基于反宇宙射線γ譜儀的水樣品測(cè)量

劉慶云，馬國(guó)學(xué)，胡 翔

(北京市輻射安全技術(shù)中心，北京 100089)

低本底γ譜儀廣泛應(yīng)用于輻射防護(hù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)研究(如暗物質(zhì)探測(cè)、雙β衰變研究等領(lǐng)域)[1-2]。低本底鍺探測(cè)器的典型本底組成：宇宙射線(宇宙射線μ子、中子、光子等)、建筑材料的放射性、氡及其子體[3]。近年來，由于良好的能量分辨率和高探測(cè)效率(當(dāng)前生產(chǎn)的鍺探測(cè)器效率高達(dá)200%)使得大體積鍺探測(cè)器在放射性測(cè)量上得到了重要發(fā)展[4]。對(duì)大體積鍺探測(cè)器來說，宇宙射線與鍺探測(cè)器相互作用產(chǎn)生大量峰如湮滅峰和中子活化峰，μ子產(chǎn)生的本底占主導(dǎo)[5-6]。當(dāng)今，制造低本底鍺譜儀的本底來源主要是宇宙射線，尤其是宇宙射線μ子。單純的鍺譜儀屏蔽體無法阻擋宇宙射線μ子，反宇宙射線γ譜儀可使用氣體或塑料閃爍探測(cè)器安放于鉛/鐵/銅屏蔽體周圍，環(huán)繞鍺探測(cè)器[7-8]。塑料閃爍探測(cè)器置于鍺探測(cè)器的頂部，可使本底降低至原來的一半[6]。地上反宇宙屏蔽在改善地上實(shí)驗(yàn)室γ譜儀探測(cè)限上發(fā)揮了重要作用。

增加γ譜儀測(cè)量靈敏度的有效方式是增加計(jì)數(shù)效率、增加分析樣品量、減少鍺探測(cè)器的本底，特別是分析微量與痕量樣品時(shí)，尤為重要[4]。文獻(xiàn)[9]建立了國(guó)內(nèi)反宇宙射線低本底γ譜儀測(cè)量裝置，探測(cè)器相對(duì)效率為105%，使用該儀器測(cè)量土壤、水等驗(yàn)證樣品，給出了各樣品測(cè)量結(jié)果[10]。文獻(xiàn)[11]建立了基于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室低本底高純鍺γ譜儀GeTHU的海水直接測(cè)量方法，文獻(xiàn)[12]使用新建反宇宙射線γ譜儀系統(tǒng)測(cè)量氙同位素活度。在環(huán)境樣品測(cè)量時(shí)，難度主要在于其放射性核素活度活度較低，需增加γ譜儀靈敏度來提高樣品測(cè)量準(zhǔn)確度和可靠性。國(guó)內(nèi)未見有反宇宙譜儀在環(huán)境樣品監(jiān)測(cè)方面的詳細(xì)研究報(bào)道。因此，本文基于本單位地下一層實(shí)驗(yàn)室新建低本底反宇宙射線高純鍺(HPGe)γ譜儀測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)其在水樣品測(cè)量上的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

1 測(cè)量系統(tǒng)

1.1 反宇宙射線γ譜儀測(cè)量系統(tǒng)

反宇宙射線γ譜儀GEM175：美國(guó)ORTEC公司生產(chǎn)，GEM-MX94100-LB-C-HJ型，P型同軸，相對(duì)效率175%，經(jīng)國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站檢定合格。HPGe主探測(cè)器、周圍和頂部的屏蔽探測(cè)器(塑料閃爍體)共同構(gòu)成反符合屏蔽探測(cè)器，主探測(cè)器和屏蔽探測(cè)器靈敏體積分別為700 cm3和169 560 cm3，塑料閃爍體厚度10 cm；能量響應(yīng)范圍：10 keV～20 MeV，對(duì)1 332 keV峰(60Co)能量分辨率：≤2.3 keV，峰康比：≥90∶1。圖1為該測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

1—HPGe探測(cè)器；2—銅內(nèi)襯；3—內(nèi)鉛環(huán)；4—鎘片；5—塑料閃爍探測(cè)器；6—外屏蔽室；7—前置放大器，連接數(shù)字譜儀、電腦等；8—杜瓦瓶。

