于安雁 趙永生 丁 泮（海南核電有限公司，海南 昌江 572733）

結(jié)論

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降低HPGeγ譜儀探測(cè)限的方法的探討

于安雁 趙永生 丁 泮
（海南核電有限公司，海南 昌江 572733）

摘 要：對(duì)于核電廠放射性流出物的濃度及排放量國(guó)家有嚴(yán)格的控制，而對(duì)于低于探測(cè)限的測(cè)量結(jié)果，需要按照探測(cè)限的1/2統(tǒng)計(jì)，可見(jiàn)降低探測(cè)限的重要性。本文通過(guò)日常工作中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，探討了降低HPGeγ譜儀探測(cè)限的幾種方法。關(guān)鍵詞：放射性流出物；HPGe；探測(cè)限

1 概述

根據(jù)《GB 6249-2011核動(dòng)力廠環(huán)境輻射防護(hù)規(guī)定》，核電廠在放射性流出物測(cè)量分析中，對(duì)于低于探測(cè)限的相關(guān)測(cè)量結(jié)果應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行合理估算，確實(shí)無(wú)法估算的，在排放量統(tǒng)計(jì)時(shí)按探測(cè)限（簡(jiǎn)稱MDA）的1/2取值進(jìn)行。所以流出物實(shí)驗(yàn)室探測(cè)限的確定至關(guān)重要。本文將以高純鍺γ譜儀為例，探尋降低探測(cè)限的方法。

2 儀器原理

放射性核素產(chǎn)生的γ光子和X射線，其能量一般在keV至MeV范圍。由于其不帶電荷，通過(guò)物質(zhì)時(shí)不能直接使物質(zhì)產(chǎn)生電離，不能直接被探測(cè)到，因此γ和X射線的探測(cè)主要依賴于其通過(guò)物質(zhì)時(shí)與物質(zhì)原子相互作用，并將全部或部分光子能量傳遞給吸收物質(zhì)中的一個(gè)電子。這種相互作用表現(xiàn)出光子的突變性和多樣性，在吸收物質(zhì)中主要產(chǎn)生三種不同類(lèi)型的相互作用：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)或電子對(duì)效應(yīng)，而產(chǎn)生的次級(jí)電子（光電子）再引起物質(zhì)的電離和激發(fā)，形成電脈沖流，電脈沖的幅度γ和X射線的能量成正比。在3種效應(yīng)中，光電效應(yīng)的γ光子把全部能量傳遞給光電子而產(chǎn)生全能峰，它是譜儀系統(tǒng)中用于定性定量分析的主要信號(hào)；而康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)則會(huì)產(chǎn)生干擾，應(yīng)盡可能地予以抑制。

在HPGeγ譜儀中，探測(cè)器（包括晶體、高壓和前置放大器）實(shí)際上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，將光子的能量轉(zhuǎn)變成幅度與其成正比的電脈沖。然后通過(guò)譜儀放大器將該脈沖成形并線性放大，再送入模數(shù)變換器（ADC）中將輸入信號(hào)根據(jù)其脈沖幅度轉(zhuǎn)變成一組數(shù)字信號(hào)，并將該數(shù)字信號(hào)送入多道計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，由相關(guān)軟件形成譜圖并進(jìn)行分析。

2.1 HPGeγ譜儀自帶的MDA計(jì)算方法

在Gamma Vision軟件中選擇“傳統(tǒng)ORTEC”計(jì)算方法，計(jì)算公式如下：

式中：

CRmda=所選計(jì)算方法的MDA計(jì)數(shù)率（cps）

SENS=.SDF文件（譜描述文件）中所描述的峰甄別閾值（%）

LT=測(cè)量活時(shí)間（sec）

B1=本底

式中：

MDA=指定γ射線的MDA報(bào)告值（Bq）

CRmda=對(duì)應(yīng)所選方法的MDA計(jì)數(shù)率（cps）

MDAconv=換算因子，將一個(gè)MDA計(jì)數(shù)率換算成一個(gè)活度

其中：

式中：

CR=峰識(shí)別概要報(bào)告中給出的峰計(jì)數(shù)率（cps）

Actrep=峰報(bào)告中給出的核素庫(kù)中的γ射線活度（Bq）

2.2 一般文獻(xiàn)計(jì)算方法

按照文獻(xiàn)，給出的計(jì)算方法

其中：

K=置信常數(shù)，一般置信度取95%，則K=1.645

LD=探測(cè)下限（cps）

ts=樣品測(cè)量時(shí)間（s）

tb=本底測(cè)量時(shí)間（s）

按照公式（4），有關(guān)MDA的一般做法是先測(cè)本底譜，這是沒(méi)有實(shí)際意義的。因?yàn)閷?duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)、流出物監(jiān)測(cè)等應(yīng)用項(xiàng)目，由于取樣的時(shí)間、地點(diǎn)等因素的變化，一般很難控制樣品中其他核素的成分和強(qiáng)度，由他們形成的康普頓本底也就是不可避免且難以控制的。因而，必須從同一個(gè)樣品譜中解出樣品的凈計(jì)數(shù)和本底，給出判斷結(jié)果。

