环境监测辐射与放射性监测.docx
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环境监测辐射与放射性监测
第七章辐射与放射性监测
△本章教学目的、要求
1.了解什么是放射性;
2.一般的放射性源有哪些;
3.掌握一般放射性监测的方法;
△本章重点
1.放射性的基本知识、半衰期;
2.一般环境放射性监测的方法
△本章难点
1.放射性衰变类型、半衰期;
2.放射性样品的采集和处理
△本章教学目录
7.1放射性的基本概念
7.2放射性监测的方法
7.1放射性监测的基本概念
7.1.1放射性和同位素
原子核自发地放射出α、β、γ等各种射线的现象,称为放射性。
放射性是1896年法国物理学家贝壳勒尔(H.Becquerel)发现的。
他发现铀盐能放射出穿透力很强的,并能使照相底片感光的一种不可见的射线。
许多天然和人工制造的核素都能自发地放射出射线。
除了上述3种射线外,还有正电子、质子、中子和中微子等其它粒子。
能放射各种射线的核素,称为放射性核素。
发射放射性是核素一种固有的特性,不受加温、、加压或加磁场的影响,是由原子核内部的变化引起的,与核外电子状态的改变关系很小。
同位素是指具有相同核电荷但不同原子质量的原子(核素)称为同位素。
自19世纪末发现了放射性以后,到20世纪初,人们发现的放射性元素已有30多种,而且证明,有些放射性元素虽然放射性显著不同,但化学性质却完全一样。
1910年英国化学家F.索迪提出了一个假说,化学元素存在着相对原子质量和放射性不同而其他物理化学性质相同的变种,这些变种应处于周期表的同一位置上,称做同位素。
不久,就从不同放射性元素得到一种铅的相对原子质量是206.08,另一种则是208。
1897年英国物理学家W.汤姆逊发现了电子,1912年他改进了测电子的仪器,利用磁场作用,制成了一种磁分离器(质谱仪的前身)。
当他用氖气进行测定时,无论氖怎样提纯,在屏上得到的却是两条抛物线,一条代表质量为20的氖,另一条则代表质量为22的氖。
这就是第一次发现的稳定同位素,即无放射性的同位素。
当F.W.阿斯顿制成第一台质谱仪后,进一步证明,氖确实具有原子质量不同的两种同位素,并从其他70多种元素中发现了200多种同位素。
到目前为止,己发现的元素有109种,只有20种元素未发现稳定的同位素,但所有的元素都有放射性同位素。
大多数的天然元素都是由几种同位素组成的混合物,稳定同位素约300多种,而放射性同位素竟达1500种以上。
1932年提出原子核的中子一质子理论以后,才进一步弄清,同位素就是一种元素存在着质子数相同而中子数不同的几种原子。
由于质子数相同,所以它们的核电荷和核外电子数都是相同的(质子数=核电荷数=核外电子数),并具有相同电子层结构。
因此,同位素的化学性质是相同的,但由于它们的中子数不同,这就造成了各原子质量会有所不同,涉及原子核的某些物理性质(如放射性等),也有所不同。
一般来说,质子数为偶数的元素,可有较多的稳定同位素,而且通常不少于3个,而质子数为奇数的元素,一般只有一个稳定核素,其稳定同位素从不会多于两个,这是由核子的结合能所决定的。
同位素的发现,使人们对原子结构的认识更深一步。
这不仅使元素概念有了新的含义,而且使相对原子质量的基准也发生了重大的变革,再一次证明了决定元素化学性质的是质子数(核电荷数),而不是原子质量数。
7.1.2放射性衰变的类型
1.α衰变:
α衰变的实质是其元素的原子核同时放出由两个质子和两个中子组成的粒子(即氦核),每发生一次α衰变,新元素与原元素比较,荷电荷数减少2,质量数减少4,即
α射线是高速运动的氦原子核的粒子束,电离作用大,贯穿本领小。
2.β衰变:
β衰变的实质是其元素的原子核内的一个中子变成质子时放射出一个电子.每发生一次β衰变,新元素与原元素比较,核电荷数增加1,质量数不变.即
β射线是高速运动的粒子束,它的电离作用较小,贯穿本领大。
3.γ衰变:
γ衰变是伴随着α衰变和β衰变同时发生的,γ衰变不改变原子核的电荷数和质量数.
