CTBT放射性核素实验室127Xe国际比对样品的实验测量研究

李 奇 樊元庆 王世联 常印忠 赵允刚 刘蜀疆 贾怀茂 张新军

（禁核试北京国家数据中心和北京放射性核素实验室 北京100085）

131Xem（T1/2=11.962 d）、133Xem（T1/2=2.198 d）、133Xe（T1/2=5.2474 d）和135Xe（T1/2=9.14 h）［1］4 种放射性氙同位素半衰期适中、裂变产额大、化学惰性，易从核爆炸过程中产生的裂隙泄漏到大气中［2］，是监测地下核试验最有效的技术手段。为有效监测全球范围内可能的核试验活动，依据全面禁止核试验条约（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty，CTBT）建立了国际监测系统（International Monitoring System，IMS）。IMS采用地震、放射性核素、水声和次声等4种核查技术手段，常年不间断地监测全球各地可能发生的违约事件。IMS放射性核素监测网络由遍布全球的80个放射性核素台站（40个台站在条约生效时同时具备惰性气体氙监测能力）和16个放射性核素实验室组成。核素台站承担每天连续大气取样和样品测量，16个核素实验室承担对核素台站监测的可疑样品进行更详细的验证分析以及对台站进行质量保证和质量控制等［3］，通过在台站取样过程中定量加入氙同位素，采集的样品送至核素实验室进行分析对台站惰性气体氙监测系统进行质量保证和质量控制。由于131Xem、133Xem、133Xe和135Xe半衰期较短，对位于偏远地区的台站进行质量控制存在一定难度。鉴于127Xe（T1/2=36.4 d）具有半衰期较长、样品纯度高、环境本底低等特点，全面禁止核试验条约组织筹备委员会临时技术秘书处（Provisional Technical Secretariat，PTS）拟利用127Xe代替上述4种氙同位素对台站进行质量保证［4］，为提高实验室对127Xe测量结果的可信度，PTS组织开展了127Xe活度国际比对。氙同位素活度通常采用高纯锗（HPGe）γ能谱法［5-6］或β-γ符合法［7-8］测量，本文描述了北京放射性核素实验室利用HPGe γ谱仪系统进行127Xe比对样品测量的过程和结果。

1 测量装置及原理

针对CTBT氙同位素样品的测量，北京放射性核素实验室建立了氙同位素活度测量的HPGe γ谱仪系统［5］，研制了炭纤维底衬不锈钢测量源盒［9］。其中HPGe γ谱仪系统由Canberra BE5030宽能HPGe探测器、数字化谱仪和低本底铅屏蔽室组成，宽能HPGe探测器的锗晶体直径为80 mm，厚度为30 mm，入射窗为0.6 mm厚的炭纤维，相对效率为51%，对57Co 122.1 keV和60Co 1 332.5 keV γ射线的能量分辨率（Full Width Half Maximum，FWHM）分别为0.68 keV和1.85 keV。炭纤维底衬不锈钢测量源盒内部直径为52 mm，高度为8 mm，底部为0.8 mm厚的炭纤维，上部连接充气阀门，容积约为18 mL。

127Xe为轨道电子俘获核素，衰变纲图示于图1。其发射多条具有级联符合关系的X和γ射线，为尽可能减小级联符合相加效应影响，将127Xe样品放置在距探测器表面18 cm的较高位置处进行测量，127Xe活度为，

式中：N为γ射线峰计数；tl、tr和tC分别为样品测量的活时间、时钟时间以及样品开始测量时刻至参考时间的时间差，s；λ为衰变常数，s-1；Pγ为γ射线发射几率；ε为峰效率。

图1 127Xe衰变纲图Fig.1 Decay scheme of127Xe

按照文献［10］的方法，用152Eu和133Ba活度标准溶液制备了以海绵为基质的模拟气体刻度源，该刻度源基质密度与气体样品接近，避免了由自吸收引起的差异。利用该刻度源刻度了距HPGe探测器表面18 cm处的峰效率曲线（图2），效率刻度方程如式（2）所示。探测效率的不确定度来源主要有标准源活度的不确定度（2.5%），峰计数的统计不确定度（0.5%），γ射线发射几率的不确定度（1%），效率曲线拟合不确定度（2%），合成标准不确定度为3.4%。

式中：εγ为峰效率；Eγ为γ射线能量，MeV。

图2 距探测器表面18 cm处的峰效率曲线Fig.2 Peak efficiency curve at the position of 18 cm from endcap of HPGe detector

