全国辐射环境监测质量γ放射性核素考核分析方法

杜云武, 陈 立, 赵 强, 王 茜, 李雪泓

(四川省辐射环境管理监测中心站，成都 610031)

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全国辐射环境监测质量γ放射性核素考核分析方法

杜云武, 陈 立, 赵 强, 王 茜, 李雪泓

(四川省辐射环境管理监测中心站，成都 610031)

分析放射性核素的种类和能谱特征，梳理能谱峰面积计算参数和计算公式；采用增加水吸收层测量级联γ辐射核素的方法和采用标准物质校准无源效率刻度分析非级联γ辐射核素的方法，测量相对偏差小于3.5%。

能谱峰形；半高宽；无源效率刻度；级联γ符合

1 引 言

我国省级辐射站日常环境质量监测主要是天然核素和137Cs核素。对于自然伽马能谱分析方法，重点采用基于最小二乘法的5能窗谱数据处理方法[1]。加强物质屏蔽、提高测量系统的稳定性、优化标准样品的含量与几何尺寸等措施，来提高自然伽马能谱分析的精度[2]。

随着国家核电中长期规划的落实，环境保护部逐步重视核设施的监测能力，2014、2016年开展了两次全国辐射环境监测质量考核。2014年考核项目《活性炭盒中γ核素》，2016年考核项目《水中γ放射性核素》，这些核素主要是核工业产业链后端的核素，210Pb属天然核素，对人类天然本底贡献的关注度大，因210Pb核素发出的γ射线能量较低，需要探测器低能端性能好，加之低能X、γ射线的干扰，210Pb核素测量方法主要是放化分析。

2 分析原理

2.1 能谱峰形刻度

使用γ能谱仪测量放射性核素活度，首先要对其进行能量刻度，最好要求多道分析器ADC为16k。所有电子学仪器能够调节以保证所测能谱峰的半高宽至少为6道[3]。

实验室一般用标准物质对伽马能谱进行能量和峰形刻度。但是伽马能谱仪的能量分辨率和峰形会随不同测量条件和样品而有所变化。对样品进行能谱分析时，应将样品能谱重新进行能量和峰形刻度，来计算其峰面积。能谱能量、半高宽刻度函数分别见公式(1)、(2)，能峰拖尾参数刻度函数见公式(3)。

E=c0+c1X

(1)

(2)

TAIL=t0+t1E

(3)

E为能量；FWHM为半高宽；TAIL为拖尾参数；a0、a1、t0、t1、c0、c1为刻度系数。

2.2 探测效率校准方法

当采用相对比较法测量时，使用校准证书给出的数据，计算相应核素的探测效率。当无所测样品的标准物质时，先测量已有的其他标准物质能谱，再用无源效率刻度方法分析该标准物质的核素活度值，用该标准物质放射性核素校准值来校准无源效率刻度的测量参数(如：吸收层厚度、源与探测器距离、物质化学组分等)，最后可用得到的测量参数对无标准物质的样品进行无源效率刻度。

2.3 γ放射性核素的分类

高纯锗γ能谱仪测量级联γ辐射核素能谱时，一般会产生级联符合效应，即产生符合相加能峰，以使全能量峰面积计数减小。若果在进行样品探测效率刻度时，未考虑符合效应，测量结果会偏小。通常实验室用标准物质或用无源效率刻度，一般不会考虑级联符合效应，因而测量γ放射性核素的活度时，应首先对所需测量的核素进行分类，根据其核素衰变纲图，识别出级联γ辐射核素(有的是低能特征X射线与γ射线符合的核素)和非级联γ辐射核素。

2.4 能谱峰的分类

对于理想的能谱，全能峰服从高斯分布，全能峰左右两边是对称的，全能峰的半高宽一般是服从能量平方根关系，全能峰的宽度约为3倍半高宽。γ能谱峰的不对称性主要由探测器晶体缺陷俘获载流子造成其减少和弹道亏损引起的能峰出现低能尾部[3]。

高纯锗γ能谱仪在测量γ能谱时，其能谱会出现全能峰低能端拖尾现象，使得全能峰的左边界增大，峰拖尾服从能量的一次方关系。当计数率很高时(一般大于100 000每秒)，会出现全能峰高能端拖尾，使得全能峰的右边界增大。当相邻两个峰的间距小于3倍半高宽时，两个峰为干扰峰。当两个峰间距一般大于3个半高宽时，两个峰为非干扰能峰。当两个峰重叠在一起，成为重峰。能谱中一般有干扰峰、全能峰、符合相加峰、符合相减峰、单逃逸峰、双逃逸峰、反散射峰(184keV左右)、特征X射线峰和正负电子湮灭峰等。

