液闪TDCR活度测量装置的研制

吴永乐， 梁珺成， 刘浩然，， 柳加成1，， 姚顺和，

岳会国1， 刘森林2， 杨元第3， 袁大庆2

液闪TDCR活度测量装置的研制

吴永乐1，2， 梁珺成3， 刘浩然2，3， 柳加成1，3， 姚顺和2，

岳会国1， 刘森林2， 杨元第3， 袁大庆2

（1.环保部核与辐射安全中心，北京 100082； 2.中国原子能科学研究院，北京 102413；3.中国计量科学研究院，北京 100013）

建立了基于效率计算的液闪三双符合比活度测量装置，通过设定甄别阈、扩展死时间、符合技术手段消除了光电倍增管的热噪声和余后脉冲的影响。该装置测量氚水、14C和99Tc的双管符合探测效率达到54%、96.2%和97.2%。用NIST氚水标准物质对新建立的实验装置进行验证，En数检验结果满意。

计量学；液闪计数器；三双符合比方法；活度测量

1 引 言

液闪三双符合比（triple-to-double coincidence ratio，TDCR）方法采用装配有3个光电倍增管的液闪计数器，利用三管符合与三组双管符合计数计算探测效率，不需要使用标准源对仪器进行效率刻度，是一种放射性活度绝对测量方法。1992年，法国的LNHB实验室［1］和波兰的RSA实验室［2］首次提出TDCR效率计算方法。随后，许多国家计量实验室均建立了液闪TDCR装置，作为测量纯β衰变核素活度的国家基准。近年来，国际计量局（BIPM）已将TDCR方法作为纯β衰变核素活度测量参考方法，并组织了多次国际比对。

2 液闪TDCR方法基本原理

TDCR方法的基本原理［3～5］为假设液闪源发出的光子被探测到的概率服从泊松分布p（EQ（E）／λ），3个光电倍增管的放置是对称的，则单个光电倍增管的探测效率ε为式中，Emax为粒子最大能量；S（E）为归一后的β能谱，可由费米理论算出；Q（E）为Birk电离淬灭函数；λ为自由参数，为光阴极每产生1个光电子所需的有效能量，其值与闪烁液、光电倍增管和光室几何有关。Birk电离淬灭函数Q（E）用于计算闪烁液发出光子数与入射粒子能量非线性，为式中，kB为Birk因子，是仅与闪烁液有关的常数，一般在0.007～0.015 cm／MeV区间；dE／dX为闪烁液的电子阻止本领，可以用Bethe-Bloch公式计算得到。对于给定的闪烁液体系，式（1）和式（2）中只有Birk因子kB和自由参数λ为未知参数。

液闪TDCR活度测量装置见图1，利用所测3个光电倍增管（A、B、C）的三重符合（T）和两重符合（AB、BC、CA）的计数率NT、NAB、NBC和NCA来计算3个光电倍增管的自由参数λ。设3个光电倍增的自由参数分别为λA、λB、λC，则三重符合效率εT和两重符合效率εXY（XY＝AB，BC或CA）分别为

图1 液闪TDCR装置框图

计算效率时，首先指定一个kB值，利用单纯形最优化算法求出使得目标函数Δ达到最小值的λA、λB、λC即为所求自由参数，从而计算出指定kB值的探测效率。

然后可用式（3）或式（4）计算出液闪源的探测效率，从而得到待测源的活度A

若计算效率时kB值选定恰当，同一个液闪源在不同效率点所计算的活度相同；若kB值选择过低，测量的活度随着探测效率降低而降低；若kB值选择过高，测量的活度随着探测效率降低而变高。

3 液闪TDCR装置的建立

本文建立的液闪TDCR装置见图1，液闪源置于光室中心，面向液闪源的是3个互成120°角光电倍增管（PMT）。设计装置时，主要考虑影响其效率的3个关键因素：闪烁液、PMT和光室等。一般情况下，待测放射性溶液含有水或酸，会造成闪烁液体系电离淬灭，所以选择载水能力和抗淬灭能力较好的UltimaGoldTMAB型闪烁液。光室采用双层设计，内层用圆柱形白色聚四氟掏空制成并在内壁涂上TiO2基涂料来提高光室反射率，以增加液闪源发出的荧光打到PMT的概率；外层采用黑化后的铝，固定装有PMT的内、外套筒。套筒由铝柱同轴掏空制成并黑化处理其内、外壁，以达到更好的避光效果。为使3个PMTs效率尽量相近，套筒设计成可调PMT到液闪小瓶的距离，可调范围为0～25mm。由于PMT窗体材料发射的γ射线入射到闪烁液中造成的本底计数与暗电流、后脉冲不同，无法采用符合方法排除，所以选择天然放射性40K、Th和U等核素含量比硼玻璃低几个量级的石英玻璃窗。同时为提高装置效率，PMT选择增益高、量子产额高的Electron Tube公司生产的9235QSB。