2 样品制备

PTS委托法国亨利贝克勒尔国家实验室（LNHB）制备了127Xe活度标准样品，样品为放射性127Xe与氮气混合气体，该混合气体中不含稳定氙。将样品气体充入一系列300 mL钢瓶中以便寄送至参加比对的实验室测量分析，钢瓶充气压力为98.1 MPa，127Xe活度为（50.8±2.2）Bq（k=1）［11］，参考时间为：2012-12-17 12：00（UTC）。

北京放射性核素实验室用于HPGe γ谱仪测量的炭纤维底衬不锈钢源盒仅18 mL，比对样品体积近300 mL，需将127Xe定量转移进入炭纤维底衬不锈钢源盒中［12］，由于样品中不含稳定氙，需定量加入稳定氙作为示踪气体，以确定转移进入炭纤维底衬不锈钢源盒中样品的量。转移过程（图3）为：1）向127Xe比对样品的钢瓶中定量注入稳定氙（4.3±0.4）mL（k=1）示踪气体；2）将钢瓶接在转移装置上，利用活性炭吸附样品中的氙，然后加热解吸，通过氦气将氙载带充入炭纤维底衬不锈钢源盒，制备成待测样品；3）将充有127Xe的炭纤维底衬不锈钢源盒放置在HPGe探测器上测量放射性活度后，利用气相色谱测量源盒中的稳定氙含量为（1.5±0.2）mL（k=1），从而得到转移进入炭纤维底衬不锈钢源盒中127Xe占总样品的比例，即转移效率为0.35±0.06（k=1）。

图3 127Xe样品处理流程Fig.3 Flow chart of127Xe sample processing

3 测量结果

利用HPGe γ谱仪系统对充入炭纤维底衬不锈钢源盒中的127Xe样品进行了3次测量，1次测量的能谱示于图4。利用127Xe的202.86 keV主γ射线，根据式（1）计算得到了炭纤维底衬不锈钢源盒中127Xe参考时间的活度为（18.5±0.7）Bq（k=1），测量结果列于表1。活度不确定度主要包括统计不确定度1.3%，峰效率不确定度（3.4%），γ射线发射几率不确定度（0.7%）和半衰期不确定度（0.3%）。

由炭纤维底衬不锈钢源盒中的127Xe活度和转移效率，得到钢瓶中127Xe总活度为（53±10）Bq（k=1）。

表1 127Xe活度测量结果Table 1 Measurement results of127Xe activity

图4 127Xe γ能谱Fig.4 The spectrum of127Xe

4 结果评价

奥地利核素实验室（ATL03）、法国核素实验室（FRL08）和北京核素实验室（CNL06）等CTBT放射性核素实验室参加了本次比对，德国联邦辐射防护办公室（BfS）也参加了此次比对，各实验室测量结果和测量不确定度以及活度参考值同时标会于图5。

图5 各实验室127Xe测量结果和不确定度Fig.5 The measurement results and uncertainty of127Xe by laboratories

PTS利用百分偏差和ζ值［14］对各实验室测量结果的准确性进行测试评价，百分偏差和ζ值计算公式为，

式中：Alab和Ulab分别为实验室测量的127Xe活度值及其不确定度，Bq；Aref和Uref分别为127Xe活度参考值及其不确定度，Bq。

相对偏差D用来判断实验室测量结果的正误，如果D＞15%，则认为实验室测量值错误；ζ值用来判断实验室测量值和参考值之间是否存在显著差别，ζ＜3则认为实验室测量值和参考值一致，ζ＞3则认为实验室测量值和参考值差别显著。

各实验室测量结果的百分偏差和ζ值列于表2，从表2看出，除奥地利核素实验室没有通过百分偏差测试外，其它实验室均通过了百分偏差和ζ值测试，北京放射性核素实验室测量结果较好。

表2 各实验室127Xe测量结果评价Table 2 The evaluation of measurement results of127Xe by laboratories

5 结语

在PTS组织的127Xe比对中，北京放射性核素实验室利用氙样品转移装置将127Xe定量从样品瓶转移入炭纤维底衬不锈钢测量源盒，利用模拟气体刻度源刻度了HPGe γ谱仪系统的效率曲线，从而准确测定了127Xe的活度。从比对评价结果看，北京放射性核素实验室测量结果与参考值一致性较好，通过了百分偏差和ζ值测试。