ORTEC GEM70P4-95 P型高純鍺g譜儀的標定

楊會麗 陳 杰

(中國地震局地質(zhì)研究所 地震動力學(xué)國家重點實驗室 北京 100029)

環(huán)境劑量率的準確測量是釋光/ESR測年的關(guān)鍵之一[1-3]。高純鍺g譜儀具有分辨率高、儀器穩(wěn)定性好、測量能譜范圍寬的特點，可以同時測量多種核素、測量效率高等優(yōu)點，還可以檢驗放射性核素在地質(zhì)環(huán)境中是否達到平衡，是環(huán)境劑量率測量的重要手段之一，在國外已被不少實驗室所應(yīng)用[4]。Murry (1981)曾在其博士論文中設(shè)計和標定了一臺低水平高效率的高純鍺g譜儀， 并利用此譜儀作為一種便利的手段來檢驗考古點U238和Th232衰變系的平衡性。Hossain等(2002)曾對其使用的高純鍺g譜儀進行了標定，并采用高純鍺g譜儀、NaI (T1) g譜儀、厚源a計數(shù)儀、中子活化等不同方法對比測量了黃土樣品的環(huán)境劑量率。但國內(nèi)釋光/ESR實驗室在這方面的應(yīng)用研究卻很少。

中國地震局地質(zhì)研究所釋光年代學(xué)實驗室于2011年購置并安裝了1臺ORTEC GEM70P4-95 P型高純鍺g譜儀，其標定是一項重要的基礎(chǔ)性工作[4]。在丹麥Risoe釋光實驗室Murray教授指導(dǎo)下，我們于2011年11月利用中國劑量科學(xué)研究院提供的U/Th/Ra/K等標樣對儀器進行了標定，采用內(nèi)矩陣法求得樣品中天然放射性核素238U、232Th、226Ra、40K的含量；對樣品測量時間長短進行了對比，并選取12個樣品，分別用高純鍺g譜儀和ICP-MS方法進行了比對測量來檢驗儀器標定的可靠性。

1 實驗儀器、測量樣品盒與樣品

1.1 實驗儀器

本實驗室GEM70P4-95高純鍺g能譜儀為美國ORTEC公司產(chǎn)品，測量探頭直徑為95mm，對60Co 1.332MeV能量分辨率1.9 keV，對57Co 122MeV峰能量分辨率0.9 keV，相對探測效率75%，峰康比為76:1。在本實驗室環(huán)境下，鉛室本底在 20KeV至3MeV范圍內(nèi)，積分本底小于0.5cps 。

1.2 測量樣品盒

測量樣品盒應(yīng)盡量與高純鍺g譜儀探頭大小一致，并且密封性較好，以防止氡逃逸。丹麥riso釋光實驗室采用蠟封樣品方法，將樣品和蠟按照1:10～2:10的比例充分混合均勻，借助于馬琳杯或者圓柱杯模具，將樣品制成馬琳杯或圓柱形狀供測量使用。本實驗室采用中國劑量科學(xué)研究院電離輻射劑量科學(xué)研究所制作的圓柱形塑料樣品盒，盒內(nèi)徑為7.5 cm、高5 cm，壁厚2mm，樣品盒蓋頂部有一密封橡皮圈、盒蓋與盒身間通過螺紋密封。該樣品盒采用盒內(nèi)裝滿水進行了本底測量，每種核素積分本底均小于0.02 cps。

1.3 樣品

1.3.1 標定用參考樣品

放射性核素產(chǎn)生的伽瑪光子照射到高純鍺材料時產(chǎn)生光電效應(yīng)而損失其能量，同時產(chǎn)生電信號，經(jīng)過數(shù)字化譜儀處理和分析后即可得到用作定量分析的相關(guān)數(shù)據(jù)或譜圖，依據(jù)譜圖中能量峰的位置確定放射性核素的種類，而根據(jù)每個核素峰面積及其對應(yīng)核素的探測效率確定核素的含量。要想確定核素的種類和活度（含量）必須對儀器進行準確的能量和效率刻度。標定所用參考樣品是從中國劑量科學(xué)研究院電離輻射劑量科學(xué)研究所購買裝于上述樣品盒的 U、Ra、Th、K 標樣 ZB001、ZB002、ZB003、ZB004。此外，本實驗室還選取了丹麥Riso國家實驗室提供的U（含有子體Ra-226）標樣經(jīng)與高純度人工石英砂充分混合后裝盒密封(編號為 ZB005)，而高純度人工硫酸鉀則直接裝盒密封(編號為ZB006)。表1給出了所采用標樣的活度及活度濃度。

表1 本實驗室所用的能量效率刻度源Table 1 The standard samples used for calibration in our laboratory.

