城市环境天然放射性评价研究1.doc

城市环境天然放射性评价研究城市环境天然放射性评价研究作者姓名：孔繁龙 专业名称：核工程与核技术指导教师：孙乃峰摘 要近年来，人们对城市环境辐射的担心越来越重，甚至发展成“恐辐”心理。经常会因为肉眼看不到的辐射给生活产生困扰，甚至影响到整个生活。对于核辐射污染，即放射性污染，常人往往只注意到现代科学研究中的核辐射核工厂里某些特殊车间产生的放射性物质造成的危害，或者医院的X射线治疗所产生的放射性造成的影响及损害，而未考虑生活中还会有放射性污染源。大量科学实验证实，过量的辐射是有害的，但是当辐射水平在比较小的范围内时，对人体是安全的、无害的。因此摸清天然性环境的辐射状况并探索有效、便捷的分析方法、测量方法显得十分必要。实际上，生活中的放射性物质能通过多种途径进入人体，造成对机体的慢性损害。随着我国社会经济的不断发展，经济发展与环保的矛盾越来越突出。相关辐射问题目前是社会上讨论的一个热点话题。本文详细介绍了城市放射性的来源、分类和影响，重点介绍电磁辐射和射线辐射以及它们的测量方法，对城市放射性评价方法进行了研究。1从理论上介绍了天然放射性基本知识，天然放射性的来源，天然放射性的分类以及辐射剂量与生物效应的关系，总结辐射对人体的影响。 2介绍辐射原理，通过介绍射线机理。在U-Ra平衡的基础上进行计算，得出空气中的射线照射量率和土壤中放射性核素之间的相互关系。关键字：天然放射性 照射量率 射线 ABSTRACT In recent years, people on city environment radiation worries heavier, and even developed into fear psychological convergence. Often because invisible radiation to life, even influenced upset the whole life. For radiological pollution, radioactive pollution, ordinary people often just noticed the math-model of modern scientific research in nuclear plant some special workshop of radioactive substances produced the damage, or hospital the X-ray treatment produces radioactive affect and harm, while not consider life will have radioactive contamination. Lots of science experiments, excessive radiation is harmful, but when radiation levels in relatively small range of human body is safe, and harmless. Therefore understanding the nature environment situation and explore effective radiation, convenient analysis methods, measuring method becomes necessary. In fact, life of radioactive substances enters the body through various ways can cause to the body, chronic damage. As Chinas economic and social development, economic development and environmental protection is becoming more and more prominent contradiction. Related radiation problems is currently on the social a hot topic discussed. This paper introduces the radioactive sources and classification of city and influence, introduced electromagnetic radiation and gamma radiation and their measurement methods of urban radioactive evaluation method, were studied. 