基于激光三维扫描的γ谱无源效率刻度方法的应用研究

万永亮 铁列克 杨 蓉 李浩玉 成智威

(乌鲁木齐海关技术中心，乌鲁木齐 830063)

前言

实验室γ能谱分析技术是快速、可靠地测定样品中各种γ放射性核素种类和活度浓度的重要方法，在环境保护、辐射防护、口岸检验等领域有着广泛的应用。利用γ谱仪测定样品中核素放射性活度浓度，必须进行效率刻度，获得所需谱线全能峰的效率刻度因子。γ谱仪的效率刻度方法主要有两种：一是相对测量方法，二是无源效率刻度方法。相对测量方法需要借助已知放射性核素种类和活度的标准源，当测量对象的几何形状、材料成分以及测量状态与标准源完全一样时，其探测效率刻度因子也与标准源的一样，否则需要对效率刻度因子进行修正。但某些特殊情况下，标准源不可获得，尤其在非破坏性测量领域，无源效率刻度方法就得到实际应用。

美国CANBERRA公司和ORTEC公司分别开发了商用无源效率刻度软件[1]，通过组合几何模板实现复杂体源建模。国内的北京中智核安科技有限公司研制了商用无源效率刻度软件GammaCalib，该软件采用成熟的商用CAD软件建模。这些无源效率刻度软件的几何建模能力仍然有很大局限，对于难以建模的样品，如非规则金属块、珠宝玉石、艺术品、矿产品等很难得到准确的效率刻度因子。为解决非规则几何体的γ放射性活度测量的效率刻度问题，北京中智核安科技有限公司和乌鲁木齐海关技术中心共同研发了基于激光三维扫描建模的无源效率刻度软件LSCalib。另外，国内的许多学者针对不同的无源效率刻度软件计算得到的效率值是否可靠也进行了大量的验证实验[2-7]，结果表明，在可接受的测量不确定度下，计算得出的效率值可以用于实际测量工作中[8-10]。

1 实验部分

1.1 实验仪器

实验室高纯锗γ谱仪，主要组成有：GMX40P4型高纯锗探测器，其晶体直径为62.4 mm，长73.2 mm，晶体至探测器端窗距离为4 mm，铍窗厚度为0.50 mm，晶体死层厚度为0.3 μm。DSPEC jr 2.0型数字多道分析器，MOBIUS-ST型液氮循环制冷器，铅屏蔽室，Maestro-32 谱采集和LSCalib无源效率刻度软件，JTSCAN-DS2型激光三维扫描仪。

1.2 制样器材

电子天平，已知放射性活度的241Am、137Cs、60Co点源，分析纯KCl，经计量部门标定的圆柱形土壤、煤、锆英砂样品，校准证书编号分别为2019H00-10-2250809001、2019H00-10-2250809002、JZ-A21-190816A203，不同形状的薄壁塑料容器。

1.3 无源效率刻度软件LSCalib

LSCalib软件采用C++语言编写，由效率刻度因子计算模块、数据库模块和软件界面组成。效率刻度因子计算模块由激光三维扫描数据网格化模块、探测器定位设置模块、效率刻度因子数值积分计算模块组成。激光三维扫描数据模型格式为ply文件，其他格式数据模型转换为ply文件后同样可以使用。数据库模块包括探测器表征数据库和材料数据库，其中探测器表征数据库包含不同能量的射线在探测器端面和侧面不同位置的不同入射角的探测效率数据。材料数据库含不同能量的γ射线与从H到Pu的不同核素相互作用的微观总截面，可以计算各种组分基质材料放射源的效率刻度因子。软件界面完成引导数据读入、网格离散化、探测器定位设置、计算条件设置、显示设置、计算过程监控，以及模型显示和计算结果显示等功能。

2 方法应用

1)采用已知放射性活度的241Am、137Cs、60Co点源放于探测器的指定位置进行谱采集和分析，得到LScalib 无源效率刻度软件中针对探测器晶体的相关参数，形成探测器数据库待进行无源效率刻度时调用。

2)应用激光三维扫描仪对不同形状的塑料容器进行扫描，得到容器形状的三维模型，存储为特定格式的文件。

3)运行LScalib 无源效率刻度软件，调用探测器数据库。打开样品容器的三维模型文件，调整容器与探测器的相对位置，其中三种容器与探测器的位置如图1所示。选定容器中相应样品的材质，编辑刻度的能量节点与范围，进行效率计算后得到效率刻度曲线以及拟合公式，其中某一容器的效率刻度曲线如图2所示。

4)为了针对不同材质样品的应用分析，选用经标定过的圆柱形土壤、煤、锆英砂样品，在探测器上分别放置样品，测量得到γ能谱，应用软件计算的探测器效率，由公式(1)分析得出每个样品的天然放射性核素的活度值，并与证书给定值相比较。

图1 效率计算时部分容器与探测器的相对位置图Figure 1 Relative position of some containers and the detector in calculation.

图2 某一容器的无源效率刻度软件计算结果图Figure 2 Calculation results of sourceless efficiency calibration software for a container.

(1)

式中，A—样品中放射性活度值，Bq；

N—测量谱中某个全能峰的计数；

Nb—本底谱中某个全能峰的计数；

ε—软件计算的相应全能峰能量下的探测器效率；

Pγ—某一能量的γ射线发射几率；

t—测量谱和本底谱的测量时间，s。

5)为了针对不同形状样品的应用分析，选用不同形状的塑料容器中装入已知放射性比活度的锆英砂粉末，称重，密封放置21 d后，放于探测器上方与软件计算时一致的位置进行测量得到γ能谱，应用软件计算的探测器效率，由公式(1)分析得出每个样品的天然放射性核素的活度值，并与证书给定值相比较。

6)在不同形状的容器中重新装入分析纯KCl试剂，在同一位置测量，得到探测器对40K发射的γ能谱，应用软件计算的探测器效率，由公式(1)分析得出每个样品的40K的活度值，并与试剂中40K的活度值相比较。

3 结果与讨论

3.1 不同材质圆柱形标准样品分析结果

不同材质圆柱形样品的实验结果与证书给定值如表1所示，其中，相对偏差的计算采用两者之差的绝对值除以证书给定值而得。

表1 不同材质圆柱形样品的结果

3.2 非规则几何体实验验证结果

不同容器不同能量下的样品测量结果如表2所示，其中，相对偏差的计算采用两者之差的绝对值除以证书给定值而得。

表2 不同形状样品的结果

从表1、2的结果可以得出，应用实验室高纯锗γ能谱仪测量不同密度、不同形状容器下的天然放射性核素发出的γ射线时，经激光三维扫描建模，由无源效率软件计算得到的效率值后分析样品中放射性活度值，其与证书给定值间的相对偏差不大于10%，表明无源效率软件计算结果可靠，该方法可以用于实验室高纯锗γ能谱仪对形状不规则的、非破坏性的样品快速定量检测分析，值得推广应用。

4 结论

基于激光三维扫描的γ谱仪无源效率刻度技术，可计算任意几何形状和组成成分测量对象的效率刻度因子，能够快速地计算得出被测量样品的探测效率。解决了目前商用无源效率刻度软件对复杂形状测量对象建模困难的问题。该方法准确性较高、操作方便，大大拓展了高纯锗γ能谱仪非破坏性定量分析的能力。可广泛应用于口岸进出口货物放射性核素的快速检测、核应急测量、贵重样品非破坏放射性检测等领域。该方法目前还不能解决样品中存在中空或者镂空时的效率计算问题，另外针对计算中影响效率值的敏感因子问题需要进一步研究和探讨。