国际比对模拟气溶胶滤膜γ能谱测量及分析讨论

李斌, 徐哲婷, 何俞政涵, 王欣刚, 龚传德

(浙江省辐射环境监测站, 国家环境保护辐射监测重点实验室,浙江省辐射环境安全监测重点实验室, 浙江 杭州, 310012)

0 引言

2019年国际原子能机构(IAEA)地球环境实验室举行全球实验室间比对活动发放的5、6、7号3个样品为模拟气溶胶滤膜,形状和尺寸都与核电厂气载流出物气溶胶滤膜非常类似,分析表明,3个样品均包含具有级联衰变现象的134Cs核素,在流出物监测中具有代表意义。

核电厂气载放射性流出物中的颗粒物,通常用有效直径约40 mm的气溶胶滤膜收集,进行γ能谱分析,样品采集量约几百立方米。按照《核电厂流出物放射性监测技术规范(试行)》[1]的要求,一般需分析51Cr、54Mn、58Co、59Fe、60Co、65Zn、106Ru、110 mAg、124Sb、125Sb、134Cs、137Cs等核素。流出物气溶胶滤膜样品通常具有目标核素半衰期时间跨度大、样品活度有限等特点。γ能谱分析时,为兼顾半衰期短或活度较低的核素,往往将样品紧贴探测器表面测量,以提高探测效率或缩短测量时间。然而60Co、110 mAg、124Sb、125Sb、134Cs等核素具有明显的级联衰变现象,采用近几何测量时会出现严重的符合相加效应,须考虑修正。

国内外已有大量符合相加修正方法的报道,譬如以实验为基础的单能效率曲线法、远近源距法、标准实验室传递法[2],根据衰变纲图理论计算方法[3-4],以及蒙特卡罗模拟计算方法[5-7]等。系列单能标准源的制备和峰总比的测定为实验测量和衰变纲图理论计算方法的应用带来诸多局限。LabSOCS、Angle、CammaClib等为专门用于γ谱仪探测器效率模拟计算的软件,为大量不具备复杂编程能力的一线辐射环境监测人员提供了新的可选方案。

本文拟采用有源、无源效率刻度联用方法测定2019年IAEA比对3个模拟气溶胶样品活度,并分析讨论样品几何布局对探测效率的影响,及核电厂气载流出物气溶胶滤膜实际测量中一些注意事项。

1 仪器与方法

1.1 实验仪器

γ谱仪:Canberra公司产BE3830宽能型高纯锗谱仪,晶体直径69.8 mm,晶体厚度31.5 mm,端窗直径88.9 mm,晶体到端窗距离5 mm,相对效率30%,能量分辨率1.52 keV(60Co点源@1.33 MeV)。探头置于15 cm厚低本底铅室中。利用该系统测量的24 h空气本底谱,在40 keV～2 000 keV能量范围内的全谱本底计数率约为0.43 s-1。γ谱仪系统配置LabSOCS无源效率刻度软件,探测器已出厂表征。

1.2 样品与参考源

3张模拟气溶胶滤膜样品均通过印刷技术打印于纸张上制成,样品直径43 mm,厚度约0.2 mm,分析表明,所含核素为134Cs和137Cs,实物照片见图1,圆圈内深色部分为样品活性区域。

图1 模拟气溶胶滤膜实物照片

由于实验室无几何形状和介质与被测样品一致或接近的标准源,为定量分析,自制了简易参考源。自制参考源时,在透明胶带粘性一侧划定直径约43 mm圆形区域,在区域内平铺一薄层Eckert &Ziegler公司生产的模拟沉降物粉末源,并用另一层胶带覆盖粘上,避免粉末源掉落。粉末源用量通过分析天平对胶带铺源前后称重获得,此处为0.174 5 g。参考源内含有241Am、109Cd、57Co、139Ce、137Cs、54Mn、88Y、65Zn、60Co等核素。

1.3 测量与分析方法

样品置于探测器中心并紧贴探头表面测量,每个样品测量时长48 h。

数据分析时,一种以自制参考源进行效率刻度,LabSOCS无源效率刻度软件模拟计算符合相加修正系数,即,有源和无源效率刻度联用分析;另一种为效率刻度曲线和符合相加修正系数均由LabSOCS模拟计算获得。模拟计算时滤膜材质选库文件中的cellulos,分子式为C6H10O5。

2 测量结果与分析

3张模拟气溶胶滤膜样品的测量分析结果列于表1～表3。

表1 2019年IAEA能力验证5号模拟气溶胶滤膜测量分析结果

表3 2019年IAEA能力验证7号模拟气溶胶滤膜测量分析结果

表中分别列出了有源和无源效率刻度联用测量分析结果及单独用无源效率刻度测量分析结果,其中134Cs发射多条γ射线,此处分析了发射几率较大的5条谱线。因3个样品几何尺寸一致,且测量几何布局相同,因此LabSOCS模拟计算获得各样品中对应全能峰符合相加修正系数均相同。

