进出口货物放射性现场快速检测方法研究

张辉 杨振宇 陆地 陈章庭 石玲玲 刘顶

（1.上海海关动植物与食品检验检疫技术中心 上海 200131；2.烟台海关技术中心；3.北京中智核安科技有限公司）

1 前言

随着我国经济建设、对外贸易和国际交流活动的不断发展，进出境货物、快件及人员流动频繁，近几年，国内各地口岸不仅发现多起矿产品放射性超标事件[1]，甚至查获了多起供消费者直接使用的消费品放射性超标案件[2-3]，进出口贸易中放射性安全日趋重要。当前，口岸放射性监测大多以通道式放射性监测仪为筛查手段、以手持式巡测仪为辅助手段找寻热点，取样后送实验室进行核素分析。核素分析通常使用低本底γ能谱仪，但是该仪器价格昂贵，且操作相对较为专业，对使用环境的条件要求较高，很多口岸无法满足配置条件。

伽玛探测器是放射性核素定性和定量测量中使用最广泛的仪器之一，伽玛能谱分析方法具有速度快、精度高及非破坏性等优点。为了能够从探测器测得的伽玛能谱中计算样品中所含放射性物质的活度，需要对能谱的特征峰进行效率刻度，得到效率刻度因子。效率刻度因子是指测量对象平均放出一个能量为E的伽玛光子，其全部能量被高纯锗探测器记录的概率。

伽玛探测器效率刻度方法主要有2种：相对测量方法、无源效率刻度方法。相对测量方法借助于已知放射性核素种类和活度的标准源，对标准源进行测量，当实际测量对象的几何形状、材料成分以及测量状态与标准源完全一致时，其探测效率刻度因子也与标准源一致，这是相对测量方法的原理，若不一致则需要对效率刻度因子进行修正[4]。无源效率刻度方法采用数值方法计算伽玛光子的输运过程，得到效率刻度因子，对于复杂几何形状和成分的放射源都可以快速地获得效率刻度曲线[5]，该方法精确快捷、实时性强，使用广泛[6]。

本文基于无源效率刻度方法，采用便携式谱仪对不同形状的样品进行测量，建立大宗资源类商品放射性污染的现场快速检测技术，形成相应的标准检测方法，以期为我国口岸放射性安全监管提供技术支持，推进我国核安保与反恐能力建设。

2 材料与方法

2.1 材料

2.1.1 样品

本文选取本口岸进口量较大的锆矿砂作为检测样品，分别装入不同形状的测量盒内，具体尺寸和重量信息见表1。

表1 测量样品盒及其尺寸

2.1.2 仪器

便携式LaBr3谱仪（Gemini-L-5050型，能量分辨率＜2.8%（对于Cs-137的661.7 keV特征峰），能量范围：30 keV～3 meV，LaBr3晶体尺寸：2英寸，中国北京中智核安科技有限公司）。

2.2 方法

2.2.1 能量刻度

能谱仪的能量刻度是指确定能谱中多道分析器的道址与γ射线能量的关系，即利用已知能量的γ放射源测出对应能量的峰位，再做出能量和峰位（道址）的关系曲线。本文使用的便携式LaBr3谱仪，其能量刻度采用的是La自身本底38 keV和1 468 keV 2个能量进行能量刻度，每次开机自动进行刻度。

2.2.2 效率刻度

能谱仪的效率刻度是指定能量的γ射线全能峰面积（计数率）与该光子发射几率的比值，计算公式如下：

式中，ε（E）——E的全能峰效率；N——刻度源在能量E处的净峰面积；P——能量为E的γ射线发射率；A——刻度源的活度（Bq）。

效率刻度因子决定于光子的寿命全过程。影响光子寿命过程的因素包括：探测器的几何形状和材料组成；测量对象的几何形状和材料组分；光子到达探测器前，可能经过的屏蔽材料的几何形状和材料成分；测量对象、屏蔽物、放射源之间的相对位置。主要原因是测量对象的几何形状、密度、材料成分与测量状态各不相同，很难制备相应的标准源和模拟相同的测量状态。伽玛探测器的效率刻度方法主要有相对测量方法和无源效率刻度方法。

