杜云武, 陳 立, 趙 強(qiáng), 王 茜, 李雪泓

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測(cè)中心站，成都 610031)

·環(huán)境輻射·

全國(guó)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量γ放射性核素考核分析方法

杜云武, 陳 立, 趙 強(qiáng), 王 茜, 李雪泓

(四川省輻射環(huán)境管理監(jiān)測(cè)中心站，成都 610031)

分析放射性核素的種類和能譜特征，梳理能譜峰面積計(jì)算參數(shù)和計(jì)算公式；采用增加水吸收層測(cè)量級(jí)聯(lián)γ輻射核素的方法和采用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)無(wú)源效率刻度分析非級(jí)聯(lián)γ輻射核素的方法，測(cè)量相對(duì)偏差小于3.5%。

能譜峰形；半高寬；無(wú)源效率刻度；級(jí)聯(lián)γ符合

1 引 言

我國(guó)省級(jí)輻射站日常環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)主要是天然核素和137Cs核素。對(duì)于自然伽馬能譜分析方法，重點(diǎn)采用基于最小二乘法的5能窗譜數(shù)據(jù)處理方法[1]。加強(qiáng)物質(zhì)屏蔽、提高測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)樣品的含量與幾何尺寸等措施，來(lái)提高自然伽馬能譜分析的精度[2]。

隨著國(guó)家核電中長(zhǎng)期規(guī)劃的落實(shí)，環(huán)境保護(hù)部逐步重視核設(shè)施的監(jiān)測(cè)能力，2014、2016年開(kāi)展了兩次全國(guó)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量考核。2014年考核項(xiàng)目《活性炭盒中γ核素》，2016年考核項(xiàng)目《水中γ放射性核素》，這些核素主要是核工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈后端的核素，210Pb屬天然核素，對(duì)人類天然本底貢獻(xiàn)的關(guān)注度大，因210Pb核素發(fā)出的γ射線能量較低，需要探測(cè)器低能端性能好，加之低能X、γ射線的干擾，210Pb核素測(cè)量方法主要是放化分析。

2 分析原理

2.1 能譜峰形刻度

使用γ能譜儀測(cè)量放射性核素活度，首先要對(duì)其進(jìn)行能量刻度，最好要求多道分析器ADC為16k。所有電子學(xué)儀器能夠調(diào)節(jié)以保證所測(cè)能譜峰的半高寬至少為6道[3]。

實(shí)驗(yàn)室一般用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)伽馬能譜進(jìn)行能量和峰形刻度。但是伽馬能譜儀的能量分辨率和峰形會(huì)隨不同測(cè)量條件和樣品而有所變化。對(duì)樣品進(jìn)行能譜分析時(shí)，應(yīng)將樣品能譜重新進(jìn)行能量和峰形刻度，來(lái)計(jì)算其峰面積。能譜能量、半高寬刻度函數(shù)分別見(jiàn)公式(1)、(2)，能峰拖尾參數(shù)刻度函數(shù)見(jiàn)公式(3)。

E=c0+c1X

(1)

(2)

TAIL=t0+t1E

(3)

E為能量；FWHM為半高寬；TAIL為拖尾參數(shù)；a0、a1、t0、t1、c0、c1為刻度系數(shù)。

2.2 探測(cè)效率校準(zhǔn)方法

當(dāng)采用相對(duì)比較法測(cè)量時(shí)，使用校準(zhǔn)證書(shū)給出的數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)核素的探測(cè)效率。當(dāng)無(wú)所測(cè)樣品的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)，先測(cè)量已有的其他標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)能譜，再用無(wú)源效率刻度方法分析該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的核素活度值，用該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)放射性核素校準(zhǔn)值來(lái)校準(zhǔn)無(wú)源效率刻度的測(cè)量參數(shù)(如：吸收層厚度、源與探測(cè)器距離、物質(zhì)化學(xué)組分等)，最后可用得到的測(cè)量參數(shù)對(duì)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的樣品進(jìn)行無(wú)源效率刻度。

