大宗资源类商品的放射性现场快速检测方法探测限分析

张辉 杨振宇 王粮子 陆地 陈章庭 石玲玲 刘顶

（1.上海海关动植物与食品检验检疫技术中心 上海 200131；2.烟台海关技术中心；3.北京中智核安科技有限公司）

0 引言

随着我国经济建设、 对外贸易和国际交流活动的不断发展，进出境货物、快件及人员愈发频繁，进出口贸易活动中发生严重危害公众人身安全和健康事件的风险大幅上升。近年来，国内各地口岸不仅发现各种矿产品放射性超标[1]，甚至查获了多起供消费者直接使用的消费品放射性超标案例[2-3]，进出口贸易中放射性安全监测的重要性日趋凸显。目前，口岸放射性监测大多以通道式放射性监测仪为筛查手段，手持式巡测仪为辅助找寻热点，取样后送实验室进行核素分析，而核素分析通常用的是低本底γ 能谱仪。 然而，低本底γ 能谱仪价格昂贵，且操作相对较为专业，使用环境条件要求也比较高，很多口岸没有条件配置低本底γ 能谱仪。 面对贸易量日益增长，通关速度尤为重要，进出口大宗资源类商品的放射性现场快速检测分析方法的研发迫在眉睫。

基于此，本研究基于无源效率刻度方法，采用便携式谱仪对不同形状的样品进行测量， 建立了大宗资源类商品放射性污染现场快速检测技术[4]。在此基础上， 本研究分析空气中测量和铅室中测量等不同情形下， 该方法对常见天然放射性核素和人工放射性核素的探测限， 以期为新方法提供强有力的技术支持。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 样品

本研究选取口岸进口量较大的锆矿砂、 实验室常用的食品源、 建材源及消费品等多种样品作为分析对象，分别装入不同尺寸的测量盒内，具体尺寸重量见表1。

表1 探测限分析所用不同样品的模拟计算情形Table 1 Simulated calculation of different samples used for detection limit analysis

1.1.2 仪器及分析软件

便携式LaBr3谱仪（型号Gemini-L-5050 型号，中国北京中智核安科技有限公司），能量分辨率＜2.8%（对于Cs-137 的661.7 KeV 特征峰），能量范围30 KeV到3 MeV，LaBr3晶体尺寸2 英寸。 铅室为Gemini-L-5050 便携式LaBr3谱仪配置专门的，便于测量更低活度的样品。 铅室设计外层为8 mm 厚低碳钢，中层为50 mm 的低本底铅，内层为3 mm 厚的铜，外径226 mm，高570 mm，内径102 mm，深200 mm，孔径66 mm。 配置铅室及结构简图见图1。

图1 便携式LaBr3 谱仪配置铅室Fig.1 Lead chamber of portable LaBr3 spectrometer

本研究采用的无源效率模拟计算软件是NX 4（中国北京中智核安科技有限公司），见图2，可通过设置样品及屏蔽物的成分及含量、 受关注的能量等信息，即可计算不同能量的效率，并拟合得到效率刻度曲线，导入谱仪中用于分析待测样品的活度。

图2 模拟计算软件NX 4Fig.2 Simulation calculation software NX 4

1.2 探测限

在γ 能谱仪测量过程中，核素的活度浓度探测下限可按式（1）计算：

式中：AD——探测下限，Bq/kg；AC——判断限，Bq/kg；ε——γ 射线全能峰探测效率；P——γ 射线发射几率；m——样品的质量，kg；T——样品的测量活时间，s；nb——T时间内测量的选用能区内的本底计数率，cps。

本研究通过模拟不同尺寸的样品、不同基质的样品，并模拟分析在空气中测量及在铅室中测量等多种情形，对口岸常见的天然放射性核素和人工放射性核素进行分析，不同模拟计算情形见表1，涉及的天然和人工放射性核素及全能峰选择见表2。

表2 放射性核素探测限分析使用的核素全能峰Table 2 Total energy peak of radioactive nuclides used for detection limit ayalysis

2 结果与分析

2.1 本底谱比较

由公式（1）可知，计算方法探测限需要测量仪器在不同环境条件下的本底计数率。 本研究分别测量了便携式谱仪置于空气中和置于铅室中2 种条件下的本底图谱，分别见图3 和图4，计数率结果见表3。

图3 便携式LaBr3 谱仪在空气中测量本底图谱Fig.3 The background spectrum measured by portable LaBr3 spectrometer in the air

图4 便携式LaBr3 谱仪在铅室中测量本底图谱Fig.4 The background spectrum measured by portable LaBr3 spectrometer in the lead chamber

表3 便携式谱仪在空气中和铅室中的本底Table 3 Background counts of portable LaBr3 spectrometer measured in the air and the lead chamber

从表3 中可以看出， 虽然便携式谱仪在空气中本底计数率明显高于铅室中的本底计数率， 但基本都维持在1.5～2.5 倍，因此，方法在不同环境中的探测限守本底计数率影响较小。

2.2 探测限分析结果

在测量便携式谱仪置于空气中和铅室中2 种条件下的本底后， 本研究模拟计算了样品测量时间均为10 000 s 的条件下表1 中不同情形下的常见的天然和人工放射性核素的探测限，分别见表4 和表5。

表4 空气中不同情形下放射性核素的探测限Table 4 Detection limit of radioactive nuclides for different samples measured in the air

表5 铅室中不同情形下放射性核素的探测限Table 5 Detection limit of radioactive nuclides for different samples measured in the lead chamber

从表5 可以看出，同样尺寸的样品（如情形1 和情形4），在空气中测量得到的探测限约是在铅室中的1.2～1.8 倍，相差并不明显，而在1 460.8 keV 能量峰位置，由于受到La 自身本底1 468 keV 能量峰的影响，本底计数率明显都较高，导致方法对K-40 的探测限明显高于其他核素。 通过在空气中相同介质样品在不同情形下的探测限分析可知， 虽然通过提升样品质量，可以降低方法的探测限，但是质量提升约4 倍（情形2 相较于情形1），探测限仅降低70%～85%，而质量提升约100 倍（情形3 相较于情形1），探测限仅降低25%～40%。 从表5 可以看出，在相同尺寸的测量条件下，方法对于食品、建材和消费品等样品的探测限明显高于锆英砂， 对于消费品的探测限甚至高出锆英砂的4 倍。

3 结语

本研究分析了放射性现场快速检测方法在不同情形下的探测限， 考虑到口岸检测放射性核素一般是在通道式监测仪器报警后才需要定量进行核素活度分析， 这种情况下， 放射性核素的活度一般比较高，因此，本研究建议使用便捷式LaBr3谱仪，该仪器在空气中测量方法的探测限可以满足大宗资源类商品在口岸现场的快速检测需要。 但是， 因为对食品、建材和消费品的探测限明显高于锆英砂，所以若该类商品出现放射性监测报警情况， 建议以实验室核素分析为主。