基于核试验监测数据的模拟γ能谱分析国际能力验证

王世联，王 军，李 奇，樊元庆，张新军，贾怀茂

(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)

全面禁止核试验条约(CTBT)国际监测系统放射性核素监测网络由80个放射性核素台站和16个国际放射性核素实验室组成，通过全天候监测大气中放射性核素活度浓度来判断是否有违反CTBT的活动发生[1]。核素实验室的主要职能是为台站提供技术指导和支持，包括台站的质量控制、台站高级别监测样品再分析等，必要时代替台站功能进行大气放射性核素监测[2]。为检验各实验室对于大气颗粒物样品中放射性核素样品的分析能力，尽可能消除实验室间的测量偏差，CTBT组织筹备委员会临时技术秘书处(PTS)每年组织一次能力验证活动(PTE)。

1980年10月16日我国进行了最后一次大气层核试验，同年10月27日瑞典国防研究中心在瑞典中部获取到了含有核试验沉降物的γ能谱。在获取的Ge(Li)探测器γ能谱数据基础上，PTS采用VGSL程序[3]模拟产生了2003年度PTE用HPGe γ能谱。能谱中添加了24种裂变产物(95Zr、95Nb、99Mo、103Ru、106Ru/Rh、111Ag、115Cd、125Sn、125Sb、126Sb、127Sb、129Te、131I、132Te、132I、136Cs、137Cs、140Ba、140La、141Ce、143Ce、144Ce、147Nd和156Eu)、5种活化产物核素(54Mn、88Y、92Nbm、237U和239Np)和5种天然放射性核素(7Be、40K、212Pb、212Bi和208Tl)，设计的核事件发生的零时为2003年9月8日17时14分14秒(UTC)。

比对的HPGe γ能谱、探测器几何结构等信息通过电子邮件方式分发给各实验室，要求参加比对的实验室根据提供的信息分析能谱中存在的放射性核素及其活度浓度，利用非平衡母子体衰变关系推算核事件发生的零时，在假设该样品谱来自放射性核素监测台站情况下对核事件性质进行评价。这是基于真实核试验监测结果的一次HPGe γ能谱分析比对，能谱复杂、信息丰富，是对实验室分析能力一次全面检验。本文详细介绍北京放射性核素实验室参加此次比对的过程和结果，并对比对情况进行分析和讨论。

1 比对过程与探测系统

PTS于2003年7月1日向各实验室发出比对邀请；7月25日分发了虚拟测量系统结构以及刻度谱和本底谱；9月17日进行了比对的传输测试；10月22日分发了参考能谱，比对正式开始。比对要求各实验室在接收到参考谱后4 h内提交初步分析结果，20 d内提交详细分析结果。

1.1 虚拟探测系统[3]

探测系统主要由HPGe锗探测器和屏蔽室组成。其中，锗晶体几何尺寸为φ74 mm×70 mm，端面死层厚度为1.2 mm，锗晶体封装在1.5 mm的圆柱形铜壳内，1.5 mm的镁作入射窗；屏蔽室内腔为φ240 mm×230 mm的圆柱形，由内到外的屏蔽材料分别为1 mm厚的铜、2 mm厚的锡、100 mm的铅和5 mm的不锈钢。比对样品的基材是玻璃纤维，压制成φ77 mm×8 mm的圆柱体，置于84 mm×82 mm×8 mm长方体的样品盒中，为尽可能提高探测效率，样品盒通过样品支架固定于探测器表面上方2.3 mm处。

图1 测量系统布局示意图Fig.1 Layer diagram of measurement system

1.2 系统效率刻度

刻度谱同参考谱一样，由模拟产生，用于刻度测量系统的峰效率和总效率、校正放射性核素的符合相加效应和计算各核素的活度浓度；本底谱为核素台站实测能谱，用于在分析参考谱时扣除本底影响。

γ谱仪系统使用8 192道ADC，能量刻度范围为34 keV～2.77 MeV，使用的刻度源为210Pb、241Am、109Cd、57Co、139Ce、113Sn、54Mn、137Cs、88Y、65Zn和60Co。从刻度谱出发，对能量和峰型重新进行了拟合，然后利用除88Y和60Co外(需进行符合相加效应校正)其他核素γ峰的峰效率拟合峰效率曲线，利用拟合得到的总效率和全能峰效率计算88Y和60Co γ射线的符合相加效应校正因子，校正88Y和60Co γ射线的全能峰效率后重新拟合得到最终的全能峰效率曲线(图2)。此外，为进一步检验系统效率刻度的准确性和可靠性，采用蒙特卡罗程序模拟计算了系统的峰效率和总效率，模拟结果与PTS提供的参考值在3.5%和6.5%内符合[4]。

