放射性污染监测.doc

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第12章 放射性污染监测

△本章教学目的、要求
1．了解环境放射性的来源及危害；
2．熟悉放射性测量实验室；
3．掌握放射性监测方法；
4．了解电磁辐射污染监测。

△本章重点
放射性危害、放射性监测

△本章难点
放射性监测方法

△ 本章教学目录
12.1概述
12.2 放射性监测方法
12.3电磁辐射污染监测

12.1 概述
12.1.1放射性
有些原子核是不稳定的，它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。在核衰变过程中总是放射出具有一定动能的带电或不带电的粒子，即α、β和γ射线，这种性质称为放射性。
凡具有自发地放出射线特征的物质称作放射性物质。
12.1.2放射性的来源
放射性污染物质来源于自然界和人工制造两个方面。
12.1.2.1天然放射性来源
⑴宇宙射线由初级宇宙射线和次级宇宙射线组成。初级宇宙射线是指从外层空间射到地球大气的高能辐射，主要成分为质子(83%～89%)、α粒子(10%～15%)及原子序Z≥3的轻核和高能电子(1%～2%)，这种射线能量很高，可达1020MeV以上。初级宇宙射线与地球大气层中的原子核相互作用，产生的次级粒子和电磁辐射称为次级宇宙射线。
⑵天然放射性同位素
自然界中天然放射性核素主要包括以下三个方面：
①宇宙射线产生的放射线核素。如14N(n,T)12C反应产生的氚，14N(n,P)12C反应产生的14C；
②天然系列放射性核素。这种系列有三个，即铀系，其母体是238U；锕系，其母体是235U；钍系，其母体是232Th。
③自然界中单独存在的核素。这类核素约有20种，如40K、87Rb、209Bi等。
12.1.2.2 人为放射性核素的来源
a. 核试验及航天事故
b. 核工业
c. 工农业、医学科研等部门对放射性核素的应用
d. 放射性矿的开采和利用
12.1.3放射性核素对人体的危害
途径：呼吸道吸入、消化道摄入、皮肤或粘膜侵入。
其对人体的危害主要是辐射损伤，辐射引起的电子激发作用和电离作用使机体分子不稳定，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。辐射不仅可扰乱和破坏机体细胞组织的正常代谢活动，而且可以直接破坏细胞和组织的结构，对人体产生躯体损伤效应(如白血病、恶性肿瘤、生育力降低、寿命缩短等)和遗传损伤效应(流产、遗传性死亡和先天畸形等)。

12.2 放射性监测方法
12.2.1 监测对象和内容
监测对象：
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，即对放射性物质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、210Po、222Th、234U、235U等；
②β放射性核素，即3H、90Sr、89Sr、134Cs、137Cs、131I和60Co等。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。
12.2.2 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。
12.2.2.1 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，该实验室内应符合要求。
12.2.2.2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。
12.2.3放射性检测仪器
放射性测量仪器检测放射性的基本原理是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、闪烁型检测器和半导体检测器。见表12-1。
表12-1 各种常用放射性检测器
射线种类
检测器
特 点
α
闪烁检测器
检测灵敏度低，探测面积大
正比计数管
检测效率高，技术要求高
半导体检测器
本底小，灵敏度高，探测面积小
电流电离室
测较大放射性活度
β
正比计数管
检测效率较高，装置体积较大
盖革计数管
检测效率较高，装置体积较大
闪烁检测器
检测效率较低，本底小
半导体检测器
探测面积小，装置体积小
γ
闪烁检测器
检测效率高，能量分辩能力强
半导体检测器
能量分辩能力强，装置体积小

12.2.3.1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。
该种检测器有电流电离室、正比计数管和盖革计数管(GM管)三种。电流电离室是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；正比计数管和盖革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，适于测量弱放射性。以上三种检测器之所以有不同的工作状态和不同的功能，主要是因为对它们施加的工作电压不同，从而引起电离过程不同。
12.2.3.2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。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、可做成体积较大且透明的NaI(TI)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寿命短的核素的半衰期。
闪烁检测器具有高灵敏度和高计数率的优点。被广泛应用于测量α、β、γ辐射强度。
12.2.3.3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。

