水体放射性自动监测高纯锗γ能谱的效率刻度*

洪韵 / 上海市辐射环境安全技术中心

0 引言

随着日本福岛第一核电站事故核污水排放引发的舆情持续发酵，公众对海洋放射性污染的关注度持续提升。建设水体放射性自动监测站，开展水体放射性核素识别和活度浓度水平的连续自动监测，是水中放射性监控和污染预警的重要技术手段。上海已在主要饮用水水源地建设了水体放射性自动监测站，内设的高纯锗γ能谱测量系统是自动监测站测量的核心设备，分析对象为持续流动的环境水样。高纯锗γ能谱测量为相对测量，能量效率刻度是保证监测数据准确的必要前提。与国标方法（GB/T 16410-2018）所规定的静态水样测量不同，目前，已有相关研究采用无源效率刻度方法[1-3]，其优势在于标准源较难获得的情况下，可通过输入被测样品的相关参数，对测量数据经过模拟计算并修正后得到测量结果，但无法溯源至国家或者国际标准。对于水体放射性自动监测站，宜优先采用标准源效率刻度，本研究需搭建模型，通过流动水样实验，探讨自动监测站高纯锗γ能谱标准源效率刻度方法。

1 监测系统

1.1 自动监测站运行架构

水体放射性自动监测站由取水系统、水处理系统、高纯锗γ能谱测量系统及数据处理系统构成，水样经原水泵抽取后，通过一道紫外线消毒、过滤系统（去除藻类、悬浮物等杂质[4]）、二道紫外线消毒进入产水箱，由铅室水泵连续注入高纯锗γ能谱仪测量系统的铅室测量容器中，开展实时在线测量，系统构成见图1。

图1 水体放射性自动监测系统结构

1.2 高纯锗γ能谱测量系统

高纯锗探测器为Ortec公司P型同轴探测器，能量响应范围为40 keV～10 MeV，其出厂标称相对探测效率为59%（1.33 MeV60Co），能量分辨力为1.80 keV（半宽高，1.33 MeV60Co），峰康比为76∶1（60Co）。

铅室壁厚15 cm（其210Pb含量＜25 Bq/kg），其中，最内层采用25 mm厚原生态老铅，铅室内部由外向里依次衬有厚度0.5 mm的锡和1.6 mm的铜。

电制冷器为Ortec公司的斯特林制冷器，对于测量能量500 keV及以上的射线，分辨力降低不超过5%；对于测量能量500 keV以下的射线，分辨力降低不超过10%。

测量用样品容器根据高纯锗γ能谱探测器尺寸及铅室内腔尺寸，通过精准建模后3D打印加工获得，整体形状类似马林杯，可使容器贴紧高纯锗γ能谱探测器；样品容器直径为22.4 cm，高度为45.8 cm，体积为15.4 L，壁厚3.5 mm，材质为聚乙烯，容器外套为1.5 mm的不锈钢。水样通过进水管由容器上端进入容器底部，出水水样由容器上部排水管排出，保证了水样充分交换。测量用样品容器剖面如图2所示。

图2 测量用样品容器剖面

2 实验

2.1 模型构建

使用与水体自动监测站高纯锗γ能谱仪同类型的设备（相对探测效率为40%），铅室内测量容器完全包裹贴合高纯锗γ探测器。使用蠕动泵（流速范围为1.3～12 000 mL/min，流速误差<0.5%）连接水箱及测量容器，测量对象为配置好的40K溶液。待40K溶液充满容器后，启动高纯锗γ能谱仪测量。整个采谱期间，溶液按一定流速在测量容器中流动，测量模型如图3所示。

图3 效率刻度测量模型

2.2 流速对效率的影响

由于自动监测站高纯锗γ能谱仪铅室容器水箱体积达到了15.4 L，实验需要较大体积的水样，以模拟水体的循环流动。实验搭建的模型需要水量不小于30 L，难以通过定容的方式配置精准浓度的40K溶液，故采用近似方法配置，即在30 L去离子水中加入100 g（<30 kg 水）的氯化钾（KCl）粉末（美国SIGMA-ALDRICH公司生产，纯度为99.999%），充分溶解后混合均匀，装入40 L水箱中，KCl溶液的浓度为3.33 g/L，即40K的活度浓度为104 Bq/L。

调节蠕动泵使溶液流速分别为1 L/min、5 L/min及10 L/min，在测量容器中连续循环流动30 min以上，确保水样在系统中分布均匀后进行高纯锗γ能谱测量。设置的测量时间使40K全能峰面积计数达到10 000以上，测得数据如图4（其中0 L/min为40K溶液充满铅室水箱容器并处于静止状态）所示。实验结果表明，当被测液体浓度均匀时，不同流速下高纯锗γ能谱仪的探测效率变化 （RSD）不超过0.5%，导致放射性测量统计涨落的因素表明流速对探测效率的影响较小，在线监测中基本可以忽略。

