实验室γ能谱分析技术是快速、有效地确定待测样品中各种γ放射性核素活度浓度的重要手段, 在环境辐射监测中起着重要作用。γ谱仪在对环境样品进行放射性测量前, 必须进行能量刻度和效率刻度。按照效率刻度方法的不同, 环境样品的γ能谱分析方法主要有相对测量法^[1]、蒙卡模拟计算^{[2, 3]}及Labsocs系统无源刻度测量法^[4]。在放射性测量中, 在对面源进行效率刻度时常需要知道放射面源均匀性这一重要参量, 以评价效率刻度结果的准确性。笔者对比进行了研究。

研究中使用HPGe探测器进行了步进式扫描测量, 并用偏差分布法和积分均匀性表示了两块²⁴¹Am面源的均匀性。由于均匀面源很难得到, 实验测量均匀面源的γ射线探测效率无法实现, 因此笔者使用Labsocs无源刻度系统刻度了均匀面源在不同高度效率值, 并和不同高度两块面源实验值进行比较, 以探讨面源均匀性对探测效率的影响。

1 面源均匀性表征方法

使用两种方法表征面源均匀性, 即偏差分布和积分均匀性。其中偏差分布计算式^{[5, 6]}为:

(1)

(2)

式(1)、(2)中, N_i为面源上第i个测量点的计数率, n为总测量点数; R_di为相对偏差。用偏差分布法, 得到的是偏差的一个范围。按偏差大小将面源分段, 标在放射源相应部位, 由这种偏差分布图可以看到放射性相对活度的分布。

积分均匀性R_tg的计算式^[7]为:

(3)

式中, N_max、N_min分别为所有测量点中最高和最低的计数率。采用积分均匀性的这种表示方法, 表达简单明确, 但不能明确表明放射源不均匀性的具体分布情况。

2 实验测量 2.1 仪器及设备

测量仪器为CANBERRA公司生产的低本底HPGeγ谱仪系统。使用直径70 mm高30 mm的同轴型HPGe探测器, 相对效率为34.4%, 对⁶⁰Co的1332.5keVγ射线的能量分辨率为1.70 keV。铅屏蔽体厚度为10.0 cm, 20~ 1500 keV的积分本底计数率为1.6 cps。多道谱仪(8192道)的型号为DSA1000, 使用Genie2000能谱获取与分析软件进行能谱获取与处理, 该软件能够自动计算峰面积及其统计涨落, Labsocs无源效率刻度计算软件可模拟计算均匀面源在不同高度的探测效率。实验所用面源数据见下表 1。

2.2 实验方法

使用核探测技术的计数法作面源均匀性检验, 测量过程如图 1所示, 该实验在低本底HPGeγ谱仪系统内完成。面源平均分成16个大小一样的扇形, 则每个扇形孔的角度大小为22.5°, 这些相邻扇形半径按阿拉伯数字依次编号(编号1~16标在铅准直器上), 则每个相邻扇形大小相等, 扇形孔的角度大小都为22.5°。测量时在面源被测一侧与HPGe探测器之间加一层5 cm厚直径为20 cm的圆盘状铅屏蔽体, 由于该圆盘状铅屏蔽体质量较大, 因此该圆盘状铅屏蔽体放置在特制的测试架上。在屏蔽体上留一使放射源发出的γ射线直接入射到探测器上的扇形孔, 大小形状和面源上扇形孔一致, 这个扇形孔即是获取放射源均匀性数据的面积元。测量时, 采用步进式扫描测量241 Am面源59.54 keV射线的峰计算率, 即面源每测一次则按圆周逆时针方向以22.5°为单位旋转一次, 即面源上的箭头从1旋转到2, 依次类推。测量过程中, 使计数涨落在0.5%左右即可。

在不同高度对两块面源测定其探测效率, 探测效率计算公式如下式:

(4)

式中, N表示峰计数, A表示面源活度(Bq), P_γ表示γ射线发射率, t表示测量时间(s)。

使用Labsocs计算软件模拟计算均匀面源在不同高度的探测效率, Labsocs可以模拟计算均匀面源的探测效率。

3 实验结果与分析 3.1 面源均匀性

对采用步进式扫描测量得到两块²⁴¹Am面源59.54keV射线的峰计算率, 根据式(1)、(2)计算得到²⁴¹Am面源均匀性偏差分布, 如下图 2、3。

其中扇形偏差分布只表示放射性物质的大致分布, 并不表示扇形内是均匀分布。从图 2和图 3可以看出面源一半放射性强, 一半放射性弱。

通过式(3)计算得到1#²⁴¹Am面源和2#²⁴¹Am面源积分均匀性分别为15.89%、12.12%, 2#面源的均匀性好于1#面源的均匀性。

3.2 面源均匀性对探测效率的影响

两块面源放置在离探头不同高度位置进行实验测量, 获得它们的²⁴¹Am峰计数, 使统计涨落小于1.0%, 根据式(4)计算59.54 keVγ射线的探测效率。使用Labsocs无源效率刻度软件计算均匀面源59.54 keVγ射线探测效率, 通过Labsocs软件定义直径为75 mm的均匀面源, 并设置其离探头的距离来获得面源在不同高度的探测效率。均匀面源探测效率Labsocs计算值和面源探测效率实验值结果如下表 2和图 4所示。

其中1#相对偏差=(1#实验值-Labsocs计算值)/Lab- socs计算值, 2#相对偏差=(2#实验值-Labsocs计算值)/ Labsocs计算值, 相对偏差=(1#实验值-2#实验值)/2#实验值。

从表 2中可见除高度为0mm的面源探测效率外, 2#面源的探测效率更接近Labsocs计算的均匀面源探测效率, 原因是2#面源均匀性要好于1#面源均匀性。从相对偏差那一列可以看出, 两块面源的探测效率比较分析, 它们的探测效率也存在偏差, 因此面源均匀性对其探测效率有一定的影响。

4 结论

使用偏差分布法表示了两块面源的放射性物质的分布情况是面源一半放射性较强, 一半放射性较弱; 1#²⁴¹Am面源和2 #²⁴¹Am面源积分均匀性分别为15.89%、12.12%, 即2#面源的均匀性要好于1#面源的均匀性; 并对两块面源在不同高度进行实验测量, 得到了面源在不同高度的探测效率。分析了面源均匀性对探测效率的影响, 结果表明:两块面源探测效率最大偏差为6﹪左右; 2#面源和1#面源在不同高度的探测效率与Labsocs模拟计算均匀面源探测效率结果进行比较, 得出2#面源结果更接近于Labsocs计算结果; 因此, 面源均匀性对探测效率有一定的影响。