2.5 级联γ辐射核素的测量方法

级联γ和损失的严重程度取决于给定的核素的衰变纲图和测量几何的总效率。总效率越高，级联γ符和损失越大。当源与探测器距离越小，探测器体积越大，级联γ符和损失越严重。

在探测器与样品间放置一定厚度的水吸收层进行能谱测量，可以显著降低探测效率，从而减弱级联符合的影响。

2.6 能谱非干扰能峰面积参数

(4)

(5)

B为全能峰本底计数；B1为全能峰左边康普顿坪本底计数；B2为全能峰右边康普顿坪本底计数；n为全能峰康普顿坪本底道数；N为全能峰道数；G为全能峰总计数；yi为全能峰第i道计数。

2.7 能谱干扰峰面积参数

2.8 理想高斯分布峰面积

2.9 实际峰面积计算公式

实际全能峰存在低能端拖尾现象，峰的左右侧是不对称的，峰形S0.1>1、S0.02>1，全能峰面积由两部分组成，一部分为峰右侧符合高斯分布的面积，其公式为(6)，另一部分为带有拖尾的非高斯分布面积，其公式为(7)。峰的总面积Pa=Ag+Aτ。

(6)

(7)

Ag为峰右侧面积；Aτ为峰左侧面积；Cp为峰中心位置；τ为拖尾参数；σ为标准误差；Rr为峰右边界位置；Rl为峰左边界位置；x为全能峰的各道位置；H为峰的高度。

3 实验结果与分析

2014年9月考核项目《活性炭盒中γ核素测量》，分析核素为133Ba、137Cs、152Eu和60Co。其中241Ba、152Eu和60Co属于级联γ辐射核素，需要考虑符合效应的影响[4]，137Cs核素属于非级联γ辐射核素。

采用Canberra的GX8023高纯锗谱仪，分析中国计量科学研究院提供的TEDA TC-45活性炭盒校准源(编号：4NDH-0902)的γ核素，该样品尺寸为Φ57mm×27mm，炭盒内径49mm，高度为21mm，塑料样品盒壁厚为1.5mm，样品密度为0.64g/cm3。活性炭盒样品放射性核素活度校准值为137CS：1 670Bq、133Ba：6 724Bq、152Eu：5 610Bq、60Co：1 162Bq。

采用优普超纯水机对自来水进行去离子，纯净水的电导率为11.8μS/cm。吸收层采用该纯净水，水吸收层厚度为70mm，圆柱体塑料容器内径为75cm，壁厚为1.5mm，塑料容器用于盛装水。水的密度为1g/cm3，容器壁密度为1.5g/cm3。样品测量示意见图1。

图1 样品测量示意图Fig.1 Schematic diagram of TC-45 sample measurement

计算所选133Ba核素γ能量为383keV；152Eu核素γ能量1 408.0keV；60Co核素γ能量为1 173.2keV；137Cs核素γ能量为661.66keV。383keV、1 408.0keV、1 173.2keV能峰均为非干扰能峰，383keV、1 408keV、1173.2keV峰也为符合相减峰。656.6keV为152Eu 符合相加峰，137Cs核素661.66keV能峰受到656keV峰干扰。137Cs核素为非级联γ辐射核素。

TC-45样品能谱峰形刻度函数见(8)、(9)，计算出TC-45样品中60Co、137Cs、133Ba、152Eu放射性核素活度。所选全能峰面积计数统计误差小于0.8%，活度计算结果列入表1。

(8)

TAIL=0.7861+0.000 638×E

(9)

表1表明：在样品与探测器间放置一定厚度的水吸收层能够很好改善级联γ符合效应对测量结果的影响。

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

采用国家环境保护部辐射环境监测技术中心的气溶胶滤膜流转刻度标准物质(规格Φ50mm*6.7mm，编号8604-EG-CH)，来校准水体样的探测效率。用中国计量科学研究水体效率校准源(编号13NST/70-0806，规格Φ75mm*70mm)来验证分析方法。

气溶胶滤膜流转刻度标准物质(规格Φ50mm*6.7mm，编号8604-EG-CH)含88Y、60Co、57Co、139Ce、85Sr、109Cd、51Cr、54Mn、65Zn、113Sn、241Am、137Cs，未含210Pb。88Y的1 836.01kev的单逃逸峰1 325.01keV与60Co的1332.49keV形成干扰峰。级联γ辐射核素60Co、88Y、57Co发射的级联γ射线会符合相加，57Co的122.06keV、14keVγ射线符合相加，60Co的1 173keV、1 332keVγ射线符合相加，88Y的898keV、1836keVγ射线符合相加。139Ce的165.85keVγ射线和139Ce发射的33.44keV、33.03keV、37.8kev低能X射线真符合相加，85Sr的514keVγ射线和85Sr发射的13.33keV、13.39keV、15keV低能X射线真符合相加，109Cd的88.03keVγ射线和109Cd发射的22.16keV、21.99keV低能X射线真符合相加。

