γ能谱分析中土壤探测效率与密度相关性计算分析

刘庆云，胡 翔，马国学，冯 月，李立凡，韩巧叶

(北京市核与辐射安全中心，北京 100089)

分析土壤中放射性含量的方法主要使用HPGe γ谱仪对采集的土壤样品前处理后进行放射性活度测量。按照GB/T 11743—2013要求，使用HPGe γ谱仪进行测量时，应使用效率校准用标准体样品的密度与被分析样品的密度相同或尽量相近，以避免或减少密度差异的影响[1]。当密度差异较大时，γ射线自吸收对测量结果影响较大，需要进行自吸收修正。在常规辐射环境监测中，由于各地区土壤性质不同、制备样品时的微小差异等因素使得待测样品的密度与标准体样品的密度经常不一致。2015年—2020年，本实验室采集制备共321个环境土壤样品，经剔除杂草、碎石等异物、100 ℃烘干至恒重和压碎过筛(40～60目)等预处理后，装入φ75 mm×70 mm(体积约250 mL)圆柱体样品盒中，装样质量范围为251.17～401.36 g，土壤密度范围为1.00～1.61 g/cm3，密度差异较大。为此，本文使用国产无源效率计算软件Gammacalib对不同密度的土壤样品建模，计算分析γ能谱分析中土壤探测效率与密度相关性，解决探测效率随样品密度变化的修正问题。

1 实验仪器和材料

ORTEC公司生产的Detective-dx-100便携式HPGe γ能谱仪，探测器为同轴P型高纯锗，相对探测效率40%，晶体尺寸为φ65 mm×50 mm；仪器经国防科技工业电离辐射一级计量站检定合格，检定主要指标结果为：1 332.5 keV的全吸收峰探测效率为5.67×10-4，点源60Co 1 332.5 keV γ射线能量分辨率(距离25 cm)2.19 keV，满足《高纯锗γ能谱分析通用方法》(GB/T 11713—2015)中探测器相对探测效率大于20%(2.4×10-4)和对60Co 1 332.5 keV γ射线能量分辨率优于2.5 keV的要求。检定证书有效期两年。

使用国产无源效率计算软件，软件名称型号为Gammacalib V3.0，该软件由北京中智核安科技有限公司研发并获得发明专利，该软件应用数值积分的方法能够快速计算HPGe及NaI探测器对放射性点源和体源的探测效率，以CAD软件UGNX4.0(Unigraphics NX)为平台，可实现对任意形状体源的三维可视化快速建模[2-4]。无源效率计算软件使用前需对探测器进行参数表征，即建立空间中任意点发射出射线的探测效率角分布，表征工作在国防科技工业电离辐射一级计量站进行，采用的放射源均为可溯源。图1为表征过程的测量位置图。根据各测量位置探测效率与计算效率偏差对探测器各参数进行调整，探测器表征结果相对误差小于5%。

图1 探测器表征测量位置

2 实验方法

2.1 无源效率计算

利用UGNX4.0系统的“建模”模块，完成圆柱体样品的创建。设置物体为γ源属性或者为屏蔽物属性，以及物体的结构属性，本次计算采用凸面体、回转对称的设置。矢量使用默认设置：i=0，j=0，k=1，表示圆柱体的对称轴与z轴同向，即圆柱体样品直立在探测器上方。构造圆柱体样品盒时，采用大圆柱体中间挖出一个小圆柱体的方式构建。样品盒尺寸参数：外径75 mm、内径70 mm、高70 mm、底厚2.5 mm、壁厚2.5 mm，样品盒材质为聚乙烯，密度为0.95 g/cm3，体源基质为土壤，主要成分为70%SiO2、25%Al2O3、5%Fe2O3，参数设置完毕后，计算模型与材料设置界面如图2所示。最后设置放射源的γ射线能量即可进行效率计算，绘制能量与效率关系曲线图。

图2 圆柱体样品计算模型界面

2.2 无源效率计算的实验验证

为验证无源效率计算结果的准确度，使用含有241Am、109Cd、57Co、139Ce、113Sn、137Cs、54Mn、60Co、65Zn、88Y核素的标准土壤样品，制备2个规格均为φ75 mm×70 mm圆柱体土壤标准样品，且经国防科技工业电离辐射一级计量站校准，质量分别为276.71 g(密度1.11 g/cm3)和381.67 g(密度1.53 g/cm3)。

