Chappter8  Chappter8   环境中放射性污染监测环境中放射性污染监测

第一节 基础知识

第二节 环境中的放射性

第三节 放射性辐射防护标准

第四节 放射性测量实验室和检测仪器

第五节 放射性监测

第一节  基 础 知 识第一节  基 础 知 识8.1.18.1.1 放射性放射性          （一）放射性核衰变（一）放射性核衰变              1.1. 核蜕变核蜕变               不稳定的原子核能自发地有规律地改变其结构，从不稳定的原子核能自发地有规律地改变其结构，从原子核内部放出电磁波（原子核内部放出电磁波（ γγ ）或带有一定能量的粒子）或带有一定能量的粒子（（ αα 、、 ββ ），降低其能级水平，转化为结构稳定的核。），降低其能级水平，转化为结构稳定的核。这种现象叫核蜕变或“放射性核蜕变”。这种现象叫核蜕变或“放射性核蜕变”。

              2.2. 放射性放射性               在衰变过程中，不稳定的原子核能自发地放出在衰变过程中，不稳定的原子核能自发地放出 αα 、、ββ 、、 γγ 射线，使本身物理和化学性质发生变化的现象，射线，使本身物理和化学性质发生变化的现象，称为“放射性”。称为“放射性”。

图图 8.1 8.1 226226RaRa 和和 6060CoCo 的核衰变的核衰变

                1.α1.α 衰变衰变              αα 衰变是不稳定重核（一般原子序数大于衰变是不稳定重核（一般原子序数大于 8282 ））自发放出自发放出 44HeHe 核（核（ αα 粒子）的过程。 粒子）的过程。                 2.β2.β 衰变衰变              ββ 衰变是放射性核素放射衰变是放射性核素放射 ββ 粒子（即快速电粒子（即快速电子）的过程，它是原子核内质子和中子发生互变的子）的过程，它是原子核内质子和中子发生互变的结果。结果。              ββ 衰变可分为负衰变可分为负 ββ 衰变、正衰变、正 ββ 衰变和电子俘获衰变和电子俘获三种类型。三种类型。                3.γ3.γ 衰变衰变              γγ 射线是原子核从较高能级跃迁到较低能级或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。 者基态时所放射的电磁辐射。 

（二）放射性衰变的类型

              1.1. 放射性活度（强度）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放射性活度系指单位时间内发生核衰变的数目。目。              2.2. 半衰期半衰期             当放射性的核素因衰变而减少到原来的一半时所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（需的时间称为半衰期（ TT1/21/2）。）。

（三）放射性活度和半衰期

（四）核反应

核反应：核反应：是指用快速粒子打击靶核而给出新是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。核（核产物）和另一粒子的过程。

8.1.28.1.2 照射量和剂量照射量和剂量                   （一）照射量（一）照射量

m

QX

d

d

式中：式中： ddQQ——γ——γ 或或 XX 射线在空气中完全被阻止时，引起质射线在空气中完全被阻止时，引起质量为量为 ddmm 的某一体积元的空气电离所产生的带电粒子（正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，的或负的）的总电量值， CC ；； XX———— 照射量，它的照射量，它的 SISI 单位为单位为 C/kgC/kg ，与它暂时并，与它暂时并用的专用单位是伦琴（用的专用单位是伦琴（ RR ），简称伦。），简称伦。

       （二）吸收剂量         它是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： 

 式中：D——吸收剂量，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；

                ——电离辐射给予质量为dm的物质的平均能量。

        

mE

D D

dd

DEd

      （三）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、品质因数和所有修正因素的乘积，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（见表8.1 ）；             N——所有其他修正因素的乘积。

