固体219Rn源的γ能谱法放射性纯度检验

唐 泉，安小刚，丘寿康

(南华大学 核科学技术学院，湖南 衡阳 421001)

227Ac、223Ra是天然存在的放射性核素，是同位素海洋学、地下水迁移研究中常用的示踪剂[1-3]。测量227Ac、223Ra可采用α能谱法、γ能谱法及射气法。射气法避免了繁琐的化学分离和制样程序，操作简单而方便，是目前同位素海洋学等研究中最常用的测量方法。

射气法即通入气体将样品中析出的子体219Rn带入闪烁室，用延迟符合法进行测量，为对这种测量装置准确刻度，必须配备一个固体219Rn标准源。但目前还没有公认的固体219Rn标准源，Moore[4]将227Ac标准溶液吸附在MnO2纤维上制备219Rn源，但他发现这种源在干燥时射气系数会减小。对于这一现象,Sun等[5]曾做过专门研究，并指出MnO2纤维的射气能力与含水率有关，只有当含水率在0.4～1.1范围内时，才有最大的射气系数。此外，Scholten等[6]在研究这种MnO2纤维源时还发现，随着时间的增加，219Rn的射气系数也会有较大的减小。所以，用MnO2纤维制成的固体219Rn源不可能成为标准源。文献[7]从高品位铀矿石中提取高放射性纯度227Ac，将其作为母体制成固体219Rn源，经监测其射气系数在广阔的时间范围(5 a)及空气湿度范围(40%～90%)内保持稳定，其性能优于MnO2纤维源，有望成为固体219Rn标准源。目前这批源已在南华大学氡实验室延迟符合法的测量研究中有所应用[8]。

本文对此固体219Rn源进行定值及放射性纯度检验，以推进固体219Rn源标准化的进程。

1 仪器与材料

GMX30P4-70 N型高纯锗同轴探测器，美国Ortec公司生产，晶体为φ53.9 mm×71.7 mm，能量响应范围为3 keV～10 MeV，在1.33 MeV处对60Co点源相对探测效率为32%，能量分辨率为1.90 keV，峰康比为59∶1。

铀镭平衡矿粉：净重33.4 g，U的质量分数为0.122，Th的质量分数为0.019，226Ra与238U已达到放射性平衡。

2 实验

2.1 谱线分析

需要定值的固体219Rn源母体为227Ac，227Ac是从高品位的铀矿石中提取，所用铀矿石中铀、钍品位分别为20.36%、1.36%；该源于5 a前制备，227Ac与其子体已达到放射性平衡。227Ac衰变链中存在多种能量的γ射线，如图1所示。固体219Rn源中如有少量铀系、钍系干扰核素存在，选择要测量的γ射线峰可能会受到干扰峰的影响，所以有必要对锕系及可能干扰核素的γ射线作详细分析。表1列出了227Ac、226Ra、224Ra及其子体主要γ射线与干扰γ射线数据[9]。

图1 227Ac衰变链中主要γ射线能量及分支比

对于定量分析，选择用于计算样品中核素活度的γ射线峰的条件是：1) 没有干扰的强峰；2) 在第1个条件不具备的情况下选择次强的无干扰γ射线峰；3) 如果第1和第2个条件都不具备，则选择干扰小的强γ射线峰[10]。根据上述3个条件，对于227Ac及其短寿命子体选定227Th的235.97、256.25 keV，223Ra的154.21 keV，219Rn的401.81 keV，211Bi的351.059 keV共5条γ射线来定量测量固体219Rn源中的227Ac活度。这些射线是227Ac衰变系列最强的几条射线，其余γ射线或由于有干扰，或强度很低在实际谱中没出现，或计数统计误差大，可用性很小。

对于224Ra、226Ra及其子体(表1)，212Pb的238.632 keV、208Tl的583.191 keV、214Bi的609.312 keV这3条γ射线强度均很高，且无干扰，214Bi的1 120.287 keV γ射线虽然强度没有前3条高，但由于其没有干扰，可用来与214Bi的609.312 keV γ射线的测量结果作对照，也在选择之列。

表1 227Ac、226Ra、224Ra及其子体的主要γ射线能量Eγ、分支比Pγ及干扰峰

2.2 仪器效率刻度

本实验效率刻度所用源为铀镭平衡矿粉，同时含有铀系、钍系、锕系放射性核素，且均已达到放射性平衡，根据铀镭平衡矿粉的质量及其中U、Th的质量分数可计算出矿粉中U、Th的总活度，然后根据238U、235U、232Th的丰度，可分别得到其活度，即这3条衰变链的母体及子体核素的活度均可得到，具体计算公式如下：

(1)

式中：Ai为3个天然衰变系中i核素的活度，Bq；A0,i为i核素的活度，Bq；λi为i核素的衰变常量，s-1；m为铀镭平衡矿粉的质量，g；wi为i核素的质量分数，%；MU,i为i核素的摩尔质量，g/mol；NA为阿伏伽德罗常数，mol-1；Ii为i核素的丰度。