PMTs的高压由ORTEC 556高压电源提供，输出信号经CAEN N978快放大器放大后的输入到符合单元MAC3。符合单元MAC3是集甄别器、符合、死时间控制为一体的电子学插件［6］。MAC3先把输入信号（A、B、C）经过甄别阈单元进行时间检出，成形为宽度相同的逻辑脉冲，再进行逻辑相加（A＋B＋C，S）作为死时间控制单元的触发信号。为消除光电倍增管余后脉冲的影响，MAC3采用扩展死时间模式，死时间设定为47μs。由于3个道使用同一死时间控制单元，死时间是相同的。死时间内将会关闭所有输入道（A、B、C），不再接受输入信息。当所有输入道关闭以后，3个输入信号将会进行两重符合（AB、BC、CA），三重符合（T）、两重符合逻辑相加（AB＋BC＋CA，D），符合分辨时间为40 ns。由于死时间触发信号为3个PMT的逻辑相加信号（S），会存在1个或2个PMT探测到信号，而另外的PMT没有探测到信号，因此只能采用活时间技术修正由于死时间引起的计数率损失。MAC3输出的信号送到多通道定标器（PCI6602）中，用自编的数据采集软件采集保存。

由于光电倍增管的光阴极和倍增极材料均为功函数低的元素，即使在常温下也会有产生较多的热噪声脉冲，其幅度一般较低，可以通过提高甄别阈降低其影响。同时，为了不丢失低能β产生的信号，需要尽量降低甄别阈。原则上，只要液闪源发出的荧光在光阴极上打出1个光电子的信号，即单光电子信号，均要被记录到。这两方面考虑就要求把甄别阈设定在仅低于单光电子谱而高于光电倍增管的热噪声处。以氚水液闪源为光源，将光电倍增管阳极信号输出到快放大器N978，经主放大器输出到多道，采集谱见图2，箭头位置即为要设定的甄别阈值。

图2 甄别阈的设定

4 实验装置测试

4.1kB值的确定

为确定闪烁液的kB值，需要改变液闪源的探测效率，即改变TDCR值RTDCR。采用在液闪小瓶周围加同轴滤光片改变液闪源的探测效率。图3为氚水源的活度测量结果，活度A为kB的函数。在不同的效率点，液闪源计数均达到106计数，以减少计数统计误差。氚水源的双管符合逻辑相加计数率大约为1000 s－1。用最小二乘法拟合活度A与TDCR值RTDCR的直线，在kB值为0.012 cm／MeV时直线斜率最接近零，即当计算参数kB取此值时，测量活度结果不随探测效率变化，即为所用闪烁液的kB值。

图3 NIST3源活度测量结果

图4为kB值对3H、14C和99Tc等核素活度值的影响，图中所示的活度为3H、14C和99Tc归一到kB＝0.015 cm／MeV的值。对于低能核素氚，活度测量结果受kB值的影响十分明显，kB值为0.007 cm／MeV时比为0.015 cm／MeV偏低5.6%以上，而对于高能核素99Tc（Emax＝293.7 keV）由于其探测效率接近100%，kB值对测量结果几乎没有影响，仅偏低0.5%。所以在确定kB值时，必须选择受kB值影响明显的氚水样品。

图4kB值对核素活度值的影响

4.2 NIST标准物质活度测量

为检验装置测量准确性，用NIST标准物质SRM 4927F对新建立的实验装置进行验证，标称值为346.7±2.6 kBq／g（参考日期为2009-05-31）。闪烁液使用Parker Elmer公司生产的高发光效率Ultima GoldTMAB型闪烁液，闪烁液的体积为15 mL。此外，还测量了1个有同体积闪烁液的空白样品，以修正本底计数。装置用铅室屏蔽后，三重和两重符合本底计数率分别为1.3 s－1、1.6 s－1，这主要是由于环境中天然放射性造成的。NIST氚水标准物质测量结果平均值为（342.8±2.4）kBq／g，比标准称值低1.1%，测量结果和不确定度评定见表1和表2。

