高纯锗伽玛谱仪（HPGe γ谱仪）自问世以来，在环境样品的放射性监测中发挥越来越重要的作用，尤其在食品中放射性物质污染风险监测中占据重要地位^[1]。HPGe γ谱仪在对食品中核素进行活度测量时，最关键技术是对被测样品进行效率刻度，目前常规采取的效率刻度方法是有源效率曲线法，即采用已知活度的γ核素标准源对探测器进行有源效率刻度，但需使用与待测食品样的几何形状、样品基质和密度接近或一致的标准源进行有源效率刻度，待测样品种类的多样性导致标准源的获取难度加大，又待测样品与标准源在化学组分和密度等存在差异，采用有源效率曲线法会产生较大的差异，且修正存在困难^[2]。因此需要引入一种无源效率刻度检测技术，该技术由美国Canberra公司研发，用于实验室γ谱仪测量系统的无源效率刻度（LabSOCS）^[3]。利用该技术开发的软件系统，预置的基本样品模型，对样品的几何形状、成分和密度等信息可以精确编辑，从而获得该条件下待测样品探测效率。与MCNP粒子输运计算软件相结合，国内众多实验室使用该技术建立了针对不同类型样品的分析方法^[4-9]。本研究拟对实验室采集的食品样采用有源和无源效率刻度两种γ谱仪分析方法进行测定，以验证无源效率刻度技术在食品中放射性物质污染检测和环境样品应急监测中的可靠性和应用价值。

1 材料与方法 1.1 测量设备

本研究使用美国堪培拉公司生产的BE5030型宽能型高纯锗（HPGe）γ谱仪进行食品样品中放射性核素活度的测量、分析与研究。仪器对⁶⁰Co能量为1332 keV的特征γ射线的能量分辨率优于1.85 keV，所用低本底铅测量室的全谱本底计数率不大于1.9 cps，相对于NaI（Tl）探测器的探测效率为53.4%。采用DSA-2000多道脉冲幅度分析器进行数据分析。本仪器测量系统配备了经过验证的实验室无源效率刻度软件（LabSOCS），本软件在出厂时已对该探头的参数进行了表征与验证，并提供了多种样品盒的无源效率刻度实验室模型，能够满足大多数食品样品、环境样品中放射性核素含量分析。本研究所用样品盒参数见表1。

1.2 标准样品

刻度源：本研究使用¹⁵²Eu体源对高纯锗γ能谱仪进行能量刻度，使用Φ75 mm × H70 mm 标准圆柱体源（源编号：CM5017，检定/校准证书编号：DYhd2018-1519，检定单位：中国计量科学研究院）对谱仪系统进行效率刻度。能量和效率的刻度方法参照标准GB/T 16145—1995。体源中各核素活度值见下表2。

实验样品：选取本实验室现有的食品灰和土壤样干燥至恒重，分别充分混合均匀，各取500 g作为本研究的实验样品。

1.3 实验方法 1.3.1 实验样品（食品灰和土壤样）中⁴⁰K、²²⁶Ra、²³²Th、²³⁸U和²¹⁵Bi含量定值（有源效率刻度检测结果值）

将实验样品（食品灰和土壤样）通过粉碎机充分搅拌，混合均匀后，装入与刻度源（CM5017、6NHH-504）材料、尺寸一致的样品盒中，装样质量和体积与刻度源一致，且偏差符合标准GB/T 16145—1995和GB/T11713—2015的要求。通过效率曲线法定量分析出实验样品中⁴⁰K、²²⁶Ra、²³²Th、²³⁸U和²¹⁵Bi的比活度（Bq/kg），作为实验样品中⁴⁰K、²²⁶Ra、²³²Th、²³⁸U和²¹⁵Bi的有源测量结果值。

1.3.2 不同形状尺寸和不同密度样品的制备

将1.3.1中的实验样品通过粉碎机连续搅拌5 min，重复三次；然后使用φ75 mm × H35 mm和φ75 mm × H70 mm作为食品灰样的装样容器，装样密度为0.60 ～1.15 g/cm³（φ75 mm × H35 mm）和0.82 ～0.99 g/cm³（φ75 mm × H70 mm）；使用φ75 mm × H70 mm作为土壤样的装样容器，装样密度为1.20～1.50 g/cm³。

