地γ能谱测量方法在土壤内外照射指数上的可行性研究

王 啸，汪伶俐

天津华北地质勘查局核工业二四七大队，天津 301829

0 引言

工程场地土壤内外照射指数（Ira、Iγ）测定开始于2002年，是由国家质检总局和建设部联合发布实施的国家标准《民用建筑工程室内环境污染控制规范》[1]中提出的，目的是为了控制工程场地土壤中天然放射性核素238U（226Ra）、232Th和40K的比活度，从而控制土壤和室内空气中氡浓度的水平。

目前，工程场地土壤内外照射指数的测定方法主要依据国家标准《建筑材料放射性核素限量》[2]和《土壤中放射性核素的γ能谱分析方法》[3]中提出的测量方法进行的。该方法是通过采集土壤样品，并经过筛选、烘干、破碎等工序后，装入标准样品盒内，然后放入低本底铅室内，利用多道γ能谱仪进行测量，通过对标准样品的比对得出被测土壤中放射性核素238U（226Ra）、232Th和40K的比活度。就地γ能谱测量方法依据《地面伽马能谱测量规范》[4]，是将仪器探头直接放在平坦的地面上进行测量，通过一定的换算系数得出eU、eTh和K的含量。

本文就是通过在天津市滨海新区某拟新建民用建筑工程的场地，分别采用室内γ能谱法和就地γ能谱法对该场地土壤的内外照射指数进行测定，并对测定结果进行比对，以验证就地γ能谱法在工程场地土壤内外照射指数测定方面的可行性。

1 工程场地概况

该场地位于天津市滨海新区内，总占地面积为4万m2，主要是用于新建民用住宅建筑工程。场地范围内的地表都被第四系沉积物覆盖，主要成分为亚粘土和亚砂土，地表平坦度较好，无大面积积水和植被存在，周围无放射源。

2 仪器设备及校准

2.1 仪器设备

2.1.1 就地γ能谱仪

采用的是核工业北京地质研究院研制的HD-2002型便携式γ能谱仪，其仪器性能和技术指标为：能量分辩率：≤10%（对137Cs0.661MeV峰）；灵敏度：总道2×10-6，eU：2×10-6，eTh ：3×10-6， K ：0.5×10-2； 量 程 ：eU ：（2-l000）×10-6，eTh ：（3-1000）×10-6， K ：（0.5-100）×10-2；准 确 性 ：eU、eTh：E≤7%，eK： E≤12%。

2.1.2 室内γ能谱仪

采用的是美国ORTEC公司研制的GEM30P4型高纯锗多道γ能谱仪，其仪器性能和技术指标为：能量分辨率≤1.85KeV（对Co-60的1.33MeV）；相对探测效率≥30%；峰康比≥60；积分本底≤2.5s-1。铅室的室壁厚10cm，内衬1mm铜和5mm的有机玻璃，内腔φ500×400mm。

所有仪器设备均经过核工业放射性勘察计量站检定合格，获得有效检定证书。

2.2 仪器校准

由于就地γ能谱仪是采用直接测量的方法，所以在使用前需要对仪器进行校准，其目的是为了准确测定就地γ能谱仪的换算系数，换算系数的准确与否直接关系到测量结果的准确度，本次仪器校准由核工业放射性勘察计量站，依据《轻便窗式γ能谱仪检定规程》[5]的要求，在地面放射性测量模型标准装置上进行，校准程序及结果如下：

2.2.1 本底的测定

本底的测定是在标准本底模型(YB2)上进行的，结果见表1：

表1 本底模型法测定的本底

2.2.2 换算系数的测定

换算系数的测定在铀（YU1）、钍（YTh1）、钾（YK2）标准体源模型上进行，并将测得的换算系数置入γ能谱仪中，即可直接读取测量结果。校准后确定的换算系数及含量计算公式如下：

式中：Nu、Nt、NK分别表示铀、钍、钾道扣除本底的每秒平均计数。

2.2.3 准确度验证

利用测定的换算系数，在铀、钍、钾混合模型体源（YM1和YM2）上测定eU、eTh、K的含量，然后算出测定值与标准值间的相对误差，结果见表2：

表2 准确度验证结果

3 工作方法

3.1 就地γ能谱测量

3.1.1 测点布设

本次就地γ能谱测量采用20m×20m的均匀网格布置测线，各网格点即为测点，共布置测点100个。

3.1.2 测量

采用罗盘和测绳定位好测点后，将仪器探头垂直放于平坦的地面上，以保证辐射立体角为2π。测量时间为60s，连续测量三次，将测量结果填入原始记录表，并记录测点的地质环境，测量方法严格按照《地面γ能谱测量规范》的要求进行。

3.1.3 质量保证措施

1）每日工作前后，在固定基点上对仪器进行比对测量，从而保证仪器的相对稳定性，选择周围环境稳定且无放射源的地面进行，测量方法与实际测量一致，并做好检查记录，要求eU、eTh、K含量的相对误差不超过15%；