2.3 γ放射性核素的分類

高純鍺γ能譜儀測(cè)量級(jí)聯(lián)γ輻射核素能譜時(shí)，一般會(huì)產(chǎn)生級(jí)聯(lián)符合效應(yīng)，即產(chǎn)生符合相加能峰，以使全能量峰面積計(jì)數(shù)減小。若果在進(jìn)行樣品探測(cè)效率刻度時(shí)，未考慮符合效應(yīng)，測(cè)量結(jié)果會(huì)偏小。通常實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或用無(wú)源效率刻度，一般不會(huì)考慮級(jí)聯(lián)符合效應(yīng)，因而測(cè)量γ放射性核素的活度時(shí)，應(yīng)首先對(duì)所需測(cè)量的核素進(jìn)行分類，根據(jù)其核素衰變綱圖，識(shí)別出級(jí)聯(lián)γ輻射核素(有的是低能特征X射線與γ射線符合的核素)和非級(jí)聯(lián)γ輻射核素。

2.4 能譜峰的分類

對(duì)于理想的能譜，全能峰服從高斯分布，全能峰左右兩邊是對(duì)稱的，全能峰的半高寬一般是服從能量平方根關(guān)系，全能峰的寬度約為3倍半高寬。γ能譜峰的不對(duì)稱性主要由探測(cè)器晶體缺陷俘獲載流子造成其減少和彈道虧損引起的能峰出現(xiàn)低能尾部[3]。

高純鍺γ能譜儀在測(cè)量γ能譜時(shí)，其能譜會(huì)出現(xiàn)全能峰低能端拖尾現(xiàn)象，使得全能峰的左邊界增大，峰拖尾服從能量的一次方關(guān)系。當(dāng)計(jì)數(shù)率很高時(shí)(一般大于100 000每秒)，會(huì)出現(xiàn)全能峰高能端拖尾，使得全能峰的右邊界增大。當(dāng)相鄰兩個(gè)峰的間距小于3倍半高寬時(shí)，兩個(gè)峰為干擾峰。當(dāng)兩個(gè)峰間距一般大于3個(gè)半高寬時(shí)，兩個(gè)峰為非干擾能峰。當(dāng)兩個(gè)峰重疊在一起，成為重峰。能譜中一般有干擾峰、全能峰、符合相加峰、符合相減峰、單逃逸峰、雙逃逸峰、反散射峰(184keV左右)、特征X射線峰和正負(fù)電子湮滅峰等。

2.5 級(jí)聯(lián)γ輻射核素的測(cè)量方法

級(jí)聯(lián)γ和損失的嚴(yán)重程度取決于給定的核素的衰變綱圖和測(cè)量幾何的總效率。總效率越高，級(jí)聯(lián)γ符和損失越大。當(dāng)源與探測(cè)器距離越小，探測(cè)器體積越大，級(jí)聯(lián)γ符和損失越嚴(yán)重。

在探測(cè)器與樣品間放置一定厚度的水吸收層進(jìn)行能譜測(cè)量，可以顯著降低探測(cè)效率，從而減弱級(jí)聯(lián)符合的影響。

2.6 能譜非干擾能峰面積參數(shù)

(4)

(5)

B為全能峰本底計(jì)數(shù)；B1為全能峰左邊康普頓坪本底計(jì)數(shù)；B2為全能峰右邊康普頓坪本底計(jì)數(shù)；n為全能峰康普頓坪本底道數(shù)；N為全能峰道數(shù)；G為全能峰總計(jì)數(shù)；yi為全能峰第i道計(jì)數(shù)。

2.7 能譜干擾峰面積參數(shù)

2.8 理想高斯分布峰面積

2.9 實(shí)際峰面積計(jì)算公式

實(shí)際全能峰存在低能端拖尾現(xiàn)象，峰的左右側(cè)是不對(duì)稱的，峰形S0.1>1、S0.02>1，全能峰面積由兩部分組成，一部分為峰右側(cè)符合高斯分布的面積，其公式為(6)，另一部分為帶有拖尾的非高斯分布面積，其公式為(7)。峰的總面積Pa=Ag+Aτ。