1 Theoretically introduces basic knowledge, natural radioactive source of natural radioactive, natural radioactive classification and radiation dose and biological effects of radiation on human relations, summarizes the impact. 2 Gamma radiation theory, introduced by through the introduction mechanism of gamma rays. In the U - Ra balanced basis of computed, air gamma eminence and soil radionuclide mutual relations.Keywords: natural radioactive , eminence , gamma rays 32城市环境天然放射性评价研究目 录摘 要IIABSTRACTIII目 录11 绪 论11.1基础知识11.1.1放射性核衰变11.1.2放射性衰变的类型11.2环境放射性的来源21.2.1天然放射性的介绍21.2.2天然放射性的来源31.2.3人为放射性污染的来源41.3天然放射性分类51.3.1宇宙射线61.3.2宇生放射性核素61.3.3原生放射核素61.4辐射剂量与生物效应的关系71.4.1非随机生物效应81.4.2随机性生物效应81.5本研究目的、意义和内容91.5.1国内外研究状况91.5.2研究内容101.5.3研究意义102 射线辐射的原理及介绍112.1射线原理及作用影响112.1.1射线的原理112.1.2射线对人体的影响112.2射线能谱介绍122.3环境天然放射性测量原理133 环境放射性的测量153.1 环境放射性测量理论基础153.1.1能谱测量仪153.1.2辐射仪153.2射线照射量率计算方法163.2.1点状放射源在空气中射线照射量率163.2.2无限大平面体源中射线照射量率173.2.3土壤中的放射性核素在空气中的射线照射量率193.2.4在单边建筑物旁边的射线照射量率的研究223.2.5在两面建筑物之间的照射量率的分布263.3环境辐射的外照射剂量估算284 结 论29致 谢30参考文献31城市环境天然放射性评价研究1 绪 论1.1基础知识1.1.1放射性核衰变 原子是由原子核和围绕原子核按一定能级运行的电子所组成。原子核由质子和中子组成，它们又称为核子。有些原子核是不稳定的，能自发地改变核结构，这种现象称核衰变。在核衰变过程中总是放射出具有一定动能的带电或不带电的粒子，即、和射线，这种现象称为放射性。 天然不稳定核素能自发放出射线的特性称为“天然放射性”；通过核反应由人工制造出来的核素的放射性称为“人工放射性”。决定放射性核素性质的基本要素是放射性衰变类型、放射性活度和半衰期。1.1.2放射性衰变的类型1.衰变 衰变是不稳定重核（一般原子序大于82）自发放出4He 核（粒子）的过程。不同核素所放出的粒子的动能不等，一般在28MeV 范围内。粒子的质量大，速度小，照射物质时易使其原子、分子发生电离或激发，但穿透能力小，只能穿过皮肤的角质层。2.衰变 衰变是放射性核素放射粒子（即快速电子）的过程，它是原子核内质子和中子发生互变的结果。衰变可分为负衰变、正衰变和电子俘获三种类型。 （1）-衰变：-衰变是核素中的中子转变为质子并放出一个-粒子和中微子的过程。-粒子实际上是带一个单位负电荷的电子。许多衰变的放射性核素只发射粒子，不伴随其他的射线，但更多衰变的核素常常伴有射线，如衰变时，除放射出粒子外，还放射两种射线。射线的电子速度比射线高10 倍以上，其穿透能力较强，在空气中能穿透几米至几十米才被吸收；与物质作用时可使其原子电离，也能灼伤皮肤。 （2）+衰变：核素中质子转变为中子并发射正电子和中微子的过程。 （3）电子俘获：不稳定的原子核俘获一个核外电子，使核中的质子转变成中子并放出一个中微子的过程。因靠近原子核的K 层电子被俘获的几率远大于其他壳层电子，故这种衰变又称为K 电子俘获。当K壳层电子被俘获后，该壳层产生空位，则更高能级的电子可来填充空位，同时放射特征x射线。3.衰变 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。这种跃迁对原子核的原子序和原子质量数都没影响，所以称为同质异能跃迁。某些不稳定的核素经过或衰变后仍处于高能状态，很快（约10-13 秒）再发射出射线而达稳定态。