12.2.4放射性监测方法
环境放射性监测方法有定期监测和连续监测。
定期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；连续监测是在现场安装放射性自动监测仪器，实现采样、预处理和测定自动化。
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，也是经过样品采集、样品前处理和选择适宜方法、仪器测定三个过程。
12.2.4.1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，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。
(2)放射性气溶胶的采集
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。
(3)其他类型样品的采集
对于水体、土壤、生物样品的采集、制备和保存方法与非放射性样品所用的方法没有大的差别。
12.2.4.2样品预处理
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，以及去除干扰核素。
(1)衰变法
采样后，将其放置一段时间，让样品中一些寿命短的非待测核素衰变除去，然后再进行放射性测量。
(2)共沉淀法
用一般化学沉淀法分离环境样品中的放射性核素，因核素含量很低，达不到溶度积，故不能达到分离目的，但如果加入毫克数量级与欲分离放射性核素性质相近的非放射性元素载体，则由于二者之间同晶共沉淀或吸附共沉淀作用，载体将放射性核素载带下来，达到分离和富集的目的。例如，用59Co作载体，则与60Co发生同晶共沉淀。这种富集分离方法具有简便，实验条件容易满足等优点。
(3)灰化法
对蒸干的水样或固体样品，可在瓷坩埚内于500℃马弗炉中灰化，冷却后称重，再转入测量盘中铺成薄层检测其放射性。
(4)电化学法
该方法是通过电解将放射性核素沉积在阴极上，或以氧化物形式沉积在阳极上。如Ag+、Bi2+、Pb2+等可以金属形式沉积在阴极；Pb2+、Co2+可以氧化物的形式沉积在阳极。其优点是分离核素的纯度高。
如果将放射性核素沉积在惰性金属片电极上，可直接进行放射性测量；如将其沉积在惰性金属丝电极上，可先将沉积物溶出，再制备成样品源。
(5)其它预处理方法
蒸馏法、有机溶剂溶解法、溶剂萃取法、离子交换法的原理和操作与非放射物质无本质区别。
12.2.4.3环境中放射性监测
(1)水样的总α放射性活度的测定
水体中常见辐射α粒子的核素有226Ra、222Rn及其衰变产物等。目前公认的水样总α放射性浓度是0.1Bq/L，当大于此值时，就应对放射α粒子的核素进行鉴定和测量，确定主要的放射性核素，判断水质污染情况。
方法是：取一定体积水样，过滤除去固体物质，滤液加硫酸酸化，蒸发至干，在不超过350℃温度下灰化。将灰化后的样品移入测量盘中并铺成均匀薄层，用闪烁检测器测量。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。测定标准样品的目的是确定探测器的计数效率，以计算样品源的相对放射性活度，即比放射性活度。标准源最好是欲测核素，并且二者强度相差不大。如果没有相同核素的标准源，可选用放射同一种粒子而能量相近的其他核素。测量总α放射性活度的标准源常选择硝酸铀酰。水样的总α比放射性活度(Qα)用下式计算：
Qα=(nc-nb)/(nsV)
式中：Qα—比放射性活度(Bq/L)；
nc—用闪烁检测器测量水样得到的计数率(计数／min)；
nb—空测量盘的本底计数率(计数／min)；
ns—根据标准源的活度计数率计算出的检测器的计数率[计数／(Bq.min)]；
V—所取水样体积(L)。

