_能谱分析中不同形状体源的探测效率研究
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Байду номын сангаасple cups
图 3 常用能量效率归一化结果 (相对 70 mm ×65 mm 效率 )
F ig. 3 The norma lized results of comm on energy eff ic iency
( Rela tive 70 mm ×65 mm eff ic iency)
70 mm ×65 mm
0. 121 - 2. 259 - 1. 846 18. 080
13. 224 - 27. 547 - 47. 691
75 mm ×50 mm
0. 080 - 1. 454 - 1. 742 17. 095
7. 962 - 16. 801 - 45. 154
70 mm ×30 mm
cups
分别在低能段和高能段选取常用的核素分析用能峰 (63、186、295、352、609、1 120、1 764 keV )的效率 ,并用 70 mm ×65 mm的效率归一化 ,结果见图 3。
表 2 4种不同样品杯模拟土壤基质天然铀源和镭源效率曲线拟合多项 式系数
Table 2 The polynom ia l coeff ic ien t of the f itting eff ic iency curve of the
so il m ed ium na tura l Uran ium and Rad ium sources w ith 4
k inds of d ifferen t sam ple cups
样品杯类型
多项式系数
Types of samp le cup s
a0
a1
a2
a3
Marin beaker
- 1. 796 17. 626 - 46. 020
求得各种能量的全能峰效率以后 ,再确定峰面积效率
ε P
i与能量
Ei 的关系曲线 ,即为全能峰效率刻度线曲线。
在一个能量范围内确定效率曲线
ε P
( E)
,拟合函数 [3 ]采
用如下形式 :
n- 1
lnεP
( E)
=
Σ
i=0
ai
(
lnE)
i
(2)
式中 , E为 γ射线能量 ( keV ) ; ai 为待求的多项式系数。对
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2009, 37 ( 24) : 11641 - 11642
责任编辑 陈红红 责任校对 卢瑶
γ能谱分析中不同形状体源的探测效率研究
於国兵 , 江 山 , 陈传凯 (安徽省辐射环境监督站 ,安徽合肥 230061)
摘要 利用天然铀粉末和铀镭平衡粉末分别制作了用 4种模拟土壤基质体源 ,并封装在 4种不同几何形状的样品杯中 ,通过 HPGeγ谱 仪分析比较了 63～1 847 keV能量范围内不同几何形状体源的效率 ,分析了效率差异的原因 ,并对在实际样品测量中选取合适样品杯提 出了建议 。 关键词 γ能谱分析 ;效率刻度 ;样品杯 中图分类号 O657. 3 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611 (2009) 24 - 11641 - 02
合 [5] ,拟合和测量结果分别见表 2和图 1、图 2。
由试验数据可知 : ①马林杯源的效率最高 ,由于马林杯
把探测器包裹起来 ,使得样品相对探测器的有效立体角最
大 ,因此效率最高 ,特别在 609 keV 以后随着能量的增加 ,效
率相对于 70 mm ×65 mm变化不大 ; ②在装样量相近的情况
2 测量结果
2. 1 掺标体源的效率刻度 探测器对某一给定能量的 γ射
线全能峰的探测效率
[
3
]ε P
i定义为
:
ε Pi
=
A
S ·η·t
(1)
式中 ,εPi为能量为 Ei 的全能峰效率 ;η为该峰所对应的核素 γ射线分支比; A 为标准核素源的放射性强度 (Bq) ; t为 γ谱
的计数时间 ( s) 。
作者简介 於国兵 (1974 - ) ,男 ,安徽合肥人 ,工程师 ,从事辐射环境监 测工作 。
收稿日期 2009207206
均扣除了235 U的 186 keV 的影响 ) 。除马林杯未装满 ( 500 g)
外 ,其余体源均装满样品杯 ,并且所有体源的密度均为 1. 36
g/cm3 。模拟土壤基质中掺入的标准物质为核工业北京地质
表 1 掺标体源效率刻度时选用的特征能量射线 Table 1 The character istic energy ray used in the source eff ic iency ca l2
核素 Nuclide 234 Th 235 U
214 Pb
ibra tion
射线能量 keV
Ray energy