表表 8.1  8.1  品质因数与照射类型、射线种类的关系品质因数与照射类型、射线种类的关系

照射类型 射线种类 品质因素

外照射

x 、 γ 、 e 1

热中子及能量小于 0.005MeV 的中能中子

3

中能中子（ 0.02MeV ） 5

中能中子（ 0.1MeV ） 8

快中子（ 0.5 ～ 10MeV ） 10

重反冲核 20

内照射β －、 β+ 、 γ 、 e 、 x 1

α 10

裂变碎片、 α 发射中的反冲核 20

第二节  环境中的放射性

8.2.1 环境中放射性的来源

   天然放射性核素

   环境中的放射性

   人为放射性核素

（一）天然放射性核素

1. 宇宙射线及其引生的放射性核素 2. 天然系列放射性核素 3. 自然界中单独存在的核素

（二）人为放射性核素

1. 核试验及航天事故2. 核工业3. 工农业、医学、科研等部门的排放废物4. 放射性矿的开采和利用

8.2.28.2.2 放射性核素在环境中的分布放射性核素在环境中的分布               （一）在土壤和岩石中的分布（一）在土壤和岩石中的分布

表 8.2  土壤、岩石中天然放射性核素的含量 单位：Bq/g核素 土壤 岩石

40K 2.96×10-2～ 8.88×10-2 8.14×10-2～ 8.14×10-1

226Ra 3.7×10-3～ 7.03×10-2 1.48×10-2～ 4.81×10-2

232Th 7.4×10-4～ 5.55×10-2 3.7×10-3～ 4.81×10-2

238U 1.11×10-3～ 2.22×10-2 1.48×10-2～ 4.81×10-2

（二）在水体中的分布

表 8.3  各类淡水中 226Ra 及其子代产物的含量 单位：Bq/L

核素 矿泉及深水井 地下水 地面水 雨水226Ra222Rn210Pb210Po

3.7×10-2～ 3.7×10-1

3.7×102～ 3.7×103

<3.7×10-3

≈7.4×10-4

<3.7×10-2

3.7～ 37<3.7×10-3

≈3.7×10-4

<3.7×10-2

3.7×10-1

<1.85×10-2

－

－3.7×10～ 3.7×103

1.85×10-2 ～ 1.11×10-1

≈1.85×10-2

       （三）在大气中的分布        大多数放射性核素均可出现在大气中，但主要是氡的同位素（特别是 222Rn），它是镭的衰变产物，能从含镭的岩石、土壤、水体和建筑材料中逸散到大气，其衰变产物是金属元素，极易附着于气溶胶颗粒上。       （四）在动植物组织中的分布     任何动植物组织中都含有一些天然放射性核素，主要有 40K、 226Ra、 14C、 210Pb和 210Po等，其含量与这些核素参与环境和生物体之间发生的物质交换过程有关，如植物与土壤、水、肥料中的核素含量有关；动物与饲料、饮水中的核素含量有关。

8.2.3 放射性污染的危害     通常，每人每年从环境中受到的放射性辐射总剂量不超过2毫希沃特。其中，天然放射性本底辐射占50％以上，其余是人为放射性污染引起的辐射。放射性元素铀（ 238U、 235U、 234U）、钍（ 232Th）、镭（ 226Ra）、氡（ 222Rn）和钾（ 40K）对人体的辐射伤害特征见表8.4 所示。表 8.4  天然放射性核素的主要辐射特征

放射性核素 对人体伤害类型 γ 射线能量 / kev238U 外照射伤害 186232Th 外照射伤害 238226Ra 内照射伤害、外照射伤害 352.840K 外照射伤害 1460

