水 或矿井水 水样 用柠檬酸酸化 过滤后 再加入一定数量柠檬酸钠和抗坏血酸使溶液pH 3 再将此水样通过阴离子交换柱 柱内装载4gDowexl 8柠檬酸型的树脂 水样中所含铀和钍与柠檬素络合而被树脂吸附 然后以8mol LHCL洗脱钍 续 续 为了将洗脱液中对测定钍有干扰的杂质进一步除去 用8mol LHNO3处理该洗脱液将其转化为络阴离子后 再流过另一根阴离子交换柱 柱内装载2gDowexl 8硝酸根型的树脂 柱 经用8mol LHNO3洗涤后 用6mol LHCl作洗脱液 将吸附在柱上的钍洗脱下来 对已经洗脱钍之后的交换柱 用体积比为1 8 1的甲基异丁基酮 丙酮和1mol L盐酸洗脱铀 对经以上步骤所得的含铀洗脱液和含钍洗脱液作进一步化学处理后 用偶氮胂 分光光度法测定钍 用荧光法测定铀 三 环境中放射性监测 1 水样总 放射性活度的测定2 水样总 放射性活度测量3 空气中氡的测定4 空气中氚 3H 的放射性测定5 各种形态的碘 131的测定6 土壤中总 放射性活度的测量 1 水样总 放射性活度的测定 水中常见辐射 粒子的核素有Ra Rn及其衰变产物等 一般情况下 水样总 放射性浓度是0 1Bq L 超过此值 即应进行总 放射性活度的测量 测定水样总 放射性活度的作法如下 取一定量水样 过滤 滤液加硫酸酸化 蒸干 在低于350 温度下灰化 灰分移入测量盘中 铺匀成薄层 用闪烁探测器测量 在测量样品之前 先测量空测量盘的本底值和已知活度的标准样品 标准源 以确定探测器的计数效率 计算样品源的相对放射性活度 即比放射性活度 2 水样总 放射性活度测量 水中的 射线常来自K Sr I等核素的衰变 一般认为安全水平为1Bq L 水样总 放射性活度测量步骤基本与测量总 放射性活度相同 但检测器用低本底的盖革计数管 且以含K的化合物作标准源 3 大气 水体中氡的测定 氡是一种天然产生的放射性气体 来源于自然界中铀的放射性衰变 它本身会发生天然衰变并产生具有放射性的衰变产物 受到氡和氡衰变产物的照射会使患肺癌的危险性增加 氡与空气作用时 能使空气电离 因而可用电离型探测器通过测量电离电流测定其浓度