第八九章.ppt

第8章 环境中常见放射性核素的分析测定,8.1 环境中放射性核素的测定8.2 环境中放射性核素的测定,1固体荧光法原理是利用铀与某些熔剂（如(NaF)混熔后制成的珠球能在紫外线（3650埃）激发下发出黄绿色荧光，其荧光强度与熔珠中的铀含量在一定范围内（10-10-10-5克铀）成正比关系来进行铀的测定的。,第8章 环境中常见放射性核素的分析测定,8.1.1 铀（U）的分析测定,固体荧光法常用于尿铀分析,2 激光液体荧光法原理是水样中的铀酰离子与荧光增强剂生产一种简单的络合物，在激光（波长337纳米）辐射激发下产生荧光,采用标准铀加入法定量测定样品铀含量。,第8章 环境中常见放射性核素的分析测定,8.1.1 铀（U）的分析测定,8.1.2环境样品中镭（Ra）的测定,1898年，居里夫人从沥青铀矿中发现了一种比铀的放射性强百万倍的新元素，并取名为镭（Radium），希腊文即“放射的”意思。,在铀、钍矿区环境和生物样品的放射性监测中，镭是必须监测的一个元素。,8.1.2环境样品中镭（Ra）的测定,8.1.2.1 镭的测定方法及原理,（1）分离和测量镭的第一代子体氡，即射气法；,原理是基于镭的放射性同位素均有短寿命的子体-放射性稀有气体氡，且镭及其子体氡容易达到放射性平衡，此时镭的放射性活度就等于氡的放射性活度。,（2）把样品中的镭分离出来，然后测量其放射性活度，即放射性直接测量法。,8.1.2环境样品中镭（Ra）的测定,8.1.4环境样品中钋-210的测定,钋是1898年被居里夫人发现的，居里夫人为了纪念她的祖国波兰（当时被沙俄侵占）而将它命名为钋,钋210属于极毒性核素，它容易形成放射性气溶胶，污染环境空气，甚至能透过皮肤而进人人体，因此钋210必须密封保存;钋的射线能使有机物质分解脱水，引起有机体发生一系列严重的生物效应;钋是放射性元素中最容易形成胶体的一种元素;钋210进人人体后，能长期滞留于骨、肺、肾和肝中，其远期辐射效应会引起肿瘤.,利用钋210的放射性来进行测量，如直接计数法和量热法等。钋的分离方法有共沉淀法、萃取法、色层分离法和电化学分离法等。对环境和生物样品中的微量钋210，常用的分离方法是电化学置换法.,8.1.4环境样品中钋-210的测定,把钋沉积在银片、铜片或镍片上，使钋得到分离和浓集，再测量镀片上钋210的放射性活度.,8.1.5环境样品中钚-239的测定,1940年末，西博格等人用16Mev氘核轰击铀238获得钚238，这是最早发现的钚(Plutonium)的同位素，其核反应如下：,1941年初，他们又制得了钚239，其核反应为:,钚-239是制造核武器和反应堆核燃料元件的原料;钚239的放射性比活度比铀238高2105 倍，因此其辐射危害比铀238要严重得多;钚239急性中毒会引起机体严重病变，其主要表现有炎症坏死性病变和广泛性纤维增生病变，慢性辐射损伤的远期效应是致癌和缩短寿命;钚238是制备放射性核素电池的良好材料，目前这种电池已经在宇宙飞行装置中作为能源使用。高纯的钚238可作心脏起博器的能源。,8.1.5环境样品中钚-239的测定,8.1.5环境样品中钚-239的测定,对于钚239含量小于1毫克的样品，宜采用计数法、液体闪烁测量法、络合滴定法和分光光度法等来进行测定,重量法是先将Pu()和Pu()以氢氧化物、过氧化物或草酸盐等形式从溶液中沉淀出来，然后在1200的空气中灼烧，制得符合化学计量的二氧化钚，再进行称重。,氧化还原滴定法是根据Pu()Pu()或Pu()Pu()间的氧化还原反应来准确测定钚的一种方法。,对于钚含量大于1毫克的样品，常采用重量法和氧化还原滴定法来进行测定。,8.2环境中常见放射性核素的测定,8.2.1环境样品中钾-40的测定,钾-40是自然界中单独存在的放射性核素，衰变时放出射线;由于钾盐极易溶于水，从而使钾-40可通过食物、饮水和吸收进入人和动植物体内造成内照射;植物以黄豆、豌豆等豆类作物的含量最高，谷类作物含量较低;,世界各国，尤其是发达国家对钾-40造成的辐射越来越重视，从而成为环境放射性监测的常规指标。