γ射线是波长很短的电磁波,称为γ射线。
它的电离作用小,贯穿本领大。
7.1.3放射性半衰期
放射性同位素的原子核很不稳定,会不间断地、自发地放射出射线,直至变成另一种稳定同位素,这就是所谓“核衰变”。
放射性同位素在进行核衰变的时候,可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等,但是放射性同位素在进行核衰变的时候并不一定能同时放射出这几种射线。
核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响,也不受元素所处状态的影响,只和时间有关。
放射性同位素衰变的快慢,通常用“半衰期”来表示。
半衰期(half-life)即一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。
如磷-32的半衰期是14.3天,就是说,假使原来有100万个磷-32原子,经过14.3天后,只剩下50万个了。
半衰期越长,说明衰变得越慢,半衰期越短,说明衰变得越快。
半衰期是放射性同位素的一特征常数,不同的放射性同位素有不同的半衰期,衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。
地球的年龄究竟有多大?
这个难题曾经考验过许多科学家的智慧。
有人想出用沉积岩形成的时间来测定,有人主张用海水含盐浓度的增加来推算,而最精确可靠、量程最大的宇宙计时器,显然要数放射性元素的蜕变了。
放射性元素衰变一半需要的时间叫半衰期,它不以外界物理化学条件变化为转移。
例如铀235,每隔4亿5千万年就有一半变成铅与氦,钍232的半衰期是13亿年,而铷82的半衰期则将近50亿年。
从这些同位素和他们衰变产物的相对浓度中,我们测定出地球最古老的岩石-西格陵兰片麻岩已有38亿年的历史。
但这显然还只是地球从“天文时期”进入“地质时期”前后的时间。
根据对月球岩石和太阳系陨星的测定和比较,我们地球的高寿应该是46亿岁了。
常用同位素的特征
同位素
符号
半衰期
氢-3
3H
12.3年
碳-14
14C
5720年
磷-32
32P
14.3天
硫-35
35S
87.1天
碘-131
131I
8.05天
常用同位素性质列表
放射性核素
半衰期
射线类型
3H
12.4years
β-
7Be
53.3days
ECa
11C
20.5min
β+
14C
5760year
β-
22Na
2.6year
β+γ
24Na
14.8h
β-γ
28Mg
21.4h
β-
31Si
170min
β-
32P
14.3days
β-
33P
25days
β-
35S
87.4days
β-
36Cl
310000years
β-κ
38Cl
38.5min
β-γ
42K
12.4h
β-γ
45Ca
165days
β-
47Ca
4.54days
β-
51Cr
28days
γκ
52Mn
5.8days
β+γ
54Mn
310days
γκ
55Fe
2.94years
κ
57Co
270days
γ
58Co
72days
β+γ
59Fe
46.3days
β-γ
60Co
5.3years
β-γ
63Ni
100years
β-
64Cu
12.8h
β-β+γκ
65Zn
250days
β+κ
75Se
121days
γκ
76As
26.8h
β-γ
82Br
36h
β-γ
86Rb
18.7days
β-γ
89Sr
51days
β-
90Sr
28.5years
β-
99Mo
68h
β-γ
109Cd
462days
ECa
110Ag
249.8days
β-
111Ag
7.47days
β-
113Sn
115.1days
ECa
115Cd
44.6days
β-
125I
60.0days
γECa
131I
8.04days
