45-土壤中放射性核素的γ能譜分析方法-(GB-11743-89)

GB11743—89PAGEPAGE336中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)土壤中放射性核素的γ能譜分析方法GB11743-89Gammaspectrometrymethodofanalysingradionuclidesinsoil1主題內(nèi)容與適用范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了使用高分辨半導(dǎo)體或NaI(Tl)γ能譜分析土壤中天然或人工放射性核素比活度的常規(guī)方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于在實(shí)驗(yàn)室用γ譜儀分析土壤中放射性核素的比活度。待測(cè)樣品的計(jì)數(shù)率小于105cpm，活度應(yīng)高于譜儀的探測(cè)限。2術(shù)語(yǔ)2.1半寬度f(wàn)ullwidthathalfmaximum在僅由單峰構(gòu)成的分布曲線上峰高一半處兩點(diǎn)間以能量或道數(shù)為單位的距離。2.2能量分辨率energyresolution對(duì)于某一給定的能量，輻射譜儀能分辨的兩個(gè)粒子能量之間的最小相對(duì)差值的量度。在一般應(yīng)用中,能量分辨率是用譜儀對(duì)單能粒子測(cè)得的能量分布曲線中峰的半高寬除以峰位所對(duì)應(yīng)的能量來(lái)表示。2.3本底計(jì)數(shù)率backgroundcountrate在γ能譜中，除樣品的放射性外，其他因素引起的計(jì)數(shù)率。2.4探測(cè)限lowerlimitofdetection在給定的置信度下，譜儀可以探測(cè)的最低活度。2.5探測(cè)器效率detectorefficiency探測(cè)器測(cè)到的粒子數(shù)與在同一時(shí)間間隔內(nèi)射到探測(cè)器上的該種粒子數(shù)的比值。2.6探測(cè)效率detectionefficiency在一定的探測(cè)條件下，測(cè)到粒子數(shù)與在同一時(shí)間間隔內(nèi)輻射源發(fā)射出的該種粒子總數(shù)的比值。3儀器裝置3.1γ譜儀3.1.1探測(cè)器3.1.1.1碘化鈉探測(cè)器〔NaI(Tl)〕:可用尺寸不小于7.5cm×7.5cm的圓柱形NaI(Tl)探測(cè)器測(cè)量土壤樣品。最好選用低鉀NaI(Tl)晶體和低噪音光電倍增管。整個(gè)晶體密封于有透光窗的密封容器中，晶體與光電倍增管形成光耦合。探測(cè)器對(duì)137Cs的661.6keV光峰的分辨率應(yīng)小于9%。3.1.1.2半導(dǎo)體探測(cè)器：可根據(jù)γ射線能量范圍采用不同材料和不同類型的半導(dǎo)體探測(cè)器。測(cè)量土壤樣品最好采用單端同軸鍺鋰或高純鍺探測(cè)器，其對(duì)60Col332.5keVγ射線的能量分辨率應(yīng)小于3keV,相對(duì)探測(cè)效率不低于15%。中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部1989-10-06批準(zhǔn)1990-07-01實(shí)施3.1.2屏蔽探測(cè)器裝置應(yīng)置于等效鉛當(dāng)量不小于10cm的金屬屏蔽室中，屏蔽室內(nèi)壁距晶體表面的距離大于13cm，在鉛室的內(nèi)表面應(yīng)有原子序數(shù)逐漸遞減的多層內(nèi)屏蔽材料，可由0.4mm的鉛、1.6mm的鎘及2～3mm厚的有機(jī)玻璃等組成。屏蔽室應(yīng)有便于取、放樣品的門或孔。3.1.3高壓電源應(yīng)有保證探測(cè)器穩(wěn)定工作的高壓電源，其紋波電壓不大于±0.01%,對(duì)半導(dǎo)體探測(cè)器高壓應(yīng)在0～5keVL連續(xù)可調(diào),不能有間斷點(diǎn)。3.1.4譜放大器應(yīng)有與前置放大器及脈沖高度分析器匹配的具有波形調(diào)節(jié)的放大器。3.1.5脈沖高度分析器NaI（Tl）譜儀的道數(shù)應(yīng)不少于256道，對(duì)于高分辨半導(dǎo)體γ譜其道數(shù)應(yīng)不少于4096道。3.1.6讀出裝置有多種可供選擇的讀出裝置。