(6)

(7)

Ag為峰右側(cè)面積；Aτ為峰左側(cè)面積；Cp為峰中心位置；τ為拖尾參數(shù)；σ為標(biāo)準(zhǔn)誤差；Rr為峰右邊界位置；Rl為峰左邊界位置；x為全能峰的各道位置；H為峰的高度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2014年9月考核項(xiàng)目《活性炭盒中γ核素測(cè)量》，分析核素為133Ba、137Cs、152Eu和60Co。其中241Ba、152Eu和60Co屬于級(jí)聯(lián)γ輻射核素，需要考慮符合效應(yīng)的影響[4]，137Cs核素屬于非級(jí)聯(lián)γ輻射核素。

采用Canberra的GX8023高純鍺譜儀，分析中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供的TEDA TC-45活性炭盒校準(zhǔn)源(編號(hào)：4NDH-0902)的γ核素，該樣品尺寸為Φ57mm×27mm，炭盒內(nèi)徑49mm，高度為21mm，塑料樣品盒壁厚為1.5mm，樣品密度為0.64g/cm3。活性炭盒樣品放射性核素活度校準(zhǔn)值為137CS：1 670Bq、133Ba：6 724Bq、152Eu：5 610Bq、60Co：1 162Bq。

采用優(yōu)普超純水機(jī)對(duì)自來(lái)水進(jìn)行去離子，純凈水的電導(dǎo)率為11.8μS/cm。吸收層采用該純凈水，水吸收層厚度為70mm，圓柱體塑料容器內(nèi)徑為75cm，壁厚為1.5mm，塑料容器用于盛裝水。水的密度為1g/cm3，容器壁密度為1.5g/cm3。樣品測(cè)量示意見(jiàn)圖1。

圖1 樣品測(cè)量示意圖Fig.1 Schematic diagram of TC-45 sample measurement

計(jì)算所選133Ba核素γ能量為383keV；152Eu核素γ能量1 408.0keV；60Co核素γ能量為1 173.2keV；137Cs核素γ能量為661.66keV。383keV、1 408.0keV、1 173.2keV能峰均為非干擾能峰，383keV、1 408keV、1173.2keV峰也為符合相減峰。656.6keV為152Eu 符合相加峰，137Cs核素661.66keV能峰受到656keV峰干擾。137Cs核素為非級(jí)聯(lián)γ輻射核素。

TC-45樣品能譜峰形刻度函數(shù)見(jiàn)(8)、(9)，計(jì)算出TC-45樣品中60Co、137Cs、133Ba、152Eu放射性核素活度。所選全能峰面積計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差小于0.8%，活度計(jì)算結(jié)果列入表1。

(8)

TAIL=0.7861+0.000 638×E

(9)

表1表明：在樣品與探測(cè)器間放置一定厚度的水吸收層能夠很好改善級(jí)聯(lián)γ符合效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2016年8月考核項(xiàng)目《水中γ放射性核素》，分析核素為210Pb、123mTe、51Cr、113Sn、85Sr、88Y、241Am、109Cd、57Co、137Cs和60Co等。

采用國(guó)家環(huán)境保護(hù)部輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)中心的氣溶膠濾膜流轉(zhuǎn)刻度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(規(guī)格Φ50mm*6.7mm，編號(hào)8604-EG-CH)，來(lái)校準(zhǔn)水體樣的探測(cè)效率。用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究水體效率校準(zhǔn)源(編號(hào)13NST/70-0806，規(guī)格Φ75mm*70mm)來(lái)驗(yàn)證分析方法。

