水體放射性自動監(jiān)測高純鍺γ能譜的效率刻度*

洪韻 / 上海市輻射環(huán)境安全技術(shù)中心

0 引言

隨著日本福島第一核電站事故核污水排放引發(fā)的輿情持續(xù)發(fā)酵，公眾對海洋放射性污染的關(guān)注度持續(xù)提升。建設(shè)水體放射性自動監(jiān)測站，開展水體放射性核素識別和活度濃度水平的連續(xù)自動監(jiān)測，是水中放射性監(jiān)控和污染預(yù)警的重要技術(shù)手段。上海已在主要飲用水水源地建設(shè)了水體放射性自動監(jiān)測站，內(nèi)設(shè)的高純鍺γ能譜測量系統(tǒng)是自動監(jiān)測站測量的核心設(shè)備，分析對象為持續(xù)流動的環(huán)境水樣。高純鍺γ能譜測量為相對測量，能量效率刻度是保證監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的必要前提。與國標(biāo)方法（GB/T 16410-2018）所規(guī)定的靜態(tài)水樣測量不同，目前，已有相關(guān)研究采用無源效率刻度方法[1-3]，其優(yōu)勢在于標(biāo)準(zhǔn)源較難獲得的情況下，可通過輸入被測樣品的相關(guān)參數(shù)，對測量數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬計算并修正后得到測量結(jié)果，但無法溯源至國家或者國際標(biāo)準(zhǔn)。對于水體放射性自動監(jiān)測站，宜優(yōu)先采用標(biāo)準(zhǔn)源效率刻度，本研究需搭建模型，通過流動水樣實驗，探討自動監(jiān)測站高純鍺γ能譜標(biāo)準(zhǔn)源效率刻度方法。

1 監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 自動監(jiān)測站運行架構(gòu)

水體放射性自動監(jiān)測站由取水系統(tǒng)、水處理系統(tǒng)、高純鍺γ能譜測量系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成，水樣經(jīng)原水泵抽取后，通過一道紫外線消毒、過濾系統(tǒng)（去除藻類、懸浮物等雜質(zhì)[4]）、二道紫外線消毒進入產(chǎn)水箱，由鉛室水泵連續(xù)注入高純鍺γ能譜儀測量系統(tǒng)的鉛室測量容器中，開展實時在線測量，系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

圖1 水體放射性自動監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 高純鍺γ能譜測量系統(tǒng)

高純鍺探測器為Ortec公司P型同軸探測器，能量響應(yīng)范圍為40 keV～10 MeV，其出廠標(biāo)稱相對探測效率為59%（1.33 MeV60Co），能量分辨力為1.80 keV（半寬高，1.33 MeV60Co），峰康比為76∶1（60Co）。

鉛室壁厚15 cm（其210Pb含量＜25 Bq/kg），其中，最內(nèi)層采用25 mm厚原生態(tài)老鉛，鉛室內(nèi)部由外向里依次襯有厚度0.5 mm的錫和1.6 mm的銅。

電制冷器為Ortec公司的斯特林制冷器，對于測量能量500 keV及以上的射線，分辨力降低不超過5%；對于測量能量500 keV以下的射線，分辨力降低不超過10%。

測量用樣品容器根據(jù)高純鍺γ能譜探測器尺寸及鉛室內(nèi)腔尺寸，通過精準(zhǔn)建模后3D打印加工獲得，整體形狀類似馬林杯，可使容器貼緊高純鍺γ能譜探測器；樣品容器直徑為22.4 cm，高度為45.8 cm，體積為15.4 L，壁厚3.5 mm，材質(zhì)為聚乙烯，容器外套為1.5 mm的不銹鋼。水樣通過進水管由容器上端進入容器底部，出水水樣由容器上部排水管排出，保證了水樣充分交換。測量用樣品容器剖面如圖2所示。

圖2 測量用樣品容器剖面

2 實驗

2.1 模型構(gòu)建

使用與水體自動監(jiān)測站高純鍺γ能譜儀同類型的設(shè)備（相對探測效率為40%），鉛室內(nèi)測量容器完全包裹貼合高純鍺γ探測器。使用蠕動泵（流速范圍為1.3～12 000 mL/min，流速誤差<0.5%）連接水箱及測量容器，測量對象為配置好的40K溶液。待40K溶液充滿容器后，啟動高純鍺γ能譜儀測量。整個采譜期間，溶液按一定流速在測量容器中流動，測量模型如圖3所示。

圖3 效率刻度測量模型

2.2 流速對效率的影響

由于自動監(jiān)測站高純鍺γ能譜儀鉛室容器水箱體積達到了15.4 L，實驗需要較大體積的水樣，以模擬水體的循環(huán)流動。實驗搭建的模型需要水量不小于30 L，難以通過定容的方式配置精準(zhǔn)濃度的40K溶液，故采用近似方法配置，即在30 L去離子水中加入100 g（<30 kg 水）的氯化鉀（KCl）粉末（美國SIGMA-ALDRICH公司生產(chǎn)，純度為99.999%），充分溶解后混合均勻，裝入40 L水箱中，KCl溶液的濃度為3.33 g/L，即40K的活度濃度為104 Bq/L。

調(diào)節(jié)蠕動泵使溶液流速分別為1 L/min、5 L/min及10 L/min，在測量容器中連續(xù)循環(huán)流動30 min以上，確保水樣在系統(tǒng)中分布均勻后進行高純鍺γ能譜測量。設(shè)置的測量時間使40K全能峰面積計數(shù)達到10 000以上，測得數(shù)據(jù)如圖4（其中0 L/min為40K溶液充滿鉛室水箱容器并處于靜止?fàn)顟B(tài)）所示。實驗結(jié)果表明，當(dāng)被測液體濃度均勻時，不同流速下高純鍺γ能譜儀的探測效率變化 （RSD）不超過0.5%，導(dǎo)致放射性測量統(tǒng)計漲落的因素表明流速對探測效率的影響較小，在線監(jiān)測中基本可以忽略。