反宇宙譜儀進(jìn)行樣品測(cè)量時(shí)，樣品置于主探測(cè)器頂部，宇宙射線進(jìn)入主探測(cè)器前，必須先穿過屏蔽探測(cè)器，兩組探測(cè)器同時(shí)有信號(hào)輸出，將兩組信號(hào)進(jìn)行反符合處理，就可以使宇宙射線引起的信號(hào)不予記錄，通過該反符合技術(shù)，消除μ子的本底貢獻(xiàn)，降低環(huán)境輻射和宇宙射線本底[6]。

1.2 其他儀器

GR7023高純鍺γ譜儀：美國(guó)Canberra公司，N型同軸，10 keV～10 MeV，相對(duì)探測(cè)效率70%，能量分辨率：≤2.3 keV(60Co源1.33 MeV能量峰)；

GMX60高純鍺γ譜儀譜儀：美國(guó)ORTEC公司，N型同軸，3 keV～10 MeV，相對(duì)探測(cè)效率60%，能量分辨率：≤2.3 keV(60Co源1.33 MeV能量峰)。

上述兩臺(tái)儀器均經(jīng)國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站檢定合格。

1.3 實(shí)驗(yàn)室輻射水平

GEM175反宇宙射線γ譜儀和GMX60高純鍺γ譜儀位于本單位地下一層(距地面3.6 m)同一房間內(nèi)，GR7023高純鍺γ譜儀位于該棟建筑的地上五層房間內(nèi)。地下一層房間面積25 m2，房間墻面做防氡涂料處理，四周墻面、地面和頂部分別做30 cm石英砂+1 cm鉛板+0.3 cm不銹鋼板屏蔽層，屏蔽門鉛層厚度不小于10 mm，24小時(shí)通風(fēng)，24 ℃，45%(RH)。

使用便攜式X-γ劑量率儀(FH40G+FHZ672E-10)、測(cè)氡儀(RAD7)(均經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢定合格)測(cè)量地下一層與地上五層實(shí)驗(yàn)室的本底水平。測(cè)量結(jié)果列于表1。

表1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及比較

地下一層實(shí)驗(yàn)室X-γ輻射劑量率為地上五層實(shí)驗(yàn)室的30%左右，本底水平大大降低，但由于μ子的穿透能力很強(qiáng)，很難通過增加屏蔽物的方式擋住，除非把探測(cè)器放入幾百至上千米的地下。地下一層房間通風(fēng)狀態(tài)下的氡活度濃度是未通風(fēng)時(shí)的32%。因此，為保證實(shí)驗(yàn)室本底水平的穩(wěn)定，必須保證通風(fēng)設(shè)施的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 測(cè)量方法

2.1 本底譜測(cè)量

使用GEM175反宇宙射線γ譜儀系統(tǒng)測(cè)量有、無反符合模式下的本底譜，測(cè)量時(shí)間為136 h，如圖2所示。表2為該本底譜中有、無反符合下的本底數(shù)據(jù)。

圖2 有無反符合本底譜比較

表2 典型γ射線峰本底計(jì)數(shù)率比較

在10 keV～3 MeV能量范圍內(nèi)，原始γ能譜的全譜積分本底是采用反符合宇宙射線屏蔽后的5.3倍，即反符合屏蔽宇宙射線后，本底大大降低，較通常物質(zhì)屏蔽的低本底HPGe γ譜儀探測(cè)靈敏度顯著提高。

2.2 能量刻度和效率刻度

本次實(shí)驗(yàn)采用的兩種模擬水標(biāo)準(zhǔn)源物質(zhì)經(jīng)國(guó)防科技工業(yè)電離輻射一級(jí)計(jì)量站校準(zhǔn)，水標(biāo)準(zhǔn)源模擬基質(zhì)所含元素成分、密度與水相同，馬林杯(M)形狀樣品盒尺寸為φ17 cm×17 cm，裝樣體積1 800 mL，圓柱體(C)樣品盒尺寸為φ7.5 cm×7.0 cm，裝樣體積225 mL。詳細(xì)信息列于表3。