氣溶膠濾膜流轉(zhuǎn)刻度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(規(guī)格Φ50mm*6.7mm，編號(hào)8604-EG-CH)含88Y、60Co、57Co、139Ce、85Sr、109Cd、51Cr、54Mn、65Zn、113Sn、241Am、137Cs，未含210Pb。88Y的1 836.01kev的單逃逸峰1 325.01keV與60Co的1332.49keV形成干擾峰。級(jí)聯(lián)γ輻射核素60Co、88Y、57Co發(fā)射的級(jí)聯(lián)γ射線會(huì)符合相加，57Co的122.06keV、14keVγ射線符合相加，60Co的1 173keV、1 332keVγ射線符合相加，88Y的898keV、1836keVγ射線符合相加。139Ce的165.85keVγ射線和139Ce發(fā)射的33.44keV、33.03keV、37.8kev低能X射線真符合相加，85Sr的514keVγ射線和85Sr發(fā)射的13.33keV、13.39keV、15keV低能X射線真符合相加，109Cd的88.03keVγ射線和109Cd發(fā)射的22.16keV、21.99keV低能X射線真符合相加。

表1 TC-45放射性核素活度測(cè)量結(jié)果Tab.1 Results of radionuclide activity measurement of TC-45 sample

選用非級(jí)聯(lián)γ輻射核素51Cr、54Mn、65Zn、113Sn、241Am、137Cs，其γ能量覆蓋低中高能量端，來(lái)進(jìn)行無(wú)源效率刻度校準(zhǔn)。采用Canberra的BE6530高純鍺譜儀，測(cè)量氣溶膠濾膜流轉(zhuǎn)刻度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的結(jié)果見(jiàn)表2，校準(zhǔn)得到BE6530高純鍺譜儀探測(cè)器源距離為5mm、吸收層為2mm厚塑料。

用校準(zhǔn)出的源距離、吸收層和水體校準(zhǔn)源(編號(hào)13NST/70-0806，規(guī)格Φ75mm*70mm)的幾何尺寸、容器材料組分以及水體源的組分、密度，用無(wú)源效率刻度方法，得出BE6530高純鍺伽馬能譜儀的水體校準(zhǔn)源的探測(cè)效率見(jiàn)圖2。

水體校準(zhǔn)源的核素有210Pb、137Cs、54Mn、51Cr等核素，137Cs、51Cr、54Mn的能峰均為非干擾能峰，210Pb為干擾峰(46.49keV受到49.41keV干擾)，46.49keV、49.41keV峰之間峰距離小于3個(gè)半高寬。水體校準(zhǔn)源測(cè)量值見(jiàn)表3，其能譜峰形刻度函數(shù)為(10)、(11)。表3表明，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的無(wú)源效率刻度的計(jì)算結(jié)果滿足測(cè)量要求。

(10)

TAIL=0.979 8+0.000 389×E

(11)

4 結(jié) 論

測(cè)量分析時(shí)，對(duì)分析的核素種類進(jìn)行分類是非常必要的，若有級(jí)聯(lián)γ輻射核素或特征X射線與γ射線符合的核素，可以分成兩個(gè)步驟進(jìn)行測(cè)量。第一步，源與探測(cè)器間無(wú)吸收層情況下，即直接將樣品放在探測(cè)器端帽頂部，這樣探測(cè)效率最大，在短時(shí)間內(nèi)全能峰面積容易達(dá)到統(tǒng)計(jì)要求。這樣不引入吸收層帶來(lái)的誤差，并很容易滿足統(tǒng)計(jì)誤差的需要，可以計(jì)算出非級(jí)聯(lián)γ輻射核素的活度作為測(cè)量結(jié)果值。第二步，在源與探測(cè)器間放置75cm厚的去離子水吸收層，測(cè)量出非級(jí)聯(lián)γ輻射核素和級(jí)聯(lián)輻射核素的活度，當(dāng)非級(jí)聯(lián)γ輻射核素的活度值與第一步的測(cè)量值接近時(shí)，測(cè)量出的級(jí)聯(lián)γ輻射核素的活度值可作為測(cè)量結(jié)果值。

