環境監測中伽馬譜分塊計數法探測異常放射性

鈕云龍，楊維耿

(浙江省輻射環境監測站國家環境保護輻射環境監測重點實驗室，杭州，310012)

汪嘉駿

(清華大學，北京，100084)

我國輻射環境監測網，由生態環境部組織部署，各大區輻射環境監測監管機構和31個省級輻射環境監測站等單位協同建設，依托單位為生態環境部輻射環境監測技術中心(國家環境保護輻射環境監測重點實驗室)，至“十三五”末期，將實現輻射監測地級市的全覆蓋。

美國環境保護署輻射監測網RadNet是國際上優秀的環境輻射監測系統，γ譜分塊計數法是RadNet采用的一種識譜技術，將γ譜圖按能量分為11個感興趣區(圖1)，以每塊的計數變化情況來表征對不同核素探測到與否。相較常規的峰識別法，算法簡單、監測效果好[1-2]。

目前，我國在多地部署了閃爍體γ譜儀用以測量環境輻射，監測異常的輻射變化。但是，如何設置報警的觸發條件，以及這些譜儀對不同放射性核素的探測靈敏度，需要進行深入研究。

本工作使用德國ENVINET公司的SARA γ譜儀系統(IGS 810型)，按照美國RadNet系統的γ譜分塊方式，研究此方法放射性異常是否具有檢出能力，并在此基礎上使用40K、133Ba、241Am、60Co 4種放射源，通過處理和數據分析，確定NaI探測器對于異常放射性的預警值，并與全國重點監測點的數據作對比，得出在實踐中應當設置的預警值。

1 實驗儀器和材料

實驗使用德國ENVINET公司設計制造的SARA γ譜儀系統，型號為IGS 810型。探測器尺寸為3″× 3″，能量范圍為30 keV～3 MeV，多道分析器共有2 048道，工作溫度為-20 ℃～+60 ℃[3]。

1.1 實驗準備

將探測器包裝中的塑料海綿置于實驗臺上，探測器橫置其上，完成電源、數據線路的連接。放射源樣品在不使用時置于房間內離探測器較遠處，以防對計數產生干擾。

1.2 實驗操作

(1) 以每次測樣品的前后各1 h (或1.5 h )的數據作為本底，以避免本底計數偏移造成的不良影響，樣品測量1 h。即每次測量結果包含了12個有源的5 min譜圖和24個(或36個)本底的5 min譜圖。

(2) 由于KCl樣品的活度較低，因此在測量時將2種KCl樣品均緊貼探測器探頭；對于另外3個點源，通過距離遞增，找到計數顯著升高時樣品的計數最小值。每次變更距離后，記錄下樣品距探頭的距離和此時北京時間對應的探測器時間。

1.3 數據處理

將數據導入EXCEL后，先利用譜儀提供的數據進行能量刻度，而后使用分塊計數法對每個能區內的計數計算均值與方差，選擇放射源γ射線能量對應的能區進行F檢驗，確定可行后，利用t檢驗判斷本底與源的計數值是否有顯著差異。

若源與本底的計數值差異較大，則加大放射源與探測器之間的距離，直到計數差異不再顯著或在更高水平置信度下不顯著為止，計算此時源的計數均值和本底計數的均值標準差之間的關系。

1.4 放射源

選取實驗中使用的放射源如表1所列。

表1 選取實驗中使用的放射源

2 實驗結果及分析

2.1 能區的劃分及檢驗閾值的確定

根據需要設置若干個感興趣區，每個感興趣區應包含一種或多種關注核素的主要特征能量峰[4]。為了便于分析，采用了表2的分區方式。

表2 能量與道址的對應關系

由于天然本底中仍然存在一定的放射性核素，因此利用SARA譜儀自帶的核素檢出功能中的能量與道址的對應關系，進行線性擬合：

(1)

擬合顯示能量與道址之間線性關系良好。由于該探測器具有自動穩譜功能，因此可認為在實驗過程中，二者關系不再變化。由式(1)得分塊計數法的能區和道址的關系如表3所列。

表3 能區與道址的對應關系

2.2 F檢驗

F檢驗又叫方差齊性檢驗，主要用于檢驗兩組樣本的方差是否相同(具有齊性)。進行F檢驗是比較兩組樣本的均值差異前必須進行的一項工作。經F檢驗，若認定兩組樣本方差具有齊性，則采用t檢驗法比較樣本均值是否有顯著性差異；若認定兩組樣本方差不具有齊性，則不可使用t檢驗法，而應使用異方差雙樣本檢驗法，如t′檢驗，變量變換，或秩和檢驗等。

F檢驗的檢驗統計量為：

(2)

取原假設為：

(3)

若取顯著性水平α=0.001，則拒絕閾為：

{-∞,F0.9995(n1-1,n2-1)}∪{F0.0005(n1-1,n2-1),+∞}。

當檢驗統計量落在拒絕閾內時認為兩樣本的標準差(或方差)具有顯著性差異。其中，n1，n2為兩樣本的樣本容量。

2.3 t檢驗

t檢驗用于檢驗符合正態分布的兩組樣本間，總體平均數的差異是否顯著。本實驗中使用雙樣本t檢驗，檢驗在有源和無源時，探測器不同能區的計數值是否有顯著差異，從而表征放射性同位素是否可被檢出。

t檢驗的檢驗統計量為：

(4)

(5)

取原假設為：

H0:μ1≥μ2

(6)