(2)水样的总β放射性活度测量
水样总β放射性活度测量步骤基本上与总α放射性活度测量相同，但检测器用低本底的盖革计数管，且以含40K的化合物作标准源。
水样中的β射线常来自40K、90Sr、129I等核素的衰变，其目前公认的安全水平为lBq/L。40K标准源可用天然钾的化合物(如氯化钾)制备。
(3) 土壤中总α、β放射性活度的测量
在采样点选定的范围内，沿直线每隔一定距离采集一份土壤样品，共采集4—5份。采样时用取土器或小刀取10×10cm2、深1cm的表土。除去土壤中的石块、草类等杂物，在实验室内晾干或烘干，移至干净的平板上压碎，铺成1—2cm厚方块，用四分法反复缩分，直到剩余200-300g土样，再于500℃灼烧，待冷却后研细、过筛备用。称取适量制备好的土样放于测量盘中，铺成均匀的样品层，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)。α比放射性活度(Qα)和β比放射性活度(Qβ)分别用以下两式计算：
Qα=(nc-nb)×106/（60·ε·s·l·F）
Qβ=1.48×104·nβ/nKCl
式中： Qα—α比放射性活度(Bq／kg干土)；
Qβ—β比放射性活度(Bq/Kg干土)；
nc—样品α放射性总计数率(计数／min)；
nb—本底计数率(计数／min)；
ε—检测器计数效率(计数／Bq·min)；
S—样品面积(cm2)；
l—样品厚度(mg／cm2)；
F—自吸收校正因子，对较厚的样品一般取0.5；
nβ—样品月放射性总计数率(计数／min)；
nKCl—氯化钾标准源的计数率(计数／min)；
1.48×104—1kg氯化钾所含40K的β放射性的贝可数。
(4)大气中氡的测定
222Rn是226Ra的衰变产物，为一种放射性惰性气体。它与空气作用时，能使之电离，因而可用电离型探测器通过测量电离电流测定其浓度；也可用闪烁探测器记录由氡衰变时所放出的α粒子计算其含量。
(5)大气中各种形态131I的测定
碘的同位素很多，除127I是天然存在的稳定性同位素外，其余都是放射性的同位素。
131I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。
大气中的131I呈元素、化合物等各种化学形态和蒸气、气溶胶等不同状态，因此采样方法各不相同。见图12-1，该采样器由粒子过滤器、元素碘吸附器、次碘酸吸附器、甲基碘吸附器和炭吸附床组成。对例行环境监测，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131I。

图12-1各种形态碘的采样器

12.2.4.4 个人外照射剂量
个人外照射剂量用佩戴在身体适当部位的个人剂量计测量，这是一种能对放射性辐射进行累积剂量的小型、轻便、容易使用的仪器。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。

12.3 电磁辐射污染监测
12.3.1 电磁辐射
12.3.1.1电磁辐射的含义
电磁辐射：电磁波在自由空间以一定速度向四周传播，这种以电磁波传递能量的过程或现象称之。电磁辐射能随频率的增高而增大，低频率的辐射能则较弱。一般发电厂发出的交流电的频率约为50Hz，在电路中它所辐射的电磁波能量可忽略不计，若要产生有效的辐射，波源的最低频率需在105Hz以上。
12.3.1.2电磁辐射产生的方式
可分为天然和人工两种。天然产生的电磁辐射主要来自地球的热辐射、太阳的辐射、宇宙射线和雷电等；人工产生的电磁辐射主要来自某些电子设备和电气装置的工作系统，其中包括：(1)高频感应加热设备，如高频焊接、高频熔炼等；(2)高频介质加热设备，如塑料热合机、干燥处理机等；(3)短波、超短波理疗设备；(4)微波发射设备；(5)无线电广播与通讯等各种射频设备。常见的高频电磁场、微波技术应用及设备辐射源见表12-2所示。
表12-2常用射频技术及辐射源
波段
射频技术应用
辐射源

中波

短波
1.感应加热(淬火、熔炼、焊接、切割等)
2.介质加热(木材、粮食、纸张、茶叶、干燥、塑料热合等)
3.无线电通讯、广播
4.理疗设备
高频振荡管、高频变压器、馈线、感应圈、工作电极、耦合电容器等

