劉慶云，胡 翔，馬國學(xué)，馮 月，李立凡，韓巧葉

(北京市核與輻射安全中心，北京 100089)

分析土壤中放射性含量的方法主要使用HPGe γ譜儀對采集的土壤樣品前處理后進(jìn)行放射性活度測量。按照GB/T 11743—2013要求，使用HPGe γ譜儀進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)使用效率校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)體樣品的密度與被分析樣品的密度相同或盡量相近，以避免或減少密度差異的影響[1]。當(dāng)密度差異較大時(shí)，γ射線自吸收對測量結(jié)果影響較大，需要進(jìn)行自吸收修正。在常規(guī)輻射環(huán)境監(jiān)測中，由于各地區(qū)土壤性質(zhì)不同、制備樣品時(shí)的微小差異等因素使得待測樣品的密度與標(biāo)準(zhǔn)體樣品的密度經(jīng)常不一致。2015年—2020年，本實(shí)驗(yàn)室采集制備共321個(gè)環(huán)境土壤樣品，經(jīng)剔除雜草、碎石等異物、100 ℃烘干至恒重和壓碎過篩(40～60目)等預(yù)處理后，裝入φ75 mm×70 mm(體積約250 mL)圓柱體樣品盒中，裝樣質(zhì)量范圍為251.17～401.36 g，土壤密度范圍為1.00～1.61 g/cm3，密度差異較大。為此，本文使用國產(chǎn)無源效率計(jì)算軟件Gammacalib對不同密度的土壤樣品建模，計(jì)算分析γ能譜分析中土壤探測效率與密度相關(guān)性，解決探測效率隨樣品密度變化的修正問題。

1 實(shí)驗(yàn)儀器和材料

ORTEC公司生產(chǎn)的Detective-dx-100便攜式HPGe γ能譜儀，探測器為同軸P型高純鍺，相對探測效率40%，晶體尺寸為φ65 mm×50 mm；儀器經(jīng)國防科技工業(yè)電離輻射一級計(jì)量站檢定合格，檢定主要指標(biāo)結(jié)果為：1 332.5 keV的全吸收峰探測效率為5.67×10-4，點(diǎn)源60Co 1 332.5 keV γ射線能量分辨率(距離25 cm)2.19 keV，滿足《高純鍺γ能譜分析通用方法》(GB/T 11713—2015)中探測器相對探測效率大于20%(2.4×10-4)和對60Co 1 332.5 keV γ射線能量分辨率優(yōu)于2.5 keV的要求。檢定證書有效期兩年。

使用國產(chǎn)無源效率計(jì)算軟件，軟件名稱型號為Gammacalib V3.0，該軟件由北京中智核安科技有限公司研發(fā)并獲得發(fā)明專利，該軟件應(yīng)用數(shù)值積分的方法能夠快速計(jì)算HPGe及NaI探測器對放射性點(diǎn)源和體源的探測效率，以CAD軟件UGNX4.0(Unigraphics NX)為平臺，可實(shí)現(xiàn)對任意形狀體源的三維可視化快速建模[2-4]。無源效率計(jì)算軟件使用前需對探測器進(jìn)行參數(shù)表征，即建立空間中任意點(diǎn)發(fā)射出射線的探測效率角分布，表征工作在國防科技工業(yè)電離輻射一級計(jì)量站進(jìn)行，采用的放射源均為可溯源。圖1為表征過程的測量位置圖。根據(jù)各測量位置探測效率與計(jì)算效率偏差對探測器各參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，探測器表征結(jié)果相對誤差小于5%。

圖1 探測器表征測量位置

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 無源效率計(jì)算

利用UGNX4.0系統(tǒng)的“建?！蹦K，完成圓柱體樣品的創(chuàng)建。設(shè)置物體為γ源屬性或者為屏蔽物屬性，以及物體的結(jié)構(gòu)屬性，本次計(jì)算采用凸面體、回轉(zhuǎn)對稱的設(shè)置。矢量使用默認(rèn)設(shè)置：i=0，j=0，k=1，表示圓柱體的對稱軸與z軸同向，即圓柱體樣品直立在探測器上方。構(gòu)造圓柱體樣品盒時(shí)，采用大圓柱體中間挖出一個(gè)小圓柱體的方式構(gòu)建。樣品盒尺寸參數(shù)：外徑75 mm、內(nèi)徑70 mm、高70 mm、底厚2.5 mm、壁厚2.5 mm，樣品盒材質(zhì)為聚乙烯，密度為0.95 g/cm3，體源基質(zhì)為土壤，主要成分為70%SiO2、25%Al2O3、5%Fe2O3，參數(shù)設(shè)置完畢后，計(jì)算模型與材料設(shè)置界面如圖2所示。最后設(shè)置放射源的γ射線能量即可進(jìn)行效率計(jì)算，繪制能量與效率關(guān)系曲線圖。

圖2 圓柱體樣品計(jì)算模型界面

2.2 無源效率計(jì)算的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證無源效率計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度，使用含有241Am、109Cd、57Co、139Ce、113Sn、137Cs、54Mn、60Co、65Zn、88Y核素的標(biāo)準(zhǔn)土壤樣品，制備2個(gè)規(guī)格均為φ75 mm×70 mm圓柱體土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品，且經(jīng)國防科技工業(yè)電離輻射一級計(jì)量站校準(zhǔn)，質(zhì)量分別為276.71 g(密度1.11 g/cm3)和381.67 g(密度1.53 g/cm3)。

