CTBT放射性核素實(shí)驗(yàn)室127Xe國(guó)際比對(duì)樣品的實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究

李 奇 樊元慶 王世聯(lián) 常印忠 趙允剛 劉蜀疆 賈懷茂 張新軍

（禁核試北京國(guó)家數(shù)據(jù)中心和北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室 北京100085）

131Xem（T1/2=11.962 d）、133Xem（T1/2=2.198 d）、133Xe（T1/2=5.2474 d）和135Xe（T1/2=9.14 h）［1］4 種放射性氙同位素半衰期適中、裂變產(chǎn)額大、化學(xué)惰性，易從核爆炸過程中產(chǎn)生的裂隙泄漏到大氣中［2］，是監(jiān)測(cè)地下核試驗(yàn)最有效的技術(shù)手段。為有效監(jiān)測(cè)全球范圍內(nèi)可能的核試驗(yàn)活動(dòng)，依據(jù)全面禁止核試驗(yàn)條約（Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty，CTBT）建立了國(guó)際監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（International Monitoring System，IMS）。IMS采用地震、放射性核素、水聲和次聲等4種核查技術(shù)手段，常年不間斷地監(jiān)測(cè)全球各地可能發(fā)生的違約事件。IMS放射性核素監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由遍布全球的80個(gè)放射性核素臺(tái)站（40個(gè)臺(tái)站在條約生效時(shí)同時(shí)具備惰性氣體氙監(jiān)測(cè)能力）和16個(gè)放射性核素實(shí)驗(yàn)室組成。核素臺(tái)站承擔(dān)每天連續(xù)大氣取樣和樣品測(cè)量，16個(gè)核素實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)對(duì)核素臺(tái)站監(jiān)測(cè)的可疑樣品進(jìn)行更詳細(xì)的驗(yàn)證分析以及對(duì)臺(tái)站進(jìn)行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制等［3］，通過在臺(tái)站取樣過程中定量加入氙同位素，采集的樣品送至核素實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析對(duì)臺(tái)站惰性氣體氙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。由于131Xem、133Xem、133Xe和135Xe半衰期較短，對(duì)位于偏遠(yuǎn)地區(qū)的臺(tái)站進(jìn)行質(zhì)量控制存在一定難度。鑒于127Xe（T1/2=36.4 d）具有半衰期較長(zhǎng)、樣品純度高、環(huán)境本底低等特點(diǎn)，全面禁止核試驗(yàn)條約組織籌備委員會(huì)臨時(shí)技術(shù)秘書處（Provisional Technical Secretariat，PTS）擬利用127Xe代替上述4種氙同位素對(duì)臺(tái)站進(jìn)行質(zhì)量保證［4］，為提高實(shí)驗(yàn)室對(duì)127Xe測(cè)量結(jié)果的可信度，PTS組織開展了127Xe活度國(guó)際比對(duì)。氙同位素活度通常采用高純鍺（HPGe）γ能譜法［5-6］或β-γ符合法［7-8］測(cè)量，本文描述了北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室利用HPGe γ譜儀系統(tǒng)進(jìn)行127Xe比對(duì)樣品測(cè)量的過程和結(jié)果。

1 測(cè)量裝置及原理

針對(duì)CTBT氙同位素樣品的測(cè)量，北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室建立了氙同位素活度測(cè)量的HPGe γ譜儀系統(tǒng)［5］，研制了炭纖維底襯不銹鋼測(cè)量源盒［9］。其中HPGe γ譜儀系統(tǒng)由Canberra BE5030寬能HPGe探測(cè)器、數(shù)字化譜儀和低本底鉛屏蔽室組成，寬能HPGe探測(cè)器的鍺晶體直徑為80 mm，厚度為30 mm，入射窗為0.6 mm厚的炭纖維，相對(duì)效率為51%，對(duì)57Co 122.1 keV和60Co 1 332.5 keV γ射線的能量分辨率（Full Width Half Maximum，F(xiàn)WHM）分別為0.68 keV和1.85 keV。炭纖維底襯不銹鋼測(cè)量源盒內(nèi)部直徑為52 mm，高度為8 mm，底部為0.8 mm厚的炭纖維，上部連接充氣閥門，容積約為18 mL。

127Xe為軌道電子俘獲核素，衰變綱圖示于圖1。其發(fā)射多條具有級(jí)聯(lián)符合關(guān)系的X和γ射線，為盡可能減小級(jí)聯(lián)符合相加效應(yīng)影響，將127Xe樣品放置在距探測(cè)器表面18 cm的較高位置處進(jìn)行測(cè)量，127Xe活度為，

式中：N為γ射線峰計(jì)數(shù)；tl、tr和tC分別為樣品測(cè)量的活時(shí)間、時(shí)鐘時(shí)間以及樣品開始測(cè)量時(shí)刻至參考時(shí)間的時(shí)間差，s；λ為衰變常數(shù)，s-1；Pγ為γ射線發(fā)射幾率；ε為峰效率。

圖1 127Xe衰變綱圖Fig.1 Decay scheme of127Xe

按照文獻(xiàn)［10］的方法，用152Eu和133Ba活度標(biāo)準(zhǔn)溶液制備了以海綿為基質(zhì)的模擬氣體刻度源，該刻度源基質(zhì)密度與氣體樣品接近，避免了由自吸收引起的差異。利用該刻度源刻度了距HPGe探測(cè)器表面18 cm處的峰效率曲線（圖2），效率刻度方程如式（2）所示。探測(cè)效率的不確定度來源主要有標(biāo)準(zhǔn)源活度的不確定度（2.5%），峰計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)不確定度（0.5%），γ射線發(fā)射幾率的不確定度（1%），效率曲線擬合不確定度（2%），合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為3.4%。

