CN113625331A - 一种水体总α、总β比活度实时在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水体总α、总β比活度实时在线监测方法，包括：S1、取样待监测水体；S2、对待监测水体中天然放射性来源进行衰变系分析，并确定辐射体α和辐射体β衰变过程产生的γ射线能谱；S3、根据γ射线能谱，确定对总α、总β比活度有贡献的核素；S4、根据确定出的核素的峰面积和探测效率，分别计算水体总α比活度和总β比活度。本发明方法不需要进行蒸发制样等复杂的过程，因此对操作人员的要求较低，且测量过程中不会使用化学试剂对环境没有污染；提高了总α、总β比活度测量效率，实现了实时监测，确保了水体环境及人民生活用水的安全，提高了水体放射性事故的预警能力。

Description

一种水体总α、总β比活度实时在线监测方法

技术领域

本发明属于水体放射性测量技术领域，具体涉及一种水体总α、总β比活度实时在线监测方法。

背景技术

水中总α/β比活度一直时世界各国重点监测的项目，目前对于水体放射性的测量多采用现场取样与实验室分析相结合的方式，即先到现场取样再回实验室中对样品进行浓缩蒸发处理，最后使用气体探测提或者液体闪烁计数器测量样品的总α/β比活度，该方法为直接测量法，其原理都是根据水体中放射性核素衰变发出的α/β粒子在水中的射程较近，要达到更高的测量精度，需要确保探测介质能够接收到所发出的α/β粒子，这很大程度上增加了探测的难度和装置整体的成本，并且现有设备灵敏体积小、检出限低无法实现在线连续测量总α/β，并且该方法存在着周期长、样品代表性差、操作较繁琐、依赖精密仪器、化学试剂需求较多等不足支持，因此国内外的科研工作者一直在探索更加简便有效并且实时性好的方法。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的水体总α、总β比活度实时在线监测方法解决了现有的总α、总β比活度监测方法周期长、操作繁琐等问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种水体总α、总β比活度实时在线监测方法，包括以下步骤：

S1、取样待监测水体；

S2、对待监测水体中天然放射性来源进行衰变系分析，并确定辐射体α和辐射体β衰变过程产生的γ射线能谱；

S3、根据γ射线能谱，确定对总α、总β比活度有贡献的核素；

S4、根据确定出的核素的峰面积和探测效率，分别计算水体总α比活度和总β比活度。

进一步地，所述步骤S2中的进行衰变系分析时的衰变系包括²³⁸U衰变系、²³⁵U衰变系、²³²Th衰变系和⁴⁰K衰变系。

进一步地，所述步骤S2中，确定γ射线能谱时，γ射线同时满足以下条件：

(1)伴随辐射体α和辐射体β衰变产生，且有至少大于0.01的分支比；

(2)峰康比至少大于9.88:1，且能量峰不能淹没在康普顿坪的环境本底中；

(3)能量峰的周围没有其他相近的峰存在，且计算峰面积时不受其他相近的能量峰计算影响。

进一步地，所述步骤S3中，对总α比活度有贡献的核素包括²²⁶Ra和²²⁴Ra；对总β比活度有贡献的核素包括²¹⁴Pb、⁴⁰K、²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl。

进一步地，所述步骤S4中，水体总α比活度A_α的计算公式为：

式中，A_α为总α比活度，N_i为第i个伴随α衰变所产生的γ射线的放射性核素对应的特征峰的面积，ε_i为探测系统对第i个能量为E的γ射线对应的特征峰的探测效率，T为测量时间，V为测量体积，S(a)_i为对总α比活度有贡献的第i个放射性核素一次衰变时产生α射线的份额，下标i＝1,2,...,n，n为与α衰变相关的γ射线的数量。

进一步地，所述步骤S4中，水体总β比活度A_β的计算公式为：

式中，A_β为总α比活度，N_j为第j个伴随β衰变所产生的γ射线的放射性核素对应的特征峰的面积，ε_j为探测系统对第j个能量为E的γ射线对应的特征峰的探测效率，T为测量时间，V为测量体积，S(a)_j为对总β比活度有贡献的第j个放射性核素一次衰变时产生β射线的份额，下标j＝1,2,...,m，m为与β衰变相关的γ射线的数量。

本发明的有益效果为：

(1)本发明方法通过测量水体γ射线能谱计算水体总α、总β比活度，在现场环境中直接在相关水体处取样，再对水体的总α、总β比活度进行实时监测，不需要进行蒸发制样等复杂的过程，因此对操作人员的要求较低，且测量过程中不会使用化学试剂对环境没有污染；