β-γ
133Ba
10.8years
ECa
134Cs
2.06years
β-
135I
9.7h
β-
137Cs
30.17years
β-
185W
75.1days
β-
197Hg
64.4h
ECa
198Au
2.696days
β-
199Au
3.13days
β-
203Hg
46.6days
β-
7.1.4放射性污染源
环境中的放射性主要分为天然放射性和人工放射性
1、天然放射性
天然放射性核素品种很多,性质与状态也各不相同,它们在环境中的分布十分广泛。
在岩石、土壤、空气、水、动植物、建筑材料、食品甚至人体内都有天然放射性核素的踪迹。
地壳是天然放射性核素的重要贮存库,尤其是原生放射性核素。
地壳中的放射性物质主要为铀、钍系和。
其中,空气中的天然放射性核素主要有地表释入大气中的及其子体核素,动植物食品中的天然放射性核素大多数是。
土壤主要由岩石的浸蚀和风化作用而产生的,可见,其中的放射性是从岩石转移而来的。
由于岩石的种类很多,受到自然条件的作用程度也不尽一致,可以预期土壤中天然放射性核素的浓度变化范围是很大的。
土壤的地理位置、地质来源、水文条件、气候以及农业历史等都是影响土壤中天然放射性核素含量的重要因素。
存在于岩石和土壤中的放射性物质,由于地下水的浸滤作用而受损失,地下水中的天然放射性核素主要来源于此途径。
此外,粘附于地表颗粒土壤上的放射性核素,在风力的作用下,可转变成尘埃或气溶胶,进而转入到大气圈并进一步迁移到植物或动物体内。
土壤中的某些可溶性放射性核素被植物根吸收后,继而输送到可食部分,接着再被食草动物采食,然后转移到食肉动物,最终成为食品中和人体中放射性核素的重要来源之一。
环境水中天然放射性核素的浓度与多种因素有关。
此外,天然放射性物质还包括宇宙射线。
宇宙射线是一种从宇宙空间射到地球上的高能粒子流,它由质子、粒子等组成。
天然放射性已为人类所适应,并未造成什么危害。
2、人工放射性
核试验
核试验产生的放射性核素有核裂变产物和中子活化产物。
核裂变产物包括200多种放射性核素,如89Sr、90Sr等一些重要放射性核素;中子活化产物是由核爆炸时所产生的中子与大气、土壤、建筑材料发生核反应所形成的产物,如3H、14C、32P等,此外还有剩余未起反应的核素如235U、239Po等。
核爆炸后,裂变产物最初以蒸气状态存在,然后凝结成放射性气溶胶。
其粒径>0.1mm的气溶胶在核爆炸后一天内即可在当地降落,称为落下灰;粒径<25μm的气溶胶粒子可在大气中长期漂浮,称为放射性尘埃。
放射性尘埃在大气平流层的滞留时间一般认为在0.3-3年之间。
核工业
包括原子能反应堆、原子能电站、核动力舰艇等。
它们在运行过程中排放含各种核裂变产物的三废排放物;特别是发生事故时,将会有大量放射性物质泄漏到环境中去,造成严重污染事故。
如英国温茨凯制钚厂反应堆事故,美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故等。
工农业、医学、科研等部门的排放废物
这些部门使用放射性核素日益广泛,其排放废物也是主要的人为污染源之一。
例如,医学上使用60Co、131I等放射性核素已达几十种;发光钟表工业应用放射性同位素作长期的光激发源;科研部门利用放射性同位素进行示踪试验等。
放射性矿的开采和利用
在稀土金属和其他共生金属矿开采、提炼过程中,其三废排放物中含有铀、钍、氡等放射性核素,将造成所在局部地区的污染。
7.1.5放射性的危害必及防护的必要性
随着放射同位素的广泛应用,越来越多的人们认识到放射性对机体造成的损害随着放射照射量的增加而增大,大剂量的放射性会造成被照射部位的组织损伤,并导致癌变,即使是小剂量的放射性,尤其是长时间的小剂量照射蓄积也会导致照射器官组织诱发癌变,并会使受照射的生殖细胞发生遗传缺陷。
放射性对人体的影响主极随机效应和非随机效应。
