随着HPGeγ能谱仪的发展和广泛应用, γ能谱分析软件也得到不断地改进。一套优秀的软件不仅可在常规条件下为用户提供准确可靠的数据, 而且可在核/辐射应急情况下准确、快速分析样品, 识别放射性核素并确定其含量, 为应急响应提供有力支持。Canberra公司制作的谱分析软件Genie2000以其人性化的操作界面和准确、周全的计算程序赢得了用户的青睐, 笔者以环境样品的测量为例, 简单介绍Genie2000软件的应用。

1 Genie2000功能介绍

本实验室γ能谱测量分析系统由HPGe探头、多道分析仪DSA-2000、Genie2000软件及铅室组成。Genie2000基本谱软件仅能进行简单的谱分析(如寻峰、峰面积计算等), 但可通过安装兼容软件来实现其强大功能。与Genie2000兼容的部分软件及应用领域见表 1。

Genie2000基本谱软件安装Gamma.V3.0后, 可进行本底扣除、效率校正、核素标识、干扰校正、级联符合相加校正、测量几何条件描述、加权平均活度和MDA(Minimum Detectable Activity)计算等。安装ISOCS后, 与现场γ谱仪配合, 可在现场进行无源效率刻度, 快速完成样品的测量工作; 安装LabSOCS后, 可完成实验室无源效率刻度, 省去了制作刻度源及执行相关手续带来的不便。ISOCS和LabSOCS软件均基于蒙特卡罗模型建立, 并通过了大量的实验验证, 可靠性值得信赖。安装NaI2×2和Inspector1000后, 可针对配备NaI探头的多功能数字化便携式γ谱仪的测量结果进行分析。

2 Genie2000应用程序 2.1 样品的采集和预处理

样品的采集和预处理可参照中华人民共和国环境保护行业标准HJ/T 61-2001“辐射环境监测技术规范”推荐的方法执行, 如采集土壤样品时, 使用土壤采集器在10m×10m范围内, 采用梅花形布点或蛇形布点, 在未耕区取垂直深10cm的表层土。去除石块、草根等杂物, 混合后取2~3kg样品装在双层塑料袋内密封, 再置于布袋中保存。样品运至实验室后, 立即去除沙石、杂草等异物, 称重后置于搪瓷盘中摊开晾干, 碾碎后过120目, 105℃烘干, 计算样品失水量, 装入样品盒, 称重, 备用^[1]。

2.2 样品的测量

本实验室使用的γ能谱仪系统为Caberra公司生产的DSA-2000数字谱仪, 探测器的技术指标:对1.33 MeV能量分辨率为1.71KeV, 相对效率34%, 在30-2000keV的积分本底为1.21cps。在测量开始前, 需对仪器进行预设定。首先打开Genie2000软件, File菜单下进入Open Datasource, 在这里可以选择Detector或File, 前者是打开探测器, 后者是打开已存文件。另外, Genie2000能自动将其他类型的文件转换为本身识别的CNF格式文件, 如Ortec ADCAM、Oxford文件等。打开Detector后, 在MCA菜单下进入Acquire Setup选项, 这里可以设定测量时间、谱仪的道数、峰面积、计数和感兴趣区的选择等, 当到达设定值时, 电脑会自动停止测量。在MCA-Adjust菜单下的HVPS确定所加高压, 本仪器推荐为4000V。其他仪器参数一般由Canberra公司人员设定, 这里不再阐述。样本信息可在Edit-Sample information中输入, 包括样品名称、采样人、样品描述、样品编号、数量、不确定度、单位、几何形状、误差等。另外, 可以选择样品沉积或衰变时间, 软件会自动进行放射性核素的衰变校正。样品信息输入界面如图 1所示, 在界面右下角, 有Load Calibration选项, 可将已经刻度好的能量刻度和效率刻度文件应用在本次测量中。

2.3 谱分析

样品测量结束后, 开始谱分析过程, 以确定样品中放射性核素的种类和含量。在分析前, 需对谱仪系统进行能量刻度和效率刻度。能量刻度是确定γ谱峰峰址与能量之间的关系曲线, 是放射性核素定性分析的基础; 效率刻度是确定γ射线全能峰效率和能量之间的关系曲线, 是γ谱定量分析的基础。刻度的优劣程度直接影响放射性核素测量结果的准确性。

2.3.1 能量刻度

Genie2000包括5种能量刻度类型, 具体方法见表 2。在这5种能量刻度方法中, 推荐使用第二或第四种方法, 因为这两种方法是直接调用刻度文件, 省去选择核素或输入能量等重复工作, 简单快捷。其他三种方法重复工作较大, 不推荐使用。能量刻度完成后, 可点击Energy Show按钮显示当前的能量刻度曲线, 判断刻度的优劣。并且可以直接打印出能量刻度曲线图。

