伴生放射性铁矿中放射性核素的γ 能谱测量影响因素研究

冯 硕，王铁健，田 飞，李彩霞

（核工业北京地质研究院，北京 100029）

自2016年以来，第2 次全国污染源普查伴生放射性矿普查工作全面开展，涉及的伴生放射性矿种共15 种，其中包括铁矿的采矿、 选矿和冶炼等行业。 我国铁矿资源丰富，分布相对集中，主要分布在辽宁、 四川和河北等省，品位在30%～60%之间，以磁铁矿、钛铁矿为主[1]。 此次伴生放射性矿普查对象为原矿、 精矿、 尾矿及废渣，涉及的放射性核素为238U、232Th 和226Ra，分析方法以高纯锗 γ能谱法为主。 高纯锗γ 能谱法需要借助于标准物质进行效率刻度，原则上要求标准源与待测样品几何形状和大小完全相同、 基质一样或类似、 质量密度相等。 目前，含238U、232Th 和226Ra 的标准物质种类较少，基质类型较为单一，而样品的组成及密度影响探测效率[2-5]，采用现有的标准物质直接测量难以满足要求。 因此，采用Angle 3.0 无源效率刻度软件模拟，研究铁矿石的组成、 装样密度及高度等因素对探测效率的影响，并通过制备含铁标准体源进行验证。

1 实验仪器及材料

仪器：高纯锗 γ 能谱仪，探测器型号为GMX50P4—83，N 型同轴封端探头，相对探测效率为50%，分辨率为 1.9 keV （对60Co的 1 332 keVγ 射线），美国 ORTEC 公司。 无源效率刻度软件，Angle 3.0，美国 ORTEC 公司。

材料：铁粉，分析纯。 铀镭平衡粉末源（GBW 04305a），238U：39.5 Bq·g-1，226Ra：38.8 Bq·g-1，核工业北京地质研究院生产。 钍平衡粉末源（GBW 04308），232Th：13.9 Bq·g-1，核工业北京地质研究院生产。 圆柱形塑料装样盒，Φ75 mm×35 mm。

2 实验内容

2.1 无源效率刻度软件模拟

Angle3.0 无源效率刻度软件以点源参考效率曲线为基础，通过效率转换模拟计算可以得出不同点源、 面源、 体源的探测效率[6]。Angle 3.0 无源效率刻度软件与本文采用的高纯 锗 γ 能 谱 仪 配 套 使 用 ，对 探 测 器GMX50P4—83 进行表征后，可以针对任意材料、 几何形状的样品进行模拟计算。

无源效率刻度模拟采用单一变量的方式，研究主成分组成、 装样密度及装样高度3 个参数的影响：1） 主成分组成：O、 Si、 Al、 Fe和 Ca 元素；2） 装样密度：1.24、 1.86、 2.48、3.10 和 3.72 g·cm-3；3） 装样高度：1.5、 2.0、2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5 和 5.0 cm。238U、232Th和226Ra 无源效率刻度模拟选择发射几率较大的特征 γ 射线峰：238U 的 63.3、 1 001 keV，232Th 的 238、 583 和 911 keV，226Ra 的 295、352、 609 和 1 764 keV。

2.2 标准源的制备

采用Φ75 mm×35 mm 圆柱形塑料装样盒装填掺有铁粉的标准源，制备不同密度的标准源。 标准源 1：铁粉 125.0 g，掺入铀镭平衡粉末源GBW 04305a 50.0 g、 钍平衡粉末源GBW 04308 50.0 g，均匀混合；标准源 2：铁粉279.0 g，掺入铀镭平衡粉末源GBW 04305a 10.0 g、 钍平衡粉末源 GBW 04308 11.0 g，均匀混合；标准源 3、 4：铀镭平衡粉末 源GBW 04305a 150.0 g、 钍 平 衡 粉 末 源GBW 04308 150.0 g 各 1 个，作为对比。 标准源 1、 2、 3、 4 分别装入 Φ75 mm×35 mm 装样盒，密封放置20 d。 将标准源用高纯锗γ 能谱仪测量，计算得到各 γ 射线峰的探测效率ε。