1.3.3 不同装样密度无源效率刻度值的确定

本实验室具有经过验证的无源效率刻度软件（LabSOCS），可直接结合γ谱仪的谱采集与分析软件（Genie 2000 Gamma Acquisition & Analysis）一起使用。使用LabSOCS软件建立2种尺寸（φ75 mm × H35 mm和φ75 mm × H70 mm）样品盒不同装样密度（0.60～1.15 g/cm ³；0.82～0.99 g/cm³）的效率刻度模型，样品（灰样）组分（SiO₂∶80.2%、CaO∶8.4%、K₂O∶4.8%、MgO∶1.8%、P₂O₅∶1.8%、Fe₂O₃∶0.8%、MnO∶0.2%）参考藏慧林的研究成果^[10]；土壤样品探测效率的无源刻度方法参照执行。

1.3.4 无源效率刻度值分析不同装样密度实验样品中放射性核素比活度值

实验样品的装样密度与1.3.3中无源效率刻度使用的密度保持一致，在低本底铅室内获取各实验样品的谱图，在样品谱采集的前后分别采集低本底铅室的本底谱，使用谱分析软件扣除样品谱对应特征能量的本底值，最后利用对应的无源效率刻度值分析实验样品中⁴⁰K、²²⁶Ra、²³²Th、²³⁸U和²¹⁵Bi的比活度值，记为无源测量结果值。

1.3.5 有源-无源测量结果值相对偏差计算

将1.3.3中⁴⁰K、²²⁶Ra、²³²Th、²³⁸U和²¹⁵Bi的比活度值与1.3.1中的值进行比较，计算有源-无源效率刻度值分析结果的相对偏差，其计算按照下述公式1进行：

$ {{X}}=\frac{{A}_{}^{{\text{无}}}-{A}_{}^{{\text{有}}}}{{A}_{}^{{\text{有}}}}\times 100\% $

(1)

其中： $ {A}_{}^{{\text{无}}} $ 表示利用无源测量结果值（Bq/kg）， $ {A}_{}^{{\text{有}}} $ 表示利用有源测量结果值（Bq/kg），X表示无源相对有源的偏差。

2 结果 2.1 φ75 mm × H35 mm和φ75 mm × H70 mm样品盒不同装样密度的无源效率刻度值

HPGeγ能谱仪对不同形状、不同密度和不同尺寸样品中各特征γ射线的探测效率见图1和2，结果表明，在300～1460.8 keV能量范围内的γ射线，HPGeγ能谱仪对γ射线的探测效率随射线能量的增加而降低，对于能量较低的γ射线，HPGe具有明显优势；由于样品对γ射线的自吸收效应，γ能谱仪对不同密度样品中各特征γ射线的探测效率符合以下规律：探测效率随密度增加而不断降低；对比两种尺寸样品，γ能谱仪对Φ75 mm × H35 mm样品中各特征γ射线的探测效率大于Φ75 mm × H70 mm样品的，主要归因于Φ75 mm × H35 mm样品与探测器灵敏体积所成的有效空间角大于Φ75 mm × H70 mm样品与探测器灵敏体积所成的有效空间角，使γ能谱仪对前者的探测效率大于后者。综上，对于同一类基质，在相同空间位置与距离上，γ能谱仪对样品中γ射线的探测效率主要受密度、形状、尺寸、γ射线能量等因素影响。

2.2 食品样检测结果 2.2.1 有源-无源效率刻度检测结果值

通过有源效率刻度技术确定实验样品中目标核素的比活度值，结果见表3，其中，²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K各特征能量γ射线计算得到的比活度值分别为10.23 Bq/kg、11.66 Bq/kg、13.70 Bq/kg和3110.54 Bq/kg，将此结果值作为有源测量结果值。