如：記錄儀、XY繪圖儀、打印機(jī)、圖象數(shù)字終端等。3.1.7分析計(jì)算裝置γ譜系統(tǒng)可與專用機(jī)或微機(jī)等計(jì)算機(jī)聯(lián)接，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理譜數(shù)據(jù)。3.2測(cè)量容器根據(jù)樣品的多少及探測(cè)器的形狀、大小選用不同尺寸及形狀的樣品盒，如：容器底部等于或小于探測(cè)器直徑的圓柱型樣品盒或與探測(cè)器尺寸相匹配的環(huán)形樣品盒。容器應(yīng)選用天然放射性核素含量低的塑料制成，如ABS或聚乙烯。4γ譜儀的刻度4.1能量刻度用含有已知核素的刻度源來(lái)刻度γ能譜系統(tǒng)的能量響應(yīng)。能量刻度范圍應(yīng)從50～3000keV。適于能量刻度的單能或多能核素有：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)、208T1(2614.7keV)及發(fā)射多種γ射線的152Eu等，能量刻度至少包括四個(gè)能量均分布在所需刻度能區(qū)的刻度點(diǎn)。記錄刻度源的特征γ射線能量和相應(yīng)全能峰峰位道址，可在直角坐標(biāo)紙上作圖或?qū)?shù)據(jù)作最小二乘直線或拋物線擬合。如果非線性超過(guò)0.5%就不應(yīng)作樣品分析。譜儀的穩(wěn)定性好，則變化的可能性就小。4.2效率刻度全能峰效率是觀察到的指定能量γ射線全能峰面積（計(jì)數(shù)率）與該光子發(fā)射的幾率的比值。對(duì)于土壤樣品需用鈾、鐳、釷、鉀的體標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行效率刻度。用作效率刻度的標(biāo)準(zhǔn)源其幾何形狀要與被測(cè)樣品相同，基質(zhì)密度和有效原子序數(shù)要盡量與被測(cè)樣品相近。探測(cè)器對(duì)入射在它上面的γ射線的探測(cè)器效率與γ射線能量的函數(shù)。求出若干個(gè)（i）不同能量單能γ射線的全能峰探測(cè)效率后可在坐標(biāo)紙上作出探測(cè)效率與γ射線能量的關(guān)系曲線（效率曲線）或用計(jì)算機(jī)對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)作加權(quán)最小二乘法曲線擬合求效率曲線。在50～3000keV范圍內(nèi)用n次對(duì)數(shù)多項(xiàng)式擬合可達(dá)到很好的效果。表達(dá)式如式（1）：n-1∑i=01nε=(1nEr)in-1∑i=0式中：ε——實(shí)驗(yàn)效率值；Er——相應(yīng)的γ射線能量;——擬合常數(shù)。效率刻度不確定度應(yīng)小于±2%。5體標(biāo)準(zhǔn)源的制備γ能譜效率刻度用的體標(biāo)準(zhǔn)源必須滿足均勻性好、核素含量準(zhǔn)確、穩(wěn)定、密封等要求。體標(biāo)準(zhǔn)源是用模擬基質(zhì)加某種特定核素的標(biāo)準(zhǔn)溶液或標(biāo)準(zhǔn)礦粉均勻混合后制成，不均勻性小于±2%。5.1選用放射性本底低,容易均勻混合,與待測(cè)樣品密度相近的物質(zhì)作為模擬基質(zhì)。對(duì)于填充密度在0.8～1.6g/cm3的土壤樣品的體標(biāo)準(zhǔn)源以一定比例的氧化鋁和二氧化硅做為模擬基質(zhì)量為合適。5.2體標(biāo)準(zhǔn)源的活度要適中,一般為被測(cè)樣品的10～30倍,具體倍數(shù)根據(jù)樣品量的多少及強(qiáng)弱而定。5.3制備好的鈾、鐳體標(biāo)準(zhǔn)源應(yīng)放入樣品盒中密封3～4周，使鈾、鐳和它們的短壽命子體達(dá)到平衡后再測(cè)量。5.4體標(biāo)準(zhǔn)源的總不確定度應(yīng)控制在±5%以內(nèi)。6樣品的制備剔除雜草、碎石等異物的土壤樣品經(jīng)100℃烘干至恒重,壓碎過(guò)篩(40～60目)稱重后裝入與刻度譜儀的體標(biāo)準(zhǔn)源相同形狀和體積的樣品盒中,密封,放置3～4周后測(cè)量。