the p ractical samp le measurement were put for ward. Key words γ2rays spectrometer analyse; Efficiency calibration; Samp le cup
γ能谱分析作为核素分析的主要手段 ,目前广泛应用于 辐射环境监测中 ,且被分析的样品绝大多数为低比活度样 品。由于放射性衰变是一种随机过程 ,因此任何方法观测核 衰变都应有某种程度的统计涨落 ,这些固有的统计涨落是所 有核测量的不确定性的一种不可避免的来源 ,而且往往可能 是误差的主要来源 [1] 。在低比活度 γ能谱分析测量中 ,通常 增加测量时间和增大样品量 ,继而提高样品的计数 ,以降低 统计误差 [2] 。而增加样品测量时间是一种不经济且效率低 的方法 ,同样有时由于采集的样品数量有限或样品稀缺 ,增 大样品量往往受到限制 。由于探测器对样品的探测效率与 样品相对探测器的几何形状相关 ,因此 ,研究探测器对不同 形状样品杯的探测效率 ,通过优化样品杯的几何形状可以增 大样品计数 ,提高系统的探测效率。笔者通过研究模拟土壤 基质天然铀源和铀镭源在不同样品杯中的探测效率 ,以期优 化 γ能谱分析测量过程中样品杯的选择。 1 测量仪器与样品制备 1. 1 测量仪器 探测器为 Caberra公司的 GC4019型同轴高 纯锗 ,晶体尺寸为 Ф74. 8 mm ×84. 8 mm,相对效率 40% ,能量 分辨率为 1. 9 keV。屏蔽室为 Canberra的 747型铅室 ,铅室 由外至内依次为 9. 5 mm的低碳钢、10. 0 cm 的老铅、1. 0 mm 的锡和 1. 6 mm的铜 ,铅室的在 50～2 000 keV内的积分本底 为 1. 4 cp s。电子学系统为 Caberra的 DSA1000多道 ,谱分析 软件为 Genie 2000[3] 。 1. 2 样品杯 样品杯共 4种 ,分别为 70 mm ×65 mm、75 mm ×50 mm、70 mm ×30 mm (直径 ×高度 )的圆柱杯以及 1 L 的 马林杯 (Marine beaker) 。 1. 3 掺标样品的制备 为了兼顾低能段和高能段 ,分别用 天然铀粉末和铀镭平衡粉末制备了 4种样品杯封装的 8个 掺标体源 ,利用天然铀源中235 U 、238 U 子体、234 Th发射的 γ射 线 (63～205 keV )研究低能段 ,利用铀镭源中226 Ra及其子体 发射的 γ射线 (186～1 847 keV )研究高能段 (铀镭源的结果
下 (70 mm ×65 mm装样量为 340 g, 75 mm ×50 mm装样量为
300 g) ,高度小直径大的 75 mm ×50 mm体源的效率高 ,因为
11642
安徽农业科学 2009年
直径大的样品杯相对与探测器的有效立体角大 ,因此探测效 率高。同时 ,在相同计数时间下 ,用 75 mm ×50 mm杯封装的 样品产生的计数高于用 70 mm ×65 mm杯封装的样品。③对 于直径相同高度不同的源 ( 70 mm ×65 mm 和 70 mm ×30 mm) ,高度低的源 (70 mm ×30 mm)的效率高 ,直径相同高度 不同时 ,造成探测效率差异的主要原因是源的自吸收效应造 成的 ,高度小的源的自吸收相对小 ,因此探测效率高。
试验数据 (εPi , Ei ) , i = 1, 2, …, n, 依据最小二乘法原理进行
拟合 ,并求出系数 ai。掺标体源效率刻度时选用的特征能量
射线 [4 ]见表 1。
2. 2 拟合与结果 对天然铀源的效率按 2次多项式拟合 ,
镭的效率按 3 次多项式拟合 ,试验数据利用 matlab软件拟
图 2 4种不同样品杯模拟土壤基质镭源效率测量与拟合结果 F ig. 2 The m ea sured and f itting results of so il m ed ium na tura l
Rad ium source eff ic iency w ith 4 k inds of d ifferen t sam ple
分之比 ∥% Intensity
核素 Nuclide
63. 29
4. 82 B i2214
92. 59
5. 59
143. 76
10. 90
163. 33
5. 00
185. 71
57. 50
205. 31 241. 99
5. 00 7. 50
295. 21 351. 92
19. 30 37. 60
Ra2226
0. 127 - 2. 357 - 1. 647 16. 094
13. 689 - 28. 585 - 42. 234
0. 185 - 3. 509
21. 179 - 44. 349
图 1 4种不同样品杯模拟土壤基质天然铀源效率测量与拟合 结果