图2 测量系统的峰效率和总效率曲线Fig.2 Peak and total efficiency curves of measurement system

1.3 传输测试

为保证比对活动中PTS与核素实验室间数据传输的顺畅、检验测量系统刻度的正确性、测试样品发送和接收过程是否存在问题、上报分析结果的数据格式是否正确等，PTS组织进行了试验样品谱的分析与传输测试，试验样品谱中添加了已知活度的7Be(30 Bq)和212Pb(120 Bq)。

基于拟合得到的测量系统效率曲线对试验样品谱进行分析，计算得到其中7Be和212Pb的活度分别为(29.8±1.1) Bq和(118.8±5.0) Bq，与添加值在不确定度范围内一致，进一步证明了系统效率刻度的准确性。

2 分析原理

将样品放置在HPGe探测器表面测量后，根据探测到的核素特征γ射线峰计数，利用式(1)计算放射性核素的活度A：

(1)

式中：N为核素的特征γ射线峰计数；tl为获取γ谱的计数时间，s；tr为获取γ谱的时钟时间，s；t为γ谱开始获取至参考时间的时间间隔，s；λ为核素的衰变常量，s-1；ε为γ射线的峰效率；pγ为γ射线的发射几率；FC为级联符合相加效应校正因子[5]。

活度的不确定度主要包括γ射线峰计数的统计不确定度、峰效率不确定度、符合相加效应校正因子的不确定度以及半衰期和γ射线发射几率的不确定度等。

由样品中具有母子体递次衰变关系的核素(如95Zr-95Nb、140Ba-140La等)活度比来确定样品中核素产生的零时计算公式[6]为：

(2)

式中：RA=A2/A1，为子体和母体在样品测量时刻的活度比；λ1和λ2分别为母子体的衰变常量，s-1。

3 结果与讨论

参考谱中添加了裂变产物、活化产物和天然放射性核素共34种，共识别出237条γ射线[7]。参考谱及核素识别结果示于图3[8]。

3.1 核素识别

北京放射性核素实验室于2003年10月22日11时30分接收到比对参考谱，识别并分析出21种裂变产物(95Zr、95Nb、99Mo、99Tcm、103Ru、106Ru/Rh、111Ag、127Sb、131I、132Te、132I、136Cs、137Cs、140Ba、140La、141Ce、144Ce、144Pr、147Nd、155Eu和156Eu)、4种活化产物(54Mn、88Y、237U和239Np)和5种天然放射性核素(7Be、40K、212Pb、212Bi和208Tl)。其中，裂变产物99Tcm和144Pr是由于它们的母体核存在而必然存在的(持这种观点的还有另外几个实验室)，但实际上99Tcm是由于PTS在模拟参考谱过程中疏忽而未输入，144Pr在模拟输入源项中未加考虑，而目前版本的VGSL还不能自动模拟具有母子体衰变关系核素的γ能谱；155Eu属于误识别。因此，北京放射性核素实验室实际识别出了34种核素中的27种，识别率为79%，16个核素实验室的平均识别率为74%。PTS认为核素115Cd和125Sb的活度在探测限下，评价实验室分析结果时不考虑这两个核素，放射性核素总数根据32个计算。如此，北京放射性核素实验室的识别率为84%，16个实验室的平均识别率为78%，识别率最高的是CAL05实验室(93.8%)。

图3 参考谱及其核素识别结果Fig.3 Reference spectrum with nuclide identification labels

此外，所有实验室均未识别出核素92Nbm。对如此复杂的γ能谱，16个国际放射性核素实验室均未完整识别出所有的核素，且大部分实验室不同程度地有误识别和漏识别。这在一定程度上也说明，复杂的γ能谱中弱放射性活度核素的识别与定量仍是低水平放射性测量领域的难题。

3.2 活度分析与评价

利用u-test值评价实验室分析结果的可靠性。u-test值小于1.64，说明分析值与参考值一致，无显著差别；u-test值大于3.29，说明分析值与参考值存在显著差别，其定义为：

(3)