7測(cè)量應(yīng)測(cè)量模擬基質(zhì)本底譜和空樣品盒本底譜，在求體標(biāo)準(zhǔn)源全能峰凈面積時(shí)，應(yīng)將體標(biāo)準(zhǔn)源全能峰計(jì)數(shù)減去相應(yīng)模擬基質(zhì)本底計(jì)數(shù)，土壤樣品的全能峰計(jì)數(shù)應(yīng)扣除相應(yīng)空樣品盒本底計(jì)數(shù)。測(cè)量刻度源時(shí)，其相對(duì)于探測(cè)器的位置應(yīng)與測(cè)量土壤樣品時(shí)相同。測(cè)量時(shí)間根據(jù)被測(cè)標(biāo)準(zhǔn)源或樣品的強(qiáng)弱而定。標(biāo)準(zhǔn)源的測(cè)量計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差應(yīng)小于±2%,土壤樣品中放射性核素的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差要求鈾小于±2%,鐳、釷、鉀小于±10%，137Cs要求小于±15%，置信度為95%。8γ譜分析方法8.1相對(duì)比較法求解樣品中放射性核素比活度。用各種計(jì)算機(jī)解譜方法如：總峰面積法、函數(shù)擬合法、逐道最小二乘擬合法等，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)源和樣品譜中各特征光峰的全能峰面積，然后按式（2）計(jì)算出各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)源的刻度系數(shù)Cji。第j種核素體標(biāo)準(zhǔn)源的活度（Bq）第j種核素體標(biāo)準(zhǔn)源的第i個(gè)特征峰的全能峰面積（計(jì)數(shù)/s）Cji第j種核素體標(biāo)準(zhǔn)源的活度（Bq）第j種核素體標(biāo)準(zhǔn)源的第i個(gè)特征峰的全能峰面積（計(jì)數(shù)/s）那么被測(cè)樣品的第j種核素的比活度Qj（Bq/kg）為：CCji（Aji-Ajib）W·DjQj=……………………（3）式中：Aji——被測(cè)樣品第j個(gè)特征峰的全能峰面積，計(jì)數(shù)/s；Ajib——與Aji相對(duì)應(yīng)的光峰本底計(jì)數(shù)率，計(jì)數(shù)/s；W——被測(cè)樣品的凈干重，kg；Dj——第j種核素校正到采樣時(shí)的衰變校正系數(shù)。這種方法適用于有待測(cè)核素體標(biāo)準(zhǔn)源可以利用的情況。8.2由效率曲線求解樣品中核素的比活度。根據(jù)效率刻度后的效率曲線或效率曲線的擬合函數(shù)求出某特定能量γ射線所對(duì)應(yīng)的效率值,然后用式(4)計(jì)算核素的比活度Qj(Bq/kg):AAji-AjibPji·ηi·W·DjQj=……………（4）式中：ηi——第i個(gè)γ射線特征峰所對(duì)應(yīng)的效率值；Pji——第j種核素發(fā)射第i個(gè)γ射線的幾率。Aji、Ajib、W和Dj的意義同8.1所述。該方法適用于沒(méi)有待測(cè)核素體標(biāo)準(zhǔn)源而有效率曲線可利用的情況。8.3用逆矩陣法求解核素含量。土壤中天然放射性核素238U、232Th、226Ra、40k和裂變產(chǎn)物137Cs的比活度也可用逆矩陣法求解并能較準(zhǔn)確地求出238U含量。用該方法必須首先確定響應(yīng)矩陣。確定響應(yīng)矩陣的所有標(biāo)準(zhǔn)源核素必須包括待求樣品中的全部待求核素。不同核素所選特征道區(qū)不得重合。特征道區(qū)選擇原則為：a.對(duì)于發(fā)射多種能量γ射線的核素，特征道區(qū)應(yīng)該選擇分支比最大的γ射線全能峰區(qū)；b.如果幾種能量的γ射線的發(fā)射幾率差不多，那么就應(yīng)選擇其他核素γ射線的康普頓貢獻(xiàn)少的能量高的γ射線峰區(qū)；c.如果兩種核素發(fā)射幾率最大的γ射線峰重疊，那么其中一種核素就只能取其次要的γ射線作為特征峰；d.特征道區(qū)寬度的選取是使多道分析器的漂移效應(yīng)以及相集鄰峰的重疊保持最小。正確選擇特征道區(qū)是逆矩陣法解析γ能譜的基礎(chǔ)。用逆矩陣求解土壤中放射性核素的比活度，一般各核素選用的特征道區(qū)為92.6keV(238U)、352keV或609.4keV(226Ra)、238.6keV或583.1keV(232Th)、1460.8keV(40K)和661.6keV(137Cs)。