,离子选择电极法的工作原理试样在pH=3.510.5的范围内，钾离子电极与双液参比电极在溶液中组成化学电池，不需分离纯化，电极即可迅速测出试样的电位值，且在8.010-53.9g/L范围内钾离子浓度与其电位值呈线性关系，从而计算出试样中的钾离子浓度,8.2环境中常见放射性核素的测定,8.2.1环境样品中钾-40的测定,8.2.2环境样品中氚的测定,氚的来源有天然和人工两种。天然来源是宇宙射线中的中子和质子轰击上层大气中的氮、氧而形成的，其中主要的核反应如下：,1954年以前，地球表面氚的总量估计为1800克，其中在大气中约为11克，地下水中约l3克;氚的人工来源主要是通过核爆炸和人工核裂变反应产生的,大部分氚是来自核武器试验，核动力堆和核燃料后处理厂也排放出一部分氚;氚是一种纯的低能放射体，可用作低能辐射源和轫致辐射源，在地质勘探、仪器分析等许多方面都有着特殊的用途;氚还可用作发光涂料中的激发能源，以代替传统的镭和钷147;氚能通过与氢发生同位素交换反应而存在于空气、水、食物及一切生物机体之中;氚的粒子电离密度较大，电离作用较强，对细胞的损伤比比较严重,8.2.2环境样品中氚的测定,8.2.2环境样品中氚的测定,水中氚的测定方法有两种:一是把水样转化为气态，引入正比计数管中进行测量；二是把水样富集后，将富集后的含氚水样直接混入闪烁液中，用液体闪烁计数器进行测量,氚的分析测定主要是对水、尿、空气和生物样品中氚的监测，由于氚在许多情况下主要以水分子的状态存在，因此对不同样品中氚的监测基本上可归结为对水中氚的测定,空气中氚主要以氚蒸汽状态存在，因此一般用干燥法采样，然后从干燥剂中蒸馏析出后直接在低本底液体闪烁谱仪上测量3H的活度。,8.2.3环境样品中90Sr的测定,放射性锶(主要是指90Sr、89Sr)是核裂变的重要产物，尤其是90Sr，因其产额高、半衰期较长以及化学性质与生物学上的重要元素钙很相似，因此它对放射卫生学来说，具有特别重要的意义。现在，90Sr的分析测定是环境监测中的常规项目之一。,测定90Sr一般采用辐射测量法(1)直接测定法 对经过分离纯化后所制得的90Sr直接进行放射性测量.(2)间接测定法通过测量与90Sr达到放射性平衡的子体90Y的放射性来推算出样品中90Sr的含量的.先将样品中的90Sr进行浓集分离，放置14天，待新生长出的90Y与90Sr达到放射性平衡后，用色层柱分离90Y并以草酸钇沉淀形式在低本底仪上测量90Y的放射性比活度，最后经计算求得90Sr的比活度。,8.2.3环境样品中90Sr的测定,8.2.4环境样品中铯-137的测定,铯137是核裂变反应的重要产物之，且半衰期较长，因而也是核污染中的重要放射性核秦之一。现在，环境和生物样品中铯137的分析测定已成为环境放射性监测中的常规项目。,测量铯137普遍采用辐射测量法，但由于环境和生物样品中铯137的含量很低，因此在测定铯137时，必须先将样品中所含的大量钾、钠、钙、镁等干扰元素，特别是与铯同属碱金属的天然放射性核素钾40和铷87分离掉，然后才能进行铯137的放射性测量。,8.2.5环境样品中碘-131的测定,碘共有27种同位素，即115I141I。其中，碘127是碘唯一的稳定同位素，在碘的放射性同位素中，碘131最重要,碘131和碘125都是重要的医用放射性核素;由于碘13l在裂变反应中的产额较高，半衰期又较短，因此可作为反应堆周围环境的监测指标，以便及时发现核燃料元件包壳的破损；也可作为核爆炸后环境监测的信号核素。当核爆炸或反应堆发生事故时，碘131会严重污染周围环境特别是动植物性食物，因此在评价环境放射性的危害时，碘13l也是一个重要的核素;,碘13l的射线可用于治疗甲状腺疾病，其射线可用于人体甲状腺、肝、肺等脏器的扫描以及肾、甲状腺等脏器的功能测定;碘131属于高毒性核素。