近年来, 口岸不断出现进口矿产品放射性超标事件。通常, 对于放射性超标矿产品的监管, 除了需现场检测γ辐射剂量率外, 还需对矿产品中所含天然核素进行表征, 以明确导致矿产品放射性超标的核素种类及其比活度。

核素的比活度测量有两种方法, 分别是有源效率刻度方法和无源效率刻度方法。有源效率刻度方法为传统方法, 采用该方法对谱仪进行效率刻度, 必须使用计量部门提供的"标准样品", 同时要求标准样品的几何尺寸、密度和装样容器应与实际测量样品尽可能接近, 以减少这些因素造成的测量误差。这种方法十分烦琐, 对于不同的样品还要采用不同的标准样品。而且, 当样品密度与标准样品密度存在差异时, 很难对这些因素造成的影响进行修正。而使用无源效率刻度方法则可克服参考源法的诸多技术局限^[1]。无源效率刻度方法(LabSOCS)对探测器进行独立表征, 建立MCNP模型, 用一系列可溯源的多能量点源(NIST)在多个位置对探测器进行验证和模型优化, 计算出探测器附近的不同射线能量、不同角度和距离的探测绝对效率值。无源效率刻度相对有源效率刻度最大的优势在于:能进行现场测量而无需制作标准源, 可避免采样代表性问题而导致的不确定性, 避免采样可能面对的高温、高压、有毒有害、攀登等危险。

由于矿产品种类繁多, 一旦口岸出现矿产品放射性超标的紧急情况, 在无法利用相应的标准样品进行所谓的有源效率刻度时, 无源效率刻度方法无疑可以作为一个有效而实用的补充, 从而积极有效地应对口岸出现的矿产品放射性超标事件。

1 实验材料和方法 1.1 实验仪器

采用美国Canberra公司的HPGe γ能谱仪, 由探测器、多道分析器、接口、计算机等组成。高纯锗同轴探测器由探测器、前置放大器和冷却系统组成, 有效直径76.2 mm, 能量范围50 keV~3 MeV, 相对效率> 40%, 分辨率(FWHM)优于1.9 keV。铅室壁厚5 cm, 50~2 000 keV的本底计数率约为9.2 cps。谱分析软件:Genie 2000。

1.2 标准源

采用国防科工委放射性计量一级站提供的²⁴¹ Am和¹⁵²Eu标准点源, 置于探测器上方固定位置进行探测器的LabSOCS表征的可靠性分析。采用国际原子能机构(IAEA)提供的铀矿和钍矿标样进行LabSOCS方法表征有色金属矿产品中天然核素比活度的准确性验证, 样品均填满并置于直径75 mm × 50 mm的聚乙烯塑料盒内。2个标准矿产品体源为:① IAEA提供的铀矿产品标样, 由"Canada Certified Reference Material Project (CCRMP)"提供的铀矿(编号: IAEA/RGU-1, U含量7.09%)中添加超细硅粉稀释分散制备而成, 其中²²⁶Ra和²¹⁰Pb已确认达到放射性平衡; ②IAEA提供的钍矿产品标样, 由"Canada Certified Reference Material Project (CCRMP)"提供的钍矿(编号:IAEA/RGTh-1, Th含量2.89%, U含量219μg/g)中添加超细硅粉稀释分散制备而成, 其中所含关键核素已确认达到放射性平衡。2个标准矿产品体源所含核素的比活度由IAEA提供, 视为约定真值。

1.3 非标准源

另采用2个非标准的实际矿产品体源进行LabSOCS方法表征有色金属矿产品中天然核素比活度的准确性验证, 样品均填满并置于直径75 mm, 高50 mm的聚乙烯塑料盒内。2个非标准矿产品体源为:①锆英砂, 安达科(江苏)陶瓷有限公司提供, 超细粉状, 编号:Zirc2012;②稀土原料, 编号:Lanthanon2012。两个非标样品均附带国家建筑材料测试中心检验报告, 该检测报告给出的核素比活度视为约定真值。