表1 TC-45放射性核素活度测量结果Tab.1 Results of radionuclide activity measurement of TC-45 sample

选用非级联γ辐射核素51Cr、54Mn、65Zn、113Sn、241Am、137Cs，其γ能量覆盖低中高能量端，来进行无源效率刻度校准。采用Canberra的BE6530高纯锗谱仪，测量气溶胶滤膜流转刻度标准物质的结果见表2，校准得到BE6530高纯锗谱仪探测器源距离为5mm、吸收层为2mm厚塑料。

用校准出的源距离、吸收层和水体校准源(编号13NST/70-0806，规格Φ75mm*70mm)的几何尺寸、容器材料组分以及水体源的组分、密度，用无源效率刻度方法，得出BE6530高纯锗伽马能谱仪的水体校准源的探测效率见图2。

水体校准源的核素有210Pb、137Cs、54Mn、51Cr等核素，137Cs、51Cr、54Mn的能峰均为非干扰能峰，210Pb为干扰峰(46.49keV受到49.41keV干扰)，46.49keV、49.41keV峰之间峰距离小于3个半高宽。水体校准源测量值见表3，其能谱峰形刻度函数为(10)、(11)。表3表明，经过校准的无源效率刻度的计算结果满足测量要求。

(10)

TAIL=0.979 8+0.000 389×E

(11)

4 结 论

测量分析时，对分析的核素种类进行分类是非常必要的，若有级联γ辐射核素或特征X射线与γ射线符合的核素，可以分成两个步骤进行测量。第一步，源与探测器间无吸收层情况下，即直接将样品放在探测器端帽顶部，这样探测效率最大，在短时间内全能峰面积容易达到统计要求。这样不引入吸收层带来的误差，并很容易满足统计误差的需要，可以计算出非级联γ辐射核素的活度作为测量结果值。第二步，在源与探测器间放置75cm厚的去离子水吸收层，测量出非级联γ辐射核素和级联辐射核素的活度，当非级联γ辐射核素的活度值与第一步的测量值接近时，测量出的级联γ辐射核素的活度值可作为测量结果值。

级联γ符合测量方法，可以在探测器与样品间增加75cm厚的水吸收层(吸收低能X射线、减小γ射线探测效率)，降低样品的探测效率，从而降低符合效应的影响，测量相对偏差可以控制在3.5%内。水作为吸收层，因其组分明确简单，有利于无源效率刻度。

表2 8604-EG-CH放射性核素活度测量结果Tab.2 Results of radionuclide activity measurement of 8604-EG-CH sample

图2 13NST/70-0806探测效率曲线Fig.2 Detection efficiency curve of 13NST/70-0806

核素能量峰显著度FWHM(keV)TAIL(keV)RL(FWHM)RR(FWHM)峰距离(FWHM)道宽(keV)康普顿坪宽度(FWHM)活度(Bq)校准值(Bq)相对偏差(%)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

峰边界的选取和峰间距的选择直接影响测量结果的准确度。非干扰能峰的峰间距一般选择3倍半高宽，干扰峰的峰间距一般可选择4、5倍半高宽。峰右边界一般选择1.5倍半高宽；峰左边界选择，应根据测量样品的能量分辨率、峰形刻度参数计算结果，不低于1.5倍半高宽。峰康普顿坪宽度一般选4道或一个半高宽，若受邻近峰干扰，可以适当减小。

无源效率刻度校准。当实验室只有一种标准样品时，需要测量其他样品时，可以用无源效率刻度办法来测量该标准样品，用标准物质校准值来校准无源效率刻度的几何、材料等参数，经过校准后的参数可以用于刻度无标准物质的样品的探测效率。

γ能谱仪能量刻度，应使所测能峰半高宽最好有6道以上。

[1] 李传伟，廖琪梅，李安宗，等.自然伽马能谱解谱方法研究[J].核电子学与探测技术，2008,28(4):796-800.

[2] 朱国钦，郑仁淑，查传钰.自然伽马能谱测量及其分析精度的研究[J].江汉石油学院学报，1997,19(4):43-47.

[3] GB/T 7167-2008，锗γ射线探测器测试方法[S].

[4] GB/T 11713-2015，高纯锗γ能谱分析通用方法[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年毕业于四川大学粒子物理与原子核物理专业，硕士，主要从事辐射环境监测与评价方面工作。

X703

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1001-3644(2017)01-0130-05