伴生放射性鐵礦中放射性核素的γ 能譜測(cè)量影響因素研究

馮 碩，王鐵健，田 飛，李彩霞

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

自2016年以來(lái)，第2 次全國(guó)污染源普查伴生放射性礦普查工作全面開(kāi)展，涉及的伴生放射性礦種共15 種，其中包括鐵礦的采礦、 選礦和冶煉等行業(yè)。 我國(guó)鐵礦資源豐富，分布相對(duì)集中，主要分布在遼寧、 四川和河北等省，品位在30%～60%之間，以磁鐵礦、鈦鐵礦為主[1]。 此次伴生放射性礦普查對(duì)象為原礦、 精礦、 尾礦及廢渣，涉及的放射性核素為238U、232Th 和226Ra，分析方法以高純鍺 γ能譜法為主。 高純鍺γ 能譜法需要借助于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行效率刻度，原則上要求標(biāo)準(zhǔn)源與待測(cè)樣品幾何形狀和大小完全相同、 基質(zhì)一樣或類似、 質(zhì)量密度相等。 目前，含238U、232Th 和226Ra 的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類較少，基質(zhì)類型較為單一，而樣品的組成及密度影響探測(cè)效率[2-5]，采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)直接測(cè)量難以滿足要求。 因此，采用Angle 3.0 無(wú)源效率刻度軟件模擬，研究鐵礦石的組成、 裝樣密度及高度等因素對(duì)探測(cè)效率的影響，并通過(guò)制備含鐵標(biāo)準(zhǔn)體源進(jìn)行驗(yàn)證。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

儀器：高純鍺 γ 能譜儀，探測(cè)器型號(hào)為GMX50P4—83，N 型同軸封端探頭，相對(duì)探測(cè)效率為50%，分辨率為 1.9 keV （對(duì)60Co的 1 332 keVγ 射線），美國(guó) ORTEC 公司。 無(wú)源效率刻度軟件，Angle 3.0，美國(guó) ORTEC 公司。

材料：鐵粉，分析純。 鈾鐳平衡粉末源（GBW 04305a），238U：39.5 Bq·g-1，226Ra：38.8 Bq·g-1，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)。 釷平衡粉末源（GBW 04308），232Th：13.9 Bq·g-1，核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)。 圓柱形塑料裝樣盒，Φ75 mm×35 mm。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 無(wú)源效率刻度軟件模擬

Angle3.0 無(wú)源效率刻度軟件以點(diǎn)源參考效率曲線為基礎(chǔ)，通過(guò)效率轉(zhuǎn)換模擬計(jì)算可以得出不同點(diǎn)源、 面源、 體源的探測(cè)效率[6]。Angle 3.0 無(wú)源效率刻度軟件與本文采用的高純 鍺 γ 能 譜 儀 配 套 使 用 ，對(duì) 探 測(cè) 器GMX50P4—83 進(jìn)行表征后，可以針對(duì)任意材料、 幾何形狀的樣品進(jìn)行模擬計(jì)算。

無(wú)源效率刻度模擬采用單一變量的方式，研究主成分組成、 裝樣密度及裝樣高度3 個(gè)參數(shù)的影響：1） 主成分組成：O、 Si、 Al、 Fe和 Ca 元素；2） 裝樣密度：1.24、 1.86、 2.48、3.10 和 3.72 g·cm-3；3） 裝樣高度：1.5、 2.0、2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5 和 5.0 cm。238U、232Th和226Ra 無(wú)源效率刻度模擬選擇發(fā)射幾率較大的特征 γ 射線峰：238U 的 63.3、 1 001 keV，232Th 的 238、 583 和 911 keV，226Ra 的 295、352、 609 和 1 764 keV。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)源的制備

采用Φ75 mm×35 mm 圓柱形塑料裝樣盒裝填摻有鐵粉的標(biāo)準(zhǔn)源，制備不同密度的標(biāo)準(zhǔn)源。 標(biāo)準(zhǔn)源 1：鐵粉 125.0 g，摻入鈾鐳平衡粉末源GBW 04305a 50.0 g、 釷平衡粉末源GBW 04308 50.0 g，均勻混合；標(biāo)準(zhǔn)源 2：鐵粉279.0 g，摻入鈾鐳平衡粉末源GBW 04305a 10.0 g、 釷平衡粉末源 GBW 04308 11.0 g，均勻混合；標(biāo)準(zhǔn)源 3、 4：鈾鐳平衡粉末 源GBW 04305a 150.0 g、 釷 平 衡 粉 末 源GBW 04308 150.0 g 各 1 個(gè)，作為對(duì)比。 標(biāo)準(zhǔn)源 1、 2、 3、 4 分別裝入 Φ75 mm×35 mm 裝樣盒，密封放置20 d。 將標(biāo)準(zhǔn)源用高純鍺γ 能譜儀測(cè)量，計(jì)算得到各 γ 射線峰的探測(cè)效率ε。

式中：n—相應(yīng)能量λ 射線的凈計(jì)數(shù)率，cps；m—樣品質(zhì)量，g；a—核素的比活度，Bq·g-1；P—相應(yīng)能量γ 射線的發(fā)射幾率，無(wú)量綱。

