ORTEC GEM70P4-95 P型高纯锗g谱仪的标定

杨会丽 陈 杰

(中国地震局地质研究所 地震动力学国家重点实验室 北京 100029)

环境剂量率的准确测量是释光/ESR测年的关键之一[1-3]。高纯锗g谱仪具有分辨率高、仪器稳定性好、测量能谱范围宽的特点，可以同时测量多种核素、测量效率高等优点，还可以检验放射性核素在地质环境中是否达到平衡，是环境剂量率测量的重要手段之一，在国外已被不少实验室所应用[4]。Murry (1981)曾在其博士论文中设计和标定了一台低水平高效率的高纯锗g谱仪， 并利用此谱仪作为一种便利的手段来检验考古点U238和Th232衰变系的平衡性。Hossain等(2002)曾对其使用的高纯锗g谱仪进行了标定，并采用高纯锗g谱仪、NaI (T1) g谱仪、厚源a计数仪、中子活化等不同方法对比测量了黄土样品的环境剂量率。但国内释光/ESR实验室在这方面的应用研究却很少。

中国地震局地质研究所释光年代学实验室于2011年购置并安装了1台ORTEC GEM70P4-95 P型高纯锗g谱仪，其标定是一项重要的基础性工作[4]。在丹麦Risoe释光实验室Murray教授指导下，我们于2011年11月利用中国剂量科学研究院提供的U/Th/Ra/K等标样对仪器进行了标定，采用内矩阵法求得样品中天然放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的含量；对样品测量时间长短进行了对比，并选取12个样品，分别用高纯锗g谱仪和ICP-MS方法进行了比对测量来检验仪器标定的可靠性。

1 实验仪器、测量样品盒与样品

1.1 实验仪器

本实验室GEM70P4-95高纯锗g能谱仪为美国ORTEC公司产品，测量探头直径为95mm，对60Co 1.332MeV能量分辨率1.9 keV，对57Co 122MeV峰能量分辨率0.9 keV，相对探测效率75%，峰康比为76:1。在本实验室环境下，铅室本底在 20KeV至3MeV范围内，积分本底小于0.5cps 。

1.2 测量样品盒

测量样品盒应尽量与高纯锗g谱仪探头大小一致，并且密封性较好，以防止氡逃逸。丹麦riso释光实验室采用蜡封样品方法，将样品和蜡按照1:10～2:10的比例充分混合均匀，借助于马琳杯或者圆柱杯模具，将样品制成马琳杯或圆柱形状供测量使用。本实验室采用中国剂量科学研究院电离辐射剂量科学研究所制作的圆柱形塑料样品盒，盒内径为7.5 cm、高5 cm，壁厚2mm，样品盒盖顶部有一密封橡皮圈、盒盖与盒身间通过螺纹密封。该样品盒采用盒内装满水进行了本底测量，每种核素积分本底均小于0.02 cps。

1.3 样品

1.3.1 标定用参考样品

放射性核素产生的伽玛光子照射到高纯锗材料时产生光电效应而损失其能量，同时产生电信号，经过数字化谱仪处理和分析后即可得到用作定量分析的相关数据或谱图，依据谱图中能量峰的位置确定放射性核素的种类，而根据每个核素峰面积及其对应核素的探测效率确定核素的含量。要想确定核素的种类和活度（含量）必须对仪器进行准确的能量和效率刻度。标定所用参考样品是从中国剂量科学研究院电离辐射剂量科学研究所购买装于上述样品盒的 U、Ra、Th、K 标样 ZB001、ZB002、ZB003、ZB004。此外，本实验室还选取了丹麦Riso国家实验室提供的U（含有子体Ra-226）标样经与高纯度人工石英砂充分混合后装盒密封(编号为 ZB005)，而高纯度人工硫酸钾则直接装盒密封(编号为ZB006)。表1给出了所采用标样的活度及活度浓度。

表1 本实验室所用的能量效率刻度源Table 1 The standard samples used for calibration in our laboratory.

