2018, Vol. 38
随着核能、核技术的应用，高纯锗γ能谱仪在环境样品的放射性测量中应用越来越广泛。γ能谱仪在对样品进行定量分析时，传统方法需要用与待测样品的几何形状相同、基质一样或类似、质量密度相近的标准体源来进行效率刻度[1]。工作量大，费用高。LabSOCS是美国Canberra公司设计推出的实验室无源效率刻度软件，使用灵活、工作效率高。其原理首先是对探测器进行表征，形成探测器表征文件，然后根据测量的样品，将其分割成大量的小体源(视为点源)，对点源相对探测器的效率进行积分计算，并考虑射线在路径上的衰减和体源自吸收等因素，计算得到该样品的探测效率曲线[2]。探测器的表征是由厂家来完成的，在实际应用中，各实验室只需将厂家表征好的文件导入，再对所测量样品的形状、成分和密度等信息进行精准描述后，即得到样品分析所需的探测效率。该方法自推出以来深受各γ谱仪测量实验室的欢迎。尽管设备和软件在出厂时曾经进行过验证，但各个实验室在应用前也需要进行必要的验证。本研究采用某公司的两个标准样品，对本实验室配有LabSOCS无源效率刻度软件的两台高纯锗γ谱仪进行了验证，重点在样品自吸收校正和级联辐射符合相加修正方面进行了分析。
材料与方法1.测量设备：本研究使用了两台美国Canberra公司生产的γ能谱仪，其中一台为同轴P-型高纯锗γ能谱仪(GC3018)，相对于3"×3"NaI(Tl)晶体的探测效率为30%，对60Co 1 332 keV γ射线的能量分辨率为1.80 keV。测量时探测器置于壁厚10 cm、内腔60 cm×60 cm×60 cm的复合屏蔽铅室内。测量24 h，30~2 000 keV积分本底为179计数/min。另一台为宽能型高纯锗γ能谱仪(BE5030)，其低能端能响范围可达3 keV，该设备相对于3"×3"NaI(Tl)晶体的探测效率为50.5%，对60Co 1 332 keV γ射线的能量分辨率为1.88 keV。测量时探测器置于内腔ϕ230 mm×350 mm的圆柱型复合屏蔽超低本底铅室内，铅室外层是15 cm厚低本底老铅，内衬有铜、镉和塑料等材料。测量24 h 30~2 000 keV积分本底只有53计数/min。
两台γ能谱仪的数据获取和分析均采用美国Canberra公司研发的Genie 2000软件。两台仪器出厂前对探测器都进行了表征，并配备有LabSOCS无源效率刻度软件。根据Canberra公司对宽能型高纯锗γ能谱仪(BE5030)出具的出厂测试报告，采用某公司生产的直径48 mm的玻璃纤维滤纸标样、20 ml圆柱型土壤标样、400 ml圆柱型土壤标样和2.8 L马林杯土壤标样在探测器表面，以及将玻璃纤维滤纸标样、20 ml圆柱型土壤标样、400 ml圆柱型土壤标样置于距探测器表面10.17 cm处进行了测量验证。其所用标样所含的放射性核素包括241Am、109Cd、57Co、139Ce、51Cr、113Sn、85Sr、137Cs、54Mn、65Zn、60Co和88Y，其活度在102~103范围内。出厂测试结果显示，LabSOCS无源效率刻度软件在能量＜150、150~400、>400 keV 3个能量范围内的相对不确定度分别是8.83%、9.99%、3.73%。从出厂测试报告来看，LabSOCS无源效率刻度软件的模拟效果还是可以接受的。
2.标准样品：本实验室所用的标准样品是某公司生产的两个ϕ75 mm×70 mm圆柱型标准样品，其基质分别为土壤和白藜麦，其中土壤标准样品的密度为1.00 g/cm3，其成分组成为O(48.3%)、Si(42.33%)、Al(1.99%)、Fe(0.73%)、K(0.43%)、Ca(0.33%)、Ti(0.15%)、Mg(0.12%)、Na(0.12%)、Mn(0.12%)、S(0.06%)、P(0.05%)、Ba(0.03%)、Sr(0.01%)、其他(5.23%)。白藜麦标准样品的密度为0.85 g/cm3，其成分组成为O(48.5%)、C(43.7%)、H(6.1%)、K(0.93%)、P(0.35%)、Mg(0.25%)、Ca(0.15%)、Fe(0.02%)。标准样品中所含的放射性核素及主要参数详见表 1。
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表 1 标准样品参数 Table 1 Standard sample parameters |
3.实验方法：根据文献报道，将样品置于距探测器表面相对远的位置测量，可以降低或消除级联符合相加效应的影响[3-4]。本研究利用土壤和白藜麦两个标准样品，在γ能谱仪(BE5030)探测器表面(近距离)和距探测器表面5、10、15和20 cm的远距离处分别进行测量。采用LabSOCS无源效率刻度软件模拟生成的效率值，分别计算上述5个位置的测量结果，分析研究与标准样品活度值(以下简称标准值)的偏差，得出LabSOCS无源效率刻度软件在样品密度自吸收校正和级联符合相加校正的解决方案。另外，本研究中还利用宽能型高纯锗γ能谱仪(BE5030)，在探测器表面测量土壤标准样品的谱文件，采用LabSOCS无源效率软件模拟生成的白藜麦基质效率，去分析计算土样标准样品的活度，分析其结果与标准值的相对偏差，从另一角度以验证LabSOCS无源效率刻度软件对自吸收校正的效果。