(2)本发明方法提高了总α、总β比活度测量效率，实现了实时监测，确保了水体环境及人民生活用水的安全，提高了水体放射性事故的预警能力。

附图说明

图1为本发明提供的水体总α、总β比活度实时在线监测方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

在本发明实施例中，通过对天然水体中天然放射性来源的分析，研究天然水体中可能存在的α和β辐射体，及其α和β衰变过程中产生的γ射线能谱，确定出水体中对总α、总β比活度有贡献的核素，再根据辐射体α和辐射体β的分支比和在线测量仪器的探测效率等擦书，建立水体总α、总β比活度与该辐射体产生的特征γ射线强度(γ射线能谱上全能面积计数)之间的数学关系式，从而完成水体中总α、总β比活度的实时在线监测。

基于此，如图1所示，本实施例中的水体总α、总β比活度实时在线监测方法，包括以下步骤：

S1、取样待监测水体；

S2、对待监测水体中天然放射性来源进行衰变系分析，并确定辐射体α和辐射体β衰变过程产生的γ射线能谱；

S3、根据γ射线能谱，确定对总α、总β比活度有贡献的核素；

S4、根据确定出的核素的峰面积和探测效率，分别计算水体总α比活度和总β比活度。

本实施例所述步骤S2中的进行衰变系分析时的衰变系包括²³⁸U衰变系、²³⁵U衰变系、²³²Th衰变系和⁴⁰K衰变系。

具体地，在²³²Th衰变系中主要产生β衰变的核素为²²⁸Ac、²¹²Pb、²¹²Bi和²⁰⁸Tl；在²³⁸U衰变系列中主要产生β衰变的核素为²³⁴Th、²³⁴Pa、²¹⁴Pb、²¹⁴Bi、²¹⁰Pb以及²¹⁰Bi；在²³⁵U衰变系列中主要产生β衰变的核素为²³¹Th，²²⁷Ac，²¹¹Pb以及²⁰⁷Tl；⁴⁰K是天然水体放射性的主要来源之一，K是造岩元素之一，⁴⁰K的丰度为0.012％，⁴⁰K有89％经β衰变而形成⁴⁰Ca，有11％经电子俘获放出能量为1.46Me V的γ射线而形成⁴⁰Ar。因此，⁴⁰K是天然水体中主要β辐射体，并放出能量为1.46Me V的特征γ射线。

在²³⁸U，²³²Th以及²³⁵U(由于其在水体中的含量较低，根据国际标准通常不予考虑)衰变系中，选择合适的核素来计算水体总α、总β比活度是整个过程中的重要一步，会直接对实验结果的准确性产生影响。在选取核素及相关γ射线能量峰时需要特别的小心慎重，本实施例中选取γ射线应该具备同时具备下几个条件：

(1)伴随辐射体α和辐射体β衰变产生，且有至少大于0.01的分支比，否则因为分支比小导致的测量下限高和引入误差大；

(2)峰康比至少大于9.88:1，且能量峰不能淹没在康普顿坪的环境本底中，否则无法进行核素识别及反算其衰变核素活度；

(3)能量峰的周围没有其他相近的峰存在，且计算峰面积时不受其他相近的能量峰计算影响，使计算结果产生偏差。

在本实施例的步骤S3中，在²³⁸U，²³⁵U和²³²Th衰变系列中，有时伴随α衰变产生的γ射线能量与伴随β衰变产生的γ射线能量相近，对计算过程造成不便。比如²¹²Pb和²²⁴Ra，²¹⁴Pb和²¹¹Bi等，伴随α衰变所产生的γ射线较少，缺少相对独立周围没有其它峰干扰，且每次衰变的光子数大于0.03的γ射线。一些伴随α衰变所产生的γ射线，其能谱存在峰重叠等原因，会给校准计算带来一些难度。这种情况下238U和²³²Th衰变系最具有可行性的核素选择分别为²²⁶Ra(186.21ke V)和²²⁴Ra(240.99ke V)。

根据上述分析及选取核素和相关γ射线能量峰应该具备的条件可知，水体实时在线监测总α、总β比活度时，选取的核素如表1所示，即对总α比活度有贡献的核素包括²²⁶Ra和²²⁴Ra；对总β比活度有贡献的核素包括²¹⁴Pb、⁴⁰K、²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl。

