γ能谱法分析放射性核素时对γ射线全能峰干扰的修正

㊀第41卷㊀第5期2021年㊀9月㊀
辐㊀射㊀防㊀护
Radiation㊀Protection
Vol.41㊀No.5
㊀㊀Sep.2021
㊃辐射防护监测㊃
γ能谱法分析放射性核素时对γ射线
全能峰干扰的修正
杨秀玉1,孟纪群1,李庆光1,韦应靖2
(1.中核四ʻ四有限公司,兰州732850;2.中国辐射防护研究院,太原030006)
㊀摘㊀要:针对在中核集团公司核电厂和 两厂两院 环境监测实验室比对中γ能谱分析存在的γ射线全能峰干扰问题,开展土壤中铀㊁钍㊁镭㊁钾㊁铯等γ核素测量实验㊂天然土壤标准源对谱仪进行效率刻度时,分析γ射线特征峰是否受到其它射线干扰,对受到干扰的γ射线通过修正代入效率计算的核素活度值以实现效率的拟合㊂由谱仪分析软件分析样品核素活度时,当利用不同特征γ射线计算的核素活度相差较大时,应进行活度修正㊂分析用于核素活度计算的γ特征峰(如235U 185.7keV ,238U 92.6keV )受到的干扰峰,计算干扰峰对测量能谱峰(重峰)
活度贡献,扣除干扰峰活度,即为γ特征峰贡献,由此给出样品核素活度值㊂这种方法在中核集团土壤样品比对中报出的238U ㊁226Ra ㊁232Th ㊁40K 和137Cs 数据全部合格㊂关键词:γ能谱法;特征峰干扰校正;软件分析法中图分类号:TL75+
1
文献标识码:A
㊀㊀收稿日期:2020-07-22
作者简介:杨秀玉(1981 ),女,2005年毕业于兰州大学核物理专业,2008年毕业于兰州大学粒子与原子核物理专业,获硕士学位,高级工程师㊂E -mail:115926222@
㊀㊀放射性核素监测有放化分析法和仪器探测法两种,铀㊁钍㊁镭㊁钾㊁铯等核素含量可用放化分析方法确定,因其衰变时伴随发射γ射线,也可用γ能谱法分析[1
-2]
㊂放化分析法一般需要样品前处
理和放化分析过程,分析流程长㊁工作效率低;只能选择性的分析某种核素,且不能区分同位素㊂γ能谱法分析具有制样简单㊁测量方便㊁可同时测定多种γ核素和区分同位素等优点,因此γ能谱法对于铀㊁钍㊁镭㊁钾㊁铯㊁钴等核素的测量具有显著优势,得到越来越广泛的应用㊂
γ能谱分析是通过放射性核素发射γ射线的
全能峰对大部分核素进行分析的,当某些核素γ射线全能峰受到能量相近射线干扰峰的干扰时形成重峰,如238U㊁235U㊁40K,国标没有给出这些核素具体测量方法㊂因此,利用这些核素的重峰计算活度时如何对干扰进行修正成为环境监测工作者广泛关注的问题㊂
在中核集团公司核电厂和 两厂两院 环境
监测实验室比对中,以土壤中铀㊁钍㊁镭㊁钾㊁铯等γ核素分析为例,针对γ能谱法分析时存在的全能
峰干扰问题,探讨谱仪效率刻度和样品活度分析的干扰修正方法㊂
1㊀实验仪器与材料
1.1㊀谱仪
㊀㊀使用美国ORTEC 公司低本底高纯锗(HPGe)
γ谱仪,探测系统主要由GEM60P4-83高纯锗探测器㊁DSPEC jr2.0数字化谱仪㊁X-COOLER -Ⅲ电制冷机㊁低本底铅室㊁Gamma Vision 谱获取分析软
件和UPS 电源组成㊂本次实验对HPGe 谱仪的能量分辨率㊁相对探测效率㊁峰形㊁峰康比㊁稳定性和本底等主要性能指标进行测试,测试结果列于表1㊂
‘高纯锗γ能谱分析通用方法“(GB /T
11713 2015)中要求:探测器相对探测效率大于20%,60Co (1332.5keV )能量分辨率优于
2.5keV,60Co (1332.5keV )峰位漂移小于2道[3]㊂经测试,HPGe 谱仪主要技术性能指标都优于出厂指标,并满足标准要求,可用于土壤放射性γ核素测量㊂
㊃
514㊃
㊀辐射防护第41卷㊀第5期
表1㊀HPGe谱仪技术指标
Tab.1㊀Technical specifications of HPGe spectrometer
1.2㊀样品制备及特征射线选择
㊀㊀γ核素衰变一般都伴随有γ辐射,采用γ能谱分析方法时需选用核素的特征γ射线㊂放射性
核素的特征γ射线列于表2[4-5]㊂
表2㊀特征γ射线
Tab.2㊀Gamma-ray characteristic rays
㊀㊀天然土壤样品采集自中国辐射防护研究院工作区,经烘干㊁研磨㊁200目过筛后混合均匀㊂测量时,将土壤样品装入ϕ75mmˑ70mm样品盒中,压实并密封㊁称重,样品净重340.9g㊂天然土壤样品需将样品密封放置3~4周,待226Ra与子体214Pb㊁214Bi达到长期平衡后再进行测量[6]㊂2㊀实验方法及测量分析
