基于反宇宙射線γ譜儀的水樣品測量

劉慶云，馬國學，胡 翔

(北京市輻射安全技術中心，北京 100089)

低本底γ譜儀廣泛應用于輻射防護、環境監測、科學研究(如暗物質探測、雙β衰變研究等領域)[1-2]。低本底鍺探測器的典型本底組成：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效率(當前生產的鍺探測器效率高達200%)使得大體積鍺探測器在放射性測量上得到了重要發展[4]。對大體積鍺探測器來說，宇宙射線與鍺探測器相互作用產生大量峰如湮滅峰和中子活化峰，μ子產生的本底占主導[5-6]。當今，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器安放于鉛/鐵/銅屏蔽體周圍，環繞鍺探測器[7-8]。塑料閃爍探測器置于鍺探測器的頂部，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驗室γ譜儀探測限上發揮了重要作用。

增加γ譜儀測量靈敏度的有效方式是增加計數效率、增加分析樣品量、減少鍺探測器的本底，特別是分析微量與痕量樣品時，尤為重要[4]。文獻[9]建立了國內反宇宙射線低本底γ譜儀測量裝置，探測器相對效率為105%，使用該儀器測量土壤、水等驗證樣品，給出了各樣品測量結果[10]。文獻[11]建立了基于中國錦屏地下實驗室低本底高純鍺γ譜儀GeTHU的海水直接測量方法，文獻[12]使用新建反宇宙射線γ譜儀系統測量氙同位素活度。在環境樣品測量時，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量準確度和可靠性。國內未見有反宇宙譜儀在環境樣品監測方面的詳細研究報道。因此，本文基于本單位地下一層實驗室新建低本底反宇宙射線高純鍺(HPGe)γ譜儀測量系統，對其在水樣品測量上的應用進行了探討。

1 測量系統

1.1 反宇宙射線γ譜儀測量系統

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

1—HPGe探測器；2—銅內襯；3—內鉛環；4—鎘片；5—塑料閃爍探測器；6—外屏蔽室；7—前置放大器，連接數字譜儀、電腦等；8—杜瓦瓶。

反宇宙譜儀進行樣品測量時，樣品置于主探測器頂部，宇宙射線進入主探測器前，必須先穿過屏蔽探測器，兩組探測器同時有信號輸出，將兩組信號進行反符合處理，就可以使宇宙射線引起的信號不予記錄，通過該反符合技術，消除μ子的本底貢獻，降低環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Canberra公司，N型同軸，10 keV～10 MeV，相對探測效率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ORTEC公司，N型同軸，3 keV～10 MeV，相對探測效率60%，能量分辨率：≤2.3 keV(60Co源1.33 MeV能量峰)。

上述兩臺儀器均經國防科技工業電離輻射一級計量站檢定合格。

1.3 實驗室輻射水平

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，GR7023高純鍺γ譜儀位于該棟建筑的地上五層房間內。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小時通風，24 ℃，45%(RH)。

使用便攜式X-γ劑量率儀(FH40G+FHZ672E-10)、測氡儀(RAD7)(均經中國計量科學研究院檢定合格)測量地下一層與地上五層實驗室的本底水平。測量結果列于表1。

表1 實驗室環境監測數據及比較

地下一層實驗室X-γ輻射劑量率為地上五層實驗室的30%左右，本底水平大大降低，但由于μ子的穿透能力很強，很難通過增加屏蔽物的方式擋住，除非把探測器放入幾百至上千米的地下。地下一層房間通風狀態下的氡活度濃度是未通風時的32%。因此，為保證實驗室本底水平的穩定，必須保證通風設施的穩定運行。

2 測量方法

2.1 本底譜測量

使用GEM175反宇宙射線γ譜儀系統測量有、無反符合模式下的本底譜，測量時間為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據。

圖2 有無反符合本底譜比較

表2 典型γ射線峰本底計數率比較

在10 keV～3 MeV能量范圍內，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，較通常物質屏蔽的低本底HPGe γ譜儀探測靈敏度顯著提高。

2.2 能量刻度和效率刻度

本次實驗采用的兩種模擬水標準源物質經國防科技工業電離輻射一級計量站校準，水標準源模擬基質所含元素成分、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。詳細信息列于表3。

