多种方法测量全国辐射环境监测质量考核样对比研究

徐 僳,王 茜,何庆驹,陈 诚,舒奕嘉,张红帆

(1.四川省辐射环境管理监测中心站，成都 610000；2.中国核动力研究设计院，成都 610000)

引 言

随着中国核工业飞速的发展，国家对于核设施周边环境辐射水平的重视与日俱增，辐射环境监测工作越发普遍，监测数据的准确度是评价实验室监测能力与水平的重要标准[1]。我国进行的低放射性样品比对结果表明，50% 的实验室存在系统偏差[2]，定期进行全国性的实验室辐射监测考核比对，有助于提高各实验室的监测水平，督促监测人员不断提高自身监测能力。

有源效率刻度方法是一种常见的效率刻度手段，对于规则形状的未知活度样，该方法具有刻度结果准确，操作简便等优点，但其不具有泛化性，每次刻度需根据未知样特性制备相应刻度源，成本较高。有源效率曲线法、相对比较法是有源效率刻度法的具体应用[3-4]。在此基础上，Canberra公司联合美国橡树岭国家实验室，推出了无源效率刻度系统ISOCS与LabSOCS，前者适用于现场，后者适用于实验室环境。该系统适用于各种形状的未知活度样品，计算简便，可有效计算样品自吸收，在建模准确的情况下，有较高的准确度。本文使用γ谱无源效率刻度软件LabSOCS、有源相对比较法、有源效率曲线法通过多种型号高纯锗探测器，对技术中心提供的1个沉降物中指定核素57Co、60Co、54Mn、65Zn进行活度浓度计算与修正，通过技术中心提供的参考值验证了LabSOCS计算值的准确性，同时进行多型号高纯锗谱仪性能横向对比，为今后能谱测量工作的探测器选用提供数据参考。

1 材料与方法

1.1 谱仪信息

1.1.1 技术参数

美国ORTEC公司生产的高纯锗γ能谱仪GMX70-95-LB-C(N型，下称GMX70)与GEM-60195-P(P型，下称GEM60195)，由中国计量科学研究院检定，分辨率分别为2.29keV、2.00keV(对60Co的1332.5keV峰)；反康普顿散射高纯锗γ能谱仪GMX50-ASPEC927(N型，下称GMX50)，由中国计量科学研究院检定，分辨率为2.25keV(对60Co的1332.5keV峰)。

美国Canberra公司生产的高纯锗γ能谱仪BE6530(宽能)，由国防科技工业5114二级计量站校准，分辨率为2.01keV(对60Co的1332.5keV峰)。

上述高纯锗谱仪均在检定/校准有效期内。

1.1.2 本底计数率

仪器型号不同，其屏蔽材料厚度尺寸不一，全谱本底计数率(20keV-3MeV)在0.7/s-2.05/s之间。

1.1.3 分析软件

Canberra高纯锗谱仪使用Genie 2000，无源效率刻度软件使用LabSOCS。LabSOCS能量范围是45keV-7MeV，实验室条件刻度精度为7.1%(<150keV)；6.0%(150～400keV)；4.3% (400～7000keV)。

1.1.4 分析方法

GMX70、GEM60195及GMX50三台高纯锗γ谱仪使用有源效率刻度法进行效率计算，BE6530使用LabSOCS软件进行效率计算。

1.2 样品制取

1.2.1 考核样制取

技术中心提供的沉降物样品已事先进行了前期处理(研磨，除菌)，本实验制取时使用内径54.80mm，高25.00mm，四周厚度均为3.40mm的扁平圆柱体样品盒进行装填，装填目标质量为10g。装填后使用压样器将沉降物压实平整，测得沉降物实际装填质量为9.4g，实际装填高度为7.32mm。

1.2.2 标样制取

使用1.2.1的相同方法制备标样(Eckert&Ziegler公司生产)，使标样几何尺寸，质量与待测样品基本一致。最终测得标样的质量为9.8g，高度为7.50mm。标样的核素出厂信息如表1所示，标样制取前的总质量为150.87g。

