张 庆　姚帅墨　 赵 烨　 张 京



北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率空间分布**基金项目：国家重点基础研究发展计划973项目(2007CB407302)“重点区域水体和土壤环境的复合污染特征”*通讯作者：zhaoye@bnu.edu.cn

张 庆①中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所 辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室 北京 100088姚帅墨①赵 烨②*北京师范大学环境学院 北京 100875张 京①

[摘要]目的：通过调查北京周边地区土壤中天然放射性核素226Ra、232Th和40K的放射性活度浓度，估算其所致γ射线外照射剂量率，绘制北京周边地区γ射线外照射剂量率空间分布图。方法：用HPGeγ能谱仪测量土壤样品中226Ra、232Th和40K的活度浓度，借助ArcGIS软件绘制土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率空间分布图。结果：共采集和测量416份土壤样品，得到的γ射线外照射剂量率为26.9～94.2 nGy/h，平均值为62.0 nGy/h，北京周边大部分地区γ射线空气吸收剂量率水平在50.0～70.0 nGy/h之间。结论：绘制直观简单的北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率分布图，对于评价和研究该区域环境放射性水平的变化具有重要意义。

[关键词]外照射剂量率；空间分布；HPGeγ能谱仪；GIS软件；放射性核素

[First-author’s address] National Institute for Radiological Protection, China CDC, Key Laboratory of Radiological Protection and Nuclear Emergency, China CDC, Beijing 100088, China.

自地球形成时在地壳中已存在放射性核素，这些天然放射性核素隶属于钍系、铀系和锕系3个放射性系[1]。而土壤中的天然放射性核素主要指226Ra、232Th 和40K，这3种核素半衰期很长，在人类环境中一直存在并通过发射一定强度的γ射线影响着人类[2]。因此，本研究利用ArcGIS软件，将调查的剂量率结果绘制成剂量率空间分布精细图，对于开展该区域放射环境质量评价、调研辐射对人类的影响以及研究放射性污染物迁移转化规律等均具有重要意义。

1　资料与方法

1.1 样品采集

采集区域以北京和天津连线向外辐射，北至张家口和承德，南至保定，从北纬38o34'13''至40o44'24''，东经115o37'21''至117o28'16''，采集0～20 cm土壤表层样品。采集的土壤要有代表性，并应考虑以下原则：①地形地貌；②采样点附近无人为污染源；③不在水土流失严重和表土被破坏处采样，且远离主干公路和铁道两侧＞100～300 m处。以10 km×10 km网格法进行样品采集，事先在采样区域利用Surfer软件等距插入采样点初步确定采样点，然后比对实际地图，借助GPS定位系统精确定位并考虑上述原则进行采样点校正，最后确定采样点。在实际采样时，需要剔除那些位于城区、水域或大面积裸露岩石的无土壤的采样点，共获得416个样点的有效土壤样品。将所有样品按照规范化处理后，封装于Φ75 mm×50 mm聚乙烯样品盒中待测[3]。为使土壤样品中铀镭系列的放射性气体核素氡与其子体核素达到放射性衰变平衡，需要将样品密封放置≥3周[4-6]。

1.2 测量仪器

使用高纯锗(HPGe)γ能谱仪(美国EG&GORTEC公司ADCOM100低本底HPGeγ谱仪)测量获得土壤中226Ra、232Th和40K的活度浓度。相对于3''×3''NaI(Tl)晶体的探测效率为53%，对60Co 1332 keVγ射线的能量分辨率为1.71 keV，积分本底为180计数/min(20～2000 keV)。测量时探测器置于壁厚10 cm，内腔为60 cm×60 cm×60 cm的复合屏蔽铅室内，HPGeγ能谱仪在测量样品前需要完成能量刻度和效率刻度[7-8]。

1.3 放射性活度浓度计算

土壤中226Ra、232Th和40K的活度浓度(A)[9-10]是由其衰变系中子体核素得到，计算为公式1：式中Nnet为扣除本底后的该能峰γ射线全能峰面积净计数率，s-1；ε为探测器对该能峰γ射线全能峰的探测效率；η为该能峰γ射线全能峰的发射概率；M为所测样品的质量，kg。选用的子体核素、相应的γ射线能峰和发射概率及探测效率见表1。

表1　土壤中226Ra、232Th和40K的活度浓度计算用相关参数

测量结果的扩展不确定度[3]包括：A类不确定度(μA)，由统计计数引起的不确定度μ贡献；B类不确定度(μB)，主要由刻度源的不确定度贡献。扩展不确定度U计算为公式2：

式中k为包含因子，一般k=2，相应置信度约为95%。由统计计数引起的不确定度计算为公式3：式中Ns为全能峰净面积计数；Nb为相应全能峰的本底净面积计数；ts为样品测量时间，s；tb为本底测量时间，s。

1.4 土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率计算

土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率D计算为公式4：式中0.462、0.604和0.0417分别是针对土壤中天然核素镭、钍和钾的剂量转换系数，单位为nGyh-1/Bqkg-1；ARa、ATh和AK分别为土壤中天然核素镭、钍和钾的活度浓度[12]。