表3 模擬水標準源信息

用表3中任一模擬水標準源對反宇宙射線γ譜儀進行能量刻度，至少應包括4個能量均勻分布在所刻度區的刻度點，將特征γ射線能量和相應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，要求每個特征峰的累積計數大于10 000，在能譜上選取若干可忽略級聯效應且沒有重疊的不同能量γ射線求出全吸收峰效率(扣本底凈計數率/單能γ射線發射率)，對效率和能量進行多項式擬合，具體刻度方法參照[13-15]，用相同刻度方法刻度其他兩臺儀器。

采用表3中兩種標準源對儀器進行曲線法效率刻度，兩種不同尺寸類型的標準源效率曲線示于圖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，增加樣品量并不會提高探測效率。因此，在水樣品測量時，要充分考慮待測樣品的核素射線性質，分析發射低能γ射線的核素，需根據測量要求制備成適當形狀樣品，不宜為了降低探測限而追求大體積樣品盒。

圖4 兩種模擬水標準源的效率刻度曲線

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

表4 兩種模擬水標準源的幾個能量峰效率

2.3 實驗方法

用于γ核素分析的水樣品，經蒸發濃縮制備成與模擬標準源相同的形狀和體積，即可進行多種核素的同時測量分析。

取10 L 1#水樣品轉移至燒杯中，放置電熱板上加熱，控制加熱溫度，避免碘等易揮發元素的損失，待樣品體積剩余約1 800 mL和225 mL時，分別轉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移至樣品盒中，膠帶密封，測量時間為8 h。采用效率曲線法分析樣品中放射性活度濃度，活度計算公式為：

(1)

95%置信度時探測下限計算公式為：

(2)

式中，Nji為被測樣品第j種核素的第i個特征峰的凈計數，s-1；Njib為與Nji對應的特征峰本底凈計數，s-1；εi為全能峰探測效率；t0為本底譜測量時間；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；Nb為本底譜中相應于某一全能峰的本底計數。

全國輻射環境監測方案要求水體中γ核素分析項目一般為54Mn、58Co、60Co、65Zn、95Zr、110mAg、124Sb、137Cs、134Cs、144Ce等放射性核素，本實驗考慮各個核素能量峰的差別，選取能量具有代表性的144Ce、137Cs、60Co三種核素進行分析。

3 結果與討論

3.1 水樣品測量結果

對采集的1#水樣品置于電熱板300 ℃下加熱，從10 L蒸發濃縮至1.8 L所需時間約40 h，至0.225 L所需時間約60 h，濃縮倍數分別為0.18和0.022 5，所需加熱時間較長。若為避免碘等易揮發元素損失，降低加熱溫度，則蒸發濃縮所需時間會更長，影響測量效率。用GEM175和GR7023分別測量蒸發濃縮后的水樣品，結果列于表5。

對表5中60Co測量結果進行計算：使用GEM175儀器測量馬林杯樣品與圓柱形樣品的測量結果相對偏差(相對偏差=[(X1-X2)/(X1+X2)]×100%)為0.75%，使用不同儀器(GEM175和GR7023)測量同一樣品測量結果相對偏差為1.0%，兩種測量設備測量1#水樣品的結果基本一致。

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

表5 1#水樣品(經蒸發濃縮后)測量結果

3.2 探測限結果比較

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

表6 幾種類型譜儀測量1#水樣品(未蒸發濃縮)探測限

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

4 結論

在10 keV～3 MeV能量范圍內，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，較通常物質屏蔽的低本底HPGe γ譜儀探測靈敏度顯著提高。

在低能端(E<130 keV)，由于樣品自吸收影響，增加樣品量并不會提高探測效率。在水樣品測量時，分析發射低能γ射線的核素時，應根據測量要求制備成適當形狀的樣品，不宜為了降低探測限而追求大體積樣品盒。

反宇宙射線γ譜儀分析環境水樣品的優勢在于：相同樣品量條件下，探測下限比普通高純鍺γ譜儀低一個數量級，若使用馬林杯樣品盒測量，探測下限則低兩個數量級，減少了水樣品蒸發濃縮前處理時間，縮短整個測量流程，提高測量效率。不足之處在于，反宇宙 γ譜儀價格較貴，且使用和維護更復雜。