3 測(cè)量條件及結(jié)果

3.1 測(cè)量條件

此次實(shí)驗(yàn)室使用的儀器為ORTEC公司的GEM30P4-76型高純鍺γ譜儀，其探測(cè)效率為30%。在室溫條件下，利用容量為1L的馬林杯測(cè)量液體樣品，測(cè)量時(shí)間為15000s，得到各γ核素的探測(cè)限如下。

3.2 測(cè)量結(jié)果

此次測(cè)量結(jié)果是由與高純鍺γ譜儀配套使用的Gamma Vision軟件自動(dòng)計(jì)算得出的，具體內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1液態(tài)流出物探測(cè)下限　濃度單位：Bq/m3

4 探測(cè)限影響因素分析

從式（1）可以看出，影響MDA值的主要因素為測(cè)量時(shí)間和環(huán)境本底值。測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，環(huán)境本底越小，則MDA值越小。表2為我電廠液態(tài)流出物探測(cè)限與其他兩個(gè)電廠的比較。

表2各電廠液態(tài)流出物探測(cè)下限比較　濃度單位：Bq/m3

我廠與電廠B使用的高純鍺γ譜儀相同，即ORTEC公司的GEM30P4-76型，而電廠A使用的高純鍺γ譜儀為ORTEC公司生產(chǎn)的GEM30185型，但相對(duì)效率與我廠使用的高純鍺γ譜儀相同，也是30%（對(duì)60Co的1332keVγ射線）。

從表2中可以看出，我廠探測(cè)限明顯比電廠A低很多，而與電廠B結(jié)果則相差不大。下面將從兩個(gè)方面具體分析降低探測(cè)限的方法。

4.1 測(cè)量時(shí)間對(duì)探測(cè)限的影響

在相同條件下，同一樣品在同一臺(tái)儀器上，分別測(cè)量10000s和15000s時(shí)，各核素的MDA值見(jiàn)表3。

表3液態(tài)流出物同一樣品、不同測(cè)量時(shí)間下的探測(cè)限　濃度單位：Bq/m3

從表3可以看出，在相同條件下，對(duì)于同一樣品，增加測(cè)量時(shí)間，環(huán)境本底也會(huì)有所降低，核素的MDA值會(huì)明顯減小。所以我們可以得出結(jié)論，在其他條件相同的情況下，增加樣品測(cè)量時(shí)間可以降低探測(cè)限。

4.2 環(huán)境本底對(duì)探測(cè)限的影響

除了測(cè)量時(shí)間，另外一個(gè)影響MDA值大小的主要因素就是本底。本底計(jì)數(shù)由三部分組成，即γ射線譜基線本底、天然γ射線峰本底和其他核素的干擾峰本底，其中γ射線譜基線本底又由康普頓散射本底和電子噪音本底組成。

由于基線本底計(jì)數(shù)大小會(huì)受到高能峰康普頓坪的影響，因此即使對(duì)同類(lèi)樣品測(cè)量，并且測(cè)量時(shí)間、樣品量以及樣品的幾何尺寸都相同，其探測(cè)限也不會(huì)完全一致。

與電廠A針對(duì)同一型號(hào)的HPGeγ譜儀，做過(guò)多次本底測(cè)量的比較，事實(shí)證明我廠在絕大多數(shù)情況下，我廠環(huán)境本底值低于A電廠。由此可以說(shuō)明環(huán)境本底值越小，探測(cè)限也會(huì)越低。

但另外一點(diǎn)需要說(shuō)明的是，按照文獻(xiàn)，有關(guān)MDA的一般做法是先測(cè)本底譜，這是沒(méi)有實(shí)際意義的。因?yàn)閷?duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用項(xiàng)目，由于取樣的時(shí)間、地點(diǎn)等因素的變化，一般很難控制樣品中其他核素的成分和強(qiáng)度，由他們形成的康普頓本底也就是不可避免且難以控制的。因而，必須從同一個(gè)樣品譜中解出樣品的凈計(jì)數(shù)和本底，給出判斷結(jié)果。

結(jié)論

從以上分析可以看出，增加樣品測(cè)量時(shí)間和降低環(huán)境本底，在一定程度上可以降低HPGeγ譜儀的探測(cè)限。但從公式（1）中也可以看出，當(dāng)測(cè)量時(shí)間達(dá)到一定程度，即使再增加測(cè)量時(shí)間，對(duì)于減小MDA值也無(wú)太多貢獻(xiàn)。所以在計(jì)算HPGeγ譜儀的探測(cè)限時(shí)，可以從增加測(cè)量時(shí)間和降低環(huán)境本底兩方面考慮，從而降低其探測(cè)限。

參考文獻(xiàn)

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