Chapter8环境中放射性污染监测 教学目的 1. 放射性基础知识 2. 环境中的放射性 3. 放射性辐射防护标准 4.放射性测量实验室和检测仪器 5.放射性监测 教学重点 1 环境中的放射性 2. 放射性辐射防护标准 3.放射性监测 教学方法 课内安排2个学时。 必读教材和参考书页码 教材：369-392多媒体课件： 讲授提纲 8.1 基础知识 8.1.1 放射性 有些原子核不稳定，能自发地有规律地改变其结构转变为另一种原子核，这种现象称为核衰变。在核衰变过程中会放出具有一定动能的带电或不带电粒子，即α、β和γ射线，这种性质称为放射性。 放射性物质放出的粒子或光子会对周围介质产生电离作用，造成放射性污染和损伤。 放射性衰变的类型 ?? .衰变 衰变不稳定重核(一般原子序 大于82)自发放出4He核(α粒子)的过程。如226Ra的。衰变可写成： 226Ra → 222Rn + 4He 不同核素所放出的α粒子的动能不等，一般在2--8MeV范围内。：222Rn、218Po、210Po等核素在衰变时放出单能α射线； 231Pa 、226Ra、212Bi等核素在衰变时放出几种能量不同的α射线和能量较低的γ射线。 226Ra衰变有两种方式（分枝衰变)： 第一种方式是226Ra放射出4.777MeV的α粒子后变成基态的222Rn，这种方式的几率占94.3％； 另一种方式是226Ra放射出4.589MeV的α粒子后变成激发态的222Rn，然后很快地跃迁至基态222Rn , 并放射出0.188MeV的γ射线，这种衰变方式的几率占5.7％。 ??? α粒子的质量大，速度小，照射物质时易使其原子、分子发生电离或激发，但穿透力小，只能穿过皮肤的角质层。??? ? 衰变 是放射性核素放射β粒子(即快速电子)的过程，它是原子核内质子和中子发生互变 的结果。β衰变可分为负β衰变、正β衰变和电子俘获三种类型。 (1)? β- 衰变：β- 衰变是核素中的中子转变为质子并放出一个β- 粒子和中微子的过程。 β-粒子实际上是带一个单位负电荷的电子。许多β衰变的放射性核素只发射β粒子，不伴随其他的射线，如146C、3215P、9038Cs等，但更多β 衰变的核素常常伴有γ射线，如60Co衰变时，除放射出γ粒外，还放射两种γ射线。 ??? β射线的电子速度比α射线高10倍以上，其穿透能力较强，在空气中能穿透几米至几十 米才被吸收；与物质作用时可使其原子电离，也能灼伤皮肤。 ?? ?(2)? β+ 衰变：核素中质子转变为中子并发射正电子和中微子的过程。 电子俘获的含义：不稳定的原子核俘获一个核外电子，使核中的质子转变成中子并放出一个中微子的过程。因靠近原子核的K层电子被俘获的几率远大于其他壳层电子，故这种衰变又称K电子俘获。 例如：???????? 5526Fe?? (K俘获) → 5525? Mn 当K壳层电子被俘获后，该壳层产生空位；则更高能级的电子可来填充空位同时放射特征引线。 ?? (3)．γ衰变 ????? 同质异能跃迁的概念： ???? γ射线是原子核从较高能级跃迁到较低能级或者基态时所放射的电磁辐射。这种跃迁对原子核的原子序和原子质量数都没影响，所以称为同质异能跃迁。某些不稳定的核素经过。或小变后仍处于高能状态，很快(约10-13秒)再发射出γ 射线而达稳定态。??? ??? γ射线是一种波长很短的电磁波(约为0.007 - 0.1nm)，故穿透能力极强，它与物质作用 产生光电效应、康普顿效应、电子对生成效应等。 放射性活度和半衰期 ?? 放射性活度(强度) ??? 放射性活度系指单位时间内发生核衰变的数目。可表示为； ?????? A = — dN / d t =? λN??? 式中：A —— 放射性活度(s-)。活度单位的专门名称为贝可，用符号Bq表示。1Bq= 1s - 。 ????? N —— 谋时刻的核素数； ????? t —— 时间(s)； ????? A —— 衰变常数，表示放射性核素在单位时间内的衰变几率。 ?? 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? /? λ ??? 半衰期是放射性核素的基本特性之一，不同核索T1／2不同。如21284Po的T1/2 = 3.0*10-7年，而23892U的T1/2 = 4.5*109年。因为放射性核素每一十核的衰变并非同时发生，而是有先有后，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。 例如，Sr的T1/2 = 29年，一定质量的 90Sr衰变掉99.9％所需时间可由下式算出： ?????? λ=? 0.693 / T1/2 ?????? A = — dN / d t =? λN ???或???? N ＝ No e-λt ?????? lg N0 / N? = λ*t? / 2.303?????? ??? ???t ＝ 2.303 * (1/2.39*10-2)* (lg 1/0.001) ＝ 289(a) ??