F ig. 1 The m ea sured and f itting results of so il m ed ium na tura l Uran ium source eff ic iency w ith 4 k inds of d ifferen t sam 2
研究院生产的国家一级标准物质纯铀粉末 ( GBW04303)和铀
镭平衡粉末 ( GBW 04305a) ,模拟土壤基质为 A l2 O3 和 SiO2 , 并按 2∶5均匀混合。标准物质与基质充分混匀后装入样品
中密封 一 段时 间 后 测 量 (对 于 铀 镭 平衡 源 密 封 20 d 后
测量 ) 。
射线能量 分之
keV
比 ∥%
Ray energy Percentage
609. 32 665. 45 768. 34 934. 06 1 120. 29 1 238. 10 1 764. 49 1847. 42 186. 11
46. 10 1. 29 4. 80 3. 03 15. 10 5. 86 15. 36 2. 04 3. 59
Stady on Eff ic iency of D etection in D ifferen t Geom etry Sam ple Cup in γ2ray Spectrom eter Ana lyse Y U Guo2b ing et a l (Anhui Province Environmental Radiation Supervision Centre, Hefei, Anhui 230061) Abstract The four separately p roduced simulated soil volume sources packaged in four different geometrical cup s by using natural U ranium pow2 der and U ranium2Radium equilibrium powder. These samp les measured by HPGe spectrometer, efficience of differnt geometry volume sources in the range of 63 - 1 847 keV was compared the reasons of the differences in efficiency were analyzed, and suggestion for selecting the samp les in
图 3 常用能量效率归一化结果 (相对 70 mm ×65 mm 效率 )
F ig. 3 The norma lized results of comm on energy eff ic iency
( Rela tive 70 mm ×65 mm eff ic iency)
70 mm ×65 mm
0. 121 - 2. 259 - 1. 846 18. 080
13. 224 - 27. 547 - 47. 691
75 mm ×50 mm
0. 080 - 1. 454 - 1. 742 17. 095
7. 962 - 16. 801 - 45. 154
70 mm ×30 mm
cups
分别在低能段和高能段选取常用的核素分析用能峰 (63、186、295、352、609、1 120、1 764 keV )的效率 ,并用 70 mm ×65 mm的效率归一化 ,结果见图 3。
表 2 4种不同样品杯模拟土壤基质天然铀源和镭源效率曲线拟合多项 式系数
Table 2 The polynom ia l coeff ic ien t of the f itting eff ic iency curve of the
so il m ed ium na tura l Uran ium and Rad ium sources w ith 4
k inds of d ifferen t sam ple cups
样品杯类型
多项式系数
Types of samp le cup s
a0
a1
a2
a3
Marin beaker
- 1. 796 17. 626 - 46. 020
求得各种能量的全能峰效率以后 ,再确定峰面积效率
ε P
i与能量
Ei 的关系曲线 ,即为全能峰效率刻度线曲线。
在一个能量范围内确定效率曲线
ε P
( E)
,拟合函数 [3 ]采
用如下形式 :
n- 1
lnεP
( E)
=
Σ
i=0
ai
(
lnE)
i
(2)
式中 , E为 γ射线能量 ( keV ) ; ai 为待求的多项式系数。对
安徽农业科学 , Journal of Anhui Agri. Sci. 2009, 37 ( 24) : 11641 - 11642