2）测量过程中每工作2小时和发现异常后均对仪器的工作状态和有关参数进行检查，并做好检查记录。

3.2 室内γ能谱测量

3.2.1 样品采集及处理

样品采集密度为1个点/5 000m2，采样点布设要均匀，按采样格子布点，每个采样小格（5 000m2）范围内采用梅花形布点，采样深度为30cm，将每个小格内多点采集的土壤除去石块、草根等杂物现场混合均匀后取2kg～3kg样品装入双层塑料袋内密封。

样品运至实验室，除去杂物，置于搪瓷盘中晾干，鼓风干燥箱内110℃恒温烘干至恒重，计算失水量。研磨过筛（50目）称重后装入与标准样品相同形状和体积的样品盒中，密封，放置3～4周后测量。

3.2.2 测量方法

将处理好的样品放入铅室内，采用美国GEM30P4型低本底多道γ能谱仪进行测量，测量方法严格按照《土壤中放射性核素γ能谱分析方法》和《建筑材料放射性核素限量》的要求进行。此外还应测量空样品盒本底和标准样品，要求其相对探测器的位置应与被测样品一致。为满足测量技术统计误差的要求，空盒本底、标准样品和被测样品的测量时间都为30 000s。

4 测量结果及分析比对

4.1 就地γ能谱测量结果

通过对100个点的测量结果的统计分析，直接测量结果见表3。该测量结果并不能直接用于内外照射指数的计算，为此需要将就地γ能谱测量的结果进行必要的换算，换算系数见表4，采用换算系数转换后的结果见表5。经过换算后，即可采用公式（5）、（6）来计算土壤的内外照射指数，计算如下：

内照射指数（IRa）：0.11； 外照射指数（Iγ）：0.33

内照射指数外照射指数IRa=CRa/200 （5）

外照射指数：Iγ=CRa/370+CTh/260+CK/4200 （6）

式中：CRa 、CTh 、CK-分别为土壤中 238U（226Ra）、232Th、 40K的比活度，Bq/kg；

200，370，260 、4200-分别为各核素各自单独存在时标准中规定的限量，Bq/kg；

表3 就地γ能谱测量的结果

表4 就地γ能谱测量结果换算系数

表5 就地γ能谱测量的结果

4.2 室内γ能谱测量结果

通过对8个采集样品的室内γ能谱分析，结果见表6。

表6 室内γ能谱测量的结果

4.3 分析比对结果

就地γ能谱测量结果与室内γ能谱测量结果比对分析结果见表5.5，两种测量方法以238U（226Ra）的相对偏差最大，为9.90%，；232Th和40K的符合性比较好，相对偏差分别为1.00%和1.98%；内照射指数（IRa）由于直接由238U（226Ra）计算得来的，所以其相对偏差较大，为6.07%；而内照射指数（Iγ）的相对偏差较小，为2.69%。

表7 就地γ能谱与室内γ能谱比对结果

5 结论

从两种测量方法的比对结果可以看出，238U（226Ra）测量结果的相对偏差较大，这主要是由于就地γ能谱测量受大气中氡、土壤湿度和铀钍系放射性不平衡等因素的影响，其中以铀钍系的放射性不平衡影响较大。在自然界中，由于铀系子体的半衰期较长，其达到放射性平衡所需的时间也比较长，再加上物理、化学等自然因素的影响，所以铀系的放射性平衡很容易被破坏，也就造成了就地γ能谱和室内γ能谱两种测量方法在测量238U（226Ra）时产生一定的偏差，这在采用就地γ能谱测量时一定要注意到；而钍系中半衰期最长的核素228Ra为5.75a，只需要60a钍系就可以达到放射性平衡，所以钍系在自然界中总被人为是平衡的，所以两种方法在测量232Th时，产生的偏差较小；40K为单一核素，且谱峰单一，易分辨，两种测量方法产生的偏差也比较小。

与室内γ能谱相比，就地γ能谱有很多优点，比如不需要采集样品、可现场获得数据、测量时间短效率高、对测量对象无破坏性等，虽然也存在一些影响因素，但如果能够采取一定的措施对这些因素进行控制的话，还是非常适宜于对工程场地土壤内外照射指数的测定。

[1]中华人民共和国国家标准.民用建筑工程室内环境污染控制规范 GB 50325-2010.

[2]中华人民共和国国家标准.建筑材料放射性核素限量GB6566-2010.

[3]中华人民共和国国家标准. 土壤中放射性核素的γ能谱分析方法 GB/T 11743-1989.

[4]中华人民共和国核工业行业标准.地面伽马能谱测量规范 EJ/T 363-1998.

[5]中华人民共和国计量检定规程.轻便窗式γ能谱仪检定规程 JJG(核工) 021-1998.