表1 NIST氚水标准物质活度测量结果

表2 氚水活度测量不确定度评估

实验结果表明，用TDCR液闪计数器测量氚水比活度的一致性好，最差的仅为0.48%，与NIST标称值的En数检验为满意；但4个TDCR测量值均比NIST标称值低大约1%，可能存在系统差异。NIST氚水标准物质是用内充气正比计数器标定的［7］，在1998年氚水活度国际比对中已发现正比计数器测量结果与液闪TDCR方法之间存在系统差异［8］，这也是2009年BIPM再次将氚水选为放射性活度测量国际关键比对核素的重要原因。这次国际比对，中国计量科学院用这套TDCR液闪计数器测量氚水比活度，测量结果已上交BIPM，比对结果尚未公布。

4.3 装置探测效率测量

为测试仪器的探测效率，在新建的装置上测量了NIST氚水标准源、氚（正十六烷）液闪源、有机14C标准源和99Tc液闪源，测量结果见表3。

表3 装置探测效率测量

测量结果表明，液闪TDCR装置的探测效率较高，这主要由于光室的几何设计、材料选择、特殊反光材料涂层和光电倍增管的使用等影响探测效率关键因素设计较好的原因。

5 结 论

液闪TDCR活度测量装置具有无自吸收、制源简单、操作简便等优点，而且测量精度高、一致性好，欧美许多发达国家采用其为国家基准。本工作建立的基于效率计算的TDCR液闪测量装置，用NIST氚水标准物质对其进行验证测量，测量结果满意。该液闪TDCR活度测量装置将应用于纯β核素标准物质的研究和测量，可提高国内标准物质的质量和水平。

［1］ Cassette P，Vatin R.Experimental evaluation of TDCR models for the 3 PM liquid scintillation counter［J］.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA，1992，312（1-2）：95－99.

［2］ Broda R，Pochwalski K.The enhanced triple to double coincidence ratio（ETDCR）method for standardization of radio-nuclides by liquid scintillation counting［J］.NuclearInstrumentsandMethodsinPhysicsResearchA，1992，312（1-2）：85－89.

［3］ Broda R.A review of the triple-to-double coincidence ratio（TDCR）method for standardizing radionuclides［J］.AppliedRadiationandIsotopes，2003，58（5）：585－594.

［4］ Broda R，Cassette P，Kossert K.Radionuclide metrology using liquid scintillation counting［J］.Metrologia，2007，44（4）：36－52.

［5］ Wu Y L，Liang J C，Liu J C，etal.Standardization of tritium water by TDCR method［J］，PlasmaScienceand Technology.2012，14（7）：644－646.

［6］ Bouchard J，Cassette P.MAC3：an electronic module for the processing of pulse delivered by a three photomultiplier liquid scintillation counting system［J］.AppliedRadiationandIsotopes，2000，52（3）：669－672.

［7］ Unterweger M，Lucas L.Calibration of the National Institute of Stanards and Technology tritiated-water standards［J］.AppliedRadiationandIsotopes，2000，52（3）：527－531.

［8］ Makepeace J，Altzizoglou T，Cassette P，etal. International Comparison of Measurements of the Specific Activity of Tritiated Water［J］.AppliedRadiationand Isotopes，1998，49（9-11）：1411－1416.

Construction and Im plementation of a Liquid Scintillation TDCR System

WU Yong-le1，2， LIANG Jun-cheng3， LIU Hao-ran2，3， LIU Jia-cheng2，3， YAO Shun-he2，YUE Hui-guo1， LIU Sen-lin2， YANG Yuan-di3， YUAN Da-qing2
（1.Nuclear and Radiation Safety Center，Beijing 100082，China； 2.China Institute of Atomic Energy，
Beijing 102413，China； 3.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China）

The liquid scintillation triple-to-double coincidence ratio（TDCR）system recently constructed is presented. In order to eliminate the influence of after pluses and thermal noises，the technology of discrimination threshold setting，coincidence counting and extendible dead time is in application.The highest efficiency of tritium water，14C and99Tc is about54%，96.2%and 97.2%separately.The NIST SRM of tritium water ismeasured to verify the performance of the counter，and the result agreed well with certified activitiy value withEncriterion.

Metrology；Liquid scintillation counter；TDCR method；Activity measurement

TB98

A

1000-1158（2014）01-0083-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．01．17

2013-03-13；

2013-05-23

吴永乐（1984－），男，山东临沂人，环保部核与辐射安全中心工程师，在读博士，主要研究方向为辐射防护及环境监测。袁大庆为通讯作者。yuandaqing＠gmail.com