责任编辑 陈红红 责任校对 卢瑶
γ能谱分析中不同形状体源的探测效率研究
於国兵 , 江 山 , 陈传凯 (安徽省辐射环境监督站 ,安徽合肥 230061)
摘要 利用天然铀粉末和铀镭平衡粉末分别制作了用 4种模拟土壤基质体源 ,并封装在 4种不同几何形状的样品杯中 ,通过 HPGeγ谱 仪分析比较了 63～1 847 keV能量范围内不同几何形状体源的效率 ,分析了效率差异的原因 ,并对在实际样品测量中选取合适样品杯提 出了建议 。 关键词 γ能谱分析 ;效率刻度 ;样品杯 中图分类号 O657. 3 文献标识码 A 文章编号 0517 - 6611 (2009) 24 - 11641 - 02
合 [5] ,拟合和测量结果分别见表 2和图 1、图 2。
由试验数据可知 : ①马林杯源的效率最高 ,由于马林杯
把探测器包裹起来 ,使得样品相对探测器的有效立体角最
大 ,因此效率最高 ,特别在 609 keV 以后随着能量的增加 ,效
率相对于 70 mm ×65 mm变化不大 ; ②在装样量相近的情况
2 测量结果
2. 1 掺标体源的效率刻度 探测器对某一给定能量的 γ射
线全能峰的探测效率
[
3
]ε P
i定义为
:
ε Pi
=
A
S ·η·t
(1)
式中 ,εPi为能量为 Ei 的全能峰效率 ;η为该峰所对应的核素 γ射线分支比; A 为标准核素源的放射性强度 (Bq) ; t为 γ谱
的计数时间 ( s) 。
作者简介 於国兵 (1974 - ) ,男 ,安徽合肥人 ,工程师 ,从事辐射环境监 测工作 。
收稿日期 2009207206
均扣除了235 U的 186 keV 的影响 ) 。除马林杯未装满 ( 500 g)
外 ,其余体源均装满样品杯 ,并且所有体源的密度均为 1. 36
g/cm3 。模拟土壤基质中掺入的标准物质为核工业北京地质
表 1 掺标体源效率刻度时选用的特征能量射线 Table 1 The character istic energy ray used in the source eff ic iency ca l2
核素 Nuclide 234 Th 235 U
214 Pb
ibra tion
射线能量 keV
Ray energy
the p ractical samp le measurement were put for ward. Key words γ2rays spectrometer analyse; Efficiency calibration; Samp le cup
γ能谱分析作为核素分析的主要手段 ,目前广泛应用于 辐射环境监测中 ,且被分析的样品绝大多数为低比活度样 品。由于放射性衰变是一种随机过程 ,因此任何方法观测核 衰变都应有某种程度的统计涨落 ,这些固有的统计涨落是所 有核测量的不确定性的一种不可避免的来源 ,而且往往可能 是误差的主要来源 [1] 。在低比活度 γ能谱分析测量中 ,通常 增加测量时间和增大样品量 ,继而提高样品的计数 ,以降低 统计误差 [2] 。而增加样品测量时间是一种不经济且效率低 的方法 ,同样有时由于采集的样品数量有限或样品稀缺 ,增 大样品量往往受到限制 。由于探测器对样品的探测效率与 样品相对探测器的几何形状相关 ,因此 ,研究探测器对不同 形状样品杯的探测效率 ,通过优化样品杯的几何形状可以增 大样品计数 ,提高系统的探测效率。笔者通过研究模拟土壤 基质天然铀源和铀镭源在不同样品杯中的探测效率 ,以期优 化 γ能谱分析测量过程中样品杯的选择。 1 测量仪器与样品制备 1. 1 测量仪器 探测器为 Caberra公司的 GC4019型同轴高 纯锗 ,晶体尺寸为 Ф74. 8 mm ×84. 8 mm,相对效率 40% ,能量 分辨率为 1. 9 keV。屏蔽室为 Canberra的 747型铅室 ,铅室 由外至内依次为 9. 5 mm的低碳钢、10. 0 cm 的老铅、1. 0 mm 的锡和 1. 6 mm的铜 ,铅室的在 50～2 000 keV内的积分本底 为 1. 4 cp s。电子学系统为 Caberra的 DSA1000多道 ,谱分析 软件为 Genie 2000[3] 。 1. 2 样品杯 样品杯共 4种 ,分别为 70 mm ×65 mm、75 mm ×50 mm、70 mm ×30 mm (直径 ×高度 )的圆柱杯以及 1 L 的 马林杯 (Marine beaker) 。 1. 3 掺标样品的制备 为了兼顾低能段和高能段 ,分别用 天然铀粉末和铀镭平衡粉末制备了 4种样品杯封装的 8个 掺标体源 ,利用天然铀源中235 U 、238 U 子体、234 Th发射的 γ射 线 (63～205 keV )研究低能段 ,利用铀镭源中226 Ra及其子体 发射的 γ射线 (186～1 847 keV )研究高能段 (铀镭源的结果