2.1㊀样品测量分析方法
㊀㊀(1)测量空样品盒本底至少24h,多则48~ 72h或更长时间,获得本底谱㊂
(2)测量土壤样品盒24~72h,获得样品谱,测量时间可根据全能峰面积或所感兴趣能量范围内的计数统计误差作初步判断,统计误差一般控制在5%以内㊂
(3)调出样品谱图,使用谱分析软件完成寻峰㊁剥本底谱,调用能量刻度曲线和效率刻度曲线,填写样品量㊁不确定度表示方法等分析参数,计算样品中各核素放射性比活度,生成测量结果报告㊂
采用效率曲线法计算被测样品中放射性核素的比活度,计算公式[6]为:
A
j
=
n
ji
-n
ji b
p
ji
ε
i
MD
j
(1)式中,A j为第j种核素的比活度,Bq/kg;p ji为第j 种核素发射的第i条γ射线的分支比,%;εi为第i 条γ射线全能峰对应的效率值;n ji为样品第j种核素的第i条γ射线的全能峰计数率,cps;n ji b为与n ji对应的全能峰本底计数率,cps;M为样品净重,kg;D j为第j种核素校正到采样时的衰变校正系数㊂
2.2㊀能量刻度
㊀㊀能量刻度使用了241Am㊁152Eu㊁137Cs和60Co4个点源,4个点源同时放置在探头前端70mm处,测量获得能谱后做γ射线能量与全能峰峰位的线性拟合,结果如图1所示㊂
㊃614㊃
杨秀玉等:γ能谱法分析放射性核素时对γ射线全能峰干扰的修正㊀
图1㊀能量刻度曲线Fig.1㊀Energy calibration curve
㊀㊀其测量值与拟合直线差值最大为0.0283%,
满足能量非线性应小于0.5%要求[3,6]㊂能量刻度
曲线拟合方程为y=0.1244x+0.0416,R2=1㊂可
见γ谱仪的能量线性较好㊂
2.3㊀效率刻度
㊀㊀效率刻度使用的天然土壤标准源参数列于表
3㊂土壤标准源放置在探头上,测量获得标准谱
后,计算γ射线全能峰探测效率,做探测效率与能
量的关系曲线拟合㊂
(1)效率计算修正
天然土壤标准源含235U㊁238U㊁226Ra㊁232Th
和40K,某些核素用于效率计算的γ射线全能峰受
到其它核素发射的能量相同或相近射线干扰,本
㊀㊀㊀㊀
表3㊀土壤标准源参数
Tab.3㊀Standard soil source parameters
文在作效率刻度时对计数率采用 全能峰+干扰峰 的总净计数,因此要对效率计算时代入的活度值进行修正㊂
235U185.7keV的γ射线与226Ra186.2keV 的γ射线能量仅差0.5keV,185.7keV的γ射线全能峰计数肯定受到186.2keV的γ射线影响㊂对185.7keV射线效率计算时代入的活度值进行修正,修正方法为:
A=A(235U)ˑA(235U)pγ+A(226Ra)pγ(Ra)
A(235U)pγ(2)式中,A为185.7keV射线效率计算代入的活度值,Bq;A(235U)和A(226Ra)分别为235U和226Ra核素活度,Bq;pγ和pγ(Ra)分别为235U和226Ra对应的γ射线分支比,57.2%和3.5%㊂
238U92.6keV的γ射线周围存在228Ac(232Th 子体)的两条X射线(89.9keV和93.4keV)和235U的X射线(93.4keV)㊂92.6keV全能峰左边界能量90.9keV,受89.9keV影响较小;右边界94.5keV,已经受到228Ac93.4keV和235U 93.4keV这两个峰的计数贡献㊂因此对92.6keV 射线效率计算时代入的活度值进行修正,修正方法为:
A=A(238U)ˑ
A(238U)pγ+A(228Ac)p X(Ac)+A(235U)p X(U)
A(238U)pγ
(3)式中,A为92.6keV射线效率计算代入的活度值, Bq;A(238U)㊁A(228Ac)和A(235U)分别为238U㊁228Ac 和235U核素活度,Bq;228Ac活度取母体232Th活度值,200Bq;pγ㊁p X(Ac)和p X(U)分别为238U㊁228Ac和235U 对应的γ或X射线分支比,5.6%㊁3.2%和5.8%㊂40K1460.8keV的γ射线与228Ac1459.2keV 的γ射线相差1.6keV,同样可以对1460.8keV 处的40K活度进行修正㊂但是否考虑对效率计算时代入的40K活度进行修正取决于40K与232Th活度,如果40K和232Th活度相同但不考虑扣除232Th,40K的测量误差为9.3%;40K与232Th活度比小于1时误差会很大;当40K比232Th活度大时,误差会减小,需根据实际情况判定是否对40K进行活度校正[7]㊂土壤标准源40K与232Th活度比为4.1,不对效率计算时代入的40K活度进行修正㊂