1.2环境放射性的来源1.2.1天然放射性的介绍 天然放射性是指天然存在的放射性同位素，能自发地放射出射线的属性。1896年，法国物理学家贝勒耳（Beequerel）发现铀（U）的化合物能使附近包在黑纸里的照相底片感光，从而推断出铀可以不断的自动放射出某种看不见的、穿透力相当强的射线。后来经过物理学家的共同努力，发展了这一研究结果。现在知道原子序数在84以上的所有元素都有天然放射性，小于此数的某些元素如碳、钾等也有这种性质。 常见衰变模式有衰变、衰变、衰变、电子捕获、中子衰变、自发裂变（又称自发分裂）等。衰变时放出的能量称为衰变能量。 元素：原子序数在83（铋）或以上的元素都具有放射性，但某些原子序数83以下的元素（铷）也具有放射性。1.2.2天然放射性的来源1.宇宙射线及其引生的放射性核素 宇宙射线是一种从宇宙空间射到地面来的射线，由初级宇宙射线和次级宇宙射线组成。初级宇宙射线指从宇宙空间射到地球大气层的高能辐射，主要成份为质子（8389）、粒子（1015）及原子序Z3 的轻核和高能电子（12），这种射线能量很高，可达1020MeV 以上。次级宇宙射线是初级宇宙射线进入大气层后与空气中的原子核相互碰撞，引起核反应并产生一系列其他粒子，通过这些粒子自身转变或进一步与周围物质发生作用， 就形成次级宇宙射线。在海平面上所观察到的次级宇宙射线由介子（约70）、核子和电子（约30）组成。其强度在不同纬度和海拔高度有所不同。 由宇宙射线与大气层、土壤、水中的核素发生反应产生的放射性核素约有20 余种，其中具有代表性的有14N（n，T）12C 反应产生的氚，14N（n，P）14C 反应产生的14C。天然性的氚，有1/4 是由宇宙射线中的中子与14N 作用产生的，其余的是大气中原子核被宇宙射线中的高能粒子击碎后形成的。天然存在的14C是宇宙射线中的中子和天然存在的14N 作用得到的核反应产物。多数天然放射性核素在地球起源时就存在于地壳之中，经过天长日久的地质年代，母体和子体之间已达到放射性平衡，从而建立了放射性核素的系列。这种系列有三个（见图82），即铀系，其母体是238U；锕系，其母体是235U；钍系，其母体是232Th。这些母体具有极长的半衰期；每一系列中都含有放射性气体Rn 核素，且末端都是稳定的Pb 核素。2.自然界中单独存在的核素 这类核素约有20 种，如存在于人体中的40K（T1/2=1.26109 年）。它们的特点是具有极长的半衰期，其中最长者为209Bi，T1/2大于21018 年，而40K 是其中半衰期最短的。它们的另一个特点是强度极弱，只有采用极灵敏的检测技术才能发现它们。1.2.3人为放射性污染的来源 引起环境放射性污染的主要来源是生产和应用放射性物质的单位所排出的放射性废物，以及核武器爆炸、核事故等产生的放射性物质。1.核试验及航天事故 包括大气层核试验、地下核爆炸冒顶事故及外层空间核动力航具事故等。其核裂变产物包括200多种放射性核素，如89Sr、90Sr、137Cs、131I、14C、239Pu 等，还有核爆炸过程中产生的中子与大气、土壤、建筑材料中的核素发生核反应形成的中子活化产物，如3H、14C、32P、42K、55Fe、59Fe、56Mn 等，以及剩余未起反应的核素如235U、239Po 等。核爆炸（尤其大气层里的核爆炸）后形成高温（上百万度）火球，使其中的裂变碎片及卷进火球的尘埃等变为蒸汽，在随火球膨胀和上升过程中，因与大气混合和热辐射损失，温度逐降低，便凝结成微粒或附着在其他尘粒上而形成放射性沉降物（气溶胶）。粒径0.1mm的沉降粒子在核爆炸后一天内即可在当地降落；粒径25m 的气溶胶粒子，可长期飘浮在大气中，称为放射性尘埃。放射性尘埃在大气平流层的滞留时间一般认为在0.33a 之间，主要放射性核素是长寿命的90Sr、137Cs 和14C 等。对流层中的气溶胶粒子沉降时间由几天到几个月，并可被雨、雪、雾从大气中除去，污染水体和土壤。对流层中的裂变产物含大量半衰期为数日至数十日的核素，如89Sr、95Zr、131I、40Ba 等。2.核工业 包括原子能反应堆、原子能电站、核动力舰艇等。它们在运行过程中排放含各种核裂变产物的三废排放物；特别是发生事故时，将会有大量放射性物质泄漏到环境中去，造成严重污染事故。如英国温茨凯制钚厂反应堆事故，美国三哩岛和苏联切尔诺贝利核电站事故等。3.工农业、医学、科研等部门的排放废物 这些部门使用放射性核素日益广泛，其排放废物也是主要的人为污染源之一。例如，医学上使用60Co、131I 等放射性核素已达几十种；发光钟表工业应用放射性同位素作长期的光激发源；科研部门利用放射性同位素进行示踪试验等。4.放射性矿的开采和利用 在稀土金属和其他共生金属矿开采、提炼过程中，其三废排放物中含有铀、钍、氡等放射性核素，将造成所在局部地区的污染。 