目前，国内环境样品中放射性核素的定量测量主要是依赖于应用HPGe γ谱仪在实验室进行准确的测量^[1-5]，而在应急监测中，快速、准确的测得样品中放射性核素的含量显得尤为重要^[6]。因此，本文从系统的结构和配套软件两方面介绍了一种满足样品放射性核素的定量测量和现场监测等要求的新型便携式电制冷HPGe γ谱仪系统，并讨论了该系统在辐射监测领域的应用。

1 材料与方法 1.1 谱仪的结构

便携式电制冷HPGe γ谱仪系统的型号为Detective-dx-100，其探测器类型为同轴P型高纯锗，晶体的直径Φ为65 mm，厚度h为50 mm。探测器的最大外形尺寸为长33.8 cm、宽16 cm、高32.6 cm，重量约10.9 kg，便于野外作业。谱仪系统是具有高度集成的便携式HPGe γ探测器，融合了当今HPGe技术在制冷、电子学与软件等方面的最新成果，并结合了先进的通讯技术，具有相当的智能化水平。整个系统操作简单，并且可作为γ谱仪使用，通过USB连接到笔记本电脑，在安装ISO-Plus软件情况下，可应用Gamma Vision软件作为现场能谱分析，因此，该系统满足核辐射应急监测中快速、准确的测量要求。另外，为了满足现场的测试要求，探测器系统配备有手推车，便于谱仪在野外进行测量。其整个探测器的系统结构框架如图 1所示：

1.2 配套软件

系统配置的Angle 3.0模拟计算软件是一款应用于实验室高纯锗γ谱仪的无源效率刻度软件，其原理是基于实验室谱仪测量标准点源所得到的刻度效率曲线，结合绝对算法(Monte Carlo method)与相对算法，并通过实验修正，以效率转换(Efficiency Transfer)方法推演其它形式样品(柱体状、平面状和马林杯样品)的效率刻度曲线。其数学表达式为：

$ {\varepsilon _p} = {\varepsilon _{ref}}\frac{{\bar {\mathit{\Omega}} }}{{{{\bar {\mathit{\Omega}} }_{ref}}}} $

式中：ε_ref：测量标准刻度源，计算得到的参考全能峰探测效率；ε_p：样品对应的全能峰探测效率；Ω_ref：测量标准刻度源时，标准刻度源相对探测器的有效立体角；Ω：样品相对探测器的有效立体角。

该方法的主要优点是排除了单纯采用蒙特卡罗方法计算探测效率时，输入探测器参数偏差(如死层厚度)而导致较大计算结果误差。

应用Angel 3.0计算体源的全能峰探测效率的步骤为：①探测器基本尺寸参数的精确描述；②样品与样品盒参数的描述；③探测器与样品的相对几何关系的描述；④调用标准参考全能峰探测效率曲线，然后进行模拟计算。其软件的界面如图 2所示：

从图 2中可以看出，Angel 3.0模拟计算软件的输入参数主要包括探测器模块描述、源项模块描述和源项相对探测器的几何位置模块描述等，其操作程序简单，经过简单的培训即可操作使用。同时，该软件可适用于其它类型HPGe探测器的模拟计算，如单端同轴高纯锗探测器、单端同轴锗(锂)探测器、同轴锗(锂)探测器、平面探测器和井型探测器。

2 结果 2.1 能量刻度

新型便携式HPGe γ谱仪系统在出厂前必须做相应的刻度，包括能量刻度和效率刻度。其中能量刻度主要是为了在环境样品测量时，便于探测器系统识别样品中放射性核素。因此，对该系统应用²⁴¹Am、¹⁰⁹Cd、⁵⁷Co、¹³⁹Ce、²⁰³Hg、¹¹³Sn、⁶⁰Co、¹³⁷Cs和⁸⁸Y等9个标准点源进行了刻度，刻度的能量范围从59.54~1836.08 keV。其能量刻度的结果如图 3所示：

从图 3中可以看出，其拟合能量E′与E的相对偏差小于±0.1%，说明该系统的道址漂移非常小，其能量线性非常好。

2.2 效率刻度

探测效率作为HPGe γ谱仪系统定量分析的一个关键参数，其刻度的准确性直接影响到放射性样品活度分析结果的可靠性，通常情况下，效率刻度是通过计算得到标准刻度源中各核素发射γ射线所对应的全能峰探测效率。对于本系统的效率刻度，是通过计算标准点源发射γ射线能量所对应的全能峰探测效率，其计算公式^[7]表达如下：

$ {\varepsilon _{\gamma ,p}} = \frac{{{n_p}}}{{\eta AK}} $

式中ε_γ，p：标准点源对应的全能峰探测效率；n_p：刻度峰的峰面积计数率；η：刻度峰对应能量点的γ分之比；A：标准刻度源的放射性活度；K：放射源活度的修正因子，K=exp(-t_wln2/T_1/2)，其中t_w为标准刻度源衰变时间(从测量到标准刻度源标定的时间间隔)。

基于效率计算公式，计算得到的全能峰探测效率结果如表 1所示。

为了得到精确的效率刻度曲线，对表 1中的全能峰探测效率结果采用双对数的多项式曲线拟合^[8]，得到其拟合曲线如图 4所示。

其相应的拟合函数表达式如下：

$ ln \left( {{\varepsilon _{\gamma ,p}}} \right) = \sum\limits_{i = 0}^n {{a_i}{{\left( {ln {E_\gamma }} \right)}^i}} $

取i=5，得到的效率刻度拟合曲线函数的系数：a₀=-7.34418；a₁=-16.5256；a₂=11.0931；a₃=-2.68124；a₄=0.2809；a₅=-0.0109。拟合得到的精确效率刻度曲线可作为Angel 3.0的标准参考曲线，用于计算系统对其它形状源项(如圆柱形、马林杯)的探测效率，在核辐射监测领域中，这有利于分析环境样品中放射性核素。

3 讨论

新型的便携式电制冷HPGe γ谱仪的探测系统与其他类型HPGe探测器不同，它具有轻便、不需要液氮制冷和智能化水平较高等优点，并且可通过USB连接到笔记本，应用Gamma vision软件对样品进行能谱分析，同时配有手推车，适合于野外环境样品的现场测量。

该系统配有Angel 3.0模拟计算软件，仅知道探测器的结构尺寸、源项信息和样品与探测器的几何分布等信息，基于探测器系统的精确标准刻度曲线，即可计算得到探测器系统对其它形状样品的探测效率，如此可分析样品中放射性核素的含量。另外，Angel 3.0模拟计算软件对于其他类型的HPGe探测器系统同样适用。

从能量刻度结果来看，系统的能量线性非常好，在样品γ能谱分析时，便于探测器系统对样品中的放射性核素进行准确的识别。同时，通过标准点源对系统进行效率刻度，获得精确的效率刻度曲线，应用Angel 3.0进行模拟计算，获得系统对其他形状(如圆柱形，马林杯)体源的探测效率，进而定量分析环境样品中放射性核素的含量。

利用新型便携式HPGe探测器系统具有不需要制冷、操作简单、能量线性优越、并且可对环境样品进行现场能谱分析等优点，在辐射监测领域中，尤其是野外辐射监测、核与辐射应急监测等方面具有很好的应用前景。