式中：n—相应能量λ 射线的净计数率，cps；m—样品质量，g；a—核素的比活度，Bq·g-1；P—相应能量γ 射线的发射几率，无量纲。

3 结果与讨论

3.1 主要组成元素对探测效率的影响

地壳中主要组成元素含量由高到低依次为 O、 Si、 Al、 Fe 和 Ca，不同样品其组成元素及比例各不相同，而铁矿石中元素含量最高的可能是Fe。 假定装样密度一致，采用无源效率刻度软件分别对 O、 Si、 Al、 Fe 和 Ca单一元素进行模拟计算，得到不同元素对探测效率的影响，如图1 所示。

由图 1 可见，在238 keV 以上的能量区域，各元素对探测效率的影响一致。 63.3 keV射线的探测效率随原子序数增加而降低，Fe元素尤为明显。

3.2 装样密度对探测效率的影响

图1 不同元素对探测效率的影响Fig. 1 Effect of different elements on detection efficiency

γ 能谱装填的对象为粉末，装样密度受组成成分、 粒度及粒度分布、 压实程度等影响[7]，比真密度小。 铀镭平衡粉末源的基质材料为花岗岩，真密度 2.6～3.3 g·cm-3，装样密度 1.24 g·cm-3（即 Φ75 mm×35 mm 装样盒装样150 g 左右）。 铁矿石的真密度大多在 5.0 g·cm-3左右 （赤铁矿 4.9～5.4 g·cm-3，硫铁矿4.9～5.2 g·cm-3，菱铁矿 3.7～4.0 g·cm-3，磁铁矿 5.5～6.5 g·cm-3）。 铁矿石的品位不同也影响装样密度。 无源效率刻度软件可以模拟不同装样密度的样品，设定装样密度分别为1.24、 1.86、 2.48、 3.10 和 3.72 g·cm-3，考察装样密度对探测效率的影响，结果如图2 所示。

由图2 可见，探测效率随装样密度增大而减小。 在低能区（63.3 keV）探测效率下降尤为明显；在中、 高能区（238～1 764 keV），下降趋势减小。 对9 个能量峰分别以探测效率y对装样密度 x（g·cm-3）作图，拟合结果呈线性关系，线性参数如表1 所示。 结果表明，不同装样密度样品的探测效率可以通过线性回归方程修正。

3.3 装样高度对探测效率的影响

图2 不同装样密度对探测效率的影响Fig. 2 Effect of different density on detection efficiency

表1 装样密度与探测效率的线性关系Table 1 Linear relationship between loading density and detection efficiency

图3 不同装样高度对探测效率的影响Fig. 3 Effect of different loading height on detection efficiency

保持装样密度（ρ=1.24 g·cm-3）不变，对不同装样高度 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4.0、4.5 和5.0 cm 进行无源效率刻度模拟计算，结果如图 3 所示。 对比 3.0、 3.5、 4.0 cm 的装样高度对探测效率的影响，结果如表2 所示。

由图4 可见，样品的装样高度增加，样品距探头的平均距离增加，立体角减小，导致探测效率降低。 由表 2 可见，装样高度3.5 cm 变化±15%，低能区的探测效率变化超过10%，中高能区的探测效率变化在10%以内，装样高度对探测效率的影响明显。 为减小测量误差，装样时应尽可能保持装样高度一致。

表2 3.0、 3.5、 4.0 cm 的装样高度对探测效率影响的比较Table 2 Comparison of 3.0，3.5 and 4.0 cm sample height on detection efficiency

3.4 验证实验

将掺铁标准体源、 铀镭平衡体源和钍平衡体源分别在高纯锗γ 能谱仪上测量，计算出探测效率。 与无源效率刻度软件模拟计算出的探测效率相比较，所得结果如表3 所示。

由表3 可见，63.3 keV 处探测效率的实测值与拟合值相差较大，主要原因是低能区效率受组分和密度双重影响，若组分未知，易出现较大偏差。 与 63.3 keV 相比，238U 的测定采用1 001 keV 更稳定可靠。 其他γ 射线探测效率的实测值与拟合值相对偏差在7%以内。

表3 验证实验结果Table 3 Verification of measurement results

4 结论

通过对铁矿石的组成成分、 装样密度及装样高度采用无源效率刻度软件模拟及实验验证可知，1）238U 的测定在 63.3 keV 受组分和密度影响大，若组分未知，选择1 001 keV效果更好。 2） 装样时应保持装样高度一致。3） 装样密度与探测效率呈线性关系，在样品与标准源装样密度不一致的情况下，可通过密度修正计算探测效率。