式中：εγ為峰效率；Eγ為γ射線能量，MeV。

圖2 距探測(cè)器表面18 cm處的峰效率曲線Fig.2 Peak efficiency curve at the position of 18 cm from endcap of HPGe detector

2 樣品制備

PTS委托法國(guó)亨利貝克勒爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LNHB）制備了127Xe活度標(biāo)準(zhǔn)樣品，樣品為放射性127Xe與氮?dú)饣旌蠚怏w，該混合氣體中不含穩(wěn)定氙。將樣品氣體充入一系列300 mL鋼瓶中以便寄送至參加比對(duì)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量分析，鋼瓶充氣壓力為98.1 MPa，127Xe活度為（50.8±2.2）Bq（k=1）［11］，參考時(shí)間為：2012-12-17 12：00（UTC）。

北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室用于HPGe γ譜儀測(cè)量的炭纖維底襯不銹鋼源盒僅18 mL，比對(duì)樣品體積近300 mL，需將127Xe定量轉(zhuǎn)移進(jìn)入炭纖維底襯不銹鋼源盒中［12］，由于樣品中不含穩(wěn)定氙，需定量加入穩(wěn)定氙作為示蹤氣體，以確定轉(zhuǎn)移進(jìn)入炭纖維底襯不銹鋼源盒中樣品的量。轉(zhuǎn)移過程（圖3）為：1）向127Xe比對(duì)樣品的鋼瓶中定量注入穩(wěn)定氙（4.3±0.4）mL（k=1）示蹤氣體；2）將鋼瓶接在轉(zhuǎn)移裝置上，利用活性炭吸附樣品中的氙，然后加熱解吸，通過氦氣將氙載帶充入炭纖維底襯不銹鋼源盒，制備成待測(cè)樣品；3）將充有127Xe的炭纖維底襯不銹鋼源盒放置在HPGe探測(cè)器上測(cè)量放射性活度后，利用氣相色譜測(cè)量源盒中的穩(wěn)定氙含量為（1.5±0.2）mL（k=1），從而得到轉(zhuǎn)移進(jìn)入炭纖維底襯不銹鋼源盒中127Xe占總樣品的比例，即轉(zhuǎn)移效率為0.35±0.06（k=1）。

圖3 127Xe樣品處理流程Fig.3 Flow chart of127Xe sample processing

3 測(cè)量結(jié)果

利用HPGe γ譜儀系統(tǒng)對(duì)充入炭纖維底襯不銹鋼源盒中的127Xe樣品進(jìn)行了3次測(cè)量，1次測(cè)量的能譜示于圖4。利用127Xe的202.86 keV主γ射線，根據(jù)式（1）計(jì)算得到了炭纖維底襯不銹鋼源盒中127Xe參考時(shí)間的活度為（18.5±0.7）Bq（k=1），測(cè)量結(jié)果列于表1。活度不確定度主要包括統(tǒng)計(jì)不確定度1.3%，峰效率不確定度（3.4%），γ射線發(fā)射幾率不確定度（0.7%）和半衰期不確定度（0.3%）。

由炭纖維底襯不銹鋼源盒中的127Xe活度和轉(zhuǎn)移效率，得到鋼瓶中127Xe總活度為（53±10）Bq（k=1）。

表1 127Xe活度測(cè)量結(jié)果Table 1 Measurement results of127Xe activity

圖4 127Xe γ能譜Fig.4 The spectrum of127Xe

4 結(jié)果評(píng)價(jià)

奧地利核素實(shí)驗(yàn)室（ATL03）、法國(guó)核素實(shí)驗(yàn)室（FRL08）和北京核素實(shí)驗(yàn)室（CNL06）等CTBT放射性核素實(shí)驗(yàn)室參加了本次比對(duì)，德國(guó)聯(lián)邦輻射防護(hù)辦公室（BfS）也參加了此次比對(duì)，各實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果和測(cè)量不確定度以及活度參考值同時(shí)標(biāo)會(huì)于圖5。

圖5 各實(shí)驗(yàn)室127Xe測(cè)量結(jié)果和不確定度Fig.5 The measurement results and uncertainty of127Xe by laboratories

PTS利用百分偏差和ζ值［14］對(duì)各實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)，百分偏差和ζ值計(jì)算公式為，

式中：Alab和Ulab分別為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的127Xe活度值及其不確定度，Bq；Aref和Uref分別為127Xe活度參考值及其不確定度，Bq。

相對(duì)偏差D用來判斷實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的正誤，如果D＞15%，則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值錯(cuò)誤；ζ值用來判斷實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和參考值之間是否存在顯著差別，ζ＜3則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和參考值一致，ζ＞3則認(rèn)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)量值和參考值差別顯著。

各實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的百分偏差和ζ值列于表2，從表2看出，除奧地利核素實(shí)驗(yàn)室沒有通過百分偏差測(cè)試外，其它實(shí)驗(yàn)室均通過了百分偏差和ζ值測(cè)試，北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果較好。

表2 各實(shí)驗(yàn)室127Xe測(cè)量結(jié)果評(píng)價(jià)Table 2 The evaluation of measurement results of127Xe by laboratories

5 結(jié)語(yǔ)

在PTS組織的127Xe比對(duì)中，北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室利用氙樣品轉(zhuǎn)移裝置將127Xe定量從樣品瓶轉(zhuǎn)移入炭纖維底襯不銹鋼測(cè)量源盒，利用模擬氣體刻度源刻度了HPGe γ譜儀系統(tǒng)的效率曲線，從而準(zhǔn)確測(cè)定了127Xe的活度。從比對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果看，北京放射性核素實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果與參考值一致性較好，通過了百分偏差和ζ值測(cè)試。