实验室γ能谱测量时，要求每个核素特征能量峰的累积计数大于10 000，在能谱上选取若干可忽略级联效应且没有重叠的不同能量γ射线求出全吸收峰效率(扣本底净计数率/单能γ射线发射率)，即可在坐标纸上做出探测效率与γ射线能量的效率曲线或用excel、matlab等计算机软件对各点作加权最小二乘法拟合得到效率曲线，在40～2 000 keV内用n次对数多项式拟合可达到满意的效果[5-6]。

对无源效率计算与实验测量效率结果进行比较，两种方法的探测效率列于表1。由表1可知，有源效率与无源效率之间的相对偏差在-7.6%～8.1%之间，参考文献[3-4，7]使用国产Gammacalib无源效率计算软件对土壤体源进行效率计算时产生的偏差范围分别为3.95%～16.94%、1.09%～9.83%和-3.11%～-14.10%。参考文献[8-9]使用Canberra公司的无源效率计算软件LabSOCS对圆柱体样品进行效率计算时产生的偏差范围在-12.0%～16.6%和7%～10%。本次无源效率计算偏差与其他无源效率计算结果基本吻合，可使用Gammacalib代替有源效率校准。不论使用何种无源效率计算软件，使用前对探测器进行准确的参数表征，建模时应尽量与已知圆柱形标准样品的介质密度、组分相同，模型的相对位置与圆柱形标准样品实际测量位置保持一致，才可将偏差控制在尽量小的范围。

表1 两种效率刻度方法的结果比较

2.3 探测效率与密度相关性计算与分析

2.3.1不同密度样品的探测效率

《辐射环境监测技术规范》(HJ 61—2021)要求土壤中γ核素分析项目一般为238U、232Th、226Ra、40K、137Cs、134Cs、54Mn、58Co、60Co、95Zr、110mAg、144Ce等放射性核素，使用Gammacalib软件分别计算密度1.00～1.70 g/cm3之间模拟土壤的探测效率，几种模拟土壤的组分列于表2，密度间隔0.10 g/cm3。无源效率软件拟合结果列于表3。

表2 模拟土壤组分(单位：g/cm3) Composition of simulated soil (Unit:g/cm3)

表3 无源效率计算结果的拟合函数

2.3.2探测效率与密度相关性分析

根据表3拟合效率曲线，可得到土壤中γ核素分析项目238U、232Th、226Ra、40K、137Cs、134Cs、54Mn、58Co、60Co、95Zr、110mAg、144Ce等核素不同能量的探测效率，对某一能量Ei下的8种不同密度效率εi按二次多项式拟合，得到相应于各个能量的一组回归方程：εi=β0+β1ρ+β2ρ2，相关系数在0.938～0.992之间，各方程参数列于表4。测量密度分别为1.28 g/cm3和1.36 g/cm3已知活度的土壤标准样品，与ε～ρ回归方程拟合出的探测效率比较，如图3所示。实验值与计算值吻合较好，密度为1.28 g/cm3和1.36 g/cm3的相对探测效率最大偏差分别为10.97%和8.97%，主要受峰面积统计误差影响，表明ε～ρ回归方程在相应条件下适用，将待分析核素相应能量值(keV)代入ε～ρ回归方程即获得任意密度的探测效率。

表4 无源效率软件计算结果(%)

图3 相对探测效率实验值与计算值比较

3 结论

本文验证了国产无源效率计算软件Gammacalib的准确性，通过对8种不同密度的土壤样品建模，计算探测效率并进行分析，探测效率与土壤密度呈正相关，相关系数在0.938～0.992之间，通过测量密度分别为1.28 g/cm3和1.36 g/cm3已知活度的土壤标准样品，其得到的探测效率与无源效率计算软件Gammacalib得到的效率比较，最大偏差分别为10.97%和8.97%，表明ε～ρ回归方程在相应条件下适用性良好，可为环境土壤样品的密度差异效率修正提供参考，对使用γ能谱分析不同密度土壤样品带来便利。