高寒地区放射性干沉降物采集方法比较

刘军 关庆涛

（辽宁省生态环境监测中心，辽宁沈阳 110161）

1 引言

沉降物包括大气尘埃、落下灰及雨雪，测量沉降物放射性活度的目的在于调查研究核设施正常运行工况下及发生事故、核武器试验引起地面辐射强度的变化，估算其可能引起的任何危害，是研究人工放射性核素在大气中分布规律的重要途径。沉降物采集、监测、分析是辐射环境监测的重要一项，可用于γ 核素、90Sr、总α/总β 等放射性监测项目的分析［1］。随着辐射环境监测技术的发展，对采样的科学性、完整性、准确性、可靠性以及仪器性能等的要求越来越高，对样品采集的质量控制愈加重视。《全国辐射环境监测方案》中对重要核设施的辐射环境监测均提出了对干湿沉降物进行采集监测。

2 放射性沉降物的形成与监测

2.1 放射性物质在大气中的沉积

放射性核素在大气中的沉积有3 种方式：一是重力沉积，由颗粒物质自生的重力而引起的沉降；二是干沉积，颗粒的不规则运动导致与地面的碰撞、静电引力、吸附、化学作用等引起的沉积；三是湿沉积，由降雨而导致的沉降。如果这些沉积物由于温度或者是气流的作用，再次飘浮在大气中就形成了再悬浮。

2.2 放射性沉降物的危害

放射性沉降物对公众的照射包括经由吸入近地空气中的放射性核素与食入放射性污染的食物和水引起的内照射、空气中核素造成的浸没外照射和地面沉积核素造成的直接外照射。导致内照射的主要核素有137Cs，90Sr，14C，106Ru，131I 等；导致外照射的主要核素有137Cs，106Ru，95Zr 等。

放射性沉降物中大多是短寿命放射性核素，只在爆炸后短时期内对公众造成内外照射［2］，目前可能对公众造成照射的主要是其中的长寿命放射性核素，最主要的是90Sr 和137Cs。

2.3 放射性沉降物监测现状

目前国内外环境监测单位普遍采用水盘法采集干沉降样品［3］，在集尘桶内添加去离子水吸附采集干沉降样品，直接使用湿沉降收集桶收集雨雪样品，采样器分别由集尘桶、湿沉降收集桶、降水传感器组成。可根据降水情况自动控制防护盖板翻转，采集样品；但在冬季，北方地区由于气温较低，集尘桶内的液体吸附介质易结冰，导致干沉降收集效率大幅降低［4］。一方面，结冰会使沉降物无法继续沉降在采样盘内的水中，其沉降在冰面后极易被风吹走，造成损失，降低沉降物的收集效率，进而影响测量结果。另一方面，结冰的样品进入实验室后需要先融化，不但增加了样品处理的时间，而且由于放射性物质的衰变，使监测结果的测量值偏低。因此，北方高寒地区干湿沉降物结冰问题成为避免影响样品质量、增加测量误差必须要克服的难题。同时，受气温影响，样品处理及监测过程效率刻度、标准源制作等均存在问题。

3 样品采集方法及分析

3.1 点位设置

根据北方冬季寒冷多雪［5］的气象条件，结合周围环境状况、现有设备、历史数据对比等因素考虑，选择红沿河核电厂监督性监测系统复州城监测子站的标准气象场作为放射性干沉降物采集的布放点。红沿河核电厂复州城监测子站与位于核电厂ESE方向约22 km 处的复州城前沿站同址合建，包含一个标准气象场（16 m×20 m）。复州城子站标准气象场周边地域开阔，近距离无高大建筑物，符合《环境空气质量监测点位布设技术规范》（HJ 664—2013）的空气采样要求［6］；同时复州城监测子站冬季历史最低气温低于－20 ℃，具有一定的代表性，可以用来观测冬季采样时不同采样介质的结冰情况。

3.2 样品采集

沉降物采样方法应考虑所用试剂、化学特性、加入量、影响因素、样品处理难度等因素，分别采用常规采集方法、二甲基硅油涂抹法、乙二醇和去离子水混合液采集法、干沉降物自加热采集法4 种方法进行沉降物样品的采集。每种方法至少布放5 个采样桶，本次实验共布采样桶33 个，用于平行样品的收集比对。其中，常规采集方法采样桶布放5 个；二甲基硅油涂抹法采样桶布放5 个；乙二醇和去离子水混合液采集法分为3 种，体积分数20%（冰点约－9 ℃）的采样桶布放3 个，体积分数40%（冰点约－26 ℃）的采样桶布放5 个，体积分数60%（冰点约－48 ℃）的采样桶布放5 个；干沉降物自加热采集方法分为2 种，外置电加热板法采样桶布放5 个，内置恒温电加热棒法采样桶布放5 个。采样期间，应做好极端天气或突发事件的样品采集工作，及时观察不同采样方法的样品状态，并做好相关记录。采样介质参数比较见表1。

