辐射监测气溶胶制样方法测试对比

石夏青　於国兵　顾先宝　张 瑜　赵 俊　陈 志　徐 榭（中国科学技术大学　合肥 007）（安徽省辐射环境监督站　合肥 007）（环保部辐射环境监测技术中心　杭州 00）



辐射监测气溶胶制样方法测试对比

石夏青1於国兵2顾先宝2张 瑜3赵 俊3陈 志1徐 榭1
1（中国科学技术大学合肥 230027）2（安徽省辐射环境监督站合肥 230071）3（环保部辐射环境监测技术中心杭州 310012）

摘要利用高纯锗(HPGe)γ谱仪对4种放射性气溶胶制样方法（灰化法、压片法、打孔法和折叠法）制得的样品进行了分析测试研究，4种制样方法对同一活度样品的分析结果的标准偏差在5%以内，验证了此4种方法的可靠性。利用标准源实验刻度和蒙特卡罗模拟计算，得到4种制样方法的探测效率从高到低依次是：灰化法、压片法、打孔法和折叠法，对于辐射监测常用的260mm×210mm滤膜，4种制样方法的探测效率最大相差55%；对于570mm×470mm的滤膜，则相差120%。以137Cs为例，对比计算了4种制样方法的最小探测活度，分析了4种制样方法的适用范围。

关键词气溶胶样品，制样方法，探测效率，MCNP模拟，探测限

安徽省省级环保科研课题项目(No.2014-011)、国家自然科学基金(No.11375182)资助

第一作者：石夏青，女，1991年出生，2013年毕业于中国科学技术大学，现为硕士研究生，主要从事核探测与辐射防护研究

Supported by the Provincial Environmental Protection Scientific Research Project of Anhui Province(No.2014-011),National Natural Science Foundation of China(No.11375182)

First author:SHI Xiaqing,female,born in 1991,graduated from University of Science and Technology of China in 2013,master student,mainly engaged in the research of nuclear detection and radiation protection

Test and comparison of aerosol sample preparation methods in radiation monitoring

S HI Xiaqing1YU Guobing2GU Xianbao2ZHANG Yu3ZHAO Jun3CHEN Zhi1XU Xie1
1(University of Science and Technology of China,Hefei 230027,China)2(Anhui Radiation Environment Supervision Station,Hefei 230071,China)3(Radiation Environmental Monitoring Technology Center of Ministry of Environmental Protection,Hangzhou 310012,China)

AbstractBackground:There are four common methods to prepare radioactive aerosol samples for the purpose of gamma-spectroscopy involving an HPGe detector:ashing method,compressing method,holing method,and folding method.However,their counting characteristics have never been studied and compared.Purpose:This study aims to provide a comprehensive evaluation of these four sample preparation methods.Methods:An HPGe gamma spectrometer was used in the study to evaluate and confirm the reliability of these four radioactive aerosol sample preparation methods.Monte Carlo simulations were used to calculate the gamma-spectroscopic counting efficiency.

Results:The four preparation methods were found to be generally reliable,with assessed activity differing less than 5%.The ashing method was found to yield the highest counting efficiency,followed by compressing method,holing method,and folding method.For the 260mm×210mm and 570mm×470mm sized filter,the variation range of gamma detection efficiency was found to be 55%and 120%.Conclusion:The analyses of these sample preparation methods provide useful suggestions on the suitability and conditions,thus offering a useful reference on how to choose,prepare and count radioactive aerosols samples.