超短波
1.无线电通讯、广播、电视
2.射频溅射等工业应用
3.医用治疗
振荡回路、工作电路、馈线、天然、电极等

微波
1.无线电定位(雷达等)、导航
2.无线电天文学、气象学
3.无线电通讯、电视、食品、热疗
磁控管、速调管、波导管、天线、辐射器等

12.3.2 电磁辐射污染的危害
电磁辐射污染是指天然和人为的各种电磁波干扰，以及对人体有害的电磁辐射。虽然电磁辐射属于非电离辐射，其危害性远低于放射性污染，但电磁辐射对环境和人类仍然存在威胁，其危害性主要体现为以下几个方面：
(1)引燃引爆
极高频辐射场可使导弹系统控制失灵，造成电爆管效应的提前或滞后；更为严重的是由于高频电磁的振荡可使金属器件之间相互碰撞而打火，引起火药、可燃油类或气体燃烧爆炸。
(2)干扰信号
电磁辐射可直接影响电子设备、仪器仪表的正常工作，造成信息失真、控制失灵，以致酿成大祸。如，会引起火车、飞机、导弹或人造卫星的失控；干扰医院的脑电图、心电图等信号，使之无法正常工作。
(3)危害人体健康
12.3.3电磁辐射监测
电磁辐射的监测按监测场所分为作业环境、特定公众暴露环境、一般公众暴露环境监测；按监测参数分为电场强度、磁场强度和电磁场功率通量密度等监测。监测仪器根据测量目的分为非选频式宽带辐射测量仪和选频式辐射测量仪，见表12-3和表12-4。
表12-3常用非选频式宽带辐射测量仪
名 称
频 带
量 程
各向同性
探头类型
微波漏能仪
0915～12.4GHz
0.005～30mW/cm2
无
热偶结点阵
微波辐射测量仪
1～10GHz
0.2～20mW/cm2
有
肖特基二极管偶极子
电磁辐射监测仪
0.5～1000MHz
1～1000V/m
有
偶极子
全向宽带近区场强仪
0.2～1000MHz
1～1000V/m
有
偶极子
宽带电磁场强计
E：0.1～3000MHz
H：0.5～30MHz
E：0.5～1000V/m
H：1～2000A/m
有
偶极子环天线
宽带电磁场强计
E：20～105Hz
H：50～60Hz
E：1～2000V/m
H：1～2000A/m
有
偶极子环天线
辐射危害计
0.3～18GHz
0.1～200mV/cm2
有
热偶结点阵
辐射危害计
200kHz～26GHz
0.001～20mV/cm2
有
热偶结点阵
宽带全向辐射监测仪
0.3～26GHz
8621B探头：0.005～20mW/cm2
8623探头：0.05～100mW/cm2
有
热偶结点阵
宽带全向辐射监测仪
10～300GHz
8631：0.005～200mW/cm2
8633：0.05～100mW/cm2
有
热偶结点阵
宽带全向辐射监测仪
0.3～26GHz
10～300MHz
8621B：0.005～20mW/cm2
8631：0.05～100mW/cm2
有
热偶结点阵
宽带全向辐射监测仪
8635、8633
10～3000MHz
8644
10～3000MHz
8633：0.05～100mW/cm2
8644：0.0005～2W/cm2
8635：0.0025～10W/cm2
有
热偶结点阵环天线
宽带全向辐射监测仪
由决定选用探头
由决定选用探头
有
热偶结点阵
环天线
全向宽带场强仪
E：5×10-4～6GHz
H：0.3～3000MHz
E：0.1～30V/m
H：0.1～1000A2/m2
有
偶极子
磁环天线

表12.4 常用选频式辐射测量仪
名 称
频 带
量 程
备 注
干扰场强测量仪
10～150kHz
24～124dB
交直流两用
干扰场强测量仪
0.15～30MHz
28～132dB
交直流两用
干扰场强测量仪
28～500MH2
9～110dB
交直流两用
干扰场强测量仪
0.47～1GH2
27～120dB
交直流两用
干扰场强测量仪
0.5～30MH2
10～115dB
交直流两用
场强仪
2×10-8～18GHz
1×10-8～1V
NM-67只能用交流

EMI测试接收机
9kHz～30MHz
20MHz～1GHz
5Hz～1GHz
20Hz～5GHz
20Hz～26.5GHz

<1000V／m

交流供电、
显示被测场频谱
电视场强计
1～56频道
灵敏度：10μV
交直流两用
电视信号场强计
40～890MHz
20～120dB
交直流两用
场强仪
40～860MHz
20～120dB
交直流两用

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