在城市地区使用低分辨率伽马光谱仪进行Be-7元素的测量

《Applied Radiation and Isotopes》：Be-7 measurement in an urban area using a low-resolution gamma spectrometer

铍-7浓度在自然斜坡、雨水排水沟和沥青路边沉积物中差异显著，伽马能谱法（NaI(Tl)探测器）测得路边沉积物高达873 Bq/kg，而自然区域多低于5 Bq/kg，表明地表径流通过雨水冲刷和沉积作用富集铍-7。

　　

安杰洛·扎诺纳·内托（Angelo Zanona Neto）|罗德里戈·奥利维拉·巴斯托斯（Rodrigo Oliveira Bastos）|布鲁诺·维尼修斯·博尔索伊（Bruno Winicius Borsoi）|雷纳托·阿基奥·伊科卡（Renato Akio Ikeoka）|法比奥·路易斯·梅尔基亚德斯（Fábio Luiz Melquiades）|若昂·马科斯·法瓦罗·洛佩斯（Jo?o Marcos Fávaro Lopes）|维多利亚·达·席尔瓦·内里（Vitória da Silva Neri）

核应用实验室，Unicentro，瓜拉普阿瓦，85040-167，巴西帕拉纳州（Nuclear Applications Laboratory, Unicentro, Guarapuava, 85040-167, Paraná, Brazil）

摘要

Be-7是一种宇宙成因的放射性同位素，由宇宙射线在大气中的裂变产生。尽管它在环境研究中具有重要意义，但其在城市土壤和沉积物中的分布仍然知之甚少。本研究通过测量一个城市区域内的土壤和沉积物样本中的Be-7浓度来填补这一空白，该区域包括自然坡度、雨水排水沟以及沿沥青路缘积累的沉积物。实验使用了铊激活的碘化钠（NaI(Tl)）探测器进行伽马光谱分析，无需进行化学分离。来自坡度和排水沟的土壤样本中Be-7的活性范围从低于检测限（$\text{5}\text{Bq/kg}$）到$39\pm <mn>5</mn><mspace></mspace><mtext>Bq/kg</mtext>$。相比之下，来自铺砌区域的沉积物样本显示出显著更高的活性，达到$873\pm <mn>5</mn><mspace></mspace><mtext>Bq/kg</mtext>$。这些较高的浓度可能是由于降雨期间的地表径流将Be-7搬运并沉积在路边的沉积物中。

引言

Be-7是铍的一种放射性同位素，半衰期为53.3天，主要由宇宙射线与氧和氮的相互作用产生。其形成主要发生在平流层，大约66%的Be-7总量在此产生，其余33%则在上层对流层形成（G?ggeler, 1995）。形成后，这种元素会通过静电作用吸附到气溶胶上，并通过湿沉降和干沉降方式沉积到地球表面（Gaffney et al., 2004, Kaste et al., 2002）。

Be-7通过电子捕获衰变为Li-7。放射性衰变过程中，10.5%的Be-7首先衰变为Li-7的激发态，随后通过发射伽马射线（$\text{477.6}\text{keV}$）转变为基态。剩余的89.5%直接衰变为Li-7的基态（Ajzenberg-Selove and Lauritsen, 1960）。

由于Be-7在大气中的形成位置，它可以作为平流层空气侵入对流层的指标，其检测也有助于评估平流层臭氧是否影响对流层的某些区域（Gaffney et al., 2004）。除了在大气研究中的重要性外，Be-7相对较短的半衰期使其特别适用于表征短期土壤再分布过程，从而能够评估近期时间尺度上的侵蚀和沉积物迁移（Walling, 2013, Yang et al., 2020）。

高纯度锗（HPGe）探测器常用于检测Be-7的伽马射线。它们具有足够的分辨率，可以区分感兴趣能量范围内的不同伽马射线峰（即Ac-228在$\text{462}\text{keV}$，Tl-208在$\text{511}\text{keV}$，以及电子-正电子湮灭在$\text{511}\text{keV}$）。然而，HPGe探测器需要在低温（约$\text{77}\text{K}$）下运行，需要液氮进行冷却，这增加了它们的运营成本（Knoll, 2000）。此外，与低分辨率探测器相比，初始设备成本也显著更高。