下 (70 mm ×65 mm装样量为 340 g, 75 mm ×50 mm装样量为
300 g) ,高度小直径大的 75 mm ×50 mm体源的效率高 ,因为
11642
安徽农业科学 2009年
直径大的样品杯相对与探测器的有效立体角大 ,因此探测效 率高。同时 ,在相同计数时间下 ,用 75 mm ×50 mm杯封装的 样品产生的计数高于用 70 mm ×65 mm杯封装的样品。③对 于直径相同高度不同的源 ( 70 mm ×65 mm 和 70 mm ×30 mm) ,高度低的源 (70 mm ×30 mm)的效率高 ,直径相同高度 不同时 ,造成探测效率差异的主要原因是源的自吸收效应造 成的 ,高度小的源的自吸收相对小 ,因此探测效率高。
试验数据 (εPi , Ei ) , i = 1, 2, …, n, 依据最小二乘法原理进行
拟合 ,并求出系数 ai。掺标体源效率刻度时选用的特征能量
射线 [4 ]见表 1。
2. 2 拟合与结果 对天然铀源的效率按 2次多项式拟合 ,
镭的效率按 3 次多项式拟合 ,试验数据利用 matlab软件拟
图 2 4种不同样品杯模拟土壤基质镭源效率测量与拟合结果 F ig. 2 The m ea sured and f itting results of so il m ed ium na tura l
Rad ium source eff ic iency w ith 4 k inds of d ifferen t sam ple
分之比 ∥% Intensity
核素 Nuclide
63. 29
4. 82 B i2214
92. 59
5. 59
143. 76
10. 90
163. 33
5. 00
185. 71
57. 50
205. 31 241. 99
5. 00 7. 50
295. 21 351. 92
19. 30 37. 60
Ra2226
0. 127 - 2. 357 - 1. 647 16. 094
13. 689 - 28. 585 - 42. 234
0. 185 - 3. 509
21. 179 - 44. 349
图 1 4种不同样品杯模拟土壤基质天然铀源效率测量与拟合 结果
F ig. 1 The m ea sured and f itting results of so il m ed ium na tura l Uran ium source eff ic iency w ith 4 k inds of d ifferen t sam 2
研究院生产的国家一级标准物质纯铀粉末 ( GBW04303)和铀
镭平衡粉末 ( GBW 04305a) ,模拟土壤基质为 A l2 O3 和 SiO2 , 并按 2∶5均匀混合。标准物质与基质充分混匀后装入样品
中密封 一 段时 间 后 测 量 (对 于 铀 镭 平衡 源 密 封 20 d 后
测量 ) 。
射线能量 分之
keV
比 ∥%
Ray energy Percentage
609. 32 665. 45 768. 34 934. 06 1 120. 29 1 238. 10 1 764. 49 1847. 42 186. 11
46. 10 1. 29 4. 80 3. 03 15. 10 5. 86 15. 36 2. 04 3. 59
Stady on Eff ic iency of D etection in D ifferen t Geom etry Sam ple Cup in γ2ray Spectrom eter Ana lyse Y U Guo2b ing et a l (Anhui Province Environmental Radiation Supervision Centre, Hefei, Anhui 230061) Abstract The four separately p roduced simulated soil volume sources packaged in four different geometrical cup s by using natural U ranium pow2 der and U ranium2Radium equilibrium powder. These samp les measured by HPGe spectrometer, efficience of differnt geometry volume sources in the range of 63 - 1 847 keV was compared the reasons of the differences in efficiency were analyzed, and suggestion for selecting the samp les in