2.1 单独无源效率刻度和有源、无源刻度联用结果的比较

从表中看到,3个样品有源、无源刻度联用或直接用无源效率刻度测量分析结果最大相对偏差均出现在7号样品的563.2 keV全能峰,分别为-5.7%和-8.2%。逐一对比各全能峰发现,有源、无源联用测量分析结果总体略优于单独用无源效率刻度测量分析结果,可能原因是前者有助于降低无源效率刻度建模时带来的系统误差。对134Cs 5条谱线结果取算术平均,3个样品的联用分析结果与IAEA参考值相对偏差范围为0.0%～-1.6%,单独用无源效率刻度为-1.9%～-4.1%,均符合得很好。两种分析方式137Cs与IAEA参考值相对偏差均<4%。

2.2 符合相加修正讨论

LabSOCS计算表明,134Cs 5个峰符合相加修正系数范围为0.729～0.829,修正最大约为27% (569.3 keV),修正后结果与参考值符合得很好。从中看到,不进行级联符合相加修正可能导致测量结果的偏差大于20%。

根据黄彦君等人[8]对欧美国家核电厂多年、大量流出物监测数据的统计分析,具有典型级联符合效应的60Co报告率或检出率超过60%、134Cs约为30%,在颗粒物排放量排序中分列第3和第4。公开报道的田湾核电站1号、2号机组历史数据也显示,60Co和134Cs检出率分别为53%和9%[9]。可见,符合相加修正是核电厂流出物监测中经常遇到的问题,不修正或修正不当都可能导致结果大幅偏离真值,影响核电站流出物排放统计的准确性。

2.3 样品到探测器表面距离对探测效率的影响

由于实际工作中流出物气溶胶滤膜很薄,自然伸展状态容易变得不平整。为此,通过LabSOCS软件计算了样品与探测器表面不同间距d时探测效率的变化,以评估滤膜不平整对测量结果的影响。

以1 mm为步长,分别计算了间距d变化至5 mm时134Cs 5个能量点的探测效率变化情况(相对d=0 mm),结果见图2。模拟计算表明,每增加1 mm,探测效率降低约4%。

图2 与样品紧贴探测器表面相比,探测效率随样品到探测器表面距离的变化

实际测量中样品被轴向抬高5 mm已比较明显,但因样品盒底部不平整或滤膜变形导致1～2 mm偏差是极有可能的。流出物气溶胶滤膜测量实践中,为防止样品中可能存在的碘同位素挥发影响测量结果或污染铅室,常用自封袋密封样品,然后装于样品盒或直接将自封袋放于探头表面测量,因此很容易导致样品远离探测器表面而影响测量结果。本研究中,通过选择底部平整的样品盒,并用无放射性脱脂棉填充样品盒剩余空间,使样品紧贴样品盒底,得以克服该问题。

2.4 样品轴向偏移对探测效率的影响

实验室常用高纯锗探测器端窗和晶体直径通常都明显大于流出物气溶胶滤膜样品,当测量中无专门的样品盒定位装置时,容易产生轴向偏离。利用LabSOCS软件,以5 mm为步长,模拟计算了比对样品相对探测器轴心整体偏移至20 mm时134Cs 5个能量点的探测效率变化情况(相对a=0 mm),结果见图3。从中看到,当偏移10 mm时,探测效率仅降低约4.6%;当偏移15 mm以上时,考虑到端窗半径44.45 mm,晶体半径34.9 mm,而样品半径为21.5 mm,此时样品已部分移出晶体正上方,探测效率才出现10%以上的变化。实际测量中,当样品轴向偏移10 mm时肉眼观察已比较明显,因此放样品时稍加注意,可避免该因素导致较大测量误差。

图3 与样品放置探测器正中心相比,探测效率随样品轴向偏移距离的变化

3 结论与建议

气载流出物气溶胶是核电厂监督性监测的重要内容,符合相加修正等γ能谱分析具体过程尚鲜有报道。本文研究了3个国际比对模拟气溶胶滤膜样品的γ能谱测量方法。通过有源、无源效率刻度联用分析结果与IAEA参考值相对偏差在4%以内,能有效对134Cs核素进行符合相加修正。通过LabSOCS模拟计算,研究了几何布局上样品到探测器表面距离和样品相对探测器轴横向偏移2个因素对134Cs探测效率的影响。结果表明,探测效率受样品到探测器表面距离影响显著,而样品相对探测器横向偏移影响相对较小。分析方法可用于核电厂气载流出物气溶胶滤膜γ能谱分析。

核电厂气载流出物气溶胶滤膜实际测量中,由于涉及大量含有级联符合相加效应核素样品,需充分考虑符合相加修正;应尽量避免样品不平整等因素导致远离探测器,必要时可在样品盒剩余空间放入无放射性填充物,使滤膜紧贴样品盒底部。