专家们研究测算表明：全人类集体辐照剂量中，3/4来自自然界。约1/5来自医疗及诊断，核电的份额是1/400。假定全球人类的预期寿命为60岁，则每天抽一包烟将减寿7年，而核电的影响是减寿24秒。1.3天然放射性分类 存在于岩石和土壤中的放射性物质，由于地下水的浸滤作用而受损失，地下水中的天然放射性核素主要来源于此途径。此外，粘附于地表颗粒土壤上的放射性核素，在风力的作用下，可转变成尘埃或气溶胶，进而转入到大气圈并进一步迁移到植物或动物体内。土壤中的某些可溶性放射性核素被植物根吸收后，继而输送到可食部分，接着再被食草动物采食，然后转移到食肉动物，最终成为食品中和人体中放射性核素的重要来源之一。环境水中天然放射性核素的浓度与多种因素有关。 土壤主要由岩石的浸蚀和风化作用而产生的，可见，其中的放射性是从岩石转移而来的。由于岩石的种类很多，受到自然条件的作用程度也不尽一致，可以预期土壤中天然放射性核素的浓度变化范围是很大的。土壤的地理位置、地质来源、水文条件、气候以及农业历史等都是影响土壤中天然放射性核素含量的重要因素。 此外，天然放射性物质还包括宇宙射线。宇宙射线是一种从宇宙空间射到地球上的高能粒子流，它由质子、粒子等组成。天然放射性已为人类所适应，并未造成什么危害。 环境中天然辐射本底主要由宇宙射线、宇生放射性核素和原生放射性核素的辐射三部分组成16 。1.3.1宇宙射线 宇宙射线主要来源于地球的外层空间，其中又可以分为“初级”和“次级”宇宙射线。初级宇宙射线是指从外出空间射到地球大气层的高能辐射，“次级”在初级宇初级银河系宇宙射线是初级宇宙射线的主要来源，主要是高能质子组成(约80%)，并伴有10%左右的氦核16 ，其余为少量的重粒子、电子、光子和中微子。初级太阳宇宙射线主要是指太阳发生耀斑释放出来的带电粒子，大部分是质子和粒子。次级宇宙射线是指高能宇宙射线与大气的作用产物。初级宇宙射线进入大气时，具有极大能量的粒子与大气中的原子核发生剧烈的碰撞作用致使原子核四分五裂，这一过程称为“散列反应”或“碎裂反应”。散裂反应的产物有中子、质子、介子、K介子以及一些放射性核素。1.3.2宇生放射性核素 当高能初级宇宙射线与大气的原子核发生核反应时，反应产物除了次级宇宙射线粒子以外，还有许多放射线核素，这些核素叫做“宇生放射性核素”。宇生放射性核素除了3H、14C和7Be以外16 ，其余核素的浓度都非常低，只有应用极灵敏的探测器才能检测的到。虽然宇生放射性核素的品种很多，但是空气中的含量都很低，因而它们对环境辐射的贡献不大，尤其是外照射。1.3.3原生放射核素 原生放射性核素与宇生放射性核素同属天然放射性核素，但后者是指宇宙射线通过与大气原子核作用的产物，而前者则是从地球形成开始，迄今还存在地壳中的那些放射性核素，因此被称为“原生”放射性核素。环境中存在的原生放性核素很多，根据它们行为和核性质的差异，可以分为长寿命独立放射性核素核232Th、238U和235U三个天然放射性衰变系列。 (1)长寿命独立原生放射性核素:独立存在的长寿命放射性核素中以40K在环境中的丰度最大，它广泛分布与生命或无生命物质中。在天然钾中，40K的同位素丰度占0.0117%17，其射线能量为1.46MeV。此外，Rb在环境中的含量也是比较高，它在天然铆中的同位素丰度占27.83% 17 。除了这两个核素以外，其余原生独立放射性核素的含量都微小，所以它们对环境辐射的贡献并不明显。 (2)天然放射性衰变系中的核素环境中天然放射性衰变系有三个:铀系(238u),钍系(232Th)和锕系(235u).其中铀系(又称铀一镭系)，它从天然放射性核素238U起始，经过一系列放射性衰变，最终至稳定核素206 Pb终止;钍系的母体核素是232Th，该系经过一系列衰变至稳定核素208 Pb终结;钢系的鼻祖核素是235 U，末代产物为稳定核素207 Pb。在上述三个天然放射性衰变系中，子代产物大部分是。辐射体发射p粒子的只是一小部分。1.4辐射剂量与生物效应的关系按照生物效应与辐射剂量依赖关系的不同特性，辐射对人体的损伤效应可以分为“随机效应”和“非随机效应”两类。根据ICRP的定义，“随机效应”是一种效应发生几率取决于辐射剂量的效应，无剂量闭值，如辐射致癌和遗传效应均为随机效应;“非随机效应”是一种严重程度随辐射剂量而变化的效应，有剂量闭值，如白内障19。根据研究，低水平辐射对细胞作用的最重要效应是DNA受损。正常DNA片断受到电离照射后，可能形成三种受损的片断:DNA双螺旋中的链发生断裂;丢失碱基和两条链发生交联。如果DNA受到大剂量照射，可能导致细胞丧失分裂增值能力，出现增值死亡。此时，机体功能丧失，最终引起非随机效应。如果DNA受到小剂量照射，损伤的程度比较轻微。这种损伤有可能被细胞中的酶来修复。但修复有两种可能，在大多数情况下，修复过程正确无误，而且完整，无损伤体现。