表1 标样核素活度浓度信息Tab.1 Nuclide activity concentration information of standard sample

1.2.3 天然土壤标样制取

考核样中包含一定量的天然核素232Th，考核核素54Mn的834.8keV能量处计数受到232Th子体228Ac的835.5keV特征能量γ射线计数的影响，导致考核样54Mn核素的活度浓度偏高，因此使用天然土壤标样通过有源效率曲线法对干扰进行修正。制备相应的标样，使其尺寸与待测样基本一致，测得高度为7.43mm，质量为10.0g。天然土壤标样核素232Th出厂活度信息如表2所示。

表2 天然土壤标样中232Th活度浓度信息Tab.2 Information of 232Th activity concentration in natural soil standard sample

1.3 样品测量

1.3.1 无源效率刻度

探测器常年使用，其内部屏蔽材料氧化，探测晶体死层变化，都会导致样品到探测器灵敏区的实际距离发生改变，因此LabSOCS在使用前需先确定源-探测器有效距离，对于形状尺寸相差较大的样品，该数值有一定差异，因此使用上节的9.8g标样进行该距离的确定。具体方法为使用LabSOCS及Genie2000软件进行标样的活度浓度计算，不断修改源-探测器距离，直到软件计算结果与给定标样活度相对误差的标准偏差达到最小，则选定该距离为有效距离。图1给出了不同源-探测器距离下的4个核素活度浓度计算值与标样参考值的误差图。

图1 不同源-探测器距离计算值与参考值误差Fig.1 Error between calculated value and reference value of different source-detector distance

从图1中可看出，随着源-探测器距离减小，除60Co核素活度浓度计算值与参考值误差增大，其余各核素的计算误差均降低。导致这个问题的原因是，60Co两个特征γ射线是级联发射，距离探测器晶体越近，符合相加效应越严重，因而误差会越来越大。结合其他实验室的研究[5]，从这里可看出LabSOCS软件并未进行符合相加修正。

综上所述，计算57Co、65Zn及54Mn核素活度浓度最终确定源-探测器有效距离为4.7mm。计算60Co活度浓度需将样品垫高以修正符合相加，受探测器铅室尺寸影响，本实验将样品垫高74mm，此时源-探测器有效距离为78.7mm。本文在进行测量时，样品为紧贴探测器摆放，垫高测量也是在此基础上进行。

利用LabSOCS软件设置样品尺寸后，获得4.7mm、78.7mm源-探测器距离下考核样的效率刻度函数分别如式(1)、式(2)所示。

ln(Eff)=-9.811+0.006187×ln(E)+2.422×ln(E)2-0.7777×ln(E)3+0.08974×ln(E)4-0.003628×ln(E)5

(1)

ln(Eff)=-6.702-4.290×ln(E)+3.946×ln(E)2-1.043×ln(E)3+0.1122×ln(E)4-0.004369×ln(E)5

(2)

式中：E为γ射线能量，keV；其中式(1)适用于57Co、65Zn及54Mn三个核素的特征峰能量，式(2)只适用于60Co的特征峰能量。

Genie 2000软件在导入LabSOCS的效率曲线后进行计算，会直接输出最终结果，其所用计算公式如下：

(3)

式中：Q为核素活度浓度，Bq/g；Ajk为第j种核素的第k个特征峰的计数率，cps；Ajkb为Ajk对应的全能峰本底计数率，cps；Pjk为第j种核素发射第k个射线的几率；W为样品质量；εk为第k个射线特征峰的探测效率。

1.3.2 有源效率刻度法

相对比较法计算核素活度浓度，只需将考核样与标样分别放置在同一台探测器上，距离探头高度相同，分别设定一定的时间即可。其计算公式如下：

(4)

式中：Qk为考核样中第k种核素活度浓度，Bq/g；Ak为标样第k种核素的活度；Nmn为考核样第m种核素，第n个全能峰计数率；Nmnb为考核样对应的本底计数率；Netkl为标样第k种核素第l个特征能量的全能峰净计数率；w为被测样品的净重，g。

使用有源效率曲线法，旨在修正天然核素232Th子体228Ac的能量835.5keV对54Mn的834.8keV特征峰净计数的影响。测量时使用天然土壤标样建立效率曲线，通过效率曲线计算考核样中228Ac在给定测量时间下的理论计数，计算公式如下：