碘主要通过空气-蔬菜，空气一牧草牛奶等途径而进入人体，并选择性地积聚于甲状腺内，会使甲状腺机能破坏而发生水肿，甚至致癌；碘也容易被某些海藻所浓集。,8.2.5环境样品中碘-131的测定,采样后，经适当前处理，用低本底谱仪测量样品中碘-131的特征射线（0.365MeV）计数率，经计算求得空气中碘-131的比活度（Bq/Nm3）或用低本底仪测量其放射性活度。,8.2.5环境样品中碘-131的测定,测定环境和生物样品中的微量碘13l普遍采用辐射测量法,8.2.6 环境样品中14C的测定,最常用的方法是液体闪烁计数法，首先，必需将生物样品中的14C分离出来，制成适宜于液体闪烁测量的样品，然后，再用液体闪烁计数器测量。,8.2.6环境样品中14C的测定,14C分离和制备1湿氧化法以过氯酸作氧化剂，将60过氯酸、30过氧化氢溶液依次加入到生物样品中，并加热将其完全消化，然后向此溶液中加入甲苯PPO(2，5二苯基恶唑)闪烁液即可进行测量，此法应用范围广泛，结果也比较准确。,2燃烧法先用特制的燃烧装置将生物样品中的14C全部燃烧生成14CO2，再加入含有苯乙胺的甲苯闪烁液吸附14CO2，然后取该闪烁液进行测量。优点：所制得的样品测量液无色、稳定、淬灭作用小、效率高，且重复性好；缺点：需要有特殊的燃烧装置，样品制备过程也比较繁琐，难以满足快速测定的需要。,8.2.6环境样品中14C的测定,3 苯合成法苯合成法是把样品中的碳直接合成苯而作闪烁液的溶剂。此法先将样品中的碳转换为二氧化碳，然后制备成乙炔，再聚合成苯，最后把苯作为闪烁液的溶剂，调制成测量样品去进行测量。,目前14C液体闪烁测量中最好的一种样品形式,8.2.6环境样品中14C的测定,第9 章 环境氡及其子体的监测,氡是无处不在，只是其浓度的高低不同而异。,然界中氡有三个同位素，氡(222Rn)、钍射气(220Rn)、錒射气(219Rn)，来自于三大天然放射系铀系、钍系和錒系,1898年M居里发现在与镭接触的空气中有放射性气体，但不知道这种放射性气体的来源和性质，1900年，多恩证明了这种放射性气体是由于镭衰变产生的，1923年国际会议上正式把这种放射性情性气体命名为氡(Radon),9.1 氡的来源及水平,9.1 氡的来源及水平,第9 章 环境氡及其子体的监测,9.1氡的来源及水平,第9 章 环境氡及其子体的监测,第9 章 环境氡及其子体的监测,9.2氡及氡子体的特性,9.2.1氡的理化特性氡在标难状态下是无色无臭透明的惰性气体，氡可溶解于水和多种液体中，也易溶于血液和脂肪中。氡是导致居民肺癌发生的原因之一，是仅次于吸烟的诱发肺癌的第二大因素。,第9 章 环境氡及其子体的监测,9.2氡及氡子体的特性,9.2.2氡子体性质,氡子体指的是铀系中氡衰变后的几个短寿命子体核素.氡衰变后新生成的218Po原子是一个能量约为100 keV的反冲核，在它与物体表面或凝聚核结合之前能自由存在一段时间，此时被称为未结合态氡子体。未结合态氡子体一般带有正电性，扩散能力较强，在空气中存在的时间不长，很容易与空气中的凝聚核结合在一起而变成结合态氡子体。未结合态氡子体有很强的附着能力，它们能牢固地附着在物体的表面，此种现象叫做附壁效应。当空气流动速度增大时，这种附壁效应更明显，此种现象常用量降低局部空间的氡子体浓度。,第9章 环境氡及其子体的监测,1 氡浓度CRn（Radon Concentrations）单位体积空气中氡的放射性活度，其单位是Bq/m3。1Ci/L=3.7x1010Bq/L=3.7x1013Bq/m3 1pCi/L=3.7x10-2Bq/L=37Bq/m3，p(ino)=10-12,9.2.3几个概念,已建住房平衡当量氡浓度年平均值不超过200Bqm3；新建住房平衡当量氡浓度年平均值不超过100 Bqm3。,2 平衡当量氡浓度EECRn（Equivalent Equilibrium Concentrations）平衡当量氡浓度EECRn是与实际存在的氡子体处于放射性平衡的氡浓度，其计量单位为Bq/m3。