但在少数情况下，修复出现不完善，有时甚至会出现修复不当或修复错误的现象。此时，DNA可能被转录并翻译，形成异常蛋白质，从而出现病理性症状。1.4.1非随机生物效应 从生物学本质上讲，辐射对于机体产生的非随机效应就是辐射对细胞的灭活作用，从而导致细胞增殖能力的丧失。这类损伤的严重程度取决于被灭活的细胞数占总细胞群体的相对份额。当被灭活的细胞达到一定比例时，机体的结构和功能会发生改变，从而出现病理变化。ICRP建议公众中的个人眼晶体的年剂量当量限值为15mSv，其他器官或组织的年剂量当量限值为50mSv19 。1.4.2随机性生物效应 (1)辐射致癌效应 辐射致癌是低水平辐射的最重要的生物效应。据报道，诱发人体甲状腺癌的最低吸收剂量为0.06G、急慢性粒性白血病为0.3G、肠癌和妇女乳腺癌分别为0.6和1.5G19。研究表明，辐射的致癌效应与多种因素有关，诸如电离辐射的类型，高LEF值的或质子辐射，其单位剂量致癌诱发率高于低LEF值的,射线;照射条件下，在总剂量相等的情况下，一次大剂量照射的诱发率高于多次小剂量照射的诱发率;生物学的因素包括年龄、性别和种系的遗传学特性等。近年研究表明，辐射致癌的发生率随着辐射剂量的增大而增加，但是并非完全呈线性关系。为了明确探讨低水平辐射致癌效应的剂量一效应曲线的形状，人们提出过几种模式，其中美国科学院电离辐射生物效应委员会提供的模式是19：式中，E为致癌效应，户为吸收剂量，a和b均为常数。 (2)辐射的遗传效应 辐射的遗传效应是指，电离辐射对受照射者细胞遗传物质的效应和这些效应所引起的生育异常及后代的遗传性缺陷。电离辐射对于性细胞遗传物质的效应可分基因突变和染色体畸变两种情况。1.5本研究目的、意义和内容1.5.1国内外研究状况 自从1945年8月美国在日本投下两颗原子弹至今的近60年中，全世界对环境放射性的研究大致产生过两次高潮。第一次高潮是从二十世纪50年代开始一直到60年代末，第二次高潮从二十世纪80年代初开始一直延续至今。二十世纪50年代由于美、英、前苏联为研制和发展核武器，在大气层外层空间进行了大量核试验。有大量的核爆炸放射性落下灰沉降到地球表面，分散在各种环境中，为了研究放射性落下灰对人体的危害。各种环境介质中放射性核素的分析方法相继建立，放射性核素在环境中的转移规律也引起人们的关注。 二十世纪80年代后随着各国核电站的兴建，以及核电站发生事故现象的增多，人们对环境放射性研究的兴趣又开始增加。发生在二十世纪70年代末80年代初的几起核电站事故使兴趣有增无减。1979年3月28日美国宾夕法尼亚州三里岛核电站发生事故，导致0.4太贝克勒尔(10居里)131I排入大气环境11981年1月日本苏狭湾舞鹤核电站发生事故1，放射性释放到环境，和民用水掺合在一起，1983年1月6日美国俄克拉荷马州大雷核电站发生事故1，核电站周围地区出现不同程度的放射性污染。这几起事故在一定程度上使人们对放射性产生了恐惧心理，从而对环境放射性的研究又开始重视。 随着社会的进步和经济的发展，核技术和放射性同位素在工农业、医疗、科研、教学等领域中的广泛应用以及在城市中各种新型建筑材料的广泛应用，放射性这一“无形杀手”对生态环境所带来的核辐射影响也越来越被重视。因此，世界上经济发达国家对岩石、土壤中的天然水平放射性进行大量的调查与评价234，在主要城市在生态环境放射性调查及其综合治理上每年都投入大量资金，而且已建立起完善的监测系统。我国正在开展的国土资源、环境大调查和绿色科技计划中把生态环境放射性调查作为一个重要的内容。国家环保总局提出了在“十五”期间各省、市、自治区建立完善放射性监测机构的目标。各级政府把保护和建设好生态环境作为实现可持续发展的一项基本方针。我国许多大中城市如上海、大连、青岛、石家庄等以及台湾、香港地区不同程度地开展了这方面工作59，并且建立了全国环境天然放射性水平数据库10。目前，我国环境放射性水平还于研究阶段1114，还未出台城市放射性评价相关的评价方法及标准。1.5.2研究内容 城市环境放射性调查就是对城市环境的放射性水平、放射性研究污染及对生态（主要是人群）所造成的辐射影响进行调查。主要是通过对天然辐射进行测量和研究，研究环境放射性测量中的影响因素以及各类因素之间的关系，从而利用已经有的化学分析资料对城市环境天然放射性水平进行估算和评价。1.5.3研究意义本项研究成果，可为以下三个方面提供理论依据和基础依据，具有潜在适应价值。1 介绍了辐射来源以及在环境中的变化因素，为环境放射性提供了基础依据。2 通过对环境放射性测量中的影响因素研究，为今后城市放射性测量方法提供参考和依据。3可对城市环境中辐射进行测量和评价，为城市环境治理，保护以及经济开发等提供基础数据和指导。2 射线辐射的原理及介绍2.1射线原理及作用影响2.1.1射线的原理 射线是一种强电磁波，它的波长比X射线还要短，一般波长0.001纳米。