圖4 流速對40K全能峰計數(shù)率的影響

2.3 樣品濃度對效率的影響

參照本文2.2的方法配置活度濃度為10.4 Bq/L、520 Bq/L的40K溶液，并以上述流速工況再次進行高純鍺γ能譜測量，并計算高純鍺γ能譜對40K的探測效率，實驗數(shù)據(jù)見表1。結(jié)果顯示，不同的活度濃度和不同的流速下，高純鍺γ能譜測量的探測效率無明顯差異。

表1 活度濃度及流速對探測效率的影響

2.4 實驗小結(jié)

上述實驗結(jié)果表明，在水體放射性在線監(jiān)測中，流速與放射性活度濃度對于高純鍺γ能譜測量的探測效率無明顯影響，可以忽略。水體放射性自動監(jiān)測站中高純鍺γ能譜儀的探測效率，可在靜態(tài)條件下采用與測量容器幾何條件、材質(zhì)相同的測量標(biāo)準(zhǔn)（參考溶液）測定或校準(zhǔn)。

3 探測效率的測量

3.1 無源效率刻度方法

無源效率刻度的計算使用Ortec公司的angleV4無源效率刻度軟件，其原理是基于對每套高純鍺γ能譜，以點源、面源、體源或者馬林杯樣品源之中的任一系列標(biāo)準(zhǔn)源（至少包含10個能量點，覆蓋低能端至高能端）的完整效率刻度曲線為基準(zhǔn)，結(jié)合Monte Carlo絕對算法與相對算法，以效率轉(zhuǎn)換的方法推算并繪制其他形式樣品的效率刻度曲線。該方法在較大程度上避免了采用純粹的Monte Carlo方法下探測器參數(shù)輸入偏差導(dǎo)致的較大誤差，尤其是探測器的死層厚度引起的誤差。

探測效率測量使用美國Eckert&Ziegler公司的混合點源，距高純鍺γ能譜探測器30 cm高度，核素及能量如表2。根據(jù)各核素全能峰計數(shù)率及能量對應(yīng)分支比，擬合能量刻度曲線和半高寬曲線公式（x為道址）見式（1）（2）。效率刻度曲線如圖5所示。

圖5 高純鍺γ能譜探測器混合點源效率刻度曲線

表2 高純鍺γ能譜探測器表征用點源核素及能量

利用AngleV4無源效率刻度軟件計算被測樣品效率刻度曲線的主要參數(shù)，如表3所示。結(jié)合表征的點源效率刻度曲線，得到效率刻度曲線如圖6所示。

表3 無源效率刻度軟件計算被測樣品效率刻度曲線的主要參數(shù)

圖6 無源效率刻度曲線

3.2 使用參考溶液的測量方法

1）水體參考溶液的制備

將美國Eckert&Ziegler公司的γ能譜液體混合標(biāo)準(zhǔn)溶液 [核素包括241Am、109Cd、57Co、139Ce、51Cr、113Sn、85Sr、137Cs、54Mn、88Y、65Zn及60Co，各核素活度范圍為2×103～7×104Bq，活度值的相對不確定度范圍為1.7%～2.6%（k= 2），20 mL]轉(zhuǎn)移至測量容器中，用pH為1的硝酸清洗標(biāo)準(zhǔn)溶液瓶3次，并一同轉(zhuǎn)移至測量容器內(nèi)，制備成硝酸體系的放射性參考溶液源。

2）探測效率測量

用高純鍺γ能譜儀測量放射性參考溶液，測量時間設(shè)置為86 400 s。在擬合效率刻度曲線時，在低能端添加拐點，將感興趣的能量區(qū)間分成2段，分別用多項式擬合，得到效率刻度曲線，如圖7所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)源效率刻度曲線

3.3 結(jié)果討論

使用無源效率刻度軟件的計算結(jié)果以及使用放射性參考溶液實際測量的高純鍺γ能譜儀探測效率見表4。由二者的相對偏差可知，無源效率刻度與實測效率刻度之間的偏差均在10%以內(nèi)，無源效率刻度的結(jié)果均高于實測效率，偏差在低能端及高能端較中能端略大。

表4 無源效率刻度與實際測量效率刻度的相對偏差

利用無源效率刻度軟件計算了容器均由2 mm不銹鋼制作，與不銹鋼、聚乙烯混合制作在探測效率上的相對偏差見表5，結(jié)果顯示，在靠近探測器端使用聚乙烯材質(zhì)可大幅提高探測效率，且聚乙烯的加工精度遠高于不銹鋼，可使待測溶液更靠近探測器。

表5 全不銹鋼與不銹鋼、聚乙烯混合材料探測效率的相對偏差

4 結(jié)語

通過配置不同活度濃度40K溶液，在不同流速（含靜態(tài)）下開展水體自動監(jiān)測高純鍺γ能譜測量的效率刻度實驗，結(jié)果顯示探測效率未發(fā)生顯著變化，表明水體放射性自動監(jiān)測中高純鍺γ能譜測量系統(tǒng)可應(yīng)用放射性參考溶液在靜態(tài)條件下進行刻度，同時采用無源效率刻度方法進行比較，相對偏差范圍為0.1%～9.4%，一致性較好，驗證了使用無源效率刻度方法的可行性。