Question

γ能谱分析方法

Answer 1

探测器种类不同，γ能谱分析方法常常不同，下面主要介绍NaI(Tl)γ谱仪能谱法和高纯锗γ谱仪能谱法。

66.6.2.1 NaI(Tl)γ谱仪能谱法

主要仪器BH1936低本底多道γ能谱仪。对¹³⁷Cs点源γ射线的能量(661.661keV)分辨率应小于9%，系统能量线性≤1%(50keV～2.0MeV)，核素比活度分析不确定度≤20%。

(1)试样的采集和制备

高纯锗(HPGe)或碘化钠［NaI(Tl)］γ能谱仪能够对地质、水、土壤、环境和生物试样进行放射性γ核素(Ra、Th、K)分析。试样的采集应根据统计抽样的原则，充分考虑到试样的代表性。试样的采集和制备应根据不同的试样采取不同方法的原则，具体试样的采样量和制备如下:

A.地质试样和环境试样的制备。采样用随机抽样的方法，采样点应注意土壤或环境试样的空间分布。对一个测区而言，采样点越多，试样重量越大，越具有代表性。

每一采样点上采集试样的体积和质量对测量结果的平均值和变异性有直接的影响，试样量越多，平均值的变异越小。决定试样采样量时，应考虑采样对象的粒度、成分、部位、时间、放射性水平和监测仪器的最低探测限。

原则上，最小采样量由监测分析样量M^A_min和备用量M⁰_min两部分构成，即:

M=M^A_min+M⁰_min

若仪器的最低探测限为L_D，则单次分析所需最小试样量为:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:M^A_min为单样最小分析试样量，L或kg;L_D为仪器最低探测限，Bq;Y为分析方法的化学回收率;η为仪器的探测效率，s^-1·Bq^-1;A为一试样中待测核素的浓度或比活度，Bq;λ为待测核素的衰变常数，s^-1;t为从采样到测量之间的时间间隔，s。

按公式估计的单样监测分析最小试样量M^A_min乘以所需试样容量n，即可求得最小采样总量M^A_min。储存备用试样量一般可取M^A_min的1～3倍，为事后重复测量、仲裁所需的试样量。

地质试样或环境试样采集后，应剔除杂质、碎石等异物。经烘干至恒量后，用粉碎机粉碎过筛(粒径不大于0.16mm)，称量后装入与刻度谱仪的体标准源相同形状和体积的试样盒中，称量(精确至1g)、密封、待测。

B.生物试样的制备。采集的试样必须具有代表性，试样的预处理详见GB/T16145—1995补充件，采集的试样量可根据下面的方程来估算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:A为分析试样的放射性比活度，这是可定量分析的最小活度，Bq/kg(L);t为测量试样的时间，s;a为在时间t内，谱仪可测量到的最小计数率，s^-1(通常指核素特征峰面积计数率);W为采集试样质量或体积，kg(L);ε为谱仪探测效率(通常指全能峰效率)，%;f为被测试样所占采样量份额(包括灰样比，详见GB/T16145—1995附件);P为被分析核素特征峰的γ发射概率;Y为化学分析回收率。

估算时因参数(ta)、W、f、ε、Y等值在很大范围内可有多种组合满足式(66.52)，故应根据测量的目的要求、现有条件和花费成本最低等原则，实行优化组合来确定采样量的多少。对一台测量装置固定的γ谱仪，可根据相对测量误差的要求，对(ta)值和特性指数(f、ε、P、Y、t)作出一些估计和假设，然后按A-W关系曲线确定W值。当试样可能出现多种核素时，应以估计的W值中最大者为确定的采样量。

A值可根据占有资料分析估计，或通过粗略预测来估计。当监测的目的是判断和记录核素浓度是否超过限值1/10或1/4以上浓度时，A值可用相应1/10或1/4限值浓度来代替。