在原子核反应中，当原子核发生、衰变后，往往衰变到某个激发态，处于激发态的原子核仍是不稳定的，并且会通过释放一系列能量使其跃迁到稳定的状态，而这些能量的释放是通过射线辐射来实现的，这种射线就是射线。2.1.2射线对人体的影响射线具有极强的穿透本领。人体受到射线照射时，射线可以进入到人体的内部，并与体内细胞发生电离作用，电离产生的离子能侵蚀复杂的有机分子，如蛋白质、核酸和酶，它们都是构成活细胞组织的主要成份，一旦它们遭到破坏，就会导致人体内的正常化学过程受到干扰，严重的可以使细胞死亡。 高能量的射线对人体的破坏作用相当大，当人体受到射线的辐射剂量达到200600雷姆时，人体造血器官如骨髓将遭到损坏，白血球严重地减少，内出血、头发脱落，在两个月内死亡的概率为080%；当辐射剂量为6001000雷姆时，在两个月内死亡的概率为80100%；当辐射剂量为10001500雷姆时，人体肠胃系统将遭破坏，发生腹泻、发烧、内分泌失调，在两周内死亡概率几乎为100%；当辐射剂量为5000雷姆以上时，可导致中枢神经系统受到破坏，发生痉挛、震颤、失调、嗜眠，在两天内死亡的概率为100%。 2.2射线能谱介绍下面对铀系和钍系的射线谱进行详细论述。 铀系的射线谱: 在铀系的铀组中，238U和234Th放出的射线能量较大，其能量为0.029MeV,0.048MeV，0.064MeV和0.093MeV，其中0.093MeV的射线是铀组中能量最高，辐射几率又较大的主要射线。辐射的射线中能量为0.76MeV和0.91MeV的射线产生的几率较大，总的来说，铀组放出的射线能量低，辐射几率小，其能量仅占铀系全部辐射能量总和的2%左右。镭组中214Pb和214Bi是主要辐射体。214Pb辐射出的射线能量为0.352MeV，0.295MeV，0.285MeV及0.24MeV。其中0.325MeV能量的光子辐射几率最大，是镭组中主要射线之一。在低能射线谱中，214Pb的几条射线谱是很重要的，它的辐射能量总和占整个铀系射线能量总和的12.4% 18。表2-1 铀系射线谱成分18能量范围（MeV）光子相对比例（%）相对能量总和2.03.510.7 214Bi是铀系中最主要的辐射体，它的辐射能量总和占整个铀系能量总和的85%18，它的几条主要射线的能量为2.2MeV，1.76 MeV，1.403 MeV，1.378MeV，1.12 MeV，0.769 MeV和0.609 MeV。铀系中能量大于1 MeV的射线都是214Bi产生的。 总观铀系射线谱(表2-1)，铀系将近一半的光子能量小于0.5MeV，70%的光子能量小于1MeV，能量为11.5MeV和1.5 2.0MeV的光子数占总数的24%18。 钍系的射线谱: 钍系中主要的辐射体为228Ac和208Tl，其次为212Pb和212Bi。228Ac的辐射能量总和占整个钍系核素辐射能量总和大26.2%，主要能量有:0.908MeV、0.960MeV及0.338MeV、0.129MeV，其中0.908MeV的射线是钍系的主要射线之一。212Pb放出的射线能量为0.239MeV，是钍系中低能谱的重要射线。 208Tl是钍系中最重要的辐射体，其中辐射能量总和占整个钍系的辐射能量总和大61%，主要射线有:0.583 MeV，0.511 MeV和2.62 MeV，其中2.62MeV的射线能量最高，辐射几率又大，是钍系中一条重要的特征射线。 从表2-2可以看出，钍系中85%的光子能量小于1 MeV，能量为2.62MeV的光子占总量的8%，但其辐射能量总和占整个钍系核素辐射能量总和的46%.由于铀系、钍系的放射性核素广泛分布于环境生态系统之中，从而成为环境辐射的主要来源。表2-2 钍系射线谱成分19能量范围（MeV）光子相对比例（%）相对能量总和1.085501.0-2.0742.628462.3环境天然放射性测量原理 从天然放射性核素谱成分的论叙中可知，不同的放射性系列有不同的特征射线一一钾为1.46MeV，铀为1.76MeV (214Bi) ,钍为2.62MeV (208Ti) 。能谱测量就是根据天然放射性核素的射线能量差异(图3-1)，使用能谱测量在野外天然产状条件下直接确定岩石(土壤)或矿石中强度(照射量率)、铀(U)、钍(Th)、钾(K)图2-3 能谱谱线图成分含量的一种放射性测量方法。应用放射性能谱测量资料可以查明地表以下的放射性元素铀、钍、钾的分布规律，指导铀或其它矿产的找矿工作20。环境天然放射性水平调查中评价陆地辐射剂量率、土壤中238U (226Ra)、232Th、40K放射性核素的比活度与能谱测量基本原理和基本方法是相同的。