图4 流速对40K全能峰计数率的影响

2.3 样品浓度对效率的影响

参照本文2.2的方法配置活度浓度为10.4 Bq/L、520 Bq/L的40K溶液，并以上述流速工况再次进行高纯锗γ能谱测量，并计算高纯锗γ能谱对40K的探测效率，实验数据见表1。结果显示，不同的活度浓度和不同的流速下，高纯锗γ能谱测量的探测效率无明显差异。

表1 活度浓度及流速对探测效率的影响

2.4 实验小结

上述实验结果表明，在水体放射性在线监测中，流速与放射性活度浓度对于高纯锗γ能谱测量的探测效率无明显影响，可以忽略。水体放射性自动监测站中高纯锗γ能谱仪的探测效率，可在静态条件下采用与测量容器几何条件、材质相同的测量标准（参考溶液）测定或校准。

3 探测效率的测量

3.1 无源效率刻度方法

无源效率刻度的计算使用Ortec公司的angleV4无源效率刻度软件，其原理是基于对每套高纯锗γ能谱，以点源、面源、体源或者马林杯样品源之中的任一系列标准源（至少包含10个能量点，覆盖低能端至高能端）的完整效率刻度曲线为基准，结合Monte Carlo绝对算法与相对算法，以效率转换的方法推算并绘制其他形式样品的效率刻度曲线。该方法在较大程度上避免了采用纯粹的Monte Carlo方法下探测器参数输入偏差导致的较大误差，尤其是探测器的死层厚度引起的误差。

探测效率测量使用美国Eckert&Ziegler公司的混合点源，距高纯锗γ能谱探测器30 cm高度，核素及能量如表2。根据各核素全能峰计数率及能量对应分支比，拟合能量刻度曲线和半高宽曲线公式（x为道址）见式（1）（2）。效率刻度曲线如图5所示。

图5 高纯锗γ能谱探测器混合点源效率刻度曲线

表2 高纯锗γ能谱探测器表征用点源核素及能量

利用AngleV4无源效率刻度软件计算被测样品效率刻度曲线的主要参数，如表3所示。结合表征的点源效率刻度曲线，得到效率刻度曲线如图6所示。

表3 无源效率刻度软件计算被测样品效率刻度曲线的主要参数

图6 无源效率刻度曲线

3.2 使用参考溶液的测量方法

1）水体参考溶液的制备

将美国Eckert&Ziegler公司的γ能谱液体混合标准溶液 [核素包括241Am、109Cd、57Co、139Ce、51Cr、113Sn、85Sr、137Cs、54Mn、88Y、65Zn及60Co，各核素活度范围为2×103～7×104Bq，活度值的相对不确定度范围为1.7%～2.6%（k= 2），20 mL]转移至测量容器中，用pH为1的硝酸清洗标准溶液瓶3次，并一同转移至测量容器内，制备成硝酸体系的放射性参考溶液源。

2）探测效率测量

用高纯锗γ能谱仪测量放射性参考溶液，测量时间设置为86 400 s。在拟合效率刻度曲线时，在低能端添加拐点，将感兴趣的能量区间分成2段，分别用多项式拟合，得到效率刻度曲线，如图7所示。

图7 标准源效率刻度曲线

3.3 结果讨论

使用无源效率刻度软件的计算结果以及使用放射性参考溶液实际测量的高纯锗γ能谱仪探测效率见表4。由二者的相对偏差可知，无源效率刻度与实测效率刻度之间的偏差均在10%以内，无源效率刻度的结果均高于实测效率，偏差在低能端及高能端较中能端略大。

表4 无源效率刻度与实际测量效率刻度的相对偏差

利用无源效率刻度软件计算了容器均由2 mm不锈钢制作，与不锈钢、聚乙烯混合制作在探测效率上的相对偏差见表5，结果显示，在靠近探测器端使用聚乙烯材质可大幅提高探测效率，且聚乙烯的加工精度远高于不锈钢，可使待测溶液更靠近探测器。

表5 全不锈钢与不锈钢、聚乙烯混合材料探测效率的相对偏差

4 结语

通过配置不同活度浓度40K溶液，在不同流速（含静态）下开展水体自动监测高纯锗γ能谱测量的效率刻度实验，结果显示探测效率未发生显著变化，表明水体放射性自动监测中高纯锗γ能谱测量系统可应用放射性参考溶液在静态条件下进行刻度，同时采用无源效率刻度方法进行比较，相对偏差范围为0.1%～9.4%，一致性较好，验证了使用无源效率刻度方法的可行性。