實(shí)驗(yàn)室γ能譜測量時(shí)，要求每個(gè)核素特征能量峰的累積計(jì)數(shù)大于10 000，在能譜上選取若干可忽略級聯(lián)效應(yīng)且沒有重疊的不同能量γ射線求出全吸收峰效率(扣本底凈計(jì)數(shù)率/單能γ射線發(fā)射率)，即可在坐標(biāo)紙上做出探測效率與γ射線能量的效率曲線或用excel、matlab等計(jì)算機(jī)軟件對各點(diǎn)作加權(quán)最小二乘法擬合得到效率曲線，在40～2 000 keV內(nèi)用n次對數(shù)多項(xiàng)式擬合可達(dá)到滿意的效果[5-6]。

對無源效率計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量效率結(jié)果進(jìn)行比較，兩種方法的探測效率列于表1。由表1可知，有源效率與無源效率之間的相對偏差在-7.6%～8.1%之間，參考文獻(xiàn)[3-4，7]使用國產(chǎn)Gammacalib無源效率計(jì)算軟件對土壤體源進(jìn)行效率計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的偏差范圍分別為3.95%～16.94%、1.09%～9.83%和-3.11%～-14.10%。參考文獻(xiàn)[8-9]使用Canberra公司的無源效率計(jì)算軟件LabSOCS對圓柱體樣品進(jìn)行效率計(jì)算時(shí)產(chǎn)生的偏差范圍在-12.0%～16.6%和7%～10%。本次無源效率計(jì)算偏差與其他無源效率計(jì)算結(jié)果基本吻合，可使用Gammacalib代替有源效率校準(zhǔn)。不論使用何種無源效率計(jì)算軟件，使用前對探測器進(jìn)行準(zhǔn)確的參數(shù)表征，建模時(shí)應(yīng)盡量與已知圓柱形標(biāo)準(zhǔn)樣品的介質(zhì)密度、組分相同，模型的相對位置與圓柱形標(biāo)準(zhǔn)樣品實(shí)際測量位置保持一致，才可將偏差控制在盡量小的范圍。

表1 兩種效率刻度方法的結(jié)果比較

2.3 探測效率與密度相關(guān)性計(jì)算與分析

2.3.1不同密度樣品的探測效率

《輻射環(huán)境監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 61—2021)要求土壤中γ核素分析項(xiàng)目一般為238U、232Th、226Ra、40K、137Cs、134Cs、54Mn、58Co、60Co、95Zr、110mAg、144Ce等放射性核素，使用Gammacalib軟件分別計(jì)算密度1.00～1.70 g/cm3之間模擬土壤的探測效率，幾種模擬土壤的組分列于表2，密度間隔0.10 g/cm3。無源效率軟件擬合結(jié)果列于表3。

表2 模擬土壤組分(單位：g/cm3) Composition of simulated soil (Unit:g/cm3)

表3 無源效率計(jì)算結(jié)果的擬合函數(shù)

2.3.2探測效率與密度相關(guān)性分析

根據(jù)表3擬合效率曲線，可得到土壤中γ核素分析項(xiàng)目238U、232Th、226Ra、40K、137Cs、134Cs、54Mn、58Co、60Co、95Zr、110mAg、144Ce等核素不同能量的探測效率，對某一能量Ei下的8種不同密度效率εi按二次多項(xiàng)式擬合，得到相應(yīng)于各個(gè)能量的一組回歸方程：εi=β0+β1ρ+β2ρ2，相關(guān)系數(shù)在0.938～0.992之間，各方程參數(shù)列于表4。測量密度分別為1.28 g/cm3和1.36 g/cm3已知活度的土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品，與ε～ρ回歸方程擬合出的探測效率比較，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好，密度為1.28 g/cm3和1.36 g/cm3的相對探測效率最大偏差分別為10.97%和8.97%，主要受峰面積統(tǒng)計(jì)誤差影響，表明ε～ρ回歸方程在相應(yīng)條件下適用，將待分析核素相應(yīng)能量值(keV)代入ε～ρ回歸方程即獲得任意密度的探測效率。

表4 無源效率軟件計(jì)算結(jié)果(%)

圖3 相對探測效率實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值比較

3 結(jié)論

本文驗(yàn)證了國產(chǎn)無源效率計(jì)算軟件Gammacalib的準(zhǔn)確性，通過對8種不同密度的土壤樣品建模，計(jì)算探測效率并進(jìn)行分析，探測效率與土壤密度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.938～0.992之間，通過測量密度分別為1.28 g/cm3和1.36 g/cm3已知活度的土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品，其得到的探測效率與無源效率計(jì)算軟件Gammacalib得到的效率比較，最大偏差分別為10.97%和8.97%，表明ε～ρ回歸方程在相應(yīng)條件下適用性良好，可為環(huán)境土壤樣品的密度差異效率修正提供參考，對使用γ能譜分析不同密度土壤樣品帶來便利。