因此通过对能谱数据进行高度衰减校正和计量单位的转换，就可以利用其进行天然辐射剂量率、土壤中天然放射性核素238U (226Ra)、232Th、40K的比活度进行评价，并且可进一步评价环境辐射对居民产生的有效剂量当量进行估算21。3 环境放射性的测量 本章主要介绍在城市土壤中放射性核素在空气中放射性水平的理论知识，从理论上来说明空气中的射线照射量率和土壤中放射性核素之间的相互关系。在本章中所讨论的问题中，在U-Ra平衡的基础上进行。3.1 环境放射性测量理论基础3.1.1能谱测量仪 IED-2000A便携式微机多道能谱仪是一种兼备能谱信号采集和现场数据处理能力的1024道能谱仪，仪器采用软件寻峰技术进行稳谱，自动运算K、U、Th的含量，并能手动、自动存储原始谱数据，便于以后查看，并且可以从仪器中通过并行接口将数据导入到计算机中。仪器的主要技术指标如下: 1、NaI(Tl)闪烁计数器:7575mm; 2、能量分辨率3CPS(每秒钟每微琴伦/小时产生的仪器计数大于3); (2)检测伽玛射线能量范围:50keV; (3)最大计数容量:9999.9; (4)工作稳定性:统计性:保持测量条件不变，连续测量计数值(大于10个读数) 符合放射性统计涨落规律;精确度:对同一样品进行10次测量，相对标准误差不大于20%;稳定性:仪器连续工作8小时，积分计数变化不大于10%。3.2射线照射量率计算方法3.2.1点状放射源在空气中射线照射量率 如图3-1所表示，o为一个常数为K的放射性源，而且各向同性的放射性源，埋于介质均匀的土壤中，oB的距离为(cm)，H为空气中的一点，BH的距离为h (cm)，那么点源在H点的射线照射量率18:（3-1）式中： u1一为土壤对射线的吸收系数，单位:cm-1 ; u0为空气对射线的吸收系数，单位:cm-1; K为点源的常数，表示距离一定活度的点状放射性同位素源1m处的射线照射量率。 图3-1点状放射源在空气中照射量计算模型示意图 上面的公式表明了点源放射性源的照射量率与离点源距离的平方成反比。所以深埋于地下的点源通过衰减吸收后，对人体的伤害变小，从而可知人体日常所接受的辐射都来自于浅层地表中。3.2.2无限大平面体源中射线照射量率 如图3-2所表示，在一个平整的地面上有一点o，现在求在o点的射线照射量率。 图3-2无限大体源中照射量计算模型示意图 同样，我们假设土壤是均匀介质，密度为(g/cm3)，放射性核素的比活度为C (Bq/g) ,土壤对射线的吸收系数为,u1(cm-1)，现在离0点为R的单位体积元dv。用球面微分表示dv的体积:dv=r2sindrdd。则在这个单位体积里放射性活度为。Cdv=Cr2sindrdd。由于dv的体积很小，我们可以近似认为dv为一个点源，所以利用上面点源的结论，我们可以表示dv点在o点的射线照射量率:因此点o的射线照射量率可以表示为:（3-2）其中积分式中的各个变量的取值范围如下: 取值范围: 0到R; 取值范围: 0到/2; 取值范围: 0到2;(3-2)的式子可以表示为:（3-3）对(3-3)公式，做出理论曲线如下(图3-3):从公式和理论曲线可以看出:当R趋向与无穷大时，射线照射量率趋向于一个常数。当土一壤的吸收系数为0. 121/cm的时候，R在40cm的时候，地表的射线照射量率为R趋向无穷的时候的99%以上，所以在R大于40cm的时候，可以近似的认为空气中的照射量率达到了恒值。因而在进行地表射线强度的测量图3-3地面照射量率与地表深度理论曲线图 中，我们仅能探测到地表下深40cm处放射性核素的信息。3.2.3土壤中的放射性核素在空气中的射线照射量率 如图3-4所示，在平整地面的上空有一点H,离地面高为h (m)。同样，我们假设土壤是均匀介质，密度为(g/cm-1)，放射性核素的比活度为C(Bp/g)，土壤对射线的吸收系数为u 1(cm-1)，空气的吸收系数为u2(cm-1)，。现在离0点为R的单位体积元dv，用球面微分表示dv的体积:dv=r2ssindrdd则在这个单位体积里放射性活度为Cdv=Cr2sindrdd。由于dv的体积很小，我们可以近似认为dv为一个点源，所以利用上面的结论，我们可以表示dv点在0点的射线照射量率:图3-4在空气中照射量计算模型示意图 则在H点的射线照射量率可表示为:（3-4）从上面的图形和我们的分析可以得到如下的积分范围: 取值范围:h sec到(h+l)sec; 取值范围:0到0; 取值范围:0到2;根据积分范围，(3-4)式子可以进行如下的计算:对于的积分形式，可以利用金格函数(x)解出（3-5）其中式子中：将金格函数代入(3-5)式子中，可以得到: 对3-6式子进行讨论:当地面是宽广的，而且土壤是深度足够，可以认为的取值范围为0到/2，而在此时，r的取值范围为h sec到。将上面的两个条件代入3-6式子，可以得到: （3-7）由上面的公式我们可以看出，在一个平整地面的上空，空气中的照射量率是跟离地面的高度和空气的吸收系数有关，跟土壤中放射性核素的比活度和吸收系数有关。