若取顯著性水平α=0.001，則拒絕閾為{-∞,-t0.001(n1+n2-2)}。當檢驗統計量落在拒絕閾內時認為樣本1的均值小于樣本2。在本研究中，取樣本1為無源時的數據，樣本2為有源時的數據，則某能區的檢驗統計量落在拒絕閾內時，代表對應能區在有源時計數有明顯升高，則表征異常放射性存在，應及時做出預警。

在進行統計檢驗前，查表得相關的F值與t值列于表4、表5。

表4 F值

表5 t值

2.4 KCl大盒樣品

在進行KCl大盒樣品實驗時，采用12組源和24組本底的數據，則對應n1=24，n2=12，由于其γ射線的能量值為1 460.822 keV，考慮到其能量展寬，因此關注1 000～1 400 keV以及1 400～1 800 keV 2個能區內的數據，結果列于表6。

在F檢驗之后，確定可以使用t檢驗，可以看出，兩個能區的t值遠小于-t0.00001(23,11)=-4.948995，證明在相當高的置信度下( >99.99999% )，認為源的計數均值顯著高于本底的計數均值，而該樣品的活度僅為6 953.86 Bq，由此可以看出，使用分塊計數法時NaI探測器對于低水平的異常放射性仍然有檢出功能。

2.5 KCl小盒樣品

同樣采用12組源和24組本底的數據，則對應n1=24，n2=12，結果列于表7。

F檢驗之后，確定可以使用t檢驗。由于：

-t0.00001(34)<-4.3624<-t0.0001(34)

(7)

-t0.0001(34)<-3.677992<-t0.001(34)

(8)

置信度為99.999%情況下，可以認為2個能區的源計數均顯著大于本底計數，考慮到源的活度為441.618 Bq，進一步證明NaI探測器對于低水平的異常放射性仍有檢出功能。但是，如果無法在更高水平的置信度下判斷顯著性差異，可認為源計數的均值接近需要預警的計數閾值。兩個能區內本底均值與源的均值標準差關系為：

表6 KCl大盒樣品實驗結果

表7 KCl小盒樣品實驗結果

Y1=X1+1.42σ

(9)

Y2=X2+1.16σ

(10)

2.6 60Co點源

由于在進行此實驗時發現本底數據波動較大，故增加本底數量。采用36組本底和12組源的數據，對應n1=36，n2=12。由于其γ射線的能量值為11 173、1 332 keV，因此關注1 000～1 400 keV能區內的數據。將源與探測器之間的距離遞增，得到實驗結果列于表8。

從實驗結果可見，除第4組數據(距離122.5 cm)外，其余數據的t值均與相關的t值相去甚遠，沒有分析的意義。而對于第4組數據，有：

-t0.00001(46)<-4.42236<-t0.0001(46)

(11)

置信度為99.9999%情況下，可以認為該能區的源計數均顯著大于本底計數。但無法在更高水平的置信度下判斷顯著性差異，此時有：

Y=X+1.31σ

(12)

表8 60Co點源實驗結果

2.7 241Am點源

采用12組源和36組本底的數據，則對應n1=36，n2=12。由于其γ射線的能量為59 keV，因此關注0～100 keV能區的數據。取距離為115.6 cm，得241Am點源實驗結果列于表9。

由表8中數據有：

-t0.00001(46)<-4.3327<-t0.0001(46)

(13)

置信度為99.9999%情況下，可以認為該能區的源計數均顯著大于本底計數。但無法在更高水平的置信度下判斷顯著性差異，此時有：

Y=X+1.32σ

(14)

2.8 133Ba點源

采用12組源和36組本底的數據，則對應n1=36，n2=12，由于其γ射線的能量為356 keV，因此關注200～400 keV能區的數據。取距離為76.5 cm，得133Ba點源實驗結果列于表10。

由表9中數據有：

-t0.0001(46)<-3.6894<-t0.001(46)

(15)

置信度為99.999%情況下，可以認為該能區的源計數均顯著大于本底計數。但無法在更高水平的置信度下判斷顯著性差異，此時有：

Y=X+1.05σ

(16)

3 結語

本研究選擇了具有不同γ射線能量、不同活度的放射源，通過不同距離的擺放進行實驗，使用分塊計數法將γ譜圖按能量分為11個區域，以每塊的計數變化情況來表征對不同核素探測到與否，研究分塊計數法是否能準確地探測異常放射性，同時通過對實驗數據的分析計算初步得出利用分塊計數法探測放射性異常時，NaI探測器應該設置的預警值。經過實驗，得出以下結論：

表9 241Am點源實驗結果

表10 133Ba點源實驗結果

(1) 在使用KCl樣本時，1 000～1 400 keV、1 400～1 800 keV 2個能區的t值在99.999%的置信度下指示測到放射性水平高于本底，而KCl樣本的活度很低，這說明使用分塊計數法可以監測放射性異常，且在放射源活度較低時仍能檢出；

(2) 對于具有不同γ射線能量的不同放射源進行實驗，得出在不同能區中源計數與本底計數的差異性介于顯著與不顯著之間(改變置信度可得出不同的顯著性)時，源計數均值Y與本底計數均值X、標準差σ之間的關系如表11所列。

可以認為，當使用不同的置信度，各能區內計數Y顯著高于或者不顯著高于本底計數的條件時(即改變置信度，顯著性也發生改變時)，認為Y是異常放射性存在時的最低計數，而并非本底計數的統計漲落，因此可取Y=X+nσ為NaI探測器的預警值，n可取1～1.5。

表11 源計數均值Y與本底計數均值X、標準差σ之間的關系