級(jí)聯(lián)γ符合測(cè)量方法，可以在探測(cè)器與樣品間增加75cm厚的水吸收層(吸收低能X射線、減小γ射線探測(cè)效率)，降低樣品的探測(cè)效率，從而降低符合效應(yīng)的影響，測(cè)量相對(duì)偏差可以控制在3.5%內(nèi)。水作為吸收層，因其組分明確簡(jiǎn)單，有利于無(wú)源效率刻度。

表2 8604-EG-CH放射性核素活度測(cè)量結(jié)果Tab.2 Results of radionuclide activity measurement of 8604-EG-CH sample

圖2 13NST/70-0806探測(cè)效率曲線Fig.2 Detection efficiency curve of 13NST/70-0806

核素能量峰顯著度FWHM(keV)TAIL(keV)RL(FWHM)RR(FWHM)峰距離(FWHM)道寬(keV)康普頓坪寬度(FWHM)活度(Bq)校準(zhǔn)值(Bq)相對(duì)偏差(%)210Pb46.5611.2060.9981.7671.550.2640.656292298-2.0137Cs661.668851.7051.2371.9071.530.2640.46418141848-1.854Mn834.858251.7891.3041.9011.530.2640.44317151727-0.651Cr320.081891.4981.1041.8881.530.2640.528772798-3.2

峰邊界的選取和峰間距的選擇直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。非干擾能峰的峰間距一般選擇3倍半高寬，干擾峰的峰間距一般可選擇4、5倍半高寬。峰右邊界一般選擇1.5倍半高寬；峰左邊界選擇，應(yīng)根據(jù)測(cè)量樣品的能量分辨率、峰形刻度參數(shù)計(jì)算結(jié)果，不低于1.5倍半高寬。峰康普頓坪寬度一般選4道或一個(gè)半高寬，若受鄰近峰干擾，可以適當(dāng)減小。

無(wú)源效率刻度校準(zhǔn)。當(dāng)實(shí)驗(yàn)室只有一種標(biāo)準(zhǔn)樣品時(shí)，需要測(cè)量其他樣品時(shí)，可以用無(wú)源效率刻度辦法來(lái)測(cè)量該標(biāo)準(zhǔn)樣品，用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)值來(lái)校準(zhǔn)無(wú)源效率刻度的幾何、材料等參數(shù)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后的參數(shù)可以用于刻度無(wú)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的樣品的探測(cè)效率。

γ能譜儀能量刻度，應(yīng)使所測(cè)能峰半高寬最好有6道以上。

[1] 李傳偉，廖琪梅，李安宗，等.自然伽馬能譜解譜方法研究[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2008,28(4):796-800.

[2] 朱國(guó)欽，鄭仁淑，查傳鈺.自然伽馬能譜測(cè)量及其分析精度的研究[J].江漢石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1997,19(4):43-47.

[3] GB/T 7167-2008，鍺γ射線探測(cè)器測(cè)試方法[S].

[4] GB/T 11713-2015，高純鍺γ能譜分析通用方法[S].

Analysis Method of γ Radionuclide Examination of National Radiation Environmental Monitoring Quality

DU Yun-wu， CHEN Li， ZHAO Qiang， WANG Qian， LI Xue-hong

(SichuanManagement&MonitoringCenterStationofRadioactiveEnvironment,Chengdu610031,China)

The species and energy spectrum characteristics of radionuclides is analyzed and the calculation parameters and calculation formula of the peak area of the energy spectrum are summarized. Using a method of measuring cascade gamma radiation by adding water absorption layer and a method of analyzing non cascade radiation isotope by standard material calibration efficiency calibration without a radioactive source, the measurement relative deviation is less than 3.5%.

Energy spectrum peak; FWHM; efficiency calibration without a radioactive source; cascade gamma coincidence

2016-11-16

杜云武(1970-)，男，成都人，2009年畢業(yè)于四川大學(xué)粒子物理與原子核物理專業(yè)，碩士，主要從事輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)方面工作。

X703

A

1001-3644(2017)01-0130-05