Key wordsAerosol sample,Sample preparation method,Detecting efficiency,Monte Carlo simulation,Minimum detectable activity(MDA)

大气中的天然和人工放射性核素会附着在气溶胶颗粒上，形成放射性气溶胶[1]。大气放射性气溶胶超过一定浓度时，就会对人体健康产生危害[2]。2014年全国辐射环境质量监测方案要求对大量气溶胶样品的辐射水平进行伽玛谱分析测量。李君利等[3]在总结气溶胶伽玛谱分析的制样方法时提出4种主要方法：灰化法、压片法、打孔法和折叠法，但目前国内外文献中关于这些方法的可靠性、探测效率、探测限、适用范围等方面的具体研究仅有少量关于压片法的报道。常印忠等[2]利用压片法研究了气溶胶γ能谱的分析方法；张佳媚等[4]研究了γ探测效率与压片尺寸的关系；李奇等[5]研究了压片法分样的均匀性。除压片法外，灰化法、打孔法与折叠法在监测部门均有应用，但关于这三种制样方法的研究甚少，且没有4种方法在分析结果、探测效率、探测限等方面的对比研究，这导致各监测单位在选择气溶胶制样方法时没有参考依据。

本工作利用实际气溶胶样品中的天然核素210Pb和宇生放射性核素7Be对以上4种制样方法进行了系列测试对比，讨论了4种方法分析结果的可靠性，比较了各方法的探测效率和核事故中关心的人工核素137Cs的最小探测活度，分析了各自的适用范围。

1　方法与实验

1.1气溶胶样品采集和分样

目前气溶胶样品采集常用的滤膜规格有超大流量采样器(600-900m3·h- 1)使用的570mm×470mm和大流量采样器(60-120m3·h- 1)使用的260mm× 210mm两种。本实验使用北京华瑞核安科技有限公司HRHA01-SFS800A型超大流量采样器采样，设定采样流速600m3·h- 1、采样时间30h以上。使用570mm×470mm滤膜采样，每次采样后把滤膜分成面积相同的4份。由于气溶胶采样器采集的气溶胶在滤膜上基本均匀分布[5]，故分样所得4份滤膜活度一致，将其分别按4种制样方法制备样品，检验灰化法、压片法、打孔法和折叠法结果的可靠性。图1为滤膜分样方法示意图，裁去非采集区，每份滤膜的大小为260mm×210mm。

图1　气溶胶滤材分样Fig.1　Split aerosol sample.

1.2样品制备

分样后，将所得4份滤膜分别按照如下方法制备样品。

1)灰化法：将采集了气溶胶的滤膜先置于电加热炉上炭化2.5h，再放入马弗炉500°C焚烧2h，把灰样装入直径30mm样品盒，制样时间为5h。

2)压片法：将气溶胶滤膜按对角线方式折叠后置于压片机模具内，压成密实、形状规则的圆盘形固态物，压制过程中将采样面朝内折叠，以免气溶胶在制样过程中损失。本实验设置压片机最大压强为30 MPa，将样品压成ø50mm×5.5mm的圆盘，制样时间为15min。

3)打孔法：保留气溶胶滤膜的有效采集区，参照文献[6]中的方法，用打孔机将气溶胶滤膜裁成直径50mm的圆片，重叠放置在样品盒中并压实，打孔时需小心操作，减少气溶胶损失，样品尺寸为ø50mm×11mm，制样时间为20min。

4)折叠法：将气溶胶样品按对角线方式折叠后，放入ø50mm×20mm的样品盒，制样时间为5min，图2为4种气溶胶样品图片。

图2　4种制备方法制得的样品照片　(a)灰化样品，(b)压片样品，(c)打孔样品，(d)折叠样品Fig.2　Four kinds of aerosol sample.(a)Ashing method,(b)Compressing method,(c)Holing method,(d)Folding method

1.3刻度源

选用核工业北京地质研究院生产的国家一级标准物质天然铀钍平衡矿粉(GBW04127)，表1为矿粉核素成分及活度。将矿粉放入烘箱在50°C的条件下烘干4h，除去水分，使矿粉均匀地附着在滤膜表面，制备与4种气溶胶样品相匹配的刻度源（按照260mm×210mm规格的滤膜制备），对HPGe探测器进行效率刻度。探测器对能量为E的γ射线全能峰探测效率的定义为[7]：

式中：ε(E)为能量E处的全能峰效率；N(E)为能量E处的全能峰的峰面积计数；A为样品活度；η(E)为特征峰分支比；t为测量时间；K为活度衰变修正因子。

表1　天然铀钍平衡矿粉成分与活度（误差±3%）Table 1　Composition and activity in the mineral powder of the uranium and thorium(error ±3%).