根据试样放射性核素含量强弱，试样量(质量或体积)多少，谱仪类型和其系统的主要性能指标，以及现有条件，选择最合适的试样盒制备试样。制备试样应满足下列原则要求。

a.确保使用的试样盒未被放射性污染。

b.对可能引起放射性核素壁吸附的试样(如液体或呈流汁状态试样)，必须选择壁吸附小或经一定壁吸附预处理的试样盒装样。

c.装样密度尽可能均匀，并尽量保证与刻度源的质量、密度、体积一样。

d.对含有易挥发核素或伴有放射性气体生成的试样，以及需要使母子核素达到平衡后再测量的试样，在装样后必须密封。

e.对试样量充足，预测核素含量很低，装样密度又小于标准源的试样(通常可能是一些直接分析的试样)，可以选用特殊的工具和手段(如压缩机)，把试样尽可能压缩到试样盒中。

f.装样体积和试样质量应尽可能精确，前者误差应控制在5%以内，后者应小于1%。

C.水试样的制备。一次分析所需水样的量由下式计算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:V为一次分析所需用水量，L;A(LLD)为γ能谱系统的探测下限，Bq;Q为试样中核素的预计浓度，Bq/L;r为预处理过程中核素的回收率。

如果要求做n个平行样，需要的总水样量为nV。

当水样中的放射性核素浓度大于1Bq/L时，可以直接量取体积大于400mL的试样置于测量容器内，密封待测，否则应进行必要的预处理。

水样预处理要在不损失原样中放射性核素的条件下均匀地浓缩以便制成γ能谱测量分析的试样。降水(雨水、雪水)，淡水(河水、湖水、饮用水等)和海水试样的预处理方法参见GB/T16140—1995附录A(补充件)。

(2)试样的测量

当低本底γ能谱分析系统(以下简称低本底γ谱仪)经过严格的能量刻度、探测效率和探测下限的确定后，在进行试样测量前用标准试样进行系统的稳定性和状态检查，以便及时发现问题，确保测量分析结果的准确有效。

A.测量的基本程序。

a.测量γ能谱仪的本底。一般情况下，由于本底计数很低。对于低含量试样来说，为了保证本底测量的结果满足一定的统计涨落要求，本底测量一般测量时间较长，需要测量8～10h，然后将本底谱存入计算机系统以备后用。

b.测量标准源。检查系统的状态与稳定性。每次正式测量开始时，都应首先进行标准源测量。

c.测量试样。将待测试样放入谱仪系统待测位置，使被测试样与标准源的测量状态保持一致。即试样盒、装样量、密封条件一样;放置的几何条件一样;测量时间一样。获得试样的γ能谱。

d.分析测量结果。对测得的γ能谱的分析主要是定性分析(即识别峰位，确定所含放射性核素)和定量分析(即确定所含放射性核素的比活度)。

e.测量结果的不确定度分析与对试样的评判。

B.试样核素活度的计算。当测量获取的试样谱存盘后，调用谱仪的谱分析程序进行核素的定性、定量分析。

首先，程序用指定的寻峰方法进行寻峰(也可以先对谱数据进行平滑)。程序常用的平滑方法有多项式最小二乘移动平滑法和多项式加权平滑公式。常用的寻峰方法有一、二、三阶导数法等。寻峰的结果确认谱中存在的全能峰并确定其峰位，计算峰位所对应的能量。然后，程序对每一个寻找到的峰计算其峰净峰面积(用TPA法或函数拟合法)，并于核素库中的谱数据进行比较，确认谱中存在的核素。对确认的核素计算其活度值。

a.效率曲线法。活度计算公式:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:A为试样中核素的活度，Bq/L和Bq/kg;a为特征峰面积计数率，s^-1;b为本底峰面积计数率，s^-1;C_符为符合相加修正因子;P为γ发射概率;ε为γ射线全能峰效率;F_a为相对自吸收修正系数;M为试样质量或体积，kg或L;t为核素衰变时间，即从采样到测量的时间间隔;λ为核素衰变常数，λ=ln2/T_1/2，T_1/2是半衰期，它和t_a的单位一致;

C_d为核素在测量时间的衰变校正因子，按下面公式计算:

C_d=λt_c/(1-e^-λt)

这里，t_c为测量试样的真实时间。如果分析的核素半衰期与测量的时间相比很长，C_d可取为1。

b.相对比较法。程序分析给出峰净面积以后，活度A可按下式计算:

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其他符号含义与式(66.54)相同。

当使用几个γ射线全能峰测定某核素的活度A时，应首先由每个全能峰按上式分别计算出该核素的活度A_i及其第一类不确定度δ_A，然后由下式计算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

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可见，使用几个γ射线全能峰，可减小A的统计不确定度。

66.6.2.2 高纯锗γ能谱分析法

详见66.3.2高纯锗γ能谱分析法。