水样γ能谱三种测量方法探测效率对比的模拟分析

王溪睿

（辽宁省生态环境监测中心，辽宁 沈阳 110000）

当前，我国逐渐将能源发展转向核电，社会也将注意力转移到核技术使用安全以及辐射风险等方向。而γ能谱测量技术可以在短时间内做到分析水、空气等核素类型，掌握相关信息，对于科学防护具有指导性意义，也可以用准确监测结果稳定社会。而当前几种γ能谱测量技术方法各有优势，有必要对其采用科学手段展开对比，确保在核应急时可以迅速完成放射性物质探测工作，从而保护人民群众生命安全。

1 水样γ能谱测量方法对比探测效率意义

在核应急中，可以通过γ能谱分析，监测人们生活所涉及到的水、空气以及食物等多种必需品中放射性物质种类与活度，从而做到为科学防护提供准确数据信息，向社会公众公布监测结果。也可以作为稳定社会工具使用，从而落实应急相关工作。而且，以NaI(Tl）闪烁探测器技术为基础，γ能谱测量技术使用成本较低，可以稳定提升探测效率，对于环境也拥有较强适应能力，在当前监测环境中放射性元素应用较广。但目前多使用实验室测量环境样品γ能谱，NaI(TI）探测器是拥有75毫米高、底面直径75毫米圆柱体，拥有相同体积与形状聚乙烯盒。在现有条件下，每次测量样品多，实验室测量存在时间偏长的情况，对于紧急以及战时特殊情况，难以有效完成针对样品测量放射性的实际需求。所以，有必要针对现有几种水样γ能谱测量技术，包括实验室测量、马林杯测量以及井型探测器，借助MCNP4C软件完成计算，并将几种方法对水样137CSγ探测效率展开对比，寻找最佳γ能谱测量技术，提升测量质 量[1]。

2 MCNP计算模型

MCNP计算模型涉及大量内容，研究内容符合本文主体，所以在样品选择上，仅选择携带放射性核素137CS的样品，其可以向外辐射0.662 MeV的γ射线水样，而探测器则选用NaI（Tl）晶体。同时，确保模拟结果具有较高准确度，调整模拟粒子数量1×107，可以将偏差控制在±2%范围内。

2.1 实验室测量

以GB/T16140-2018《水中放射性核素的γ能谱分析方法》，在实验室对应用γ能谱测量技术，需要将探测器与样品盒以上下方式进行摆放[2]。将样品盒放置在探测器上方，两者均使用37.5 mm半径底面圆，75 mm高，2 mm壁厚的圆柱形，探测器为NaI（Tl）晶体，样品盒材料则为聚乙烯。在探测器主体侧面用一层0.5 mm氧化镁包裹，并使用2毫米铝对其外层完成封装，其底部则涂上0.1 mm的氧化硅。

2.2 马林杯测量

在马林杯测量中，探测器的选择和实验室测量保持相同规格。同样使用氧化镁包裹探测器，并使用铝对其完成封装工作。而样品盒则要变成马林杯，保持相同样品体积。将探测器放在平面上，再将样品盒罩在上面，达到包住探测器的效果。在探测器与马林杯之间存在间隙，这个间隙宽度即为以下内容提到的水样侧壁的厚度。而用水样将这个间隙填满，从探测器与马林杯所在平面，到马林杯内侧地面高度即为水样高度[3]。而为检测马林杯在侧壁空间不同水样的厚度，是否会让探测效率产生不同影响，则要保持样品体积一致，对在侧壁的水样厚度从8 mm到12 mm，每1 mm设为一档，设置5档。

2.3 井型探测器

使用井型探测器展开模拟计算，在样品盒选择上则要和实验室样品盒保持相同，同样使用氧化镁包裹探测器，并使用铝对其完成封装工作。而探测器则要选择井型NaI（TI）闪烁体，保持晶体侧壁拥有30 mm厚度，底部厚度则要控制在50 mm，内侧半径要求为39.5 mm，侧面高度79.5 mm。可以理解为井型探测器是拥有更大壁厚的马林杯，但是马林杯是倒扣在样品盒上的，而井型探测器则是将样品盒放置于探测器的内部[4]。此时，从外表观察可以看作是一个圆柱形。同时，为进一步研究井型探测器在探测效率方面的实际提升效果，则选择高55 mm、75 mm直径底面圆，以及高50 mm、50 mm直径底面圆，两类规格的样品盒。

3 探测效率计算

3.1 实验室测量

借助MCNP4C软件，通过模拟计算即可获得在实验室条件下，应用γ能谱测量技术，以标准圆柱形规格NaI（Tl）晶体作为探测器，对37.5 mm半径底面圆，75 mm高圆柱形聚乙烯样品盒水样137CSγ能谱探测效率，其探测效率可达3.16%[5]。

3.2 马林杯测量

在对水样控制侧壁厚度时，以0.662MeVγ射线作为材料，利用马林杯作为测量方法，侧壁从8 mm厚度到12 mm厚度，其全能峰MCNP模拟谱差别不大，可以判断水样在侧壁厚度方面是否存在差异，并不会对能量分辨率造成太多影响。以75 mm高度、75 mm底面圆直径的圆柱形NaI（Tl）探测器，使用0.662 MeVγ射线，其探测效率比水样所设计侧壁厚度略微增加，但是侧壁从8 mm到12 mm厚度变化过程中，探测效率仅提高1%，并不具有太大增幅能力。可以认为，针对马林杯提升侧壁厚度处理探测效率，其应用效果较为有限。

3.3 井型探测器测量

在不同水样体积条件下，通过对井型探测器对0.662 MeVγ射线测量MCNP模拟谱分析，在对水样体积进行处理的过程中，并不能让能量分辨率产生太大影响。而从相关数据分析，拥有50 mm高、50 mm底面半径的水样体积，要远超过其他两类测试水样体积，即水样体积提升，实际探测效率反而会下降。虽然拥有75 mm高，75 mm底面半径的水样体积的样品盒，且在三组测试中拥有最大容器，是最佳测试结果水样体积的3.375倍，但实际探测效率却降低了4%。可以认为，如果拥有足够的使用样品条件，提高样品总重量可以在一定范围内提升探测效 率[6]。

4 探测效率对比

将三种测量技术以横向对比方式做探测效率对比，在水样拥有0.662 MeVγ射线条件时，仅提高水样体积，并不能提升太大能量分辨率。而以75 mm高，75毫米底面半径，总水样体积约为331.2 mm3条件下，三种测量技术对0.662 MeVγ射线探测效率模拟结果可以整理为：实验室测量拥有3.16%探测效率，马林杯拥有7.81%探测效率，井型探测器拥有22.6%探测效率。可以发现，在同等条件下，井型探测器拥有最高探测效率，相较于实验室测量与马林杯，分别是其7倍与3倍，在未来使用时可以选择井型探测器完成γ射线探测工作。

5 结论

虽然在当前γ能谱测量技术中，井型探测器具备快速探测能力，可以实现核应急快速监测，但是不代表保持现状会对未来放射性物质检测有进一步发展。所以，相关部门仍需要积极研究技术方法，以井型探测为研究基础，分析其是否具备提升测量效率的能力，是否可以将设备体积优化，达到便携式检测。只有将各方面内容考虑到位，才能真正保障我国核辐射研究安全可靠。