当实际测量对象的几何形状、材料组分与标准源不一致时，如果采用相对测量方法，就需要对效率刻度因子进行修正，由于测量对象的几何形状、密度、材料成分千差万别，测量状态也各不相同，很难制备相应的标准源和模拟相同的测量状态，这种情况下很难采用借助标准源的相对测量方法获得效率刻度因子。

无源效率刻度方法采用理论计算方法，对于复杂几何形状和成分的放射源都可以快速获得效率刻度曲线。该方法克服了相对测量方法的缺点，同时避免了标准源的使用和管理。考虑到与样品基质接近的放射源难以得到，故本文能谱仪效率刻度采用的是由中智核安开发的无源效率刻度软件Gammacalib，见图1。

图1 GammaCalib无源效率刻度软件界面

2.2.3 放射性核素活度分析

样品中放射性核素比活度计算公式如下：

式中：A（E）——样品中该核素的比活度（Bq/kg）；N（E）——测量到的该核素选定全能峰的净计数率；ε（E）——能量E的全能峰效率；P——能量为E的γ射线的发射率；m——样品的质量（kg）。

3 结果与讨论

3.1 测量结果

使用便携式LaBr3谱仪分别在空气中测量6组不同形状的样品，代表图谱见图2。测量时，为达到快速分析的目的，当目标核素出现明显高斯分布峰时即可结束测量。将样品1送至上海市计量测试研究院进行检定，检定结果为Ra-226：2431 Bq/kg、Th-232：475 Bq/kg，将该结果作为标准值，比较不同样品之间的偏差，结果见表2。

表2 样品1～样品6放射性活度测量结果

图2 使用LaBr3便携式谱仪测量的样品1图谱

从图2可以看出，便携式LaBr3谱仪可以很好地分辨出Ra-226的351.9 keV全能峰和Th-232的338.4 keV全能峰，Ra-226的609.3 keV全能 峰 和Th-232的583.1 keV全能峰。其中，Ra-226活度较高，全能峰较为明显。样品检测时间约为2 000～7 000 s，即0.5h～2h即可得到检测结果，可极大提高现场放射性核素分析的速度。

3.2 分析与讨论

从表2可以看出，便携式LaBr3谱仪的分析结果与计量院的结果相比，Ra-226比活度较为接近，偏差在在15%以内，而Th-232比活度的偏差较大，在20%以内。这主要是因为样品中的Ra-226比活度较高，无论是351.9 keV还是609.3keV的全能峰都是明显的，受到的统计偏差影响较小，而Th-232的比活度较低，仅为Ra-226的1/5左右，样品1至样品6中Th-232的计数率大约只有Ra-226的1/10，这就导致Th-232的2个全能峰不明显，受统计偏差影响较大。样品1的Ra-226偏差最小，主要是其尺寸（70 mm×65 mm）与探头尺寸（50 mm×50 mm）较为接近，而较大尺寸的样品2、样品3、样品4，虽然样品量多，但是由于尺寸较大，导致探测效率偏低，样品5、样品6尺寸和样品量都足够大，使测量计数足够多，故测量结果偏差仅为1%～5%。

4 总结

本文针对进出口货物，基于无源效率刻度方法，建立了使用便携式LaBr3谱仪进行大宗资源类商品现场放射性快速检测的方法。该方法操作简便、成本较低，能够满足常见的天然放射性核素和人工放射性核素的分析。虽然该方法对于活度较低的放射性核素，分析结果的偏差较大，但是口岸现场分析进出口大宗资源类商品中放射性核素时，主要针对的是高活度、高浓度的核素，故该方法可以满足口岸现场快速检测的需求。

本文建立的方法可为进出口大宗资源类商品的放射性现场检验监管提供技术支持，为国际贸易突发性事件提供检测及应对技术，提高口岸核与辐射突发事件应急响应能力，极大地缩短货物通关时间，具有较高的经济效益和社会效益。