另一种方法是使用低分辨率探测器，如铊激活的碘化钠（NaI(Tl)探测器，这些探测器价格更低且更易于操作。尽管有限的能量分辨率使得Be-7峰难以与Ac-228、Tl-208和电子-正电子湮灭峰清晰区分，但通过适当的方法进行峰解卷积处理，NaI(Tl)探测器仍可以有效用于Be-7的检测（Lopes et al., 2024, Lopes et al., 2026）。

NaI(Tl)探测器的另一个优点是适用于原位和现场测量（Knoll, 2000）。由于它们在室温下工作，因此可以在HPGe探测器不适用的环境中使用，例如在船舶（Barbosa et al., 2023, Byun et al., 2021）或飞机（Baldoncini et al., 2018）上，甚至在温度波动较大的极端条件下（le Roux and Bezuidenhout, 2022）。因此，使用NaI(Tl)探测器进行Be-7分析可以降低实验难度，促进该领域更多研究的开展。

尽管Be-7在自然环境中已被广泛研究，但其在城市地区土壤和沉积物中的分布仍缺乏详细记录。大多数研究集中在自然或农业环境中，对于受人为因素（如铺砌表面、排水系统和改变的水流模式）影响区域的Be-7行为了解不足。虽然其他天然放射性核素在城市环境中的存在已被监测（Pehlivano?lu et al., 2024, Jankovi? et al., 2023），但Be-7在这一领域的研究仍然较少。研究其在城市土壤和路边沉积物中的存在可能会扩展Be-7作为环境示踪剂的适用范围。

丹尼（Denny）和巴斯卡兰（Baskaran）（2023）的一项值得注意的研究分析了底特律道路沉积物中的多种放射性核素，包括Be-7，以研究它们的化学形态并开发一种新的沉积物测年方法。他们的研究证实了Be-7在大都市环境中的存在和实用性，并指出了进一步分析地表径流驱动的物理传输过程的必要性。

为了更好地理解环境和人为因素（如地表径流和城市基础设施）如何影响Be-7的分布，本研究调查了城市地区土壤和沉积物中的Be-7活性。研究了三种不同的情景：自然土壤坡度、雨水排水沟以及河流附近沥青路缘积累的沉积物。分析基于使用NaI(Tl)探测器的伽马光谱技术，同时考虑了干扰放射性核素、康普顿散射和Be-7能量窗口内的对湮灭效应（约$\text{477.6}\text{keV}$）的影响（Borsoi et al., 2026）。

部分摘录

Be-7的检测

Be-7的检测方法基于在$\text{477.6}\text{keV}$能量窗口内的伽马射线计数，这是Be-7衰变的特征能量。然而，需要解决两个主要问题：来自探测器的背景计数以及钾（K）、铀（U）和钍（Th）的影响。为了解决第一个问题，首先进行了无样品的测量以确定背景计数，然后从总计数中减去背景计数。

降雨概况

图5展示了2024年3月至7月期间从水资源与土地研究所（Instituto água e Terra, IAT）获取的每日降水量数据（Instituto água e Terra (IAT) [Water and Land Institute], 2024）。由于Be-7主要通过湿沉降沉积到地面，因此降雨强度和时间直接影响其在土壤和沉积物样本中的活性。因此，在采样前分析降水历史是必要的。

结论

本研究的结果表明，Be-7的活性在城市不同采样环境中有差异。在铺砌道路旁的沉积物样本中测得的活性最高，达到$\text{873}\text{Bq/kg}$，而在自然土壤中的活性较低——从低于检测限（$\text{5}\text{Bq/kg}$到。这些发现表明，降雨引起的地表径流在Be-7的再分布中起着重要作用，使其在排水系统中集中。

CRediT作者贡献声明

安杰洛·扎诺纳·内托（Angelo Zanona Neto）：撰写——初稿、可视化、方法论、调查、正式分析、数据管理。罗德里戈·奥利维拉·巴斯托斯（Rodrigo Oliveira Bastos）：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论、调查、资金获取、数据管理、概念化。布鲁诺·维尼修斯·博尔索伊（Bruno Winicius Borsoi）：方法论、调查、数据管理。雷纳托·阿基奥·伊科卡（Renato Akio Ikeoka）：方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者使用了ChatGPT?进行英文语言修订。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。

资金来源

本工作得到了CNPq（项目编号306309/2023–8和404214/2021–5）以及INCT-FNA（项目编号408419/2024-5）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。