随机效应(stochasticeffect)指放射性对机体至癌或遗传效应的发生几率,此发生几率与照射剂量的大小有关,而随机性效应的严重程度与剂量有关,如放射性致癌、放射性诱发各种遗传疾病均属随机性效应。
非随机性效应(non-stochasticeffect)是机体受照射后在短期内就出现的急性效应,以及经过一定时间后发现的发育功能低下、白内障和造血机能障碍等等。
其严重程度随受照射剂量不同而变化,存在着明确的剂量阈值,这种效应是随着受照射剂量的增加,而有越来越多的细胞被杀死而产生的。
ICRP第60号出版物把非随机性效应改称为确定性效应。
放射性防护的目的就在于防止有害的确定性效应,并限制随机性效应的发生率,使其达到认为可以接受的水平。
放射性物质可以从体外或进入体内放出射线,对人体造成损害。
就外照射而言,由于各种射线穿透能力不同,γ射线照射对机体的危害大于β射线,而β射线的危害性又大于α射线。
受照射部位不同,受害程度出不同,对某种放射性同位素蓄积率高的组织或器官,必然受害严重,如[32P]对骨骼系统危害较大,[125I]和[131I]主要危及甲状腺器官等。
但是,由于射线与机体作用可产生电离,射线这种电离本领的大小,决定了当放射性物质进入了体内,对机体造成内照射的情形下,α射线由于射程很短,其危害性大于β射线和γ射线的危害,而β射线的内照射危害又大于γ射线。
放射防护的必要性在于保护操作者本人免受辐射损伤,防止了必要的射线照射,保护周围人群的健康和安全,做好放射性污物、污水的收集与处理,避免环境污染,保证实验能够正常进行,取得的结果可靠。
在应用放射性同位素时,一定要考虑放射防护问题,“预防为主”,合理的使用放射性同位素,避免不必要的射线照射,减少人群的剂量负担。
7.1.6放射性强度及其度量单位
放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。
随着时间的增加,放射性原子的数目按几何级数减少,用公式表示为:
N=N0e-λt这里,N为经过t时间衰变后,剩下的放射性原子数目,N0为初始的放射性原子数目,λ为衰变常数,是与该种放射性同位素性质有关的常数,λ=y(t)=e-0.693t/τ,其中τ指半衰期。
放射性同位素不断地衰变,它在单位时间内发生衰变的原子数目叫做放射性强度(radioactivity),放射性强度的常用单位是居里(curie),表示在1秒钟内发生3.7×1010次核衰变,符号为Ci。
1977年国际放射防护委员会(ICRP)发表的第26号出版物中,根据国际辐射单位与测量委员会(ICRU)的建议,对放射性强度等计算单位采用了国际单位制(SI),我国于1986年正式执行。
在SI中,放射性强度单位用贝柯勒尔(becquerel)表示,简称贝可,为1秒钟内发生一次核衰变,符号为Bq。
1Bq=1dps=2.703×10-11Ci该单位在实际应用中减少了换算步骤,方便了使用。
7.2放射性监测的方法
7.2.1放射性监测对象及内容
放射性监测按照监测对象可分为:
①现场监测,即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,即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,即对放射性生产和应用单位外部环境,包括空气、水体、土壤、生物、固体废物等所作的监测。
在环境监测中,主要测定的放射性核素为:
①α放射性核素,即239Pu、226Ra、222Rn、224Ra、210Po、222Th、234U和235U;
②β放射性核素,即3H、90Sr、89Sr、134Cs、137Cs、和60Co。
这些核素在环境中出现的可能性较大,其毒性也较大。
对放射性核素具体测量的内容有:
①放射源强度,半衰期,射线种类及能量;②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