表3 模擬水標(biāo)準(zhǔn)源信息

用表3中任一模擬水標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)反宇宙射線γ譜儀進(jìn)行能量刻度，至少應(yīng)包括4個(gè)能量均勻分布在所刻度區(qū)的刻度點(diǎn)，將特征γ射線能量和相應(yīng)全能峰道址作最小二乘法擬合，非線性不超過0.5%；能量刻度曲線示于圖3。

圖3 能量刻度曲線

效率刻度時(shí)，要求每個(gè)特征峰的累積計(jì)數(shù)大于10 000，在能譜上選取若干可忽略級(jí)聯(lián)效應(yīng)且沒有重疊的不同能量γ射線求出全吸收峰效率(扣本底凈計(jì)數(shù)率/單能γ射線發(fā)射率)，對(duì)效率和能量進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，具體刻度方法參照[13-15]，用相同刻度方法刻度其他兩臺(tái)儀器。

采用表3中兩種標(biāo)準(zhǔn)源對(duì)儀器進(jìn)行曲線法效率刻度，兩種不同尺寸類型的標(biāo)準(zhǔn)源效率曲線示于圖4。兩條效率曲線在能量130 keV處相交，即，在γ射線能量E>130 keV，馬林杯樣品的探測(cè)效率明顯大于圓柱體樣品，增加樣品體積或樣品厚度可提高測(cè)量靈敏度。但是，在低能端(E<130 keV)由于樣品自吸收影響，增加樣品量并不會(huì)提高探測(cè)效率。因此，在水樣品測(cè)量時(shí)，要充分考慮待測(cè)樣品的核素射線性質(zhì)，分析發(fā)射低能γ射線的核素，需根據(jù)測(cè)量要求制備成適當(dāng)形狀樣品，不宜為了降低探測(cè)限而追求大體積樣品盒。

圖4 兩種模擬水標(biāo)準(zhǔn)源的效率刻度曲線

能量大于300 keV時(shí)，兩條效率刻度曲線基本平行，兩種類型水標(biāo)準(zhǔn)源的探測(cè)效率比值基本固定，約為1.4。值得注意的是，兩者體積之比為8，探測(cè)效率之比與體積之比無明顯關(guān)系。幾個(gè)能量峰的效率值列于表4。

表4 兩種模擬水標(biāo)準(zhǔn)源的幾個(gè)能量峰效率

2.3 實(shí)驗(yàn)方法

用于γ核素分析的水樣品，經(jīng)蒸發(fā)濃縮制備成與模擬標(biāo)準(zhǔn)源相同的形狀和體積，即可進(jìn)行多種核素的同時(shí)測(cè)量分析。

取10 L 1#水樣品轉(zhuǎn)移至燒杯中，放置電熱板上加熱，控制加熱溫度，避免碘等易揮發(fā)元素的損失，待樣品體積剩余約1 800 mL和225 mL時(shí)，分別轉(zhuǎn)移至馬林杯樣品盒和圓柱體樣品盒中，用去離子水沖洗燒杯并將洗滌液轉(zhuǎn)移至樣品盒中，膠帶密封，測(cè)量時(shí)間為8 h。采用效率曲線法分析樣品中放射性活度濃度，活度計(jì)算公式為：

(1)

95%置信度時(shí)探測(cè)下限計(jì)算公式為：

(2)

式中，Nji為被測(cè)樣品第j種核素的第i個(gè)特征峰的凈計(jì)數(shù)，s-1；Njib為與Nji對(duì)應(yīng)的特征峰本底凈計(jì)數(shù)，s-1；εi為全能峰探測(cè)效率；t0為本底譜測(cè)量時(shí)間；η為核素特征射線的分支比；V為樣品體積；K為衰變校正系數(shù)；Nb為本底譜中相應(yīng)于某一全能峰的本底計(jì)數(shù)。

全國(guó)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方案要求水體中γ核素分析項(xiàng)目一般為54Mn、58Co、60Co、65Zn、95Zr、110mAg、124Sb、137Cs、134Cs、144Ce等放射性核素，本實(shí)驗(yàn)考慮各個(gè)核素能量峰的差別，選取能量具有代表性的144Ce、137Cs、60Co三種核素進(jìn)行分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 水樣品測(cè)量結(jié)果