,第9章 环境氡及其子体的监测,平衡当量浓度与各子体的关系为：,3 潜能浓度PAEC或Cp（Potential Alpha Energy Concentrations）单位体积空气中存在的短寿命氡子体的任何混合物的全部子体原子核衰变链分别由RaA(218Po)完全衰变到RaD(210Po)过程中发射出的粒子能量的总和,平衡当量浓度与氡子体潜能浓度之间有固定换算关系，换算系数为,第9章 环境氡及其子体的监测,氡工作水平(WL)：与100pCi/L的氡相平衡的子体总潜能定为1个工作水平（Working Level)。,第9 章 环境氡及其子体的监测,9.2.3几个概念,工作水平月(WLM)：在具有一个工作水平的子体潜能值的场所工作170小时，则其总暴露量叫做一个工作水平月。,氡与氡子体浓度单位的换算关系为：,4 平衡因子,空气中实际存在的氡子体潜能浓度和与氡处于放射性平衡态的氡子体潜能浓度之比值,第9 章 环境氡及其子体的监测,联合国原子辐射效应科学委员会（UNSCEAR）建议，铀矿的F值一般取0.30非铀矿山取0.70外环境取0.80，室内取0.40.,9.2.3几个概念,单位和换算系数活度单位居里（Ci）：1Ci=3.71010 Bq潜能浓度单位MeVl-1：1 MeVl-1=1.610-4 Jm-3工作水平（WL）与潜能浓度：1WL=20.8 Jm-3工作水平月（WLM）与潜能照射量：1WLM=3.6 mJhm-3Ceq与潜能浓度：对于222Rn子体，1Ceq=5.6210-3 Jm-3 对于220Rn子体，1Ceq=75.810-3 Jm-3,第9 章 环境氡及其子体的监测,9.2.3几个概念,9.3 环境中氡的测量,测氡方法,瞬时测量方法：快速了解被测场所的氡浓度；连续测量方法：了解氡浓度的变化；累积测量方法：剂量估算或流行病研究,按采样方式分：主动测量 被动测量 联合测量,9.3 环境中氡的测量,9.3.1静电计测氡法9.3.1.1工作原理静电计测氡法的原理是基于射线对空气的电离作用和带电导体在电场中的运动。含氡气体进入电离室后，氡及其子体放出的射线使空气电离，产生正负离子对，电离室的中央电极收集正电荷，当与静电计的中央石英丝接触后使其带电，成为带电导体。在外电场作用下，石英丝由于劳伦茨力的作用而发生偏转，其偏转的速度与其上的电荷量成正比，也就是与氡的浓度成正比。测出偏转速度（亦即电离电流）就可以从下式计算出氡浓度：,9.3.1.2 测量仪器的基本结构,1电离室,图9-2 FD105K电离室示意图,2静电计,图9-3 FD105K静电计横向剖面图及外形示意图,9.3.2闪烁室测氡法,氡进入闪烁室后，氡及其子体发射的粒子使闪烁室壁的ZnS(Ag)产生闪光，光电倍增管把这种光讯号变成电脉冲，经过电子学线路把电脉冲放大，最后记录下来。单位时间内的脉冲数（脉冲计数率）与氡浓度成正比，从而可确定氡浓度，即：,9.3.2.2主要设备及仪器,图9-4 FD125型闪烁室及Rn/Th分析连接示意图,9.3.2.1工作原理,9.3.3 双滤膜测氡法,9.3.3.1工作原理,图9-5 双滤膜示意图,FT-648测氡仪,9.3.4 活性炭测氡法,图9-8 吸附装置示意图,图9-9 解析装置示意图,9.4氡子体浓度测量,对人体造成危害的主要是氡子体，它随着人的呼吸而沉积到支气管和肺部，给呼吸器官组织造成辐射损伤,氡子体测量主要由两个过程组成：一是取样过程中氡子体的积累；二是取样后测量过程中氡子体的衰变。,9.4.1氡子体测量的基本原理,9.4氡子体浓度测量,9.4.1氡子体测量的基本原理9.4.1.1取样过程滤膜上氡子体的变化,RaA(218Po)的沉积：,RaB(214Bi)的沉积,RaC(214Bi)的沉积,假设条件：（1)取样过程中空气中各氡子体浓度不变；（2)取样过程中取样流量不变；（3)滤膜对各种氡子体的过滤效率相同。