在求得多種核素混合樣品的γ譜中某一特征道區(qū)的凈計(jì)數(shù)率后，樣品中的j種核素的比活度Qj（Bq/kg）可計(jì)算如式（5）：m∑im∑i=11WDj1WDjα-1ijCiQj=Xα-1ijCij=1,2,……，m式中：αij——j種核素對(duì)第i個(gè)特征道區(qū)的響應(yīng)系數(shù)；Ci——混合樣品γ譜在第i個(gè)特征道區(qū)上的計(jì)數(shù)率;Xj——樣品中第j種核素的活度，Bq。W、Dj的意義同8.1。逆矩陣法主要用于樣品中核素成分已知而能譜又部分重疊的情況。在用NaI（T1）γ譜儀分析土壤樣品的場(chǎng)合，逆矩陣法及與其類似的方法常能給出較好結(jié)果。8.4用8.1或8.2的方法分析γ譜時(shí),對(duì)226Ra可選352.0、609.4、1120.4、1764.7keV，對(duì)232Th可選用238.6、583.1、911.1、2614.7keV，它們的結(jié)果應(yīng)在計(jì)數(shù)誤差范圍內(nèi)一致。226Ra和232Th的比活度可由所選各特征光峰結(jié)果的平均值給出。8.5干擾和影響因素在含復(fù)雜γ輻射體的混合物中測(cè)定一種核素時(shí)，其他核素的干擾程度由幾個(gè)因素決定。如果多種核素從輻射計(jì)量角度可以認(rèn)為是以近似相等的比例存在，那么在光峰不能完全分辨時(shí)，將呈現(xiàn)干擾，如果多種核素從輻射計(jì)量角度被認(rèn)為不相等的比例存在于混合物中，并且較高γ能量的核素占了優(yōu)勢(shì)，那么在解釋?duì)米V中較低量的小峰時(shí)存在嚴(yán)重的干擾。例如：鈾系的主要γ射線是234Th的92.6keV，然而釷系有一個(gè)93.4keV的X射線,當(dāng)被測(cè)樣品釷核素含量高時(shí)則93.4keV的X射線峰將對(duì)鈾系的92.6keV的峰產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。譜儀系統(tǒng)的本底是另一重要干擾因素，另外樣品的密度也影響分析結(jié)果?？刹扇≈胤宸治?、屏蔽、扣本底、密度校正等措施來(lái)減少各種因素對(duì)結(jié)果的影響。9報(bào)告9.1報(bào)告土壤樣品分析結(jié)果時(shí)應(yīng)報(bào)告樣品中活度超過(guò)探測(cè)限的所有核素的比活度及相應(yīng)的計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差,并注明所采用的置信度(95%置信度)。其他如解譜誤差、刻度誤差等也需要在報(bào)告中注明。9.2標(biāo)準(zhǔn)差So可用式(6)計(jì)算:NNst2sNbt2bSo=+…………………（6）式中:Ns——全能峰或道區(qū)計(jì)數(shù)；Nb——相應(yīng)的本底計(jì)數(shù)；ts——樣品計(jì)數(shù)時(shí)間；tb——本底計(jì)數(shù)時(shí)間。附錄Aγ能譜分析中的逆矩陣法(參考件)在多種核素混合樣品的γ能譜中,某一能峰特征道區(qū)的計(jì)數(shù)率除了該峰所對(duì)應(yīng)的核素的貢獻(xiàn)外,還疊加了發(fā)射更高能量γ射線核素的γ輻射的康普頓貢獻(xiàn),以及能量接近的其他同位素γ射線的光電峰貢獻(xiàn),因此混合γ輻射體的γ譜扣除空樣品盒本底后,某一能峰道區(qū)的計(jì)數(shù)率應(yīng)是各核素在該道區(qū)貢獻(xiàn)的總和,即:mm∑j=1Ci=αijXji=1,2,…，m……………（A1）式中：j——混合樣品中核素的序號(hào)；i——特征道區(qū)序號(hào)；m——混合樣品所包含的全部核素種數(shù)；CI——混合樣品γ譜在第i個(gè)特征道區(qū)上的計(jì)數(shù)率；Xj——樣品中第j種核素的未知強(qiáng)度；αij——第i個(gè)特征道區(qū)對(duì)第j種核素的響應(yīng)系數(shù)，可按式（A2）計(jì)算。