环境质量监测内容
(1)陆地γ辐射剂量
(2)空气
气溶胶:
监测悬浮在空气中微粒态固体或液体中的放射核素浓度;
沉降物:
监测避自然降落于地面上的尘埃、降水(雨、雪)中的放射性核素含量;
氚:
主要监测空气中氚化水蒸气中氚的浓度;
(3)水
地表水:
监测主要江、河、湖泊和水库中的放射性核素浓度;
地下水:
监测地下水中放射性核素的浓度;
饮用水:
监测自来水和井水及其它饮用水中的放射性核素浓度;
海水:
监测沿海海域近海海水中的放射性核素浓度;
(4)底泥:
监测江、河、湖、库及近岸海域沉积物中放射性核素含量;
(5)土壤:
监测土壤中的放射性核素含量;
(6)生物
陆生生物:
监测谷类、蔬菜、牛(羊)奶、牧草等中的放射性核素含量;
水生生物:
监测淡水和海水的鱼类、藻类和其它水生生物中的放射性核素含量;
5、辐射环境质量监测点的布设原则
(1)陆地γ辐射:
监测点应相对固定,连续监测点可设置在空气采样点处;
(2)空气:
空气(气溶胶、沉降物、氚)的采样点要选择在周围没有树木、没有建筑物影响的开阔地,或没有高大建筑物影响的建筑物的无遮盖平台上;
(3)水
地表水:
尽量考虑国控、省控监测点;
饮用水:
在城市自来水管末端和部分使用中的深井设饮用水监测采样点;
海水:
在近海海域设置海水监测采样点;
(4)底泥:
监测江、河、湖、库及近岸海域沉积物中放射性核素含量;
(5)土壤:
设置在无水土流失的原野或田间;
(6)生物
陆生生物:
样品采集区和样品种类应相对固定;
采集的谷类、蔬菜样品应选择当地居民摄入量较多且种植面积大的种类;牧草样品应选择当地有代表性的种类;采集的牛(羊)奶均应选择当地饲料饲养的牛(羊)奶所产的奶汁;
水生生物:
监测采样点应尽量和地表水、海水的监测采样区域一致。
7.2.2放射性检测仪器
放射性检测仪器种类多,需根据监测目的、试样形态、射线类型、强度及能量等因素进行选择。
表8-9列举了不同类型的常用放射性检测器。
放射性测量仪器检测放射性的基本原理基于射线与物质间相互作用所产生的各种效应,包括电离、发光、热效应、化学效应和能产生次级粒子的核反应等。
最常用的检测器有三类,即电离型检测器、闪烁检测器和半导体检测器。
(一)电离型检测器
电离型检测器是利用射线通过气体介质时,使气体发生电离的原理制成的探测器。
应用气体电离原理的检测器有电流电离室、正比计数管和盖革计数管(GM管)三种。
电流电离室:
测量由于电离作用而产生的电离电流,适用于测量强放射性;主要用来研究由带电粒子所引起的总电离效应,即测量辐射强度及其随时间的变化。
正比计数管:
由于输出脉冲大小正比于入射粒子的初始电离能,故定名为正比计数管。
这种计数管普遍用于α和β粒子计数,具有性能稳定、本底响应低等优点。
盖革(GM)计数管:
普遍地用于检测β射线和γ射线强度。
(二)闪烁检测器
闪烁检测器是利用射线与物质作用发生闪光的仪器。
它具有一个受带电粒子作用后其内部原子或分子被激发而发射光子的闪烁体。
当射线照在闪光体上时,便发射出荧光光子,并且利用光导和反光材料等将大部分光子收集在光电倍增管的光阴极上。
光子在灵敏阴极上打出光电子,经过倍增放大后在阳极上产生电压脉冲,此脉冲还是很小的,需再经电子线路放大和处理后记录下来。
闪烁体的材料可用ZnS,NaI,蒽、芪等无机和有机物质,其性能列于表8-9中。
探测α粒子时,通常用ZnS粉末;探测γ射线时,可选用密度大、能量转化率高,可做成体积较大并且透明的NaI(T1)晶体;蒽等有机材料发光持续时间短,可用于高速计数和测量短寿命核素的半衰期。
闪烁检测器以其高灵敏度和高计数率的优点而被用于测量α、β、γ辐射强度。
由于它对不同能量的射线具有很高的分辨率,所以可用测量能谱的方法鉴别放射性核素。
这种仪器还可以测量照射量和吸收剂量。
(三)半导体检测器
半导体检测器的工作原理与电离型检测器相似,但其检测元件是固态半导体。