图图 8.2 8.2 放射性物质辐射人体的途径放射性物质辐射人体的途径

第三节  放射性辐射防护标准

8.3.1我国《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 

表 8.5  工作人员、居民年最大容许剂量当量

注：①表内所列数值均指内、外照射的总剂量当量，不包括天然本底照射和医疗照射。

②16 岁以下人员甲状腺的限制剂量当量为 1.5×10-2Sv/a 。

受照射部位职业性放射性工作人员的年最大容许剂量当量① /Sv

放射性工作场所、相邻及附近地区工作人员和居民的年最大容许剂量当量① /Sv

广大居民年最大容许剂量当量② /Sv器官分类 器官名称

第一类 全身、性腺、红骨髓、眼晶体 5×10 － 2 5×10 － 3 5×10 － 4

第二类 皮肤、骨、甲状腺 3.0×10 － 1 3×10 － 2 ② 1×10 － 2

第三类 手、前臂、足踝 7.5×10 － 1 7.5×10 － 2 2.5×10 － 2

第四类 其他器官 1.5×10 － 1 1.5×10 － 2 5×10 － 3

表表 8.6 8.6 放射性同位素在露天水源中的限制浓度放射性同位素在露天水源中的限制浓度和放射性工作场所空气中的最大容许浓度和放射性工作场所空气中的最大容许浓度

注：①露天水源的限制浓度值是为广大居民规定的，其他人员也适用此标准；②放射性工作场所空气中的最大容许浓度值为职业放射性工作人员规定的，工作时间每周按 40h 计算；③矿井下 222Rn 的最大容许浓度为 3.7Bq/L 。但 222Rn 子体或 220Rn 子体的 α 潜能值不得大于 4×104MeV/L 。

放射性同位素露天水源中限制浓度 ① / (Bq·L-1)

放射性工作场所空气中最大容许浓度 ② / (Bq·L-1)名称 符号

氚铍碳硫磷氩钾铁钴镍锌氪锶碘氙铯氡

镭铀钍

3H7Be14C35S32P41Ar42K55Fe60Co59Ni65Zn85Kr90Sr131I131Xe137Cs220Rn222Rn③

226Ra③

235U232Th

1.1×104

1.9×104

3.7×103

2.6×102

1.9×102

—2.2×102

7.4×103

3.7×102

1.1×103

3.7×102

—2.62.2×10—3.7×10——1.13.7×103.7×10-1

1.9×102

3.7×101.5×102

1.1×102.67.4×103.73.3×103.3×10-1

1.9×102.23.7×102

3.7×10-2

3.3×10-1

3.7×102

3.7×10-1

1.1×101.11.1×10-3

3.7×10-3

7.4×10-3

放射性同位素在放射性工作场所以外地区空气中的限制浓度，按表 8.6 放射性工作场所空气中的最大容许浓度乘以表 8.7 所列比值控制计算。

表 8.7  比值控制

 

放射性同位素比 值

放射性工作场所相邻及附近地区 广大居民区

3H 、 35S 、 41Ar 、 85Kr 、 131Xe 1/30 1/30014C 、 55Fe 、 59Ni 、 65Zn 、 90Sr 、 226

Ra1/30 1/200

其它同位素 1/30 1/100

8.3.28.3.2 其他国家和机构发布的有关环境放射性其他国家和机构发布的有关环境放射性标准 标准 表 8.8  国际放射委员会建议的个人剂量限值人员类别 基本极限值 /(mSv·a － 1)

职业性个人

非随机效应 眼晶体 150

其他组织 500

随机效应

全身均匀照射 50

全身均匀照射 50

≤不均匀照射 50

公众个人非随机效应 任何组织 50

随机效应全身均匀照射 50

≤不均匀照射 50

群体 不作规定

第四节  放射性测量实验室和检测仪器第四节  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         （一）电离型检测器         （二）闪烁检测器         （三）半导体检测器 

表 8.9  各种常用放射性检测器

闪烁检测器

盖革计数器

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

正比计数器 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

正比计数器 检测效率较高，装置体积较大

盖革计数器 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，能量分辨能力强

半导体检测器 能量分辨能力强，装置体积小

1.1. 电流电离室 电流电离室

图图 8.3 8.3 电离室示意图 电离室示意图

（一）电离型检测器

2.2. 正比计数管正比计数管  

图图 8.4 α8.4 α 、、 ββ 粒子的电离作用与外加电压的关系曲线 粒子的电离作用与外加电压的关系曲线

图图 8.5 8.5 盖革计数管盖革计数管示意图示意图

图图 8.6 8.6 射线强度测量装置示意射线强度测量装置示意图图

3. 3. 盖革（盖革（ GMGM ）计数管 ）计数管

（二）闪烁检测器 

图 8.7 闪烁检测器测量装置示意图 1. 闪烁体； 2. 光电倍增管； 3. 前置放大器； 5. 脉冲幅度分析器；6. 定标器； 7. 高压电源； 8. 光导材料； 9. 暗盒； 10. 反光材料

