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  • ISSN 1007-6336
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LSA 3000液闪谱仪测量低水平氚水活度的参数优化

邓艾芳 董振芳 石红旗 张宇 江志辉

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LSA 3000液闪谱仪测量低水平氚水活度的参数优化

    作者简介: 邓艾芳(1989-), 女, 辽宁鞍山人, 研究实习员, 硕士, 主要从事海洋放射性核素监测及环境管理研究, E-mail:dengaifang@fio.org.cn;
  • 基金项目:
    中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金 2009T05
    中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金 2012T06

  • 中图分类号: TL84

Parameter optimization of ultra low background liquid scintillation spectrometer LSA 3000 for low-level tritium determination in water samples

  • CLC number: TL84

  • 摘要: 本工作优化了超低本底液闪谱仪LSA 3000测量水中氚含量的最佳实验条件和测量方法,归纳总结出该谱仪测定低水平氚水活度的最佳测量模式、测量道值、静置时间等参数。并利用所得结论对青岛地区的环境水样进行了测量。
  • 图 1  水样(LLB)模式下的标准谱(上)与本底谱(下)

    Figure 1.  Standard spectrum (Upper) and background spectrum (below) of water sample (LLB) mode

    图 2  LSA3000软件参数设置页面

    Figure 2.  Software parameter settings page

    图 3  水样(LLB)模式(左)及水样模式(右)下优值随计数区间变化

    Figure 3.  FA changes with counting interval on the mode of water sample (LLB) mode (left) and water (right)