3 結(jié)果與討論

3.1 主要組成元素對(duì)探測(cè)效率的影響

地殼中主要組成元素含量由高到低依次為 O、 Si、 Al、 Fe 和 Ca，不同樣品其組成元素及比例各不相同，而鐵礦石中元素含量最高的可能是Fe。 假定裝樣密度一致，采用無(wú)源效率刻度軟件分別對(duì) O、 Si、 Al、 Fe 和 Ca單一元素進(jìn)行模擬計(jì)算，得到不同元素對(duì)探測(cè)效率的影響，如圖1 所示。

由圖 1 可見(jiàn)，在238 keV 以上的能量區(qū)域，各元素對(duì)探測(cè)效率的影響一致。 63.3 keV射線的探測(cè)效率隨原子序數(shù)增加而降低，F(xiàn)e元素尤為明顯。

3.2 裝樣密度對(duì)探測(cè)效率的影響

圖1 不同元素對(duì)探測(cè)效率的影響Fig. 1 Effect of different elements on detection efficiency

γ 能譜裝填的對(duì)象為粉末，裝樣密度受組成成分、 粒度及粒度分布、 壓實(shí)程度等影響[7]，比真密度小。 鈾鐳平衡粉末源的基質(zhì)材料為花崗巖，真密度 2.6～3.3 g·cm-3，裝樣密度 1.24 g·cm-3（即 Φ75 mm×35 mm 裝樣盒裝樣150 g 左右）。 鐵礦石的真密度大多在 5.0 g·cm-3左右 （赤鐵礦 4.9～5.4 g·cm-3，硫鐵礦4.9～5.2 g·cm-3，菱鐵礦 3.7～4.0 g·cm-3，磁鐵礦 5.5～6.5 g·cm-3）。 鐵礦石的品位不同也影響裝樣密度。 無(wú)源效率刻度軟件可以模擬不同裝樣密度的樣品，設(shè)定裝樣密度分別為1.24、 1.86、 2.48、 3.10 和 3.72 g·cm-3，考察裝樣密度對(duì)探測(cè)效率的影響，結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可見(jiàn)，探測(cè)效率隨裝樣密度增大而減小。 在低能區(qū)（63.3 keV）探測(cè)效率下降尤為明顯；在中、 高能區(qū)（238～1 764 keV），下降趨勢(shì)減小。 對(duì)9 個(gè)能量峰分別以探測(cè)效率y對(duì)裝樣密度 x（g·cm-3）作圖，擬合結(jié)果呈線性關(guān)系，線性參數(shù)如表1 所示。 結(jié)果表明，不同裝樣密度樣品的探測(cè)效率可以通過(guò)線性回歸方程修正。

3.3 裝樣高度對(duì)探測(cè)效率的影響

圖2 不同裝樣密度對(duì)探測(cè)效率的影響Fig. 2 Effect of different density on detection efficiency

表1 裝樣密度與探測(cè)效率的線性關(guān)系Table 1 Linear relationship between loading density and detection efficiency

圖3 不同裝樣高度對(duì)探測(cè)效率的影響Fig. 3 Effect of different loading height on detection efficiency

保持裝樣密度（ρ=1.24 g·cm-3）不變，對(duì)不同裝樣高度 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4.0、4.5 和5.0 cm 進(jìn)行無(wú)源效率刻度模擬計(jì)算，結(jié)果如圖 3 所示。 對(duì)比 3.0、 3.5、 4.0 cm 的裝樣高度對(duì)探測(cè)效率的影響，結(jié)果如表2 所示。

由圖4 可見(jiàn)，樣品的裝樣高度增加，樣品距探頭的平均距離增加，立體角減小，導(dǎo)致探測(cè)效率降低。 由表 2 可見(jiàn)，裝樣高度3.5 cm 變化±15%，低能區(qū)的探測(cè)效率變化超過(guò)10%，中高能區(qū)的探測(cè)效率變化在10%以內(nèi)，裝樣高度對(duì)探測(cè)效率的影響明顯。 為減小測(cè)量誤差，裝樣時(shí)應(yīng)盡可能保持裝樣高度一致。

表2 3.0、 3.5、 4.0 cm 的裝樣高度對(duì)探測(cè)效率影響的比較Table 2 Comparison of 3.0，3.5 and 4.0 cm sample height on detection efficiency

3.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

將摻鐵標(biāo)準(zhǔn)體源、 鈾鐳平衡體源和釷平衡體源分別在高純鍺γ 能譜儀上測(cè)量，計(jì)算出探測(cè)效率。 與無(wú)源效率刻度軟件模擬計(jì)算出的探測(cè)效率相比較，所得結(jié)果如表3 所示。

由表3 可見(jiàn)，63.3 keV 處探測(cè)效率的實(shí)測(cè)值與擬合值相差較大，主要原因是低能區(qū)效率受組分和密度雙重影響，若組分未知，易出現(xiàn)較大偏差。 與 63.3 keV 相比，238U 的測(cè)定采用1 001 keV 更穩(wěn)定可靠。 其他γ 射線探測(cè)效率的實(shí)測(cè)值與擬合值相對(duì)偏差在7%以內(nèi)。

表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Verification of measurement results

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鐵礦石的組成成分、 裝樣密度及裝樣高度采用無(wú)源效率刻度軟件模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，1）238U 的測(cè)定在 63.3 keV 受組分和密度影響大，若組分未知，選擇1 001 keV效果更好。 2） 裝樣時(shí)應(yīng)保持裝樣高度一致。3） 裝樣密度與探測(cè)效率呈線性關(guān)系，在樣品與標(biāo)準(zhǔn)源裝樣密度不一致的情況下，可通過(guò)密度修正計(jì)算探測(cè)效率。