1.4探测效率模拟计算

全国辐射环境质量监测常用的滤膜规格除260mm×210mm外，还包括570mm×470mm，由此滤膜制得的灰化样、压片样、打孔样和折叠样的尺寸分别为ø30mm×8mm、ø75mm×12.5mm、ø75mm×14mm、ø75mm×50mm。为得到570mm×470mm滤膜4种制样方法所制样品的探测效率，需要制备新的标准源进行效率刻度。由于制备刻度源成本高、步骤繁琐，本实验采用蒙特卡罗方法，利用软件MCNP5对570 mm×470 mm滤膜所制4种样品的探测效率进行模拟计算。

1.5样品测量

本实验所用仪器为超低本底HPGe γ谱仪，LYNX数字化多道，铅室为15cm厚的超低本底铅室，谱仪测量系统在30-2 000keV的本底计数率为0.65counts·s- 1，相对效率为50%，分辨率为1.852keV(FWHM,1332keV60Co)。

将制备好的气溶胶样品进行测量和分析，7Be 和210Pb分别为宇生和陆生天然放射性核素，是大气气溶胶样品中两种典型的本底核素[1]，特征峰选择7Be的477.6keV和210Pb的46.5keV射线，分析计算不同制样方法所得样品中核素7Be和210Pb的活度，以检验4种制样方法测量结果的可靠性。

2　结果与讨论

2.1可靠性分析

使用打孔法制样时气溶胶滤膜有损失，在计算其样品活度时，根据滤膜的有效利用面积对其进行修正。各样品中477.6keV和46.5keV峰的归一化计数率（以折叠法为参照）、7Be和210Pb的活度及活度标准偏差见表2。

表2　4种制样方法的7Be、210Pb峰计数率和活度Table 2　Peak count rate and activity of7Be and210Pb in four kinds of sample.

表2中，7Be和210Pb活度的误差分别在±6%和±9%以内，误差的主要来源是标准源活度误差、探测效率误差以及峰面积误差。用平均值的标准偏差作为样品活度的标准偏差，样品活度标准偏差在5%以内。4种制样方法所制样品活度误差范围合理，标准偏差小，说明4种制样方法均准确可靠。表2中的峰归一化计数率反映了各制样方法的计数效率，即探测效率与滤膜有效利用率之积，4种制样方法计数效率从高到低依次是：灰化法、压片法、折叠法和打孔法。

2.2探测效率

260mm×210mm滤膜的4种制样方法刻度源的实验刻度效率见表3，同时给出了以折叠法为参照的归一化效率。实验效率刻度结果表明，对于260mm×210mm的滤膜，HPGe γ谱仪对4种制样方法的探测效率从高到低依次是：灰化法、压片法、打孔法和折叠法。打孔法、压片法和灰化法的效率分别比折叠法高约12%、45%和55%。灰化法刻度源体积小、自吸收小，与探测器的相对有效率立体角大，故探测效率最高。压片法、打孔法和折叠法三种刻度源的直径相同，样品高度依次增加，故探测效率依次降低。由于打孔法的滤膜利用率小于1，所以计数效率小于探测效率，因此，4种制样方法探测效率的高低与计数效率结果不同。

表3　4种制样方法实验刻度效率及归一化值Table 3　Efficiency calibration of four sample preparation methods.

260 mm×210 mm滤膜灰化法样品探测效率的模拟结果见表4，模拟效率与实验刻度效率的相对偏差在7.5%以内，说明模拟结果可靠。对于570mm×470 mm的滤膜，4种制样方法的模拟效率见表5。结果表明，打孔法、压片法和灰化法的效率分别高出折叠法约60%、80%和120%。

表4　260 mm×210 mm尺寸滤膜灰化法模拟效率与实验刻度效率Table 4　Simulation and calibration efficiency of ashing method of the 260 mm×210 mm filter.

表5　570 mm×470 mm尺寸滤膜4种制样方法的全能峰模拟效率Table 5　Monte Carlo simulation of the full energy peak efficiency of the 570 mm×470 mm filter.

