降低HPGeγ谱仪探测限的方法的探讨

于安雁 赵永生 丁 泮（海南核电有限公司，海南 昌江 572733）

结论



降低HPGeγ谱仪探测限的方法的探讨

于安雁 赵永生 丁 泮
（海南核电有限公司，海南 昌江 572733）

摘 要：对于核电厂放射性流出物的浓度及排放量国家有严格的控制，而对于低于探测限的测量结果，需要按照探测限的1/2统计，可见降低探测限的重要性。本文通过日常工作中发现的问题，探讨了降低HPGeγ谱仪探测限的几种方法。关键词：放射性流出物；HPGe；探测限

1 概述

根据《GB 6249-2011核动力厂环境辐射防护规定》，核电厂在放射性流出物测量分析中，对于低于探测限的相关测量结果应通过实验分析进行合理估算，确实无法估算的，在排放量统计时按探测限（简称MDA）的1/2取值进行。所以流出物实验室探测限的确定至关重要。本文将以高纯锗γ谱仪为例，探寻降低探测限的方法。

2 仪器原理

放射性核素产生的γ光子和X射线，其能量一般在keV至MeV范围。由于其不带电荷，通过物质时不能直接使物质产生电离，不能直接被探测到，因此γ和X射线的探测主要依赖于其通过物质时与物质原子相互作用，并将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。这种相互作用表现出光子的突变性和多样性，在吸收物质中主要产生三种不同类型的相互作用：光电效应、康普顿效应或电子对效应，而产生的次级电子（光电子）再引起物质的电离和激发，形成电脉冲流，电脉冲的幅度γ和X射线的能量成正比。在3种效应中，光电效应的γ光子把全部能量传递给光电子而产生全能峰，它是谱仪系统中用于定性定量分析的主要信号；而康普顿效应和电子对效应则会产生干扰，应尽可能地予以抑制。

在HPGeγ谱仪中，探测器（包括晶体、高压和前置放大器）实际上是一个光电转换器，将光子的能量转变成幅度与其成正比的电脉冲。然后通过谱仪放大器将该脉冲成形并线性放大，再送入模数变换器（ADC）中将输入信号根据其脉冲幅度转变成一组数字信号，并将该数字信号送入多道计算机数据获取系统，由相关软件形成谱图并进行分析。

2.1 HPGeγ谱仪自带的MDA计算方法

在Gamma Vision软件中选择“传统ORTEC”计算方法，计算公式如下：

式中：

CRmda=所选计算方法的MDA计数率（cps）

SENS=.SDF文件（谱描述文件）中所描述的峰甄别阈值（%）

LT=测量活时间（sec）

B1=本底

式中：

MDA=指定γ射线的MDA报告值（Bq）

CRmda=对应所选方法的MDA计数率（cps）

MDAconv=换算因子，将一个MDA计数率换算成一个活度

其中：

式中：

CR=峰识别概要报告中给出的峰计数率（cps）

Actrep=峰报告中给出的核素库中的γ射线活度（Bq）

2.2 一般文献计算方法

按照文献，给出的计算方法

其中：

K=置信常数，一般置信度取95%，则K=1.645

LD=探测下限（cps）

ts=样品测量时间（s）

tb=本底测量时间（s）

按照公式（4），有关MDA的一般做法是先测本底谱，这是没有实际意义的。因为对于环境监测、流出物监测等应用项目，由于取样的时间、地点等因素的变化，一般很难控制样品中其他核素的成分和强度，由他们形成的康普顿本底也就是不可避免且难以控制的。因而，必须从同一个样品谱中解出样品的净计数和本底，给出判断结果。

3 测量条件及结果

3.1 测量条件

此次实验室使用的仪器为ORTEC公司的GEM30P4-76型高纯锗γ谱仪，其探测效率为30%。在室温条件下，利用容量为1L的马林杯测量液体样品，测量时间为15000s，得到各γ核素的探测限如下。

3.2 测量结果

此次测量结果是由与高纯锗γ谱仪配套使用的Gamma Vision软件自动计算得出的，具体内容见表1。

表1液态流出物探测下限　浓度单位：Bq/m3

4 探测限影响因素分析

从式（1）可以看出，影响MDA值的主要因素为测量时间和环境本底值。测量时间越长，环境本底越小，则MDA值越小。表2为我电厂液态流出物探测限与其他两个电厂的比较。

表2各电厂液态流出物探测下限比较　浓度单位：Bq/m3

我厂与电厂B使用的高纯锗γ谱仪相同，即ORTEC公司的GEM30P4-76型，而电厂A使用的高纯锗γ谱仪为ORTEC公司生产的GEM30185型，但相对效率与我厂使用的高纯锗γ谱仪相同，也是30%（对60Co的1332keVγ射线）。

从表2中可以看出，我厂探测限明显比电厂A低很多，而与电厂B结果则相差不大。下面将从两个方面具体分析降低探测限的方法。

4.1 测量时间对探测限的影响

在相同条件下，同一样品在同一台仪器上，分别测量10000s和15000s时，各核素的MDA值见表3。

表3液态流出物同一样品、不同测量时间下的探测限　浓度单位：Bq/m3

从表3可以看出，在相同条件下，对于同一样品，增加测量时间，环境本底也会有所降低，核素的MDA值会明显减小。所以我们可以得出结论，在其他条件相同的情况下，增加样品测量时间可以降低探测限。

4.2 环境本底对探测限的影响

除了测量时间，另外一个影响MDA值大小的主要因素就是本底。本底计数由三部分组成，即γ射线谱基线本底、天然γ射线峰本底和其他核素的干扰峰本底，其中γ射线谱基线本底又由康普顿散射本底和电子噪音本底组成。

由于基线本底计数大小会受到高能峰康普顿坪的影响，因此即使对同类样品测量，并且测量时间、样品量以及样品的几何尺寸都相同，其探测限也不会完全一致。

与电厂A针对同一型号的HPGeγ谱仪，做过多次本底测量的比较，事实证明我厂在绝大多数情况下，我厂环境本底值低于A电厂。由此可以说明环境本底值越小，探测限也会越低。

但另外一点需要说明的是，按照文献，有关MDA的一般做法是先测本底谱，这是没有实际意义的。因为对于环境监测等应用项目，由于取样的时间、地点等因素的变化，一般很难控制样品中其他核素的成分和强度，由他们形成的康普顿本底也就是不可避免且难以控制的。因而，必须从同一个样品谱中解出样品的净计数和本底，给出判断结果。

结论

从以上分析可以看出，增加样品测量时间和降低环境本底，在一定程度上可以降低HPGeγ谱仪的探测限。但从公式（1）中也可以看出，当测量时间达到一定程度，即使再增加测量时间，对于减小MDA值也无太多贡献。所以在计算HPGeγ谱仪的探测限时，可以从增加测量时间和降低环境本底两方面考虑，从而降低其探测限。

参考文献

［1］师全林，常永福，张佳媚.最小可探测限活动MDA的统计学解释［A］.北京：全国第四届核仪器及其应用学术会议论文集［C］.2003：189-190.

［2］黄乃明，莫光华.HPGeγ能谱仪测量中探测限的计算［A］.北京：全国放射性流出物和环境监测与评价研讨会论文汇编［C］.2003：212-215.

中图分类号：TL817

文献标识码：A