表1 采样介质参数比较

3.3 采样期间样品状态

常规采集法在采样期间，介质去离子水一直处于结冰状态，沉降物附着于桶壁和冰面。二甲基硅油涂抹法在采样期间，介质二甲基硅油未发生变化，有少量挥发，沉降物一部分附着于桶壁，一部分与二甲基硅油介质混合。乙二醇和去离子水混合液采集法在采样期间，介质乙二醇和去离子水混合液未结冰，沉降物一部分附着于桶壁，一部分与乙二醇和去离子水混合液介质混合。干沉降物自加热采集法采样期间，外置电加热板法采样介质去离子水未结冰，介质去离子水温度处于1～15 ℃之间，缓慢蒸发，沉降物一部分附着于桶壁，一部分与去离子水混合；内置电加热棒法采样介质去离子水未结冰，介质去离子水温度稳定于19 ℃，去离子水蒸发较快，需定期添加去离子水，沉降物一部分附着于桶壁，一部分与去离子水混合，且由于水温较高，导致微生物附着，介质内有光合植物生长。

3.4 样品前处理

样品采集后，送至实验室，经过蒸发、烘干、碳化、灰化处理后可进行实验室分析［7］。样品前处理过程中，二甲基硅油涂抹法前处理时间较长，且由于二甲基硅油自身杂质较多，导致最终灰样量较多；其他几种采样方法前处理时间正常，最终灰样量与常规法基本一致，但内置电加热棒法由于微生物附着生长，灰样量略微偏大。样品前处理过程发现，乙二醇和去离子水混合液采集法在加热静置后能够实现干沉降物与乙二醇和去离子水混合液的快速分离，通过倾倒上层清液，可以加快样品前处理过程。

3.5 样品分析

对完成前处理的沉降灰进行90Sr 放射性活度浓度分析，分析结果见表2。

表2 高寒地区干沉降物采集90Sr 分析结果 MBq/（m2·d）

由表2 可见，常规采集法90Sr 放射性活度浓度为0.68～5.47 MBq/（m2·d），平均值为2.68 MBq/（m2·d）；二甲基硅油涂抹法为0.44～0.78 MBq/（m2·d），平均值为0.59 MBq/（m2·d）；20%乙二醇和去离子水混合液采集法为3.71～4.33 MBq/（m2·d），平均值为4.05 MBq/（m2·d）；40%乙二醇和去离子水混合液采集法为3.64～4.40 MBq/（m2·d），平均值为3.97 MBq/（m2·d）；60%乙二醇和去离子水混合液采集法为3.78 ～4.82 MBq/（m2·d），平均值为4.29 MBq/（m2·d）；外 置 电 加 热 板 法 为3.54 ～4.80 MBq/（m2·d），平均值为4.41 MBq/（m2·d）；内置电加热棒法为13.0～19.2 MBq/（m2·d），平均值为17.0 MBq/（m2·d）。

复州城监测子站沉降物90Sr 放射性活度浓度2012—2017 年历史监测值为1.02～6.14 MBq/（m2·d），平均值为3.85 MBq/（m2·d）。本次实验监测结果中，常规采集法数据分散性较大，监测结果适中；二甲基硅油涂抹法数据分散性较大，监测结果偏小；不同浓度乙二醇和去离子水混合液采集法数据相对稳定，监测结果适中；外置电加热板法数据相对稳定，监测结果适中；内置电加热棒法数据相对稳定，但监测结果偏大。

4 结论与建议

4.1 结论

通过对几种采样方法进行研究，得出以下结论：

（1）各种采样方法中，乙二醇和去离子水混合液采集法、外置电加热板法，在采样期间，采样介质稳定性较好，灰样量适中，样品前处理时间适中；与历史监测数据比较，监测数据稳定性较好，监测结果适中。

（2）通过分析发现，乙二醇和去离子水混合液采集法、外置电加热板法比较适合寒季干沉降物采集，能够有效解决寒冷天气干沉降物采集过程去离子水介质结冰现象。对于乙二醇和去离子水混合液采集法，20%乙二醇和去离子水混合液即可满足－20 ℃低温条件下采样期间不结冰，基本不需再添加介质，且样品前处理时间较短；外置电加热板法也能满足低温条件下沉降物采集，但采样期间会增加用电量，采样成本较高，存在安全隐患，野外采样存在困难。

4.2 建议

在高寒地区，建议采取乙二醇和去离子水混合液采集法采集放射性干沉降物样品，各地区可根据本地气象条件，特别是野外采样时，可调整乙二醇和去离子水混合液浓度，配制适合本地气象条件的沉降物采样介质，用于放射性干沉降物样品的采集。