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标准规范

土壤中放射性核素的γ能谱分析方法

1 主题内容与适用范围
本标准规定了使用高分辨半导体或NaI(Tl)γ能谱分析土壤中天然或人工放射性核素比活度的常规方法。
本标准适用于在实验室用γ谱仪分析土壤中放射性核素的比活度。待测样品的计数率小于105pm,活度应高于谱仪的探测限。
2 术语
2.1 半宽度 full width at half maximum
在仅由单峰构成的分布曲线上峰高一半处两点间以能量或道数为单位的距离。
2.2 能量分辨率 energy resolution
对于某一给定的能量,辐射谱仪能分辨的两个粒子能量之间的最小相对差值的量度。在一般应用中,能量分辨率是用谱仪对单能粒子测得的能量分布曲线中峰的半高宽除以峰位所对应的能量来表示。
2.3 本底计数率 background count rate
在γ能谱中,除样品的放射性外,其他因素引起的计数率。
2.4 探测限 lower limit of detection
在给定的置信度下,谱仪可以探测的最低活度。
2.5 探测器效率 detector efficiency
探测器测到的粒子数与在同一时间间隔内射到探测器上的该种粒子数的比值。
2.6 探测效率 detection effiCiency
在一定的探测条件下,测到的粒子数与在同一时间间隔内辐射源发射出的该种粒子总数的比值。
3 仪器装置
3.1 γ谱仪 3.1.1 探测器
3.1.1.1 碘化钠探测器〔NaI(Tl)〕:可用尺寸不小于7.5cm×7.5cm的圆柱形NaI(Tl)探测器测量土壤样品。最好选用低钾NaI(Tl)晶体和低噪音光电倍增管。整个晶体密封于有透光窗的密封容器中,晶体与光电倍增管形成光耦合。探测器对137Cs的661.6KeV光峰的分辨率应小于9%。
3.1.1.2 半导体探测器:可根据γ射线能量范围采用不同材料和不同类型的半导体探测器。测量土壤样品最好采用单端同轴锗锂或高纯锗探测器,其对60Co1332.5KeVγ射线的能量分辨率应小于3keV,相对探测效率不低于15%。
3.1.2 屏蔽
探测器装置应置于等效铅当量不小于10cm的金属屏蔽室中,屏蔽室内壁距晶体表面的距离大于13cm,在铅室的内表面应有原子序数逐渐递减的多层内屏蔽材料,如:可由0.4mm的铜、1.6mm的镉及2~3mm厚的有机玻璃等组成。屏蔽室应有便于取、放样品的门或孔。
3.1.3 高压电源
应有保证探测器稳定工作的高压电源,其纹波电压不大于±0.01%,对半导体探测器高压应在0~5kV连续可调,不能有间断点。
3.1.4 谱放大器
应有与前置放大器及脉冲高度分析器匹配的具有波形调节的放大器。
3.1.5 脉冲高度分析器
NaI(Tl)谱仪的道数应不少于256道,对于高分辨半导体γ谱其道数应不少于4096道。
3.1.6 读出装置
有多种可供选择的读出装置。如:记录仪、XY绘图仪、打印机、图象数字终端等。
3.1.7 分析计算装置
Υ谱系统可与专用机或微机等计算机联接,通过计算机处理谱数据。
3.2 测量容器
根据样品的多少及探测器的形状、大小选用不同尺寸及形状的样品盒,如:容器底部等于或小于探测器直径的圆柱型样品盒或与探测器尺寸相匹配的环形样品盒。容器应选用天然放射性核素含量低的塑料制成,如ABS或聚乙烯。
4 γ谱仪的刻度
4.1 能量刻度
用含有已知核素的刻度源来刻度γ能谱系统的能量响应。能量刻度范围应从50~3000keV。适于能量刻度的单能或多能核素有:241Am(59.5keV)、133Ba(81.0keV)、109Cd(88.0keV)、57Co(122.1keV)、141Ce(145.4keV)、51Cr(320.1keV)、137Cs(661.6KeV)、54Mn(834.8keV)、60Co(1173.2keV、1332.5keV)、208Tl(2614.7keV)及发射多种γ射线的152Eu等,能量刻度至少包括四个能量均匀分布在所需刻度能区的刻度点。记录刻度源的特征γ射线能量和相应全能峰峰位道址,可在直角坐标纸上作图或对数据作最小二乘直线或抛物线拟合。如果非线性超过0.5%就不应作样品分析。谱仪的稳定性好,则变化的可能性就小。
4.2 效率刻度
全能峰效率是观察到的指定能量γ射线全能峰面积(计数率)与该光子发射的几率的比值。
对于土壤样品需用铀、镭、钍、钾的体标准源进行效率刻度。用作效率刻度的标准源其几何形状要与被测样品相同,基质密度和有效原子序数要尽量与被测样品相近。
探测器对入射在它上面的γ射线的探测效率是γ射线能量的函数。求出若干个(i)不同能量单能γ射线的全能峰探测效率后可在坐标纸上作出探测效率与γ射线能量的关系曲线(效率曲线)或用计算机对实验点作加权最小二乘法曲线拟合求效率曲线。在50~3000keV范围内用n次对数多项式拟合可达到很好的效果。表达式如式(1):