4.相对偏差的计算公式：LabSOCS无源效率刻度软件的分析活度与标准值的相对偏差以百分数表示，其计算如公式(1)所示[5]：
| $ 相对偏差= \frac{分析活度-标准值}{ 标准品活度值} ×100\% $ | (1) |
1.近距离测量结果：采用LabSOCS无源效率软件分析的探测器表面测量结果及其与标准值的相对偏差详见表 2，3。由表 2，3可知，宽能型高纯锗γ能谱仪(BE5030)在低能区的测量分析结果明显好于同轴P-型高纯锗γ能谱仪(GC3018)，因此对于低能区的分析将重点以γ能谱仪(BE5030)的测量分析结果为主。另外，表 2，3中的共性问题是85Sr、134Cs和88Y的结果，均与标准值偏差较大，以γ能谱仪(BE5030)近距离测量结果为例，134Cs与标准值偏差范围在-12.4%~-7.61%，88Y与标准值偏差范围在-11.7%~-2.51%，85Sr与标准值偏差范围在-11.8%~-6.64%，是值得进一步分析的重点。
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表 2 γ能谱仪(BE5030)近距离的样品测量 Table 2 Close distance measurement of samples using γ-spectrometry (BE5030) |
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表 3 γ能谱仪(GC3018)近距离的样品测量 Table 3 Close distance measurement of samples using γ-spectrometry(GC3018) |
2.远距离测量结果：采用无源效率分析的远距离测量结果及其与标准值的相对偏差分别列于表 4，5。表中还同时列出了85Sr在相应位置的测量结果。由表 4，5可知，加大测量样品与探测器间的距离后，134Cs和88Y的分析结果与标准值相对偏差明显缩小，最大偏差仅为5.13%。但从85Sr的分析结果可以看出，随着样品与探测表面的距离增加，其与标准值相对偏差也逐渐增大。
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表 4 γ能谱仪(BE5030)远距离土壤样品测量 Table 4 Long distance measurement of soil samples using γ-spectrometry(BE5030) |
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表 5 γ能谱仪(BE5030)远距离白藜麦样品测量 Table 5 Long distance measurement of white quinoa samples using γ-spectrometry(BE5030) |
3.近距离和远距离测量结果比较：通过表 2与表 4，5的结果比较可知，134Cs和88Y在探测器表面测量和距探测器表面5、10、15和20 cm处的测量分析结果与标准值偏差相比，探测器表面测量分析结果的偏差明显大于远距离测量分析结果的偏差。土壤和白藜麦标准样品中134Cs与标准值偏差的最大值从12.4%下降到5.13%。土壤和白藜麦标准样品中88Y与标准值偏差的最大值从11.7%下降到5.03%。85Sr在探测器表面测量和距探测器表面5、10、15和20 cm处测量分析结果与标准值相对偏差随着与探测器表面距离的增加而不断增大。土壤样品中85Sr与标准值的偏差从近距离的-6.64%增大到了-26.9%、-37.2%、-40.0%、-46.7%；白藜麦样品中85Sr与标准值的偏差从近距离的-11.8%增大到了-30.2%、-33.55%、-39.9%、-51.5%。
4.不同基质的无源效率分析结果：计算结果详见表 6。由表 6可知，利用LabSOCS模拟生成不同基质效率计算的核素活度，与相同基质模拟效率计算的相比，低能区核素(241Am和109Cd)与标准值相对偏差增大，特别是241Am与标准值的相对偏差增大明显。
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表 6 LabSOCS模拟生物基质效率对土壤样品的分析结果 Table 6 Analytical results of soil samples using LabSOCS-simulated biomaterial efficiency |
讨论