㊃714㊃
㊀辐射防护第41卷㊀第5期208Tl(232Th子体)583.2keV的γ射线效率计
算时,代入的活度值为232Th核素活度乘以0.36,
因为在232Th衰变链中子体212Bi以36%分支比发
生α衰变生成208Tl,以64%分支比发生β衰变
生成212Po㊂
天然土壤标准源γ射线效率计算时代入的活
度列于表4㊂
表4㊀天然土壤标准源γ射线效率计算时代入的活度
Tab.4㊀Activity used in efficiency calculating of
㊀㊀对92.6keV㊁185.7keV和583.2keV
的γ射
线效率计算时,分别代入活度1057.6Bq㊁53.9Bq
和72Bq,重新计算效率㊂
(2)效率刻度曲线
对92.6keV㊁185.7keV和583.2keV的γ射
线效率重新计算后,将效率和能量都取自然对数
后拟合,曲线如图2所示㊂
图2㊀天然土壤标准源效率刻度曲线
Fig.2㊀Calibration curve of natural soil
source corrected efficiency
能量在200keV后的拟合方程式为y=
-0.6177x-0.2108,拟合优度R2=0.9859;能量
小于200keV用二项式拟合,拟合方程式为y=
-1.8860x2+19.2110x-52.2442,拟合优度R2=
0.9935㊂
2.4㊀样品测量
㊀㊀本次实验将空样品盒放在探测器上测量72
小时,本底谱如图3所示;将制备好的天然土壤样
品放在探测器上测量72小时,天然土壤样品谱如
图4所示㊂
图3㊀空样品盒条件下本底谱
Fig.3㊀Background spectrum under the
condition of empty sample box
图4㊀天然土壤样品谱
Fig.4㊀Spectrum of natural soil samples
2.4.1㊀软件分析法
㊀㊀使用谱分析软件对天然土壤样品谱(图4)进
行分析,给出土壤样品中放射性核素比活度,具体
结果列于表5㊂
㊃814㊃
杨秀玉等:γ能谱法分析放射性核素时对γ射线全能峰干扰的修正㊀
表5㊀土壤核素软件分析数据
Tab.5㊀The radionuclide activity in sample analyzed by Gamma-Vision software
㊀㊀由表5可见:谱仪分析软件在给出样品中放射性核素活度时会选择核素几个特征γ射线,采用加权平均给出活度㊂
235U和238U两条γ射线计算的活度值差别较大,235U两条γ射线143.8keV和185.7keV计算的活度值相差39.6%(即两数之差除以两数之和),238U两条γ射线63.8keV和92.6keV计算的活度值相差16.5%㊂对同一核素,由它不同特征γ射线计算的核素活度应该是近似相同的,因此对样品中这两个核素活度重新分析㊂
235U143.8keV特征峰和238U63.3keV特征峰的峰形不好,谱仪分析软件给出的数据误差大,一般在计算核素活度时不予选择㊂
226Ra和232Th各条γ射线计算的活度值差别较小,样品中核素活度值可以采用㊂
2.4.2㊀核素活度修正
㊀㊀使用特征峰分析各个核素活度时,读取特征γ射线全能峰计数率,并结合该全能峰的分支比和效率值按式(1)给出比活度㊂
(1)235U比活度结果修正
使用185.7keV特征峰计算235U比活度时,该峰受到226Ra的γ射线(186.2keV)干扰,由测量出的226Ra计算其在该能量区间的贡献,扣除它对235U分析结果的影响,修正方法见式(4)㊂185.7keV特征峰72h净计数为8404ʃ238,净计数率为0.032cps,按式(1)可得235U比活度为5.01Bq/kg,其活度为1.707Bq㊂将A(185.7)和A (226Ra)数值代入式(4)计算得到235U实际比活度为2.86Bq/kg,实际活度为0.97Bq:
A(235U)=A(185.7)ˑA(185.7)pγ-A(226Ra)pγ(Ra)
A(185.7)pγ
ˑ1M
(4)式中,A(235U)为样品235U实际比活度,Bq/kg; A(185.7)为采用185.7keV射线重峰计算的样品235U活度,Bq;A(226Ra)为样品226Ra活度,Bq;pγ和pγ(Ra)分别为235U和226Ra对应的γ射线分支比,%;M为样品净重,kg㊂
(2)238U比活度结果修正
使用92.6keV特征峰计算238U比活度时,该峰受到228Ac和235U两条X射线(93.4keV)的干扰,228Ac为232Th子体,活度与232Th相同㊂由测量出的232Th和235U计算其在该能量区间的贡献,扣除它们对238U分析结果的影响,修正方法见式(5)㊂92.6keV特征峰72h净计数为7313ʃ255,净计数率为0.028cps,按式(1)可得238U比活度为70.4Bq/kg,其活度为23.99Bq㊂将A(92.6)㊁A (228Ac)和A(235U)数值代入式(5)计算得到238U 实际比活度为38.4Bq/kg:
A(238U)=A(92.6)ˑ
A(92.6)pγ-A(228Ac)p X(Ac)-A(235U)p X(U)
A(92.6)pγ
ˑ1M
(5)
㊃914㊃
㊀辐射防护第41卷㊀第5期
式中,A(238U)为样品238U实际比活度,Bq/kg; A(92.6)为采用92.6keV射线重峰计算的样品238U 活度,Bq;A(228Ac)和A(235U)分别为样品228Ac 和235U核素活度,Bq;pγ㊁p X(Ac)和p X(U)分别为238U㊁228Ac和235U对应的γ或X射线分支比,%; M为样品净重,kg㊂
2.4.3㊀结果评定
㊀㊀在中核集团公司所属核电厂和 两厂两院 (中核核电环境应急处㊁化学处一科㊁化学处二科㊁化学处三科,江苏核电㊁福建福清核电㊁海南核电㊁中国原子能科学研究院㊁中国核动力研究设计院㊁四川环保工程公司㊁中核四〇四和中国辐射防护研究院)环境监测实验室间比对中,采用本次实验确定谱仪效率刻度方法和样品核素活度修正方法报出数据,具体结果见表6㊂
表6㊀天然土壤样品放射性核素数据评价
Tab.6㊀Evaluation of radionuclide activity for natural soil sample
㊀㊀1)比对没有要求上报235U数据,没有数据评价;2)平均值是参加比对的12个单位分析数据的平均值㊂
㊀㊀对天然土壤样品,按式B=(V测量值-V平均值)/ V
平均值
进行评价,若Bɤ30%,可接受(A);若30%< Bɤ50%,可接受但警告(W);若B>50%,不可接受(N)㊂
由表6可见,天然土壤样品中238U采用修正数据38.4Bq/kg,而不是软件分析数据63.1Bq/kg,修正数据与平均值的相对偏差为-7.02%,数据可接受;226Ra㊁232Th㊁40K㊁和137Cs数据不需要修正,采用软件分析数据,数据均可接受㊂
3㊀结论
本文以土壤中铀㊁钍㊁镭㊁钾㊁铯等γ核素分析为例,针对谱仪效率刻度和样品活度分析中存在的γ射线全能峰干扰问题,分别给出了效率刻度方法和样品活度修正方法,得出以下结论: (1)天然土壤标准源(U㊁Th㊁Ra㊁K)对谱仪进行效率刻度时,要分析92.6keV(238U)㊁185.7keV (235U)㊁583.2keV(208Tl)㊁1460.8keV(40K)等γ射线特征峰是否受到其它射线干扰,对受到干扰的γ射线通过修正代入效率计算的核素活度值就可实现效率的修正㊂
(2)样品分析结果一般由谱仪分析软件给出,当样品所含核素的不同特征γ射线计算的核素活度相差较大时,出现这种情况可能是特征峰受到了干扰或特征峰峰形不好,应进行核素活度修正㊂分析用于核素活度计算的γ特征峰(如235U185.7 keV,238U92.6keV)受到的干扰峰,计算干扰峰对测量能谱峰(重峰)活度贡献,扣除干扰峰活度,即为γ特征峰贡献,由此给出样品核素活度值㊂(3)本文给出的γ能谱分析中效率刻度方法和样品活度修正方法在环境监测实验室比对报出的238U㊁226Ra㊁232Th㊁40K和137Cs数据全部合格㊂
参考文献:
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The discussion on gamma-rays characteristic peak interference correction method when analyzing radionuclide activity with gamma spectrometry
YANG Xiuyu1,MENG Jiqun1,LI Qingguang1,WEI Yingjing2
(1.404Company Limited,CNNC,Lanzhou732850;2.China Institute for Radiation Protection,Taiyuan030006) Abstract:Aiming at the problem of gamma-ray characteristic peak interference correction in gamma spectrometry during a CNNC Environmental monitoring labs comparison,this paper conducts measurement experiment of uranium,thorium,radium and potassium in soil.When calibrating the efficiency of the spectrometer with natural soil standard source,it is necessary to analyze whether the gamma-ray characteristic peaks are interfered by other rays,and correct the efficiency by modifying the Nuclide activity value when calculating efficiency.When analyzing the nuclide activity of the samples by Gamma-Vision software,the activity correction should be carried out if the nuclide activity calculated by different characteristic rays is quite different.The characteristic peaks(such as235U185.7keV,238U92.6keV)used in the calculation of nuclide activity are analyzed,the contribution of the interference peak to the measured energy spectrum(Overlapping Peak)activity is deducted.This method gives qualified238U,226Ra,232Th,40K and137Cs data in CNNC soil sample comparison.
Key words:gamma spectrometry;gamma-ray characteristic peak interference correct;Gamma-Vision software analysis method
㊃出版物介绍㊃
IAEA发布‘应对核或辐射应急的医学物理师指南“出版物
㊀㊀国际原子能机构(IAEA)最近发布出版物‘应对核或辐射应急的医学物理师指南“㊂核或辐射应急可以发生在任何地方㊁任何时间,保护受影响人员的健康和安全是当务之急㊂在没有辐射防护专家在场的情况下,如何确保包括医务人员在内的所有人得到保护?只有医学物理师有资格提供应急援助,但他们通常没有接受过应急准备和响应方面的培训㊂‘应对核或辐射应急的医学物理师指南“是IAEA为医学物理师提供的第一部应急和响应指南,为帮助填补这一空白供了具体细节,使临床合格的医学物理师能够在核或辐射事故期间有效地支持第一响应人员㊂该出版物还被压缩成配套的快速查阅袖珍导则㊂
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