1.4 效率刻度

γ谱仪的探测器经MCNP软件表征, 采用Canberra公司的LabSOCS无源效率刻度软件, 应用LabSOCS软件, 可拟合算出不同成分与几何尺寸样品的效率刻度。根据出厂验证性报告, 50~150 keV、150~400 keV、400~700 keV的LabSOCS效率刻度的不确定度(1σ)可分别控制在7.1%、6.0%、4.3%。

1.5 活度计算^[2]

样品活度为A=(S/T-S₀/T₀) F ·F₂·HXB/(E·Q·F₁·P), 其中, S为样品全能峰净面积, T为样品测量时间, S₀为本底谱全能峰净面积, T₀为本底测量时间, HXB为灰鲜比, E为全能峰效率, Q为取样量, P为全能峰分枝比, F为采样时间修正, F₁为存放时间修正, F₂为测量时间修正。

2 结果与讨论 2.1 探测器LabSOCS表征的可靠性验证

²⁴¹ Am和¹⁵²Eu标准点源放置位置如下图 1所示, 分别置于相对于探测器的0°、45°和90°进行探测器LabSOCS表征的可靠性测量。

²⁴¹Am和¹⁵²Eu标准点源分别在上述三个位置的LabSOCS模拟效率与测量效率如表 1~表 3所示。可以看出, 两个标准点源分别在0°、45°和90°的LabSOCS模拟效率, 与实际测量标准刻度源获得效率的相对偏差的绝对值最小为0.11%, 最大为4.11%(¹⁵²Eu, 1112.02 keV), 表明谱仪自带的LabSOCS软件系统的效率刻度程序是可靠的。

2.2 标准矿和非标准矿的实测验证

验证的矿产品样品分别无间隙地置于探测器正上方, 如图 2所示^[2], 验证该HPGe γ谱仪的无源效率表征矿产品中天然核素比活度的准确性^[3-4]。样品盒的相关参数如表 4所示。

两个标准矿产品的元素组成为:

IAEA/RGU-1(%):Si:99.5, Ca:0.1, P:0.1, Al: 0.1;

IAEA/RGTh-1(%):Si:98.0, Ca:1.0, P:0.5, Al:0.2;

两个非标矿产品的元素组成为:

Zirc2012(%):Zr:42.8, Hf:6.8;Si:15.0;O:34.6; Al:0.3;

Lanthanon2012(%):Nd:18.6;Pr:4.0;La:12.8; Y:26.6;Ce:0.6;Ca:0.3;Al:0.9;Si:1.3;S:0.5;P:6. 6;Cl:0.8;Fe:2.8;Co:3.2;Ni:2.9;Mn:1.0;Cu:0.6; Zn:0.4;O:15.0;

上述4个矿产品样品经无源效率刻度方法(LabSOCS)分别测量2次后, 测量结果与约定真值的相对误差如表 5和表 6所示。

从表 5和表 6中可以看出, 两个标准矿产品样品中天然核素比活度的LabSOCS测量值与约定真值的相对误差最大为7.10%, 而两个非标准矿产品样品中天然核素比活度的LabSOCS测量值与约定真值的相对误差最大为8.82%, 无论标准矿产品或非标准矿产品样品, LabSOCS测量值与约定真值的相对误差均小于10%, 表明无源效率刻度方法(LabSOCS)对矿产品中天然核素比活度的测量结果是满意的, 可以满足矿产品中天然核素比活度的测量。

3 小结

目前, 在多数的研究和检测领域, 在能够取得放射性标准样品的情况下, 有源效率刻度方法仍然是最为倚重的核素比活度分析方法。尽管如此, 这并不妨碍LabSOCS独特的应用空间, 因为在相当多的情况下, 放射性标准样品并不是可以随时得到的, 尤其在许多紧急情况和突发情况下需要测量核素的比活度时, LabSOCS的优势越发明显。

尽管目前该方法还未取得国内计量部门的认可, 未达到国家计量法规的要求, 但本文作者相信, 随着科学的发展和技术的进步, 无源效率刻度方法将会进一步完善, 功能也将日趋强大, 测量准确性也将大大提高。不仅是在矿产品中天然核素比活度的分析领域, 在其它任何需要分析核素比活度的科研和应用领域, 由于诸多优势的客观存在, 无源效率刻度方法在未来都将大大的拓展其应用空间。