基于HPGe水体在线伽马测量估计水体总α/β比活度

2019-02-26孙高山葛良全曾国强徐立鹏郭生良罗明涛

四川环境 2019年1期

孙高山, 葛良全, 管弦, 曾国强, 徐立鹏, 郭生良, 罗明涛

(1.成都理工大学, 成都 610059;2.四川省辐射环境管理监测中心站，成都 611130;3.新核泰科科技有限公司, 成都 610051)

1 引言

伴随科学技术的发展和工业生产加工水平的不断提高，人类对核能的开发与利用进入了高速发展的时代，与此同时饮用水的放射性监测就显得十分重要。四川省是中国核工业相关生产和科研单位大省，对省内居民饮用水的放射性监测具有重要意义。

基于ISO(9696/9697)标准对水体的总α/β活度测量有多种方法，如蒸发法、共同沉淀法、蒸发/液闪法[1]。这些方法中的蒸发过程都会不可避免的破坏水样，过程十分繁琐无法在现场条件下进行测量，测量过程中会使用大量的化学试剂对环境不利且浪费材料。

由于传统测量方法的种种弊端，本文提出了一种基于高纯锗(HPGe)探测器水体在线监测系统间接测量水体总α总β放射性活度的方法。由于高纯锗(HPGe)探测器有良好的能量分辨率，这使得在分析计算水体总α总β活度时具有较高的可信度[2]。

2 高纯锗(HPGe)探测系统

如图1所示实验使用的高纯锗水样辐射监测系统不需要在实验室条件下就可以在现场完成对水样的采集和测量工作。与通常所见的高纯锗探测系统一样，该系统包括：HPGe探测器，电荷灵敏型前置放大器，5keV高压电源，NIM机箱电源，微型计算机，多道缓存与微机接口，谱仪ADC，γ谱分析软件[3]。水中放射性核素发出的γ射线与高纯锗晶体发生反应产生能量沉积形成脉冲电压，晶体上加有高压使得很小的电信号都能够收集，收集到的电压脉冲信号经过线性放大，A/D转换等处理后被计算机系统采集，将对应的能量信息储存在多道系统中，某一个能量的γ光子在晶体中沉积的越多则对应的道址上的计数越高，最终得到γ射线能谱。γ能谱中每一个道址对应一个相应的能量强度，该能量强度对应相应的放射性核素，通过对γ能谱的测量可以反映出某种放射性核素的存在与否以及其含量的多少和放射性强度的大小。为了确保测量的准确性对水样放射活度的测量是在铅室中进行的这样可以尽可能的避免宇宙射线以及自然核素对测量的干扰，铅室为外径Φ720mm×875mm，内径Φ500mm×600mm圆形柱体，内部容积约为117L。

该监测系统(图2)由两个抽水泵交替工作将河水抽入沉淀池内，水泵位于距离河床底部高约2m的位置。水样在沉淀池内经过沉淀后再进入铅室内进行测量，测量时间根据需要进行调整，实验时对待测水样进行伽马能谱测量。若水样合格则通过水管回路排回河流中，若水样不合格则储存在样品池内等待进行后续化学处理来分析水样中的元素含量。

图2 水体监测流程图Fig.2 Water-monitoring procedure

3 实验过程

实验中对郫县，东风渠水，成都理工内自来水，矿泉水分别进行了28h，24h，22h以及6h的伽马能谱测量，谱线每10s更新一次，2h保存一次谱线。若水样合格则通过水管回路排回河流中，若水样不合格则储存在样品池内等待进行后续化学处理来分析水样中的元素含量。

水体α/β放射性绝大部分来源于三大天然放射系核素(铀系、钍系与锕铀系)和部分非系列放射性同位素(如40K)，此类核素在放出α，β粒子时，通常伴随放出γ射线[4]。

在测量水体放射性时通常不考虑235U及其子体，主要因为同位素含量相比于238U含量非常低。在水体中铀的溶解度大于钍，即使溶解度会受到PH值，胶状物颗粒，以及水体中其他离子浓度的影响[5]。但在岩层中钍含量通常是铀的四到五倍。本文所采用的研究方法是通过伽马能谱系统间接推算测量水体总α/β活度特征。对于α衰变与其相关的伽马射线全能峰并不多，所选择的能量峰与周围其它峰位也有重叠这使得对α活度的校正计算比较困难。对于β射线而言与其相关的γ射线全能峰则有很多选择[3]。

图3 被测水样伽马能谱Fig.3 Gamma spectrum of tested water sample

基于水体γ能谱的水体α，β比活度计算流程如图4所示。

图4 计算流程图Fig.4 Calculation procedure

表1，表2分别为寻峰所得具有α放射性和β放射性核素对应能量γ射线的峰面积，图3为被测水样的伽马能谱。

表1 扣除散射本底后4种水样中α放射性核素的γ能峰2h内计数Tab.1 Counts of gamma energy peek of alpha nuclides within 2 hours

表2 扣除散射本底后4种水样中β放射性核素的γ能峰2h内计数Tab.2 Counts of gamma energy peek of alpha nuclides within 2 hours

续表2

同位素γ射线能量/MeV郫县东风渠自来水纯净水214Pb0.35246.30119.40832.7136.0130.29529.7297.75120.2644.882214Bi1.76415.5015.7868.6200.9171.1216.9805.2386.2141.2300.60946.05018.86825.6544.419223Fr0.0517.8697.8487.0263.88140K1.4656.90225.69021.0941.340总和-443.826187.543221.593120.843

取纯净水样γ能谱作为环境本底，拟合出4种水样的净峰面积与实测α，β比活度的函数关系式。拟合结果如表3、表4所示。

表3 α净峰面积与外检结果拟合数据Tab.3 Calculation & test results and modification for alpha nuclides

α净峰面积与实测值之间的拟合函数为：

Aα=0.000 300 3×N-0.029 07

(1)

表4 β净峰面积与外检结果拟合数据Tab.4 Calculation & test results and modification for beta nuclides

β净峰面积与实测值之间的拟合函数：

Aβ=0.000 176 2×N-0.003 515

(2)

从表3、表4中可看出郫县河水水样的α、β比活度明显高于东风渠与自来水水样。利用拟合函数计算出郫县水样的α、β比活度与外检结果的相对偏差分别为8.65%和6.73%，证明该方法在相对较高放射性水样α、β比活度估计中能取得更好的效果。

4 结果与讨论

本文基于XTG-2000W型水体放射性实时在线监测系统所测郫县河水、东风渠水、成都理工大学自来水与某品牌纯净水γ能谱，利用寻峰所得核素的净峰面积，拟合出总净峰面积与实测α，β比活度之间函数关系，如图5，图6所示，3种水样的α比活度拟合值与实测值的相对误差分别为8.65%、9.49%、121.87%；β比活度拟合值与实测值的相对误差分别为6.73%、27.95%、16.96%。