本研究中所用两台γ谱仪，一台为同轴P-型高纯锗γ能谱仪(GC3018)，另一台为宽能型高纯锗γ能谱仪(BE5030)。两台设备相比较，宽能型高纯锗探测器在低能区域比同轴P型相同效率探测器具有更高的探测效率，且宽能型高纯锗探测器低能区域本底低于同样效率的同轴P型高纯锗探测器[6]，这些都说明BE5030型高纯锗γ能谱仪低能端性能更优，因此，本研究在低能区自吸收效应的活度分析中，主要采用了宽能型高纯锗γ能谱仪(BE5030)的数据。从γ能谱仪(BE5030)探测器表面的样品测量结果来看，LabSOCS无源效率刻度模拟计算的土壤和白藜麦两个标准样品中低能核素241Am和109Cd的最大相对偏差＜4%，其结果是令人满意的。说明LabSOCS无源效率刻度软件通过对样品的成分、密度等信息的精准输入，能够灵活的针对不同成分、密度的样品给出较为精准的效率，可以较好地解决有源刻度中样品的自吸收校正问题。
GB/T 16145-1995《生物样品中放射性核素的γ能谱分析方法》[4]中建议，当分析样品的基质组成和刻度用的γ源基质组成不一样，造成装样质量密度与刻度源的质量密度差别很大时，它们之间的γ射线自吸收差别不能忽视。本研究中所用的土壤和白藜麦两个标准样品的样品基质不同，且装样的质量密度存在一定差别，分别为1.00和0.85 g/cm3。这两个样品的γ射线自吸收存在一定差别。在实际样品测量过程中，任何能量的γ射线都会存在自吸收效应，但低能部分的自吸收要远大于高能部分[7]，即γ射线能量越低，其受自吸收效应的影响越严重。本研究中采用LabSOCS无源效率刻度软件模拟生成的白藜麦基质效率，去分析计算土壤基质标准样品的结果也正说明了这一点，特别是低能区241Am的结果，其与标准值的相对偏差比相同基质模拟结果的相对偏差增大了3倍以上。
根据土壤和白藜麦两个标准样品置于γ能谱仪(BE5030)探测器表面测量结果，采用LabSOCS无源效率分析的活度与标准值相对偏差>10%的核素是白藜麦样品中的85Sr、134Cs和88Y，土壤样品中这3个核素的相对偏差虽未超过10%，但其偏差也在6%~9%之间。
根据两个标准样品置于γ能谱仪(GC3018)探测器表面测量结果，采用LabSOCS无源效率分析的活度与标准值相对偏差>10%的核素是白藜麦样品中的241Am、109Cd、85Sr、134Cs、88Y，和土壤样品中的134Cs、88Y。排除P-型高纯锗γ能谱仪(GC3018)在低能区的测量分析效果不佳的原因，从测量结果的分析可以看出，两台γ能谱仪探测器表面测量中，较为共性问题是，采用LabSOCS无源效率分析的活度在85Sr、134Cs和88Y 3个核素的分析上相对偏差较大。分析其原因主要是由于134Cs和88Y受级联符合相加效应影响严重，LabSOCS无源效率刻度方法无法直接解决受级联符合相加效应对核素分析结果的影响。85Sr相对偏差较大的原因主要是由于其特征峰能量在514 keV，与谱中已有的511 keV正电子湮灭峰相邻，二者的在峰面积计数上有一定影响。
为了进一步研究LabSOCS无源效率刻度在级联符合相加效应方面的应用，本研究中将样品又分别置于距探测器表面5、10、15和20 cm处进行测量，并将85Sr、134Cs和88Y在远近距离上的测量分析结果进行了比较。从中可以看出，两个样品中134Cs和88Y在探测器表面测量分析结果与标准值的相对偏差，明显大于距探测器表面5、10、15和20 cm处测量分析结果与标准值的相对偏差。实验结果表明，置于距探测器表面5 cm处就可以降低符合相加效应的影响。但从85Sr的测量结果可以看出，测量位置距探测器表面越远，85Sr分析结果与标准值的相对偏差越大。其原因主要是85Sr分析的特征峰计数受511 keV正电子湮灭峰的干扰，85Sr计数越少影响越明显。在标准样品中85Sr的活度(2016年8月1日)在103Bq量级，但由于其半衰期较短(64.85 d)，到开展远距离测量实验时，已经是4个半衰期以后了，其活度已经衰减至200 Bq以下。在此量级的活度情况下，将样品置于探测器的远距离测量，等于人为的降低了样品中85Sr的计数，使得511 keV正电子湮灭峰的干扰效果变大。这就从另一个角度提示，当采用置于距探测器远的位置上测量样品时，应综合考虑样品中核素的活度水平，特别是对于原本可能存在干扰的特征峰进行分析时，就更要慎重。可以采用同一样品，远近距离测量结果相结合的方式，对不同的核素，选择不同位置的测量谱进行分析，但这实际上给效率刻度的灵活性提出了更高的要求。
本研究表明，LabSOCS无源效率刻度软件通过对样品的精准描述，可以较好的解决有源刻度中，样品的自吸收校正问题。但当分析带有级联辐射的核素时，仍需对符合相加效应加以考虑。可以利用LabSOCS灵活的软件模拟方式，增加带有级联核素样品到探测器的距离，完成级联核素的精准测量。
利益冲突 本文由署名作者按以下贡献声明独立开展，不涉及各相关方的利益冲突作者贡献声明 周强负责测量结果的计算和分析、论文撰写和修改；拓飞负责论文审阅；姚帅墨、张京负责样品测量；李文红、李则书负责数据处理
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