,9.4氡子体浓度测量,9.4.1氡子体测量的基本原理,9.4.1.1取样过程滤膜上氡子体的变化,9.4.1.2取样后滤膜上氡子体的变化,积累方程：,RaA(218Po),RaB(214Bi),RaC(214Bi),9.4.2托马斯三段法,空气中一般同时存在有氡和钍射气及其子体，只是钍射气及其子体相对氡来说可以忽略，因此人们一般只测氡。当钍射气及其子体水平较高不可忽略时，上述三段法测氡子体浓度就会受到钍射气子体的干扰，为了准确测定氡子体浓度，同时也测定钍射气子体浓度，采用五段法。,9.4.3 五段法,在取样30min后的(25，620，2130，200300，360560)min时间段测量样品的计数，其净计数分别用Nl、N2、N3、N4、N5表示,9.4.3 五段法,9.4.4 积分能谱法,为了有效利用RaA、RaC衰变粒子的能量差异，乔纳森提出了利用能谱测量装置的氡子体能谱测量方法。,取样10min，测量取样结束后（2min5min 20s）时间段218Po能峰（6MeV）和214Po能峰（7.68MeV）的计数，分别记作G1和G2，测量取样结束后（20min5min 20s）时间段214Po能峰（7.68MeV）的计数，分别记作G3,9.4.5马尔柯夫法,而氡子体潜能浓度与氡子体浓度的关系为：,马尔柯夫假设氡子体潜能浓度与计数成正比,由上两公式可得马尔科夫系数,马尔柯夫法属快速潜能浓度测量法,9.4.6 氡子体连续测量法,一是采用的测量方法依然是托马斯三段法或马尔柯夫法等，只是采样滤膜通过机械传动装置进行更换;另一种方法是不更换采样滤膜，通过衰变方程扣除前几次样品的氡子体干扰.,氡子体连续测量一般都采用1小时一个样，取样510min，立即测量5550min,9.4.6 氡子体连续测量法,氡子体测量方法的评价,托马斯三段法具有能够测量出单个的氡子体浓度，采样是时间和测量时间经过优化，统计误差较小，测量时间相对不长等优点，是科学研究中最常用的氡子体浓度及氡子体潜能浓度测量方法。,五段法可以同时测量氡子体浓度和钍射气子体浓度,五段法计算的氡子体和钍射气子体潜能浓度不受子体间平衡比的影响.但其缺点是测量时间太长。,积分能谱法计算的氡子体浓度的统计误差比三段法小，测量时间也有所缩短。而且能够同时测量氡子体浓度和钍射气子体浓度。,马尔柯夫法和库斯尼茨法是氡子体潜能浓度测量方法，具有操作和计算简单的优点,是辐射防护工作中的常用方法.,9.5 表面氡析出率测量,氡析出率测量是环境氡污染及治理中寻找源项的手段，是对建筑材料放射性含量是否符合国家标准的一种鉴别方法，也是退役铀矿冶设施治理中废石场、尾矿库防氡覆盖治理的关键,9.5 表面氡析出率测量,REM-氡析出率仪,RAD-7测氡仪,9.5.1 积累法,积累等时间间隔测量法,在介质表面盖上积累箱后，每隔T分钟测量一次积累箱中的氡浓度,，共测n次（一般n4）,将相邻的两次测量数据成对组合如下：,9.5.1 积累法,由于公式中有b 两个未知数采用等时间间隔取样 可以导出相邻的两次氡浓度值有如下线性关系：,和,，,；,9.5.2 吸附法,当氡从介质表面析出进炭床内即被活性炭吸附，被吸附的氡及其衰变的子体全部沉积在活性炭内，用谱仪测量活性炭盒的氡子体特征射线峰（609keV）或峰群（294，352，609keV）强度,测氡时一般只取其中能量较高的三个特征峰总面积（270-720keV）。根据峰面积、积累时间和炭盒取样面积可计算出氡析出率：,不能测量瞬时的氡析出率,取样盒不存在析出氡的泄漏和反扩散,9.5.2 吸附法,9.5.3 贯穿气流法,贯穿气流法的通过测定贯穿气流中建立的稳定氡浓度来得到表面氡析出率。因为这一种将积累箱中的氡连续不断地排除，从而避免了积累法中由于氡浓度的增长导致的反扩散和泄漏对氡析出率测定的影响.,9.5.4 三种测量方法的比较,氡的测量方法,氡的测量方法(子体),