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式中:ε——实验效率值;
Eγ——相应的Y射线能量;
αi——拟合常数。
效率刻度的不确定度应小于士2%。
5 体标准源的制备
Υ能谱效率刻度用的体标准源必须满足均匀性好、核素含量准确、稳定、密封等要求。体标准源是用模拟基质加某种特定核素的标准溶液或标准矿粉均匀混合后制成,不均匀性小于士2%。
5.1 选用放射性本底低,容易均匀混合,与待测样品密度相近的物质作为模拟基质。对于填充密度在0.8~1.6g/cm3的土壤样品的体标准源以一定比例的氧化铝和二氧化硅做为模拟基质最为合适。
5.2 体标准源的活度要适中,一般为被测样品的10~30倍,具体倍数根据样品量的多少及强弱而定。
5.3 制备好的铀、镭体标准源应放入样品盒中密封3~4周,使铀、镭和它们的短寿命子体达到平衡后再测量。
5.4 体标准源的总不确定度应控制在±5%以内。
6 样品的制备
剔除杂草、碎石等异物的土壤样品经100℃烘干至恒重,压碎过筛(40~60目)称重后装入与刻度谱仪的体标准源相同形状和体积的样品盒中,密封,放置3~4周后测量。
7 测量
应测量模拟基质本底谱和空样品盒本底谱,在求体标准源全能峰净面积时,应将体标准源全能峰计数减去相应模拟基质本底计数,土壤样品的全能峰计数应扣除相应空样品盒本底计数。
测量刻度源时,其相对于探测器的位置应与测量土壤样品时相同。
测量时间根据被测标准源或样品的强弱而定。标准源的测量计数统计误差应小于±2%,土壤样品中放射性核素的计数统计误差要求铀小于±20%,镭、钍、钾小于±10%,137Cs要求小于±15%,置信度为95%。
8 γ谱分析方法
8.1 相对比较法求解样品中放射性核素比活度。用各种计算机解谱方法如:总峰面积法、函数拟合法、逐道最小二乘拟合法等,计算出标准源和样品谱中各特征光峰的全能峰面积,然后按式(2)计算出各个标准源的刻度系数Cji。
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那么被测样品的第j种核素的比活度Qj(Bq/kg)为:
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式中:Aji——被测样品第j种核素的第i个特征峰的全能峰面积,计数/S;
Ajib——与Aji相对应的光峰本底计数率,计数/S;
w——被测样品的净干重,kg;
Dj——第j种核素校正到采样时的衰变校正系数。
这种方法适用于有待测核素体标准源可以利用的情况。
8.2 由效率曲线求解样品中核素的比活度。根据效率刻度后的效率曲线或效率曲线的拟合函数求出某特定能量γ射线所对应的效率值,然后用式(4)计算核素的比活度Qj(Bq/kg):
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式中:ηi——第i个Y射线特征峰所对应的效率值;
pji——第j种核素发射第i个Y射线的几率。
Aji、Ajib、W和Dj的意义同8.1所述。
该方法适用于没有待测核素体标准源而有效率曲线可利用的情况。
8.3 用逆矩阵法求解核素含量。土壤中天然放射性核素238U、232Th、226Ra、40K和裂变产物137Cs的比活度也可用逆矩阵法求解并能较准确地求出238U含量。用该方法必须首先确定响应矩阵。确定响应矩阵的所有标准源核素必须包括待求样品中的全部待求核素。不同核素所选特征道区不得重合。特征道区选择原则为:
α. 对于发射多种能量γ射线的核素,特征道区应该选择分支比最大的γ射线全能峰区;
b. 如果几种能量的γ射线的发射几率差不多,那么就应选择其他核素γ射线的康普顿贡献少的能量高的γ射线峰区;
c. 如果两种核素发射几率最大的γ射线峰重叠,那么其中一种核素就只能取其次要的γ射线作为特征峰;
d. 特征道区宽度的选取是使多道分析器的漂移效应以及相邻峰的重叠保持最小。
正确选择特征道区是逆矩阵法解析γ能谱的基础。用逆矩阵求解土壤中放射性核素的比活度,一般各核素选用的特征道区为92.6keV(238U)、352keV或609.4keV(226Ra)、238.6keV或583.1keV(232Th)、1460.8keV(40K)和661.6keV(137Cs)。在求得多种核素混合样品的γ谱中某一特征道区的净计数率后,样品中的j种核素的比活度Qj(Bq/kg)可计算如式(5):
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j=1,2,…,m
式中:aji——j种核素对第i个特征道区的响应系数;
Ci——混合样品γ谱在第i个特征道区上的计数率;
xj——样品中第j种核素的活度,Bq。
w、Dj的意义同8.1。
逆矩阵法主要用于样品中核素成分已知而能谱又部分重叠的情况。在用NaI(TI)γ谱仪分析土壤样品的场合,逆矩阵法及与其类似的方法常能给出较好结果。