确定了感兴趣核素活度及其有价值的γ射线全能峰能量，γ谱仪对某个能量γ射线全能峰的探测效率可用下式计算：

(2)

式中：εk为k能量γ射线全能峰的探测效率；nk为谱仪测得的k能量γ射线全能峰的净计数率；Ek为标准源中k能量γ射线的发射率，s-1；Pγk为k能量γ射线的分支比。

由于铀镭平衡矿粉中226Ra的存在，其子体214Pb有1条γ射线能量为351.9 keV与227Ac子体211Bi的351.1 keV γ射线重叠，在测定仪器的探测效率时，认为谱仪对351.9 keV和351.1 keV这两条γ射线有相同的探测效率，发射率为两条γ射线发射率之和。

将铀镭平衡矿粉放在样品盒内做成与固体219Rn源几何条件一致的源。装好的源直接放置在探测器保护帽上，在相同条件下测量，测量时间28 800 s，获得的154.2、236.0、238.6、256.3、351.1、401.8、583.2、609.3和1 120.3 keV能峰处γ谱仪的探测效率列于表2。

2.3 固体219Rn源活度测量及其放射性纯度检验

固体219Rn源存放于聚乙烯塑料样品盒内，样品盒为φ50 mm ×15 mm的圆柱形。测量条件及测量时间与铀镭平衡矿粉样一致。

由于固体219Rn源中母体核素227Ac及其子体已达到放射性平衡，可通过直接测定其子体227Th、223Ra、219Rn、211Bi来得到227Ac活度而无需做活度修正；224Ra及226Ra的活度可分别通过测量212Pb、208Tl、214Bi的活度而得到。

表2 γ谱仪探测效率的测定结果

3 结果与讨论

将γ谱仪测得的154.2、236.0、256.3、351.1、401.8 keV处净峰面积，以及238.6、583.2、609.3、1 120.3 keV处净峰面积(Ni)代入式(3)，可得到固体219Rn源活度，结果列于表3，干扰核素224Ra及226Ra的测定结果列于表4。

表3 固体219Rn源活度测定结果

表4 224Ra、226Ra活度测量结果

由于227Ac与其子体已达到放射性平衡，可认为它们活度彼此相等，实际测量结果符合这个规律，但由于227Ac衰变至227Th分支比为98.65%，另有1.35%衰变至223Fr，所以测得的227Th活度要较其他3个子体的小。通过计算可得它们的平均活度为(1 093±8) Bq，所测得的结果相对标准偏差均小于2%，说明测量数据稳定性较好，但由于刻度所用标准源与固体219Rn源密度并不完全相同，分别为1.15 g/cm3、0.87 g/cm3，这种差异可能会造成它们对γ射线的自吸收情况不一致，从而影响测量结果的准确性，对于这种由介质不同引起的误差，虞彩琴等[11]曾做过相关研究，结果表明对于厚度为1.30 cm、密度为1.50 g/cm3的源相对于1.00 g/cm3的源在136.5 keV处自吸收差别约为8%，在661.6 keV处已小于1%。在对固体219Rn源进行定值时本工作选取的射线能量在150～1 500 keV范围内，由于自吸收引起的测量结果相对标准偏差应小于8%，考虑到最坏的情况本文给出一个置信区间较大的活度(1 093±8) Bq作为固体219Rn源的参考活度。

由表4可知，在固体219Rn源中226Ra、224Ra的含量很少，平均活度分别为5.12 Bq及0.433 Bq，相对于223Ra活度百分比分别为0.47%、0.04%。经计算219Rn、222Rn、220Rn产生率分别为7.69×10-4、7.02×10-8、9.65×10-7Bq/s，在单位时间内产生的222Rn、220Rn分别仅占219Rn的0.01%和0.13%，这表明将此源用于延迟符合法测定223Ra、227Ac装置的刻度时，在流气式采样条件下，固体219Rn源析出的放射性气体中干扰射气222Rn、220Rn的含量很少，可忽略它们对219Rn射气的干扰。

4 结论

在长期平衡条件下，通过HPGe γ能谱法对固体219Rn源中227Ac的4个子体227Th、223Ra、219Rn、211Bi进行了测量，最终确定此锕系射气源中母体227Ac的活度为(1 093±8) Bq，相对标准偏差小于8%；主要的干扰核素226Ra、224Ra在制得的固体219Rn源中的平均活度分别为5.12 Bq及0.433 Bq，单位时间内产生的222Rn、220Rn分别仅占219Rn的0.01%与0.13%，表明该固体219Rn源放射性纯度较高。因此该放射源有望制成固体219Rn标准源以用于延迟符合法测223Ra、227Ac装置的刻度。

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