当一个地区的土壤成分相似时，只与空气的吸收系数和高度相关。 设空气的吸收系数为6. 6710-5/cm，做出照射量率和高度的关系曲线: 图3-5照射量率和高度理论曲线图 如图3-5所表示。可以看出，当离地面高40米的时候，照射量率仍有地面的60%以上。所以空气对射线的吸收不是很强，射线在空气的影响范围特别的大。由于地面测量的时候，一般高度小于1m，所以在高度上的影响可以忽略。但当立体角存在的时候，如周边40m以内建筑物对环境的影响就要考虑。那么它们的影响具体如何呢?下面将进行讨论。3.2.4在单边建筑物旁边的射线照射量率的研究如图3-6所表示的，在平整的地面上，有垂直于地面的建筑物。建筑物材料对射线的吸收系数为u2(cm-1)，密度为(g/cm3)，放射性核素比活度为C2 (Bq/g)。为了方便计算，假设建筑物足够的高，这样可以近似的认为建筑物相当于竖立的平整的地面。土壤对射线的吸收系数为,u1(cm-1)，密度为(g/cm3)，土壤中放射性核素的比活度为C1 (Bq/g)。空气的吸收系数为u0(cm-1) 。现在有一个H点，到地的距离为a,到建筑物的距离为b，现在求N点的射线照射量率，观察它跟a，b有什么样的关系。现在把图3-6所示的区域分成四个部分(图3-6);图中所表示的区域II内，放射性同位素的比活度可以认为跟建筑物的一样，图3-6 在单边建筑物旁边的照射量率计算模型图而且认为密度和吸收系数也和建筑物的相同。由于放射性同位素在土壤中迁移作用，在n区成了一个缓冲区域，在这个区域中放射性核素的比活度介于C1和C2之间，更靠近于C2。在施工过程中挖掘等，II区发生了土壤和建筑材料的混合，这样使得II区的密度和吸收系数也和建筑物的相似。而在实际的测量中，我们能探测到的地下的物质厚度是有限的(根据放射性物质在地表的分析结果显示，我们只能探测到离地面深40cm土壤中放射性核素的射线)。所以我们可以把II区等同于图中的IV区，这样的等同有利于我们下面的计算。下面我们对四个区域分别积分。 对区域I的积分，我们假设建筑物是无穷大和无限厚的(厚度40cm)，在这样的条件下的积分边界如下: 取值范围:b sec到 ; 取值范围:0到/2; 取值范围:0到;这样区域I的积分如下:的积分利用金格函数，得到,所以积分的结果为：类似的，对区域m积分的结果可以表示为:对区域2的积分，先确定积分边界。根据上面的分析和图所表示的区域，通过观察不难发现积分限如下: 取值范围:b sec到 ; 取值范围:0到arctan; 取值范围:0到;对区域11，进行积分:由于:所以上面的公式变为:类似的，可以得到区域W的积分为: 将各区域的射线照射量率在H点叠加，可以得到H点的总的照射量率总(3-8)对上面的公式进行分析，我们可以看出是一个由金格函数组成的数学表达式。由于金格函数是一个递减的函数，随变量增大而减图3-7单面建筑下照射量率理论曲线图小。所以当高度a为一个定值时，那么分析得到，随着b的增大，照射量率将逐渐减小。 图3-7是假定墙体高度为10m时，射线照射量率达理论曲线图，从图上可以看出，照射量率总体趋势是随着离墙体的距离的增大而减小，但当离墙体距离达到墙体高度时，照射量率已经开始趋于平衡，在1020m这一距离段，照射量率下降不到10%。3.2.5在两面建筑物之间的照射量率的分布 如图3-8所表示的在两个建筑物之间的照射量率的研究。现在我们利用的是一种简化的做法，即把建筑物分成积分部分，把地面作为积分部分，这样每个部分的迭加的结果为照射量率的分布图。图3-8双面建筑物照射量率计算模型示意图在两面建筑物之间的照射量率的分布，仍然可以用迭加原理。现假设建筑物之间的距离为1米，将上面的在单面建筑物边上的照射量率迭加后可以得: 设a为定值时，对该式求极值，得到当b=1/2*1时，式3-9值最小。也就是说，当建筑物高度一定时，照射量率在两建筑物之间的分布，在中间的地方达到最低值，而靠近建筑物之间是相对偏高的。图3-9是假定墙体高5m，墙间距10m的条件下的理论曲线。从图中可以看出，靠近墙体附近的射线照射量率最高，在墙体间距的中间，照射量率达到最小，只有墙体附近的70%左右。图3-9双面建筑下照射量率理论曲线图在距墙体的八分之一处附近，处于最高值和最低值得之间的中间值。3.3环境辐射的外照射剂量估算 环境中天然辐射的外照射来自宇宙射线中的高能质子、电子、u介子和中子，以及天然放射性核素发射的射线。由于粒子、低能粒子在空气中的射程较短，贯穿能力弱，一般不把他们作为环境的外照射来源24。地球表面是人类活动最频繁的场所，所以陆地表面上天然辐射场对于人体产生的外照射剂量具有最重要的实际意义。 陆地上空某一范围的辐射场的特性，通常可以用该处的照射量、照射