1.3.2 与ICP-MS方法对比样品

为了检验本实验室高纯锗g谱仪标定的准确和可靠性，选取基岩样品和第四纪松散沉积物共12个样品，分别用高纯锗g谱仪和 ICP-MS方法进行了测量对比。其中基岩样品通过粉碎机碎至小于60目；沉积物样品在实验室烘箱内烘干后，磨碎至小于60目。取出约 20克样品寄送至澳大利亚 Perth市的intertek Genalysis Laboratory实验室用ICP-MS方法测量，我们同时送了4个复样，以检验该实验室测量的可靠性。

剩余样品分别装入上述样品盒内，均压实至盒内样品不能晃动为止，然后用透明胶带密封，以防止氡逃逸。由于238U衰变系中第一个子体234Th半衰期为24天，样品封盒后应放置至少24天使铀、镭及它们的短寿命子体达到平衡后用本实验室高纯锗g谱仪测量[4,5]。

2 结果与讨论

2.1 能量和效率刻度

2.1.1 能量刻度

用上述含有已知活度的核素刻度源来刻度本实验室g谱系统的能量响应，完成能量刻度后才能直接从谱线中读取核素的种类。根据Murry的建议，将235U/226Ra核素中能量峰为186 keV的子体核素设定于483道，232Th衰变子体能量峰911 keV的 核素（228Ac）设定于 2369道，谱仪系统通过线性内插，将道数转换成能量，完成仪器的能量刻度（图1）。每次计算峰面积积分时要检查以上两个能量峰是否位于设定的通道上，若有道的漂移，需将漂移的峰谱线矫正至设定位置后再进行积分计算[6]。

图1 经过能量刻度后样品P10TL-12的谱线Fig.1 The calibrated energy spectrum.

2.1.2 效率刻度

对于高纯锗g谱仪而言，不同能量范围的射线，其被探测到的效率是不一样的，不同仪器其核素探测效率也有差别，不同实验室测量所用样品盒的材质、几何形状不同，只有经过准确的效率刻度后才能计算每种核素的活度，因此需要对本实验室仪器所探测到的不同能量射线探测效率进行刻度。用铀、镭、钍、钾的体标准源进行效率刻度，其几何形状要与被测样品相同，基质密度和有效原子序数要尽量与被测样品相近。

对上述中国剂量科学研究院的4个标样测量48小时后，对其铀、镭、钍、钾的谱线中子体进行全能峰积分后扣除本底，再除以测量时间，即为每种核素及其子体单位质量单位活度下的计数率[4,7]，表2给出了本实验室高纯锗g谱仪效率刻度后不同能量峰下核素的探测效率。完成效率刻度后可以对任一谱线中不同核素进行活度计算，核素的计数率除以其探测效率即可得到其对应核素活度。

表2 本实验室高纯锗g谱仪不同能量峰下核素探测效率Table 2 The calibrated detection efficiency of the different energy peak.

2.2 测量时间的确定

高纯锗g谱仪测量时间越长，统计误差越小，峰型越好[5,8]。为提高测量精度和测量效率，我们对典型第四纪松散沉积物样品LED11-210和基岩样品BLK11-1进行了在不同测量时间长度下（0.5、1、2、4、6、8、13.2、24 h）的对比实验。从图2可见，随着测量时间的增长，测量误差明显减小，测量时间大于8个小后，核素的活度基本上无变化，所以我们认为测量时间达到8个小时即可以满足测量要求，同时也说明我们的仪器是稳定的，且具有可重复性。

2.3 本实验室高纯锗g谱仪仪器的稳定性和可重复性

为了检验本实验室高纯锗γ谱仪的稳定性和可重复性，我们选取了2个放射性平衡的样品，进行了封盒后放置不同时间后的测量（放置时间均大于24天）。结果（表3）说明本实验仪器的测量结果是可重复的，仪器稳定性也很好。

图2 不同长度测量时间下核素的活度 (a)松散沉积物样品LED11-210, (b)基岩样品BLK11-1Fig. 2 The nuclide activity using different measuring time.

表 3 不同时间测量样品结果对比(Bq·kg−1)Table 3 The samples compared results in different time measure(Bq·kg−1).