两类样品盒不同密度待测样品的无源效率测量结果值、及其与有源测量结果值的偏差如图3和图4所示。从图中可知，使用无源效率刻度技术得到的结果值与有源测量结果值的偏差在 ± 15%内的占96.59%，其中，Φ75 mm × H35 mm样品盒测量结果值与有源测量结果值的偏差在 ± 15%内的占100%；Φ75 mm × H70 mm样品盒测量结果值与有源测量结果值的偏差在 ± 15%内的占96.15%。

2.2.2 不同形状尺寸样品盒对食品样检测结果的影响

为进一步验证样品形状尺寸对无源效率测量结果的影响，将Φ75 mm × H35 mm样品盒不同装样密度的测量结果值分别取平均值，同时将Φ75 mm × H70 mm样品盒的测量值做同样处理，作为实验样品中各核素的测量值，计算Φ75 mm × H70 mm与Φ75 mm × H35 mm样品盒的测量值之间的偏差，结果列于表4。

2.3 土壤样品有源-无源测量结果

为了进一步验证无源效率刻度技术在测量其它环境样品时的可行性，随机采集500 g土壤作为实验样品，使用Φ75 mm × H70 mm样品盒装样，采用1.3.1的方法对土壤样品中²²⁶Ra、²³²Th、⁴⁰K、²³⁸U和²¹⁵Bi进行定值（所用土壤标准体源编号：6 NHH-504），该值作为有源测量结果值；参考1.3.3的方法使用无源效率刻度技术分析实验样品中目标核素的比活度值，结果值见表5。

土壤样品无源效率刻度分析结果值相对于有源效率刻度分析结果值的偏差见图5，图中所示，针对特征γ射线能量处于低能区、中能区和高能区的放射性核素，有源-无源测量结果值偏差在 ± 15%内的占91.30%；取不同装样密度的无源效率刻度测量值作为测量结果值，并于有源效率刻度分析结果值比较，偏差均在 ± 15%内，具体见表6，上述结果表明无源效率刻度技术可用于分析土壤样品中放射性核素的浓度。

3 讨论

　　日常实验室测量过程中，待测环境样品基质复杂多样，难以找到合适的标准源，通常需进行待测样品的自吸收校正，但工作难度较大^[11]；本研究意在验证无源效率刻度技术在检测不同密度、不同形状尺寸和不同基质样品中放射性核素含量中应用的可行性。通过LabSOCS分别对不同密度、形状、尺寸、基制的样品进行效率刻度，结果表明，样品形状尺寸、密度和γ射线能量是影响HPGe探测效率的重要因素，且探测效率随样品密度、射线能量的增大而逐渐降低。

针对食品灰样，使用Φ75 mm × H35 mm样品盒装样，在0.60 ～1.15 g/cm³的密度范围内，使用无源效率刻度得到的不同装样密度的样品中放射性核素的比活度值与有源测量结果值的偏差在可接受范围内（± 15%内）的占96.15%；使用Φ75 mm × H70 mm样品盒装样，在0.82 ～0.99 g/cm³的密度范围内，使用无源效率刻度得到的不同装样密度的样品中放射性核素的比活度值与有源测量结果值的偏差在可接受范围内（± 15%内）的占100%；使用Φ75 mm × H35 mm测量得到的无源效率测量结果值与Φ75 mm × H70 mm的无源效率测量结果值之间的偏差在−3.92%～0.88%范围内（± 15%内），表明样品形状尺寸不影响LabSOCS刻度的准确性。不同密度（1.20 ～1.50 g/cm³）土壤样测量结果值表明，无源效率刻度技术同样适用于环境土壤样品中放射性核素含量的分析。

无源效率刻度技术具有方法简便，使用灵活，结果准确等优点，同时，使用无源效率刻度技术还可减少工作人员接触放射源的频度，避免职业照射，降低职业健康风险，无源效率刻度技术在分析环境样品中放射性核素的水平的工作中实际可行，随着环境保护和疾病预防控制机构监测样品种类范围的不断扩大，当难以找到完全合适的标准源时，可将无源效率刻度技术推广到环境和食品样品中放射性核素污染风险监测工作中。