1.3.2 與ICP-MS方法對比樣品

為了檢驗本實驗室高純鍺g譜儀標定的準確和可靠性，選取基巖樣品和第四紀松散沉積物共12個樣品，分別用高純鍺g譜儀和 ICP-MS方法進行了測量對比。其中基巖樣品通過粉碎機碎至小于60目；沉積物樣品在實驗室烘箱內(nèi)烘干后，磨碎至小于60目。取出約 20克樣品寄送至澳大利亞 Perth市的intertek Genalysis Laboratory實驗室用ICP-MS方法測量，我們同時送了4個復(fù)樣，以檢驗該實驗室測量的可靠性。

剩余樣品分別裝入上述樣品盒內(nèi)，均壓實至盒內(nèi)樣品不能晃動為止，然后用透明膠帶密封，以防止氡逃逸。由于238U衰變系中第一個子體234Th半衰期為24天，樣品封盒后應(yīng)放置至少24天使鈾、鐳及它們的短壽命子體達到平衡后用本實驗室高純鍺g譜儀測量[4,5]。

2 結(jié)果與討論

2.1 能量和效率刻度

2.1.1 能量刻度

用上述含有已知活度的核素刻度源來刻度本實驗室g譜系統(tǒng)的能量響應(yīng)，完成能量刻度后才能直接從譜線中讀取核素的種類。根據(jù)Murry的建議，將235U/226Ra核素中能量峰為186 keV的子體核素設(shè)定于483道，232Th衰變子體能量峰911 keV的 核素（228Ac）設(shè)定于 2369道，譜儀系統(tǒng)通過線性內(nèi)插，將道數(shù)轉(zhuǎn)換成能量，完成儀器的能量刻度（圖1）。每次計算峰面積積分時要檢查以上兩個能量峰是否位于設(shè)定的通道上，若有道的漂移，需將漂移的峰譜線矯正至設(shè)定位置后再進行積分計算[6]。

圖1 經(jīng)過能量刻度后樣品P10TL-12的譜線Fig.1 The calibrated energy spectrum.

2.1.2 效率刻度

對于高純鍺g譜儀而言，不同能量范圍的射線，其被探測到的效率是不一樣的，不同儀器其核素探測效率也有差別，不同實驗室測量所用樣品盒的材質(zhì)、幾何形狀不同，只有經(jīng)過準確的效率刻度后才能計算每種核素的活度，因此需要對本實驗室儀器所探測到的不同能量射線探測效率進行刻度。用鈾、鐳、釷、鉀的體標準源進行效率刻度，其幾何形狀要與被測樣品相同，基質(zhì)密度和有效原子序數(shù)要盡量與被測樣品相近。

對上述中國劑量科學(xué)研究院的4個標樣測量48小時后，對其鈾、鐳、釷、鉀的譜線中子體進行全能峰積分后扣除本底，再除以測量時間，即為每種核素及其子體單位質(zhì)量單位活度下的計數(shù)率[4,7]，表2給出了本實驗室高純鍺g譜儀效率刻度后不同能量峰下核素的探測效率。完成效率刻度后可以對任一譜線中不同核素進行活度計算，核素的計數(shù)率除以其探測效率即可得到其對應(yīng)核素活度。

表2 本實驗室高純鍺g譜儀不同能量峰下核素探測效率Table 2 The calibrated detection efficiency of the different energy peak.