1.5 质量保证

所有土壤样品均由中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所γ能谱实验室测量，该实验室为中国疾病预防控制中心辐射防护与核应急重点实验室，已经取得中国计量认证(CMA)合格证书；多次参加IAEA、WHO组织的国际放射性测量比对，结果合格；并多次与日本化学分析中心(JCAC)进行放射性测量双边比对，结果稳定良好。

1.6 北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率空间分布图

利用公式(4)得到的北京周边地区土壤中镭、钍和钾所致γ射线外照射剂量率，借助美国环境系统研究所(ESRI)的ArcGIS 10.0版本软件绘制土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率空间分布图。

2　结果

2.1 γ射线外照射剂量率结果

测量结果表明，北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率为26.9～94.2 nGy/h，平均值为62.0 nGy/h，其标准差为9.7 nGy/h。所得到的区域中γ射线外照射剂量率＜50.0 nGy/h的占8.6%、50.0～70.0 nGy/h的区域占74.1%及＞70.0 nGy/h的区域占17.3%。

2.2 γ射线外照射剂量率水平空间分布图

北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率水平空间分布如图1所示。

图1为小区域数据，将一定范围的剂量率数据采用同一种颜色表示，不同的颜色区域代表不同的剂量率范围。剂量率值最大的区域位于北京的北部和西南部，天津的北部、东部和南部，保定的南部，外照射剂量率＞80.0 nGy/h。大部分区域的剂量率值位于50.0～70.0 nGy/h之间，整个区域的东北部有少量区域剂量率值最小，为＜40.0 nGy/h。

图1　北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率水平空间分布图

3　结论

测量结果表明，北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率的平均值为62.0 nGy/ h。20世纪80年代卫生系统调查的北京、天津和河北的剂量率均值分别为56.7 nGy/h、65.6 nGy/h和69.8 nGy/h，均值为64.0 nGy/h，与本研究中均值基本吻合。全国的均值为69.9 nGy/h，最大值位于广东，达到1300 nGy/h[13]，文献[12]附录B表8中从土壤中天然放射性核素活度浓度导出的γ射线外照射剂量率的32个国家或地区中：最小的为埃及(32 nGy/h)，最大的为中国香港特区(107 nGy/h)。我国大陆地区的值为58 nGy/h，小于20世纪80年代卫生系统调查的全国大陆地区均值(69.9 nGy/h)，略小于本调查结果。我国周边的印度、日本、泰国和俄罗斯等国家的值分别为69 nGy/h、45 nGy/h、62 nGy/h和52 nGy/ h。印度和泰国的调查结果与本调查地区结果相符，从地形上观察，这3个地区调查区域基本为平原，海拔高度大部分都＜200 m。

本研究中图1显示，北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率的分布，整个调查区域北京北部和西南部、天津的东部和南部地区以及保定的南部地区都是剂量率高值区(＞80.0 nGy/h)，这与该调查区域存在一些大型的金属矿开发所引起的矿碴堆积有关，也与一些金属冶炼工业的废碴排放有关。

有研究表明，金属矿的尾矿、矿碴以及冶炼炉渣会导致天然放射性核素的浓积，进而导致放射性水平的提高[14]。在永定河和潮白河区域剂量率相对较低，多数＜50 nGy/h，这与该区域的土壤为黄土质沉积物上发育的土壤有关[15-16]。

调查环境放射性会产生大量的数据，利用ArcGis软件将这些数据以图形直观地显示出来，极大提高了调查数据的可利用性[17]。本研究绘制和直观地展示了北京周边地区土壤中天然放射性核素所致γ射线外照射剂量率的空间分布，为该区域今后环境放射性水平变化研究提供了基础性的科学依据。

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Research on spatial distribution of the gamma dose rate from natural radionuclides in soil in the surrounding areas of Beijing/ZHANG Qing, YAO Shuai-mo, ZHAO Ye, et al// China Medical Equipment,2016,13(1):67-69.

[Abstract]Objective: To survey the activity concentrations of226Ra,232Th and40K in soil around Beijing, and to estimate gamma dose rate, then to draw the spatial distribution of gamma dose rate. Methods: The activity concentrations of226Ra,232Th and40K in soil samples were measured by HPGe γ spectrometry. The distribution of the gamma dose rate was drawn by ArcGIS software. Results: Four hundred and sixteen soil samples were collected and measured. The value of gamma dose rate was from 26.9 nGy/h to 94.2 nGy/h, with a mean of 62.0 nGy/h. The gamma dose rate of most regions around Beijing was between 50.0~70.0 nGy/h. Conclusion: Using simple and intuitive map to show the spatial distribution of gamma dose rate around Beijing is very important to evaluate and study the change of the regional radioactivity level.

[Key words]Soil radioactivity; Spatial distribution; HPGe gamma ray spectrometry; GIS software; Radionuclide

收稿日期：2015-10-22

DOI:10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.01.021

[文章编号]1672-8270(2016)01-0067-03

[中图分类号]R144

[文献标识码]A

作者简介
张庆,男,(1977- ),硕士，副研究员。中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所辐射防护与核应急中国疾病预防控制中心重点实验室，从事辐射检测和核事故应急监测工作。