当放射性粒子射入这种元件后,产生电子-空穴对,电子和空穴受外加电场的作用,分别向两极运动,并被电极所收集,从而产生脉冲电流,再经放大后,由多道分析器或计数器记录。
半导体检测器可用作测量α、β和γ辐射。
与前两类检测器相比,在半导体元件中产生电子-空穴所需能量要小的多。
例如,对硅型半导体是3.6eV,对锗型半导体是2.8eV,而对NaI闪烁探测器来说,从其中发出一个光电子平均需能量3000eV,也就是说,在同样外加能量下,半导体中生成电子-空穴对数比闪烁探测器中生成的光电子数多近1000倍。
因此,前者输出脉冲电流大小的统计涨落比较小,对外来射线有很好的分辨率,适于作能谱分析。
其缺点是由于制造工艺等方面的原因,检测灵敏区范围较小。
但因为元件体积很小,较容易实现对组织中某点进行吸收剂量测定。
硅半导体检测器可用于α计数和测定α能谱及β能谱。
对γ射线一般采用锗半导体作检测元件,因为它的原子序较大,对γ射线吸收效果更好。
在锗半导体单晶中渗入锂制成锂漂移型锗半导体元件,具有更优良的检测性能。
因渗入的锂不取代晶格中的原有原子,而是夹杂其间,从而大大增大了锗的电阻率,使其在探测γ射线时有较大的灵敏区域。
应用锂漂移型半导体元件时,因为锂在室温下容易逃逸,所以要在液氮致冷(-196℃)条件下工作。
7.2.3放射性测量实验室
放射性测量实验室分为两个部分,一是放射化学实验室,二是放射性计测实验室。
(一)放射化学实验室
放射性样品的处理一般应在放射化学实验室内进行。
为得到准确的监测结果和考虑操作安全问题,该实验室内应符合以下要求:
①墙壁、门窗、天花板等要涂刷耐酸油漆,电灯和电线应装在墙壁内;②有良好的通风设施,大多数处理样品操作应在通风橱内进行,通风马达应装在管道外;③地面及各种家具面要用光平材料制作,操作台面上应铺塑料布;④洗涤池最好不要有尖角,放水用足踏式龙头,下水管道尽量少用弯头和接头等。
此外,实验室工作人员应养成整洁、小心的优良工作习惯,工作时穿戴防护服、手套、口罩,佩戴个人剂量监测仪等;操作放射性物质时用夹子、镊子、盘子、铅玻璃屏等器具,工作完毕后立即清洗所用器具并放在固定地点,还需洗手和淋浴;实验室必须经常打扫和整理,配置有专用放射性废物桶和废液缸。
对放射源要有严格管理制度,实验室工作人员要定期进行体格检查。
上述要求的宽严程度也随实际操作放射性水平的高低而异。
对操作具有微量放射性的环境类样品的实验室,上列各项措施中有些可以省略或修改。
(二)放射性计测实验室
放射性计测实验室装备有灵敏度高、选择性和稳定性好的放射性计量仪器和装置。
设计实验室时,特别要考虑放射性本底问题。
实验室内放射性本底来源于宇宙射线、地面和建筑材料甚至测量用屏蔽材料中所含的微量放射性物质,以及邻近放射化学实验室的放射性沾污等。
对于消除或降低本底的影响,常采用两种措施,一是根据其来源采取相应措施,使之降到最小程度,二是通过数据处理,对测量结果进行修正。
此外,对实验室供电电压和频率要求十分稳定,各种电子仪器应有良好接地线和进行有效的电磁屏蔽;室内最好保持恒温。
7.2.4放射性监测方法
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。
样品的采集
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。
放射性气溶胶的采集
放射性气溶胶包括核爆炸产生的裂变产物,各种来源于人工放射性物质以及氡、钍射气的衰变子体等天然放射性物质。
这种样品的采集常用滤料阻留采样法,其原理与大气中颗粒物的采集相同。
7.2.5样品预处理
对样品进行预处理的目的是将样品处理成适于测量的状态,将样品的欲测核素转变成适于测量的形态并进行浓集,以及去除干扰
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