2.2 測量時間的確定

高純鍺g譜儀測量時間越長，統(tǒng)計誤差越小，峰型越好[5,8]。為提高測量精度和測量效率，我們對典型第四紀松散沉積物樣品LED11-210和基巖樣品BLK11-1進行了在不同測量時間長度下（0.5、1、2、4、6、8、13.2、24 h）的對比實驗。從圖2可見，隨著測量時間的增長，測量誤差明顯減小，測量時間大于8個小后，核素的活度基本上無變化，所以我們認為測量時間達到8個小時即可以滿足測量要求，同時也說明我們的儀器是穩(wěn)定的，且具有可重復(fù)性。

2.3 本實驗室高純鍺g譜儀儀器的穩(wěn)定性和可重復(fù)性

為了檢驗本實驗室高純鍺γ譜儀的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，我們選取了2個放射性平衡的樣品，進行了封盒后放置不同時間后的測量（放置時間均大于24天）。結(jié)果（表3）說明本實驗儀器的測量結(jié)果是可重復(fù)的，儀器穩(wěn)定性也很好。

圖2 不同長度測量時間下核素的活度 (a)松散沉積物樣品LED11-210, (b)基巖樣品BLK11-1Fig. 2 The nuclide activity using different measuring time.

表 3 不同時間測量樣品結(jié)果對比(Bq·kg?1)Table 3 The samples compared results in different time measure(Bq·kg?1).

2.4 與ICP-MASS測量結(jié)果的對比

澳大利亞intertek Genalysis Laboratory實驗室采用 4A/ ICP-MS(4酸溶解后電感耦合等離子體質(zhì)譜)方法測量U/Th含量，4A/ICP-OE（4酸溶解后電感耦合等離子體光譜）方法測量K含量，在此統(tǒng)一稱為ICP-MS法。此方法測量精度較高，K的精度可以達 20 ppm，U/Th的精度可達 0.01ppm。表 3給出了12個樣品兩種方法的測量結(jié)果。送澳大利亞實驗室的4個復(fù)樣在1個標準偏差內(nèi)一致，表明該實驗室的ICP-MS測量結(jié)果是可靠的和可重復(fù)的。

表4 高純鍺g譜儀與ICP-MS測量結(jié)果對比Table 4 Comparison of measured and calculated results using the Ge g-ray spectrometer and ICP-MS.

表4中兩種測量結(jié)果的比值均為1或接近1，一致很好，表明本實驗室高純鍺g譜儀的標定是可靠的，測量結(jié)果是準確的。其中樣品P10OE-7的K含量兩方法差別較大，原因是此樣品K含量低，小于0.1%導(dǎo)致相對誤差稍大，在這種情況下，ICP-MS方法精度更高。

另外在進行高純鍺g譜儀分析計算時，可以根據(jù)母體238U元素和子體226Ra元素活度，來判斷樣品在地質(zhì)歷史時期內(nèi)衰變的平衡性，如果238U元素活度與226Ra元素活度基本一致，說明此樣品是處于放射性平衡狀態(tài)；但如果238U元素活度高于226Ra元素活度，此樣品可能存在238U的富集；反之，可能有238U的丟失。本批測量的12個樣品放射性衰變均處于平衡體系中。

3 結(jié)論

對本實驗室ORTEC GEM70P4-95 P型高純鍺g譜儀的測量本底、測量條件（如樣品盒本底與測量時間）、儀器穩(wěn)定性進行了檢測。用標樣分別進行了能量刻度和效率刻度，并與ICP-MS方法進行了比測。結(jié)果表明，本實驗室高純鍺g譜儀和所選用樣品盒測量本底極低；測量時間越長，誤差越小，但達到8個小時即可滿足測量要求；本儀器經(jīng)標定后的測量結(jié)果與 ICP-MS結(jié)果在誤差范圍內(nèi)完全一致，說明標定結(jié)果是可靠的，而且具有很好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。此外本儀器能同時測量多種放射性核素，根據(jù)母體和子體的活度，可以判斷放射性衰變是否平衡。

致謝 丹麥risoe釋光實驗室Andrew Murry教授親自指導(dǎo)儀器標定并提供計算軟件；中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所顧兆炎研究員指導(dǎo)數(shù)據(jù)計算；中國劑量科學(xué)研究院電離輻射劑量科學(xué)研究所梁珺成幫助測量標樣，在此一并表示衷心感謝！

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