式中：Alab和Aref分别为核素活度的实验室分析结果和参考值，Bq；μlab和μref分别为实验室分析结果和参考值对应的不确定度，Bq。

PTS通过对参考谱的分析进行模拟能谱的检验和修正，分析结果作为参考来评价各实验室能力。CNL06分析结果与VGSL输入值以及PTS的分析结果的比较列于表1。

表1中115Cd、125Sn、125Sb、126Sb、129Te、143Ce和92Nbm的分析值是在PTS反馈实验室分析结果后，实验室对其进行详细的峰干扰扣除等措施后给出的结果，这些核素特征γ射线受其他核素干扰严重，分析结果大多不确定度μA较大。实际上，对于这些低活度核素，各实验室分析值与源项输入值间的差别普遍较大。此外，根据比对反馈结果，所报告结果u-test值全部小于3.29的只有北京放射性核素实验室。

3.3 零时推算

在识别到的核素中仅95Zr-95Nb未达到平衡，参考谱的测量时刻为2003年9月25日8时58分48秒，取测量时间的中点(即2003年9月25日20时58分48秒)为测量开始时刻计算出的95Nb和95Zr的核数比为0.169 7(1±4.7%)，由式(2)计算t为16.89(1±4.7%) d，推算95Zr产生时间为2003年9月8日23时31分50秒，不确定度为±0.79 d，与参考时间的偏差仅0.26 d。

表2所列为16个核素实验室通过分析样品谱中95Zr和95Nb母子体衰变关系来推断事件发生零时的结果。与VGSL输入值(2003年9月8日17时14分14秒)相比较，差别小于1 d的有11个实验室，小于12 h的有6个实验室。CNL06的分析值与VGSL的输入值相差6.2 h，最接近输入值的是USL16实验室，相差约1 h。差别较大的是ARL01实验室和ATL03实验室，ATL03实验室认为在测量时没有95Nb而推断零时即为测量开始时刻。

表1 活度分析结果与参考值的比较Table 1 Comparison of laboratory activity results with reference value

表2 零时计算结果与参考值的比较Table 2 Comparison of calculated zero timewith reference value

3.4 事件性质判断

基于裂变产物核数比与产额比的比较，以及参考谱中存在237U和239Np(来自238U(n, 2n)和238U (n, γ)反应)，对事件性质进行分析，给出裂变产物由238U和239Pu裂变产生、参考谱应源自核试验沉降物测量数据的判断。其他少数几个实验室对样品性质进行了分析，可归纳为：参考样品中发现了裂变产物、活化产物、天然核素和示踪核素，裂变产物的活度表明其来源于快中子诱发238U裂变；活化产物239Np和237U产生于238U(n,γ)和238U(n,2n)反应，239Np/237U约为1.6，表明事件是一个热核爆炸等。

实际上，根据参考谱中丰富的裂变产物和活化产物信息，除可判断事件发生的时间(零时)外，还可判断事件的性质及其详细信息。根据参考谱中无134Cs基本可排除反应堆事件，即可只考虑裂变中子和14 MeV中子诱发235U、238U和239Pu的裂变；有很强的237U和239Np，说明主要为快中子诱发238U裂变；进一步可根据237U和239Np的比值判断是否为热核装置，根据裂变产额曲线的对称性和峰谷核素的比值可推算中子能量的份额等。

4 结论

比对参考谱中共添加了34种核素，北京放射性核素实验室分析出了其中的27种核素并计算了其活度和活度浓度，分析结果与参考值在不确定度范围内一致。利用95Zr和95Nb活度比计算核事件的零时为2003年9月8日23时31分50秒，不确定度为±0.79 d，与参考值相差仅0.26 d。根据参考谱中裂变产物和活化产物信息，分析指出裂变产物应由238U和239Pu裂变产生，参考谱应源自核试验的监测数据。

2003年度PTE的参考谱是通过模拟产生，尽管模拟过程中还存在一些不足，如模拟中添加了99Mo却未考虑99Tcm、有些核素的γ射线峰的强度存在不自洽的现象等，但总体上还是成功的。而且，与传统的基于制备样品的PTE相比，基于模拟γ能谱的比对无样品邮寄环节，因此不需考虑样品运输过程中放射性核素衰变，避免了因到各实验室传输时间不同引起的差别；且样品中放射性核素种类及其活度准确、可控，非常适用于评价实验室样品γ能谱分析能力，可用于相关测试分析实验室间的能力验证活动。