2.4 与ICP-MASS测量结果的对比

澳大利亚intertek Genalysis Laboratory实验室采用 4A/ ICP-MS(4酸溶解后电感耦合等离子体质谱)方法测量U/Th含量，4A/ICP-OE（4酸溶解后电感耦合等离子体光谱）方法测量K含量，在此统一称为ICP-MS法。此方法测量精度较高，K的精度可以达 20 ppm，U/Th的精度可达 0.01ppm。表 3给出了12个样品两种方法的测量结果。送澳大利亚实验室的4个复样在1个标准偏差内一致，表明该实验室的ICP-MS测量结果是可靠的和可重复的。

表4 高纯锗g谱仪与ICP-MS测量结果对比Table 4 Comparison of measured and calculated results using the Ge g-ray spectrometer and ICP-MS.

表4中两种测量结果的比值均为1或接近1，一致很好，表明本实验室高纯锗g谱仪的标定是可靠的，测量结果是准确的。其中样品P10OE-7的K含量两方法差别较大，原因是此样品K含量低，小于0.1%导致相对误差稍大，在这种情况下，ICP-MS方法精度更高。

另外在进行高纯锗g谱仪分析计算时，可以根据母体238U元素和子体226Ra元素活度，来判断样品在地质历史时期内衰变的平衡性，如果238U元素活度与226Ra元素活度基本一致，说明此样品是处于放射性平衡状态；但如果238U元素活度高于226Ra元素活度，此样品可能存在238U的富集；反之，可能有238U的丢失。本批测量的12个样品放射性衰变均处于平衡体系中。

3 结论

对本实验室ORTEC GEM70P4-95 P型高纯锗g谱仪的测量本底、测量条件（如样品盒本底与测量时间）、仪器稳定性进行了检测。用标样分别进行了能量刻度和效率刻度，并与ICP-MS方法进行了比测。结果表明，本实验室高纯锗g谱仪和所选用样品盒测量本底极低；测量时间越长，误差越小，但达到8个小时即可满足测量要求；本仪器经标定后的测量结果与 ICP-MS结果在误差范围内完全一致，说明标定结果是可靠的，而且具有很好的稳定性和可重复性。此外本仪器能同时测量多种放射性核素，根据母体和子体的活度，可以判断放射性衰变是否平衡。

致谢 丹麦risoe释光实验室Andrew Murry教授亲自指导仪器标定并提供计算软件；中国科学院地质与地球物理研究所顾兆炎研究员指导数据计算；中国剂量科学研究院电离辐射剂量科学研究所梁珺成帮助测量标样，在此一并表示衷心感谢！

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2 Corte D F, Hossain S M, Jovanovic S, et al. Introduction of Marinelli effective solid angles for correcting the calibration of NaI(TI) field gamma-ray spenctrometer in TL/OSL dating[J]. Radioanalytical and Nuclear Chemistry 257. 2003551–555

3 Sanzelle S, Errarrdi H, Fain J, et al. The assessment of gamma dose-rate by gamma-ray field spectrometer[J].Nuclear Tracks and Radiation Measurements. 1988, 14(1):209–213

4 Andrew M. Enviromental Radioactivity Studies Relevant to Thermoluminescence Dating[D]. 1981.136–240

5 王强. 高纯锗g能谱仪在铀矿地质试样分析中的应用[J]. 西北铀矿地质, 2006, 32(2):60–64 WANG qiang.Ge g-ray Spectrometer System is applied in Uranic Geology sample analysis[J]. Xibei Uranic Geology.2006, 32(2):60–64

6 谭金波, 徐春长. 检验锗g谱仪性能的实验方法[J]. 核电子学与探测技术, 1987, 7(2):81–87 TAN Jingbo, XU Chunchang. The Experimental Method for Testing performance of Ge g-ray Spectrometer System[J]. Nulear Electronics & Detection Technology.1987, 7(2): 81–87

7 Ortec. Digital Portable MCA with SMART-1TMHPGe Detector Technology Operator Manumal.2009. 30–46

8 Hossain S M. A critical comparison and evaluation of methods for the annual radiation dose determination in the luminescence dating of sediments[D]. 2002. 81–91