    图 4  静置时间与计数率的关系

    Figure 4.  Relationship diagram between setting time and count rate

    图 5  最小探测下限随时间变化曲线

    Figure 5.  The curve of MDA changed with time

    表 1  青岛地区不同环境水体中的氚含量

    Table 1.  Tritium content of different aquatic environments in Qingdao

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  • [1] 霍罗克斯.液体闪烁计数技术的应用[M].黄显太, 译.北京: 原子能出版社, 1981.
    [2] ANON.The measurement of tritium in environmental water samples[R].Application note, Hidex 300SL453TM, DOC413-007 Version 1.0.
    [3] GB 12375-1990, 水中氚的分析方法[S].
    [4] POVINEC P P, BREIER R, COPPOLA L, et al.Tracing of water masses using a multi isotope approach in the southern Indian Ocean[J].Earth and Planetary Science Letters, 2011, 302(1/2):14-26.
    [5] POVINEC P P, LEE S H, KWONG L L W, et al.Tritium, radiocarbon, 90Sr and 129I in the Pacific and Indian Oceans[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B:Beam Interactions with Materials and Atoms, 2010, 268(7/8):1214-1218.
    [6] TONOSAKI K, KUDOH H, KIMURA H.Tritium concentrations of natural waters in Rokkasho-Mura[J].Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 2000, 243(2):579-585. doi: 10.1023/A:1016091912400
    [7] 徐小三, 余宁乐, 杨小勇, 等.液闪谱仪在低水平测氚中测量条件选择[J].核电子学与探测技术, 2012, 32(5):544-546. doi: 10.3969/j.issn.0258-0934.2012.05.011
    [8] 李晓凤.液闪法测环境低水平氚的探测限影响因子研究[J].辐射防护, 2016, 36(6):368-374.
    [9] 宋有学, 李永明, 刘国伟, 等.Hidex300SL液闪装置测量低水平氚水活度的参数优化[J].核化学与放射化学, 2016, 38(1):43-46.
    [10] 汤雨诗, 唐泉, 丘寿康, 等.液闪法测水中3H的测量条件研究[J].核电子学与探测技术, 2014, 34(3):365-368. doi: 10.3969/j.issn.0258-0934.2014.03.022
    [11] JAKONIC' I, TODOROVIC' N, NIKOLOV J, et al.Optimization of low-level LS counter Quantulus 1220 for tritium determination in water samples[J].Radiation Physics and Chemistry, 2014, 98:69-76. doi: 10.1016/j.radphyschem.2014.01.012
    [12] NIKOLOV J, TODOROVIC N, JANKOVIC M, et al.Different methods for tritium determination in surface water by LSC[J].Applied Radiation and Isotopes, 2013, 71(1):51-56. doi: 10.1016/j.apradiso.2012.09.015
    [13] 李双双.水中氚放射化学分析方法的不确定度评定[J].节能保护, 2016(5):3-4.
    [14] 林峰, 于涛.液体闪烁计数测定海水中氚的条件优化研究[J].应用海洋学学报, 2016, 35(4):579-584. doi: 10.3969/J.ISSN.2095-4972.2016.04.017
    [15] 袁政安.氚在不同环境水体中的浓度分布[J].上海预防医学杂志, 2000, 12(7):329-330.
    [16] 杨靖, 章艳红, 叶淑君, 等.南京地区大气降水氚浓度分布特征的研究[J].南京大学学报:自然科学, 2010, 46(4):432-439.
    [17] 许家昂, 陈卫宁, 李全太, 等.海阳核电厂周边海水中氚放射性水平[J].中国辐射卫生, 2013, 22(6):732-734.
    [18] 邓飞, 林清, 王佳玥, 等.大亚湾核电基地氚的排放及其环境影响[J].环境化学, 2016, 35(5):956-963.
  • [1] 冯雪芳叶然奚晓青沈昊宇夏清华 . 分散液液微萃取气相色谱质谱联用法测定海水中三氯苯. 海洋环境科学, 2015, 34(2): 307-312. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150226
    [2] 鲁友鹏梁书秀孙昭晨丛丕福 . 杭州湾南岸岸线变化对水动力的影响累积效应. 海洋环境科学, 2015, 34(3): 384-390. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150311
    [3] 陈操程超白敏冬张芝涛孟祥盈 . 羟基法处理船舶压载水对压载舱腐蚀的研究. 海洋环境科学, 2015, 34(4): 582-586. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150419
    [4] 张小芳杜还张芝涛刘开颖周新颖 . 中国港口入境船舶压舱水输入总量估算模型. 海洋环境科学, 2016, 35(1): 123-129. doi: 10.13634/j.cnki.mes20160120
    [5] 邢传玺刘永青史文奇张淑芳韩成伟 . 普兰店湾水交换能力及排污布局合理性分析. 海洋环境科学, 2018, 37(6): 914-921. doi: 10.12111/j.mes20180617
    [6] 刘瑀李颖王晓琦王海霞韩俊松 . 原油分散液对小新月菱形藻C、N稳定同位素组成的影响. 海洋环境科学, 2015, 34(4): 503-507. doi: 10.13634/j.cnki.mes20150405
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-06-15
  • 录用日期:  2018-03-22
  • 刊出日期:  2019-02-20

LSA 3000液闪谱仪测量低水平氚水活度的参数优化

    作者简介:邓艾芳(1989-), 女, 辽宁鞍山人, 研究实习员, 硕士, 主要从事海洋放射性核素监测及环境管理研究, E-mail:dengaifang@fio.org.cn
  • 国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061
基金项目:  中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金 2009T05中央级公益性科研院所基本科研业务费专项基金 2012T06

摘要: 本工作优化了超低本底液闪谱仪LSA 3000测量水中氚含量的最佳实验条件和测量方法,归纳总结出该谱仪测定低水平氚水活度的最佳测量模式、测量道值、静置时间等参数。并利用所得结论对青岛地区的环境水样进行了测量。

English Abstract

  • 氚是低能纯β衰变核素,最大能量为18.6 KeV。环境中的氚主要来源于自然界以及核试验、核设备[1]。氚原子会通过光化学反应或交换反应,与氧结合成为氚标记水分子,与雨水一起降落到陆地、海洋[2]。进入环境的氚将参加自然水的循环, 进入生物体后会参与体内水的代谢, 从而产生内照射[3]。此外在海洋学研究中,氚含量的测定常被用于水团运动的示踪[4-5],研究核事故下放射性核素排放的机理和路径[6]等等。基于以上原因,准确测量水体中氚的含量,了解其时空分布变化情况就显得十分重要。但由于氚衰变出的β粒子能量低,且环境水样中氚的活度浓度低,准确测量其活度浓度有一定的难度。液闪计数器具备4π立体角、无自吸收、探测效率高、制源简单等优点,是目前测量水中氚的主要技术。尽管利用液闪谱仪测定水中氚活度的方法已广泛使用,但不同实验室测定氚活度时所用谱仪的厂商型号、测量所选计数区间、静置时间、测量时长各不相同,所以对谱仪具体实验条件的优化选择仍是必要的[7-11]。因此,本工作拟对由上海新漫传感技术研究发展有限公司生产的LSA 3000超低本底液闪谱仪运行的基本参数进行实验优化研究,为后续环境低水平样品的精确测量提供有益参考。