表1：计算水体总α、总β比活度选取的核素及其特征γ射线

核素	衰变类型	γ射线能量(MeV)	一次衰变的光子数
				<sup>226</sup>Ra	α	0.186	0.059
<sup>224</sup>Ra	α	0.241	0.031
				<sup>214</sup>Pb	β	0.352	0.377
<sup>40</sup>K	β	1.46	0.113
				<sup>214</sup>Bi	β	0.609	0.471
<sup>208</sup>Tl	β	0.583	0.293

根据单个核素活度与总活度的比例关系，在已知某种核素的活度后，通过与分支比的比值，就可得到总活度，单个核素的活度通过峰面积与探测效率的比值可以得到，总α、总β比活度根据总活度与放射性核素在α或β衰变时产生的γ射线份额得到，因此，在本实施例的步骤S4中，水体总α比活度A_α的计算公式为：

式中，A_α为总α比活度，N_i为第i个伴随α衰变所产生的γ射线的放射性核素对应的特征峰的面积，ε_i为探测系统对第i个能量为E的γ射线对应的特征峰的探测效率，T为测量时间，V为测量体积，S(a)_i为对总α比活度有贡献的第i个放射性核素一次衰变时产生α射线的份额，下标i＝1,2,...,n，n为与α衰变相关的γ射线的数量。

水体总β比活度A_β的计算公式为：

式中，A_β为总α比活度，N_j为第j个伴随β衰变所产生的γ射线的放射性核素对应的特征峰的面积，ε_j为探测系统对第j个能量为E的γ射线对应的特征峰的探测效率，T为测量时间，V为测量体积，S(a)_j为对总β比活度有贡献的第j个放射性核素一次衰变时产生β射线的份额，下标j＝1,2,...,m，m为与β衰变相关的γ射线的数量。

其中，探测系统为三个溴化铈探测器组成的阵列探测器。

Claims (6)

1.一种水体总α、总β比活度实时在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、取样待监测水体；

S2、对待监测水体中天然放射性来源进行衰变系分析，并确定辐射体α和辐射体β衰变过程产生的γ射线能谱；

S3、根据γ射线能谱，确定对总α、总β比活度有贡献的核素；

S4、根据确定出的核素的峰面积和探测效率，分别计算水体总α比活度和总β比活度。

2.根据权利要求1所述的水体总α、总β比活度实时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S2中的进行衰变系分析时的衰变系包括²³⁸U衰变系、²³⁵U衰变系、²³²Th衰变系和⁴⁰K衰变系。

3.根据权利要求1所述的水体总α、总β比活度实时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，确定γ射线能谱时，γ射线同时满足以下条件：

(1)伴随辐射体α和辐射体β衰变产生，且有至少大于0.01的分支比；

(2)峰康比至少大于9.88:1，且能量峰不能淹没在康普顿坪的环境本底中；

(3)能量峰的周围没有其他相近的峰存在，且计算峰面积时不受其他相近的能量峰计算影响。

4.根据权利要求1所述的水体总α、总β比活度实时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，对总α比活度有贡献的核素包括²²⁶Ra和²²⁴Ra；对总β比活度有贡献的核素包括²¹⁴Pb、⁴⁰K、²¹⁴Bi和²⁰⁸Tl。

5.根据权利要求4所述的水体总α、总β比活度实时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，水体总α比活度A_α的计算公式为：

式中，A_α为总α比活度，N_i为第i个伴随α衰变所产生的γ射线的放射性核素对应的特征峰的面积，ε_i为探测系统对第i个能量为E的γ射线对应的特征峰的探测效率，T为测量时间，V为测量体积，S(a)_i为对总α比活度有贡献的第i个放射性核素一次衰变时产生α射线的份额，下标i＝1,2,...,n，n为与α衰变相关的γ射线的数量。

6.根据权利要求4所述的水体总α、总β比活度实时在线监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，水体总β比活度A_β的计算公式为：

式中，A_β为总α比活度，N_j为第j个伴随β衰变所产生的γ射线的放射性核素对应的特征峰的面积，ε_j为探测系统对第j个能量为E的γ射线对应的特征峰的探测效率，T为测量时间，V为测量体积，S(a)_j为对总β比活度有贡献的第j个放射性核素一次衰变时产生β射线的份额，下标j＝1,2,...,m，m为与β衰变相关的γ射线的数量。

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