對(duì)采集的1#水樣品置于電熱板300 ℃下加熱，從10 L蒸發(fā)濃縮至1.8 L所需時(shí)間約40 h，至0.225 L所需時(shí)間約60 h，濃縮倍數(shù)分別為0.18和0.022 5，所需加熱時(shí)間較長(zhǎng)。若為避免碘等易揮發(fā)元素?fù)p失，降低加熱溫度，則蒸發(fā)濃縮所需時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，影響測(cè)量效率。用GEM175和GR7023分別測(cè)量蒸發(fā)濃縮后的水樣品，結(jié)果列于表5。

對(duì)表5中60Co測(cè)量結(jié)果進(jìn)行計(jì)算：使用GEM175儀器測(cè)量馬林杯樣品與圓柱形樣品的測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差(相對(duì)偏差=[(X1-X2)/(X1+X2)]×100%)為0.75%，使用不同儀器(GEM175和GR7023)測(cè)量同一樣品測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差為1.0%，兩種測(cè)量設(shè)備測(cè)量1#水樣品的結(jié)果基本一致。

由表5可見，反宇宙射線γ譜儀測(cè)量10 L水樣，達(dá)到相同數(shù)量級(jí)探測(cè)限時(shí)，使用馬林杯的樣品前處理時(shí)間少于使用圓柱形樣品盒的時(shí)間。在相同樣品處理時(shí)間(60 h)下，使用不同儀器(GEM175和GR7023)測(cè)量同一樣品時(shí)，反宇宙γ譜儀測(cè)量各核素探測(cè)限約是普通高純鍺儀器探測(cè)限的1/10。

表5 1#水樣品(經(jīng)蒸發(fā)濃縮后)測(cè)量結(jié)果

3.2 探測(cè)限結(jié)果比較

為比較幾種不同類型譜儀測(cè)量水樣品的探測(cè)限，使用GR7023譜儀和GMX60譜儀對(duì)直接裝盒(未蒸發(fā)濃縮)的1#水樣品測(cè)量，幾種典型核素的探測(cè)限比較結(jié)果列于表6。

表6 幾種類型譜儀測(cè)量1#水樣品(未蒸發(fā)濃縮)探測(cè)限

由表6可知，反宇宙射線γ譜儀測(cè)量馬林杯水樣品中144Ce、137Cs和60Co的探測(cè)下限分別是測(cè)量圓柱體水樣品中上述三種核素探測(cè)下限的12.1%、8.7%、9.2%，同一本底水平下，探測(cè)下限值與體積和探測(cè)效率的乘積相關(guān)。測(cè)量相同類型水樣品時(shí)，由于反宇宙射線技術(shù)，同一實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的反宇宙射線γ譜儀測(cè)量上述三種核素探測(cè)下限分別是GMX60譜儀測(cè)量結(jié)果的15.7%、9.3%和10.3%，分別是地上實(shí)驗(yàn)室γ譜儀(GR7023譜儀)的9.5%、11.9%、12.2%。因此，測(cè)量同一水樣品時(shí)，反宇宙射線γ譜儀的探測(cè)下限比其他兩類型譜儀低一個(gè)數(shù)量級(jí)。反宇宙γ譜儀在測(cè)量放射性水平極低的水樣品時(shí)具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

在10 keV～3 MeV能量范圍內(nèi)，采用反符合宇宙射線屏蔽后，全譜積分本底降低至原始本底的五分之一，較通常物質(zhì)屏蔽的低本底HPGe γ譜儀探測(cè)靈敏度顯著提高。

在低能端(E<130 keV)，由于樣品自吸收影響，增加樣品量并不會(huì)提高探測(cè)效率。在水樣品測(cè)量時(shí)，分析發(fā)射低能γ射線的核素時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)量要求制備成適當(dāng)形狀的樣品，不宜為了降低探測(cè)限而追求大體積樣品盒。

反宇宙射線γ譜儀分析環(huán)境水樣品的優(yōu)勢(shì)在于：相同樣品量條件下，探測(cè)下限比普通高純鍺γ譜儀低一個(gè)數(shù)量級(jí)，若使用馬林杯樣品盒測(cè)量，探測(cè)下限則低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，減少了水樣品蒸發(fā)濃縮前處理時(shí)間，縮短整個(gè)測(cè)量流程，提高測(cè)量效率。不足之處在于，反宇宙 γ譜儀價(jià)格較貴，且使用和維護(hù)更復(fù)雜。