    • 本实验选取上海新漫传感技术研究发展有限公司提供的20 mL(8 mL氚水+12 mLUltima Gold LLT闪烁液)塑料瓶活度为22.8 dpm(20160713)的氚水样品为标准氚水及20 mL(8 mL无氚水+12 mL Ultima Gold LLT闪烁液)塑料瓶的无氚水样品为本底样品。

    • 在低水平氚水的测量过程中,系统的探测下限是一个重要物理参数,直接关系到可探测到的氚水平。实验中由于氚的测量容易受到淬灭的干扰,选择不同的测量道宽会对仪器的探测下限产生较大的影响,选定最佳的测量道宽可以提高仪器的灵敏度[7]。而最小探测下限MDA(mininum detection activity)值是由本底与探测效率的比确定,而灵敏度优值FA在样品体积一定的情况下,其值也是由本底与探测效率的比确定。因此,我们可引入灵敏度优值FA用于选定最适宜的测量道宽[8], 净计数的探测效率E(%)及灵敏度优值FA可由式(1)、(2)计算。

      式中:R为测量标准样品扣除本底后净计数率的平均值(/s);A为标准样品中放射性核素的活度(Bq)。Nb为本底计数(/min);V为样品体积(mL)。

    • 系统的探测下限是低水平氚水活度测量最为关心的物理参数。在α=β=0.05,即95%置信水平下, 仪器测量净计数的最小探测限下限(MDA,Bq/L)可由式(3)计算[12]

      式中:tb为本底测量时间,min;Nb为本底计数率,/min;V为样品体积,L;E=27为测量氚水的探测效率,%。

    • 按照GB 12375-90有关操作要求[3],取300 mL采集的水样,放入蒸馏瓶中,并向蒸馏瓶中加入0.3 g高锰酸钾和1.5 g氢氧化钠。加热蒸馏,弃去开始蒸出的50~100 mL蒸馏液,收集中间约50 mL蒸馏液。用电导率仪测定蒸馏液的电导率≤5μS/cm。取8.00 mL蒸馏液和12.00 mL闪烁液,放入20 mL塑料样品瓶中,振荡混匀后放入超低本底液闪谱中,避光6 h以上,测定计数。并根据式(4)、(5)计算不同环境水体中的氚活度浓度[13]及其不确定度。

      水中氚活度浓度计算公式:

      式中:A为样品中放射性核素的活度(Bq/L);R为测量样品扣除本底后净计数率的平均值(/s);E为探测效率(%);V1为样品体积(L);

      超低本底液闪谱测量的是氚衰变释放的β粒子, 为统计性测量,其相对标准不确定度计算公式如下:

      式中:n0为样品计数率, /min;nb为仪器本底计数率(/min);t0为样品计数时间,1440 min;tb为本底测量时间(1440 min)。

    • 在测量水中氚样品,寻找最优的优值因子时,往往窗口的宽度设置在170~320道内,起始道在1~20内选择。根据以上原则选择不同的计数区间,通过本底谱和标样谱(见图 1)的对比,选择优值最大的计数区间为待测样品的最佳计数区间。

      图  1  水样(LLB)模式下的标准谱(上)与本底谱(下)

      Figure 1.  Standard spectrum (Upper) and background spectrum (below) of water sample (LLB) mode

      在LSA 3000软件界面中对3H的测量共有4种模式(图 2):“水样”、“水样(LLB)”、“标准源”及“脂溶性/苯样品”。每种模式下都可以自由设置三个多道窗口的窗口范围。默认全谱采集范围为0到2048道。由于本实验研究的是环境水样,因此主要讨论在“水样”和“水样(LLB)”两种模式下计数区间的选择。