8.4 用8.1或8.2的方法分析γ谱时,对226Ra可选352.0、609.4、1120.4、1764.7keV,对232Th可选用238.6、583.1、911.1、2614.7keV,它们的结果应在计数误差范围内一致。226Ra和232Th的比活度可由所选各特征光峰结果的平均值给出。
8.5 干扰和影响因素
在含复杂γ辐射体的混合物中测定一种核素时,其他核素的干扰程度由几个因素决定。如果多种核素从辐射计量角度可以认为是以近似相等的比例存在,那么在光峰不能完全分辨时,将呈现干扰,如果多种核素从辐射计量角度被认为以不相等的比例存在于混合物中,并且较高γ能量的核素占了优势,那么在解释γ谱中较低能量的小峰时存在严重的干扰。例如:铀系的主要γ射线是234Th的92.6KeV,然而钍系有一个93.4KeV的X射线,当被测样品钍核素含量高时则93.4Kev的X射线峰将对铀系的92.6kev的峰产生严重干扰。谱仪系统的本底是另一重要干扰因素,另外样品的密度也影响分析结果。可采取重峰分析、屏蔽、扣本底、密度校正等措施来减少各种因素对结果的影响。
9 报告
9.1 报告土壤样品分析结果时应报告样品中活度超过探测限的所有核素的比活度及相应的计数标准差,并注明所采用的置信度(95%置信度)。其他如解谱误差、刻度误差等也需要在报告中注明。
9.2 样品计数标准差S0可用式(6)计算:
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式中:NS——全能峰或道区计数;
Nb——相应的本底计数;
ts——样品计数时间;
tb——本底计数时间。

附录A
γ能谱分析中的逆矩阵法
(参考件)
在多种核素混合样品的γ能谱中,某一能峰特征道区的计数率除了该峰所对应的核素的贡献外,还叠加了发射更高能量γ射线核素的γ辐射的康普顿贡献,以及能量接近的其他同位素γ射线的光电峰贡献,因此混合γ辐射体的γ谱扣除空样品盒本底后,某一能峰道区的计数率应是各核素在该道区贡献的总和,即:
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式中:j——混合样品中核素的序号;
i——特征道区序号;
m——混合样品所包含的全部核素种数;
Ci——混合样品γ谱在第i个特征道区上的计数率;
Xj——样品中第j种核素的未知强度;
aij——第i个特征道区对第j种核素的响应系数,可按式(A2)计算。
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式(A1)可写为:
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率就可计算出各种核素的活度。当土壤中含有且仅含有天然放射性核素和137Cs时通过5个特征道区的逆矩阵程序可同时求出土壤中238U、232Th、226Ra、40K和137Cs的活度。

附录B
Υ能谱分析的探测下限
(参考件)
由于土壤中放射性核素的比活度一般来说很低,土壤中放射性核素的γ能谱分析是在很强的随机涨落的干扰存在情况下的弱放射性测量。一个γ能谱的探测下限(Lower Limit of Detection,或LLD)是在给定置信度情况下该系统可以有把握探测到的最低活度。
探测下限可以近似表示为:
LLD≈(Kα十kβ)S0……………………………………(B1)
式中:Kα——与预选的错误判断放射性存在的风险几率(a)相应的标准正态变量的上限百分位数值;
Kβ——与探测放射性存在的预选置信度(1-β)相应的值;
S0——净样品放射性的标准偏差。 如果a和β值在同一水平上,则Kα=Kβ,
LLD≈2KS0…………………………………………………………………………(B2)
如果总样品放射性与本底接近,则可进一步简化:
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式中:tb本底谱测量时间;
Nb——本底谱中相应于某一全能峰的本底计数。
对于不同的a值,K值如表B1所列:
表B1
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附录C
Υ射线发射几率大于1%的天然放射性核素表
(参考件)
表C1
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续表C1
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续表C1
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附加说明:
本标准由卫生部卫生监督司提出。
本标准由卫生部工业卫生实验所负责起草。
本标准主要起草人张淑蓉、任天山。
本标准由卫生部委托技术归口单位卫生部工业卫生实验所负责解释。
GB/T 11743—1989