第第j種核素標(biāo)準(zhǔn)譜在第i特征道區(qū)上的計(jì)數(shù)率第j種同位素標(biāo)準(zhǔn)源的衰變數(shù)（活度）αij=…………（A2）式（A1）可寫為：mm∑i=1Xj=αijXji=1,2,…，m………………（A3）由實(shí)驗(yàn)可測(cè)定響應(yīng)矩陣αij，從而求得逆矩陣α-1ij，因此只需測(cè)得樣品各個(gè)相應(yīng)的特征道區(qū)的計(jì)數(shù)率就可計(jì)算出各種核素的活度。當(dāng)土壤中含有且僅含有天然放射性核素和137Cs時(shí)通過(guò)5個(gè)特征道區(qū)的逆矩陣程序可同時(shí)求出土壤中238U、232Th、226Ra、40K和137Cs的活度。附錄Bγ能譜分析的探測(cè)下限(參考件)由于土壤中放射性核素的比活度一般來(lái)說(shuō)很低，土壤中放射性核素的γ能譜分析是在很強(qiáng)的隨機(jī)漲落的干擾存在情況下的弱放射性測(cè)量。一個(gè)γ能譜的探測(cè)下限（LowerLimitofDetection,或LLD）是在給定置信度情況下該系統(tǒng)可以有把握探測(cè)到的最低活度。探測(cè)下限可以近似表示為：LLD≈(Kα+Kβ)So……………………（B1）式中：Kα——與預(yù)選的錯(cuò)誤判斷放射性存在的風(fēng)險(xiǎn)幾率（α）相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量的上限百分位數(shù)值；Kβ——與探測(cè)放射性存在預(yù)選置信度（1-β）相應(yīng)的值；S0——凈樣品放射性的標(biāo)準(zhǔn)偏差。如果α和β值在同一水平上,則Kα=KβLLD≈2KSo……………………（B2）如果總樣品放射性與本底接近，則可進(jìn)一步簡(jiǎn)化：2.83KtbLLD≈2√2KS本底=√N(yùn)b………（B3）2.83Ktb式中：tb——本底譜測(cè)量時(shí)間；Nb——本底譜中相應(yīng)于某一全能峰的本底計(jì)數(shù)。對(duì)于不同的α值,K值如表B1所列:表B1α1-βK2√2K0.010.020.050.100.200.500.990.980.950.900.800.502.3272.0541.6451.2820.84206.595.814.663.632.380式（B3）中探測(cè)限是以計(jì)數(shù)率為單位的?？紤]到核素特性、探測(cè)效率、用樣量，即可把計(jì)數(shù)率轉(zhuǎn)換成活度表示的探測(cè)下限。附錄Cγ射線發(fā)射幾率大于1%的天然放射性核素表(參考件)表C1能量，keV核素幾率，%半衰期產(chǎn)生方式63.374.8X74.8X75.0X77.1X77.1X84.4X87.3X234Th214Pb212Pb208T1214Pb212Pb228Th214Pb3.96.310.71.310.718.01.24.8LLLLLLLL238U238U232Th232Th238U232Th232Th238U續(xù)表C1能量，keV核素幾率，%半衰期產(chǎn)生方式87.3X90.0X92.6D93.4X99.6105.0X109.3X129.1143.3163.4185.7186.0205.3209.5238.6241.0241.9270.2277.2295.2300.6328.0338.5352.0409.5463.0510.7583.1609.4665.6727.2755.1768.4771.9212Pb228Ac234Th228Ac228Ac228Ac235U228Ac235U235U235U226Ra235U228Ac212Pb224Ra214Pb228Ac208T1214Pb212Pb228Ac228Ac214Pb228Ac228Ac208T1208T1214Bi214Bi212Bi228Ac214Bi228Ac8.02.15.63.51.31.61.42.510.54.854.03.64.74.145.04.07.33.82.418.73.43.312.336.62.14.79.030.045.01.67.01.15.01.7LLLLLL71×107αL71×107α71×107α71×107α16.02×102α71×107αLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL232Th232Th238U232Th232Th232Th天然232Th天然天然天然天然天然232Th232Th232Th238U232Th232Th238U232Th232Th232Th238U232Th232Th232Th