闪烁检测器是利用射线与物质作用发生闪光的仪器。图 8.7 是这种检测器测量装置的工作原理。

        闪烁体的材料可用 ZnS，NaI，蒽、芪等无机和有机物质，其性能列于表8.10中。

表 8.10  主要闪烁材料性能

注：① Ag 、 Tl 是激活剂。

物质 密度/ (g·cm-3)

最大发光波长/nm

对 β射线的相对脉冲高度

闪光持续时间/10-8s

Zn(Ag)粉①

NaI(Tl)①

蒽芪

液体闪烁液塑料闪烁液

4.103.671.251.150.861.06

450420440410

350~450350~450

20021010060

40~6028~48

4~10303

0.4~0.80.2~0.80.3~0.5

        （三）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。其工作原理如图 8.8 所示。

图图 8.8 8.8 半导体检测器工作原理示意图 半导体检测器工作原理示意图 n, p—— 半导体的 n 极和 p 极；

RH—— 电阻。

第五节    放射性监测第五节    放射性监测8.5.18.5.1 监测对象及内容监测对象及内容             （一）按照监测对象分（一）按照监测对象分 1.现场监测 对放射性物质生产或应用单位内部工作区域

的监测。 2. 个人剂量监测 对放射性专业工作人员或公众进行的内照射

和外照射的剂量监测。 3.环境监测 对放射性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）的监测。

     1.α放射性核素     即 239Pu、 226Ra、 224Ra、 222Rn、 210Po、 222Th、 234U和 235U。    2.β放射性核素     即 3H、 90Sr、 89Sr、 134Cs、 137Cs、 131I 和 60Co。

（二）按主要测定的放射性核素分

（三）对放射性核素具体测量的内容分

放射源强度，半衰期，射线种类及能量；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。

8.5.2 放射性监测方法

    定期监测：采样、样品预处理、样品总放射性或放射性核素测定。   连续监测：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。   基本步骤 ：样品采集，样品前处理，选择适宜方法、仪器测定。

        （一）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。

     放射性干沉降物样品可用水盘法、黏纸法、高罐法采集。

    湿沉降物常用一种能同时对雨水中核素进行浓集的采样器，如图8.9所示。 

图 8.9 离子交换树脂湿沉降物采集器示意图

1.漏斗盖； 2.漏斗； 3. 离子交换柱；4.滤纸浆； 5.阳离子交换树脂；6.阴离子交换树脂

2. 放射性气溶胶的采集

放射性气溶胶包括核爆炸产生的裂变产物，各种来源于人工放射性物质以及氡、钍射气的衰变子体等天然放射性物质。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

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大致相同。

        （二）样品预处理         预处理目的：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。

         常用的样品预处理方法：衰变法    有机溶剂溶解法蒸馏法    灰化法溶剂萃取法    离子交换法共沉淀法    电化学法

        （三）环境中放射性监测

        1.  水样的总 α放射性活度的测定     水体中常见的辐射α粒子的核素有 226Ra、 222Rn及其衰变产物。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。

        2.  水样的总 β放射性活度测定       水样总 β放射性活度测量步骤基本上与总 α放射性活度测定相同，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。

        3.  土壤中总 α、 β放射性活度的测定         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粒子来计算其含量。

        5. 大气中各种形态 131I 的测定     碘的同位素很多，除 127I 是天然存在的稳定同位素外，其余都是放射性同位素。 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。 图 8.10 各种形态碘的采样器

     本章结束本章结束

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