2.3探测限

放射性气溶胶样品分析时，探测限即最小探测活度(Minimum Detectable Activity,MDA)是需要慎重考虑的指标，它用于衡量探测器可测量到的最小活度和灵敏阈值(Bq)。我国国家标准中气溶胶样品活度探测下限按式(2)计算[8]：

式中：AD是气溶胶样品中待测核素活度，Bq；K 是α、β判断概率的对应值，当α=0.05、1-β=0.95时，2.83K=4.66；η、ε(Eγ)是待测核素某γ射线的发射概率和全能峰探测效率；t是测量时间，s；Nb是待测核素的该γ射线的全能峰本底。由式(2)，对于同一台探测器和同一种制样方法，最小探测活度仅是测量时间t的函数，为了综合考虑制样时间和测量时间对最小可探测活度的影响，将式(2)作如下变换：

式中：t为制样时间，s；T为制样与测量的总时间，s。由于核事故会有大量的137Cs释放到大气中，137Cs是辐射监测关心的人工核素之一，所以，以137Cs为例，比较在不同总时间下，4种制样方法的最小探测活度，见图3。其中，灰化法的制样时间为5h，总时间小于5h时，不能使用灰化法制样。

图3　4种制样方法对137Cs的MDA随总时间的变化(a)260mm×210mm滤膜，(b)570mm×470mm滤膜Fig.3　MDA of137Cs vary with total time.(a)260mm×210mm filter,(b)570mm×470mm filter

由图3，当总时间相同时，压片法、折叠法与打孔法的探测限依次增加，因为此三种方法的制样时间较短，影响探测限的主要因素是探测效率，由式(3)可知，探测效率越高，最小探测活度越低，但是打孔法的探测效率比折叠法高，探测限却比折叠法高，这是因为打孔法的滤膜利用率小于1，计算MDA时要根据滤膜利用率进行活度修正。由图3(a)，对于260mm×210mm的滤膜，总时间在6-9h时，灰化法的MDA介于折叠法和打孔法之间，总时间超过9h时，与压片法的MDA越来越接近；由图3(b)，对于570mm×470mm 的滤膜，总时间为6h时，灰化法的MDA介于折叠法和打孔法之间，在7-14h时，介于压片法和折叠法之间，超过14h时，低于压片法。可见，虽然灰化法的探测效率最高，但由于制样时间长，总时间较短时，灰化法的MDA较高，但随时间增加，制样时间对MDA的影响减弱，灰化法的MDA越来越低，逐渐接近甚至低于压片法的探测限。

2.4方法选择

4种制样方法各有特点，在制备气溶胶样品时如何选择，现对各方法的适用范围进行如下分析：在辐射环境质量监测中，压片法探测限低，灰化法长时间也可达较低探测限，可优先选择压片法和灰化法，灰化法便于化学处理，需进行后续放化分析时可优先选择灰化法；在应急监测中，压片法可在短时间内达较低探测限，优先选择压片法；户外应急测量时，折叠法不需制样工具，优先选择折叠法；打孔法可实现机械化操作，全自动辐射监测站首选打孔法。

3　结语

由4种放射性气溶胶制样方法（灰化法、压片法、打孔法和折叠法）制得的样品中，7Be和210Pb活度的误差分别在±6%和±9%以内，4种方法所得样品活度的标准偏差在5%以内，说明这4种制样方法的测量结果准确可靠。4种制样方法的探测效率从高到低为：灰化法、压片法、打孔法和折叠法。制样和测量的总时间较短时，压片法的探测限最低，总时间增加，灰化法的探测限逐渐接近甚至低于压片法的探测限。总之，在制备气溶胶样品时，要根据实际情况选择最优方法。

参考文献

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收稿日期：2015-12-07，修回日期：2016-02-16

Corresponding author:CHEN Zhi,E-mail:zchen@ustc.edu.cn

通信作者：陈志，E-mail:zchen@ustc.edu.cn

DOI:10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.030402

中图分类号TL816.4