2.3.2 效率刻度

效率刻度相对能量刻度来说较为复杂, 技术性更强。刻度源应由国家法定计量部门认定或可溯源于国家法定计量部门。在实际工作中, 不同类型的样品使用不同的样品盒, 当今应用较多的为圆柱形的塑料容器, 根据样品类型和采集的量选择带螺盖或普通盖、大号或小号的样品盒。如土壤和建材样品一般选择75×75(直径×高)或72×65型号, 而空气滤膜一般采用72×35型号, 牛奶或水样品需选择带螺盖的样品盒等。对每种几何形状、不同类型的的样品都要进行效率刻度, 刻度源的体积、形状、基质的主要化学特性和容器必须尽量与待测样品相同。对于短半衰期的标准源, 应在测量前做衰变校正, 而对于如Ra-226、Th-232和K-40等天然核素, 其半衰期很长, 可以忽略其衰变引起的误差^[2]。效率刻度前, 首先必须选择寻峰和峰面积计算的方式, 因为效率刻度的算法与寻峰和峰面积的算法是一致的, 否则, 软件会默认选择寻峰和峰面积计算的第一种算法(分别为Unidentified Second Difference和Sum/Non-Linear Least Squares Fit Peak Area算法)。Genie2000效率刻度方式与能量刻度相似, 但多了一种无源效率刻度方法, 软件为ISOCS和LabSOCS。ISOCS为现场物体计数系统, 主要应用于对现场物体的快速测量; LabSO CS为实验室无源效率刻度软件, 主要应用于实验室样品的快速效率刻度, 两种软件的原理一致, 都是采用蒙特卡罗模型, 并经过了大量的实验验证, 具备较好的准确度。输入相关参数, 软件会自动给出效率曲线。但对数据的要求很严格, 所以测量样品参数时应非常精确。在得到效率曲线后, 我们可以通过显示选项来观察曲线的优劣, 并能删除偏差较大的刻度点来提高曲线的精确度。还可以选择多项式的类型来改变曲线, 软件中n表示项次, 一般情况下n值为5时, 对应10个或10个以上的刻度点; n为4时, 对应8或9个刻度点; n为3时, 对应6或7个刻度点; n为2时, 对应3到5个刻度点。当曲线合适后, 可以将该效率刻度存为效率刻度文件, 测量其他同类型样品时直接调用该刻度, 可在刻度菜单下调用, 也可在编辑样品信息时提前调用。也可以直接通过打印机将效率刻度曲线图打印出来。

2.3.3 样品分析

在样品测量结束后, 我们需要对其进行放射性核素的定量和定性分析, 判断其放射性活度大小及核素组成。首先判断其能量刻度是否准确, 然后根据样品类型选择相应的效率刻度。在Analyse菜单下选择谱分析步骤, Genie2000寻峰有五种方式, 我们主要使用第三种, 也就是用户指定方式。因为其他方式下, 软件会给出指定区域的所有峰, 而很多峰不是我们所感兴趣的。在用户指定方式下, 我们可以直接选择事先存好的感兴趣区(后缀为ROI的文件), 比如环境样品我们主要关心U-238、Ra-226、Th-232和K-40核素对应γ射线能量的峰, 因此, 可以先将这些感兴趣区存为ROI文件(在Display菜单下ROIs选项中可实现此功能), 此情况下直接调用。

在寻峰和峰面积计算之后, Genie2000可自动扣除本底谱, 但前提是本底谱的寻峰和峰面积计算方式必须与样品谱的算法一致。如果想知道拟合后对所要分析射线能量的探测效率, 可执行效率校正(Efficiency Correction)过程。最后是核素识别和活度计算过程, Genie2000提供三种核素识别方式, 分别为试验性核素识别(Tentative NID)、核素识别(NID)以及干扰修正核素识别(NID with Interference Correction)。试验性核素识别可以给出在选择的核素库中软件认为符合的一种或多种核素, 但不会给出比活度结果; 核素识别过程中, 软件会选择最符合的核素, 并给出各个能量射线的比活度及不确定度, 并能根据各个能量的比活度算出该核素的平均比活度(活度单位系统默认为μCi, 可在Analyse-Reporting-Standard Report Setup中修改, 但必须输入换算系数, 例如活度单位由μCi改为Bq时, 需在Multiplier选项中输入37000, 质量单位在样品信息中输入, 软件会根据输入的单位显示出相应的比活度单位)。当分析的感兴趣区中包括符合峰的时候, 可以通过选择第三种核素识别方式—干扰修正核素识别。此项工作需要事先确定准确的峰-总刻度和效率刻度, 然后选择相应几何形状文件, 完成符合相加效应的校正。另外, Genie2000还具有谱分析批处理功能, 可按照事先编辑的分析次序连续一次性给出分析报告, 这样可节省很多手工操作。该软件还可将报告转换为PDF格式, 可避免人为的失误修改, 提高数据的可靠性。图 2为部分谱分析报告结果。

Genie2000的分析报告窗口可以选择最大、最小和系统默认的一半大小, 报告的类型、内容和对页码的设定均可在Standard Report Setup窗口中选择, 完成后, 可直接将报告通过打印机打印。如果想打印相应的谱图, Genie2000可根据要求进行全谱打印或选择感兴趣区打印, 还可和其他谱图比较打印。另外, 还可在谱图上添加方格、或者将Y坐标改为对数坐标、X坐标在能量和道数之间切换等等, 均可在Genie2000软件中实现^[3-5]。

3 讨论

Genie2000软件作为一款优秀的谱分析软件, 其强大的兼容性、方便的操作及准确的计算模式使其得到越来越广泛的应用。该软件不仅能在常规条件下进行实验室样品的测量分析, 而且能在应急情况下进行快速测量, 如果我们能正确地使用, 可很好的满足放射工作人员对样品辐射检测的需求。