实验室γ能谱分析技术是快速、可靠地测定样品中各种γ放射性核素活度浓度的重要手段^[1]。γ能谱测量前需对仪器进行能量刻度和效率刻度，能量刻度可以使γ能谱仪对样品进行核素识别，效率刻度是γ能谱仪分析样品中放射性核素的活度浓度的基础^[2]。在样品测量分析时，样品的几何形状、样品介质和装样质量密度与效率刻度所用标准样品的不同都会带来效率值的偏差。样品的几何形状和样品介质的选择上相对好控制，尽量与效率刻度用标准品保持一致即可，但由于样品的种类可能是多种多样的，导致装样质量密度的差别是现实测量中难以避免的。当γ能谱仪效率刻度用标准样品的装样质量密度与待测样品的质量密度不一致而且差别较大时，它们之间的γ射线自吸收差别就不可忽略，需要对刻度谱峰面积或样品谱峰面积作γ相对自吸收校正^[3]。国家标准GB/T 16145-1995中，推荐了样品自吸收校正的实验方法。相关文献中也分别介绍有各个实验室研发的自吸收校正函数^[4]。但在核事件应急监测，所遇到的样品种类多样，与γ能谱仪效率刻度用标准样品的样品介质和密度的差异往往也是多样的。为比较γ能谱仪常见介质的探测效率差别，比较样品几何形状、样品介质和装样质量密度对效率值的影响情况，探索不同密度的样品自吸收情况，本实验室进行了相关研究。

1 材料与方法 1.1 效率刻度用标准样品

刻度用标准样品是由中国计量科学研究院制备的水、鱼肉灰、蔬菜灰和大米灰四个标准样品。所含放射性核素包括Am-241、Cd-109、Co-57、Ce-139、Cr-51、Sn-113、Sr-85、Cs-137、Co-60和Y-88等10个人工放射性核素，覆盖的能量范围从59 keV~1836 keV。各个核素的扩展不确定度≤4.2 % (2σ)。

每个样品均充实的装在聚乙烯圆柱形样品盒内。水标准样品的型号规格为直径75 mm、高70 mm，样品净重为244.5 g。三个生物灰样品的相关参数见表 1。

1.2 仪器设备

本实验所用仪器为美国ORTEC公司生产的GEM50195超低本底HPGeγ谱仪，相对于3" × 3" NaI (Tl)晶体的探测效率为53%，对⁶⁰Co 1332 keVγ射线的能量分辨率为1.71 keV。积分本底为180计数/min(20~2000 keV)。测量时探测器置于壁厚10 cm、内腔60 cm × 60 cm × 60 cm的复合屏蔽铅室内。采用ORTEC公司研发的集谱数据获取、刻度和分析于一体的A66-B32软件进行分析。

1.3 样品测量与效率计算

样品测量前，检测HPGe γ谱仪系统的能量刻度曲线是否为一条直线，其非线形应小于0.5%，在确定能量刻度正确无误的情况下，将标准样品置于探测器表面进行直接测量。使γ谱中用于刻度的各个能峰的最小净峰面积的计数统计误差小于0.5% (2σ)。必要时可延长测量时间或重复测量^[5]。

每个标准样品中测量分析Am-241、Cd-109、Co-57、Ce-139、Cr-51、Sn-113、Sr-85和Cs-137的特征峰分别为59.5、88.04、122.07、165.85、320.07、391.71、513.99和661.62 keV，Co-60的特征峰分别为1173.23和1332.51 keV，Y-88的特征峰分别为898.02和1836.01 keV。利用标准样品中各个特征峰的全能峰净面积计数，按公式(1)计算各个能量点的探测效率ε(E) :

(1)

式中: Net-为Lt时刻测量的相应γ射线能量为E的净峰面积计数; Lt-为标准样品的测量活时间; P-相应γ射线分支比; A₀-测量初始时刻标准样品相应核素的活度，Bq; λ-核素的衰变常数，s^-1; Δt-标准样品衰变时间，即标准样品制备时刻至测量时刻的时间间隔。

2 结果

经过测量分析，4个标准样品中各人工核素对应的各能量点的效率值如表 1所示。将4个标准样品中各个能量点的探测效率值进行制图比较，如图 1所示。

结合4个标准样品的几何形状、样品介质和装样密度等信息，可以看出水样品与生物灰样品由于样品的几何形状和样品介质不同，导致各个能量点的效率值都有较大差别。样品体积越大，各个能量点的效率值约小。三个生物灰样品的几何形状相同，样品介质经过碳化灰化后都统一成灰样，仅装样密度不同，各个能量点的效率值差别主要是由样品的密度自吸收原因造成的。由于装样的密度不同，从0.71 g/cm³到0.43 g/cm³。使得各个能量点的效率值略有差别的，其最大偏差达到14%左右，出现在320.7 keV。从整体来看，样品装样的密度越大，其探测效率值越低。

3 结论

γ能谱仪刻度时应首先保障被测样品与效率刻度用样品在几何形状和介质上一致，其次是样品装样密度应尽量一致，当密度不一致时效率的偏差在低能部分表现较大，应考虑做好中低能区的样品自吸收校正。从本实验比较可以看出，由于样品质量密度不一致所带来的效率偏差在低能部分(59.5~320.7 keV)的表现较大，差异程度从5%至14%，样品自吸收校正应特别注意做好中低能区的校正工作。

但在核事件应急监测中，或不具备进行样品自吸收校正的情况下，在选取监测核素的特征能峰时，应尽量避开密度自吸收影响较大的能区，权衡相应γ射线分支比和密度自吸收影响等两方面因素，适度考虑低能区效率偏差较大的因素，可参考本实验研究的结论进行相应的校正，满足核事件应急监测中，或没有自吸收校正参数可用情况下的测量分析需要。

本实验研究的这一结论被应用于我实验室参加的2013年至2015年全国电离辐射计量技术委员会组织的中国计量科学院电离辐射计量科学研究所作为主导实验室开展的“γ谱仪放射性核素活度测量全国比对”。比对样品中有一份生物灰样品，被充实的装在直径75 mm、高35 mm的聚乙烯圆柱形样品盒内，样品净重为119.92 g。该样品的几何形状、样品介质与本实验中三个生物灰样品的形状和样品介质基本一致，所不同的仅是样品的装样密度不同。于是，我实验室在测量分析该份比对生物样品时，选用鱼肉灰标准样品进行效率刻度，因为其与比对样品的装样密度最接近。由鱼肉灰标准样品中各个核素相应能量点，得到的一组全能峰效率值，再经过加权最小二乘法拟合生成效率曲线，利用效率曲线上的效率值分析比对样品中核素的活度浓度。由于鱼肉灰标准样品与比对的生物灰样品的装样密度存在一定的差别，所以在中低能区参照本实验效率值的偏差情况进行了适度的效率校正。最终比对结果表明，该样品中处在中低能区的放射性核素²⁴¹Am(59.5 keV)、²³⁸U(63.29 keV)和²²⁶Ra(测量分析其子体²¹⁴Pb:351.99 keV)的测量结果与比对组织方公布的参考值保持了良好的一致性^[6]。说明本实验获得的结果可对样品自吸收校正提供一定的帮助。