      图  2  LSA3000软件参数设置页面

      Figure 2.  Software parameter settings page

      图 3可知,能谱分析模式下,测量物质选取水样(LLB)模式时,在20~340计数区间上优值因子最大。此时本底计数为0.72 /min, 效率为27.13%,优值为65425.5。选取水样模式时,在20~350计数区间优值因子最大。此时本底计数为0.84 /min, 效率为27.51%,优值为57661.0。因此,利用LSA 3000测定水中氚含量时,应选取水样(LLB)测量物质模式,选定20~340为计数区间。

      图  3  水样(LLB)模式(左)及水样模式(右)下优值随计数区间变化

      Figure 3.  FA changes with counting interval on the mode of water sample (LLB) mode (left) and water (right)

    • 测量环境水样实验中,将水样与闪烁液混合后会有一个消除光致影响、化学平衡及猝灭稳定的过程,如果样品不进行避光静置处理,则会导致计数率偏大[1]。为得到利用LSA 3000测定低水平氚水活度的最佳避光静置时间,实验对蒸馏后的环境水样在不同的静置时间下的计数进行测量,得出计数率与静置时间之间的关系(见图 4)。

      图  4  静置时间与计数率的关系

      Figure 4.  Relationship diagram between setting time and count rate

      图 4可知,对于低水平氚水样品,计数率起初衰减很快,随后逐渐变慢,大约在6~7 h以后计数率逐渐稳定下来。因此样品配制完毕后,需避光静置6 h以上,才能进行测量。

    • 由式(3)可以看出探测下限MDA受探测效率、本底计数率、本底测量时间及待测样品体积的影响。其中,在计数效率、本底计数率、及待测样品体积一定的情况下,可以通过延长本底测量时间,来降低的最小探测限下限。但本底测量时间过长会影响分析速度,因此选取合适的样品测量时间,对缩短定量周期有很大的帮助[14]

      对20 mL(8 mL氚水样品+12 mL闪烁液)本底样品,采用“水样(LLB)”测量模式,在20~340计数道,在不同的测量时间下,计算探测下限,结果示于图 5

      图  5  最小探测下限随时间变化曲线

      Figure 5.  The curve of MDA changed with time

      图 5可知,对于低水平氚水样品,最小探测下限起初随时间衰减很快,随后逐渐变慢,大约在10 h(即600 min)以后探测下限的下降幅度逐渐缩小。在测量时长为24 h(即1440 min)时,最小探测下限可达0.80 Bq/L。因此为保证探测下限较低的情况下,对水平的氚水样品至少要测量10 h以上。

    • 自来水样及雨水、崂山河水均有1个样异常,主要原因可能与2015年10月及2016年1月的青岛降雨量少,空气干燥存在一定的关系[15-16]。许家昂等[17]在与青岛距离很近的海阳核电厂运行前,测量了海水中氚的放射性水平,活度范围0.50 Bq/L~0.74 Bq/L。且本文所测海水为近岸海水,受雨水和地表水及不同海域的影响,这可能是氚活度较文献[8, 18]值偏高的主要原因。

      宇宙射线产生的氚,还是热核试验释放的人工氚,主要通过降水从大气上层转移到地球表面。因此,雨水中氚含量一般说来比其他天然水中高。地表水中氚的含量因受到古老地下水的稀释,氚含量一般小于雨水。海水中的氚含量小于雨水和地表水。

      表 1  青岛地区不同环境水体中的氚含量

      Table 1.  Tritium content of different aquatic environments in Qingdao

    • 本实验通过对LSA 3000测量低水平氚含量的实验参数进行了优化,归纳总结出利用该谱仪提高水中氚测量准确性的条件和方法,并对青岛地区的环境水样中氚含量进行了测量。实验表明:利用LSA 3000测定低水平氚活度时应选取水样(LLB)模式, 选取20~340为计数窗口; 为获得最佳的优值因子氚水样品在测样前需应避光静置6 h以上;在保证测量在10 h以上时,可保证合适的测量时间及较低的最小探测限下限,对缩短定量周期有很大的帮助。通过实验得出的优化工作参数能满足对水样中的3H的准确测量。

参考文献 (18)

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