(5)

式中：N835.5keV为在给定时间下的考核样中835.5keV特征峰的理论计数；N911.03keV为考核样中228Ac核素911.03keV的全能峰计数；Nb为对应的本底计数；ε835.5keV、ε911.03keV分别为标样效率曲线上835.5keV、911.03keV能量的探测效率，其中ε911.03keV为天然土壤标样所得；p911.03keV、p835.5keV分别为228Ac特征能量911.03keV、835.5keV的分支比。

2 结果分析

通过探测器的效率曲线，可以初步得知探测器对不同能量γ射线的能量响应情况，图2为本文4种探测器的实测所得效率曲线。

图2 4种类型探测器的实测效率曲线Fig.2 Measured efficiency curves of four types of detectors

从图2中可以看出，GMX70探测器的整体探测效率最高，BE6530效率曲线整体与GMX70相似，但中高能部分效率略低。GMX50反康普顿探测器在中高能段，探测效率略小于GEM60195，低能段探测效率低于BE6530与GMX70。GEM60195因其P型晶体的特性，在低能段的探测效率明显小于其他三款探测器。图2中1 173.23keV处，4款探测器均有不同程度的探测效率骤然下降，导致这种情况的原因为60Co两个能量的特征峰为级联发射[6]，其实际测量峰面积偏小。

本次考核的结果评价采用迭代稳健统计方法，并用Z比分数进行评价，Z比分数计算公式如下：

(6)

式中：Xlab为计算结果；Xpt为给定稳健平均值；σpt为稳健不确定度。|Z|≤2表明考核结果合格；|Z|>2表明考核结果不合格。

技术中心给定参考值见表3。

表3 各个核素活度浓度稳健平均值和稳健不确定度Tab.3 Robust average and robust uncertainty of each nuclide activity concentration (Bq/g)

根据式(2)、式(3)并使用Genie2000等程序获得计算结果见表4。

表4 沉降物测量分析结果Tab.4 Results of settlement measurement and analysis

由表4可知，GMX70型探测器|Z|值最大为1.87，最小值为0.40；GEM60195型探测器|Z|值最大为1.88，最小值为0.44；GMX50型探测器|Z|值最大为1.58，最小值为0.30；BE6530型探测器使用LabSOCS软件，|Z|值最大为1.66，最小值为0.29。4台探测器所得结果均满足比对要求。本实验室的无源效率刻度方法及监测技术均符合技术中心要求。

图3为计算值与参考值的结果图。

图3 计算值与参考值结果图Fig.3 Results of calculation and reference values

由图3可知，使用有源效率刻度法的3台探测器中，GMX70与GEM60195两台探测器的活度浓度计算值基本一致，GMX50的计算值略大。LabSOCS软件所得结果介于反康普顿探测器与其余两台探测器之间。

3 结 论

本文依托于全国辐射环境监测质量考核，通过两种方法对比，利用多型号高纯锗谱仪，验证了LabSOCS软件在分析考核样中的实用性与可靠性，并初步探索了不同型号高纯锗γ谱仪间的性能差异，得到结论如下。

3.1 本次技术中心通过沉降灰中指定γ核素活度浓度分析，考核了实验室对具有级联效应γ核素及受其他特征射线干扰的核素的活度浓度测量。本实验室1个沉降灰考核样共报送4个核素活度浓度结果，报送率100%，通过率100%。

3.2 本文使用4台不同型号探测器，通过两种方法对考核样进行了分析计算，从计算结果中可以看出，探测效率的高低对分析结果的优劣不起决定性作用，实验室应当根据自身主要从事的工作类型选取合适探测器。

3.3 LabSOCS软件因具有更快的计算速度、更简便的操作过程，因此适合于大批量样品及应急样品的监测工作，但在软件使用前，需进行有效源-探测器距离的计算选择，形状尺寸相差较大的样品，其有效源-探测器距离存在差异，需定期使用标准源对源-探测器距离进行校准，以便无源效率刻度结果更准确。