核反应 核反应的含义：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。 其中，最重要的是重核裂变反应，如可作为裂变材料的235U、239Pu、232 U被装载在反应堆或原子弹中，经热中子轰击后释放出大量原子能，其本身同时裂成各种碎片(131I、 90Sr、137Cs等)。? 8.1.2照射量和剂量 照射量和剂量都是表征放射性粒子与物质作用后产生的效应及其量度的术语。 ??? 照射量被定义为： ?????? X =? dQ / dm????? 式中：dQ—— γ或x射线在空气中完全被阻止时，引起质量为dm的某一体积元的空气电离所产生的带电粒子(正的或负的)的总电量值(C)。 ????? X —— 照射量，它的SI单位为C／kg，与它暂时井用的专用单位是伦琴(R)，简称伦。 ????? 1R = 2.58 * 10-4C／kg ??? 伦琴单位的定义是凡l伦琴γ 或x射线照射1cm3标准状况下(0℃和101.325kPa)的空气， 能引起空气电离而产生1静电单位正电荷和1静电单位负电荷的带电粒子。这一单位仅适用于γ 或x射线透过空气介质的情况，不能用于其他类型的辐射和介质。 ? 吸收剂量 ?? 它用于表示在电离辐射与物质发生相互作用时单位质量的物质吸收电离辐射能量大小的物 理量。其定义用下式表示； ?????? D = d ED / dm??????? 式中；D —— 吸收剂量； ? ????d ED —— 电离辐射给予质量为dm的物质的平均能量。 ???? 吸收剂量的SI单位为J／kg，单位的专门名称为戈瑞，简称戈，用符号Gy表示。 ????????????????????? 1 Gy ＝ 1 J／kg 与戈瑞暂时并用的专用单位是拉德(rad) ； ????????????????????? l rad? =? l 0-2Gy 吸收剂量单位可适用于内照射和外照射。现已广泛应用于放射生物学、辐射化学、辐射防护等科。 ??? 吸收剂量有时用吸收剂量率(P)来表示。它定义为单位时间内的吸收剂量，即 ????????????????????? P =? dD / dt 其单位为Gy／s 或rad／s。 ?8．2．3 剂量当量 ??? 剂量当量(H)定义为：在生物机体组织内所考虑的一个体积单元上吸收剂量、品质因数和 有修正因素的乘积，即??? ?????????????????? H =? DQN??? 式中：D —— 吸收剂量(Gy)；??? ????? Q —— 品质因素，其值决定于导致电离粒子的初始动能、种类及照射类型等； ? ????? N —— 所有其他修正因素的乘积。?? ? ??? 品质因素与外照射、内照射和射线种类的关系： 外照射是指宇宙射线及地面上天然放射性核素发射的β和γ射线对人体的照射 内照射是指通过呼吸和消化系统进入人体内部的放射性核素造成的照射。??? ??? 剂量当量(H)的SI单位为J／kg；单位的专门名称为希沃特(Sv)。??? ?????????????? 1Sv? =? 1 J／kg??? 与希沃特暂时并用的专用单位是雷姆(rem)??? ?????????????? l rem ＝ 10-2 Sv??? ??? 应用剂量当量来描述人体所受各种电离辐射的危害程度，可以表达不同种类的射线在不同 能量及不同照射条件下所引起生物效应的差异。 在计算剂量当量时，就必须预先指定这些条件。 对β和γ射线来说，以雷姆为单位的剂量当量和以拉德为单位的剂量在数值上是相等的。 单位时间内的剂量当量称为剂量当量定律，单位为Sv 或rem。 ??? 此外，还有累计剂量、最大容许剂量、致死剂量等 8.2环境中的放射性 8.2.1放射性污染的来源 （一）天然来源 （ 1 ）宇宙射线 （ 2 ）天然放射性同位素 （二）人为来源 核试验及航天事故；核工业；工农业、医学、科研等部门对放射性核素的应用；放射性矿的开采和利用等。 8.2.2放射性核素在环境中的分布 8.2.3 放射性污染的危害 （一）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） （二）危害 主要是辐射损伤，导致蛋白质分子键断裂和畸变，破坏对人类新陈代谢有重要意义的酶。另外可以直接破坏细胞的组织和结构，对人体产生躯体损伤效应和遗传损伤效应。 8.3 放射性辐射防护标准 8.3.1我国《电磁辐射防护规定》(GB8703—88 )中的部分规定 （一）职业性放射性工作人员和居民每年限制剂量当量 （二）露天水源中限制浓度和放射性工作场所空气中最大容许浓度 8.3.2其他国家和机构发布的有关环境放射性标准 8.4放射性测量实验室和检测仪器 8.4.1放射性测量实验室 （一）放射化学实验室 （二）放射性计测实验室 8.4.2放射性检测仪器 8.2.3 放射性检测仪器 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。 （ 1 ）电离型检测器 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。 （ 2 ）闪烁探测器 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。 （ 3 ）半导体检测器 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α计数、α、β能谱测定；用锗制作的半导体探测器可用于γ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。 8.5放射性监测 8.5.1 监测对象及内容 放射性监测按监测对象可分为①现场监测②个人剂量监测③环境监测。 具体测量内容包括：①放射源强度、半衰期、射线种类及能量；②环境和人体中放射物质含量、放射性强度、空间照射量或电离辐射剂量。 8.5.2 放射性监测方法 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，也是经过以下三个过程： 样品采集 —— 样品前处理 —— 仪器测定 根据下列因素决定采集样品的种类。 1 、监测目的和监测对象， 2 、待测核素的种类、辐射特性及其物理化学形态 3 、在环境中的迁移及影响 4 、有时要同时采集大气、水、土壤和生物样品来确定某污染源或某地区的放射性污染状况。 8.5.2.1 样品采集 （ 1 ）放射性沉降物的采集 沉降物包括干沉降物和湿沉降物。 干沉降物可用水盘法、粘纸法、高罐法采集。 湿沉降物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。 （ 2 ）放射性气溶胶的采集 常用滤料阻留采样法，其原理与大气中颗粒物的采集相同。 （ 3 ）其他类型样品的采集 其他类型样品的采集与非放射性样品的采集相近。 8.5.2.2 样品预处理 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： ①衰变法 ②共沉淀法 ③灰化法 ④电化学法 ⑤其他预处理方法 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α、β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。 ③灰化法 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。 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。 ⑤其他预处理方法 其他预处理方法与非放射物质相近。 8.5.2.3 环境中放射性监测 （ 1 ）水样总α放射性活度的测定 水中常见辐射α粒子的核素有 Ra 、 Rn 及其衰变产物等。一般情况下，水样总α放射性浓度是 0.1Bq/L ，超过此值，即应进行总α放射性活度的测量。 测定水样总α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β放射性活度测量 水中的β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β放射性活度测量步骤基本与测量总α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 ）土壤中总α、β放射性活度的测量 采集 4-5 份表土，除去杂物，晾干（或烘干），压碎，缩分，直至剩 200 -300g 土样，再于 500 ℃ 灼烧，冷却后研细、过筛备用。称取适量上述土样于测量盘中，铺匀，用相应的探测器分别测量α和β比放射性活度（测β放射性的样品层应厚于测α放射性的样品层）。 8.2.4 .3 环境中放射性监测 （ 4 ）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，测量时可采用活性炭吸附法浓缩样品中的氡；水体中氡的测定也可用闪烁探测器通过测量由氡及其子体衰变时所放出的α粒子测定其浓度。 （ 5 ）各种形态的碘 -131 的测定 碘 -131 是裂变产物之一，它的裂变产额较高，半衰期较短，可作为反应堆中核燃料元件包壳是否保持完整状态的环境监测指标，也可以作为核爆炸后有无新鲜裂变产物的信号。 大气沉降物、液态或固态动植物样品中的 131 I 呈各种化学形态和状态，收集各种形态的含 131 I 样品后，可用四氯化碳萃取法制得样品源，然后放于测量盘中测β计数。对例行大气环境监测，可在低流速下连续采样一周或一周以上，然后用γ谱仪定量测定各种化学形态的 131 I 。 8.5.2.4 个人外照射剂量的测定 外照射主要来自天然放射源发射的γ、β辐射对人体外部的照射，约占天然本底照射的 80% 。个人外照射剂量可用佩戴在身上、能对辐射剂量进行累积的小型、轻便、易使用的个人剂量计测量，常用的个人剂量计有袖珍电离室、胶片剂量计、热释光体和荧光玻璃。 教 研 室 意 见  教研室主任签字： 年 月 日  院 系 部 意 见  院（系、部）签字： 年 月 日  教 务 处 意 见  教务处签字： 年 月 日