食品样品密度差异对HPGe γ谱仪测量结果的影响

万永亮 铁列克 朱 侠 刘默寒 刘金豪

1（新疆出入境检验检疫局检验检疫技术中心 乌鲁木齐 830063）2（新疆大学物理科学与技术学院 乌鲁木齐 830046）

食品样品密度差异对HPGe γ谱仪测量结果的影响

万永亮1铁列克1朱 侠1刘默寒2刘金豪1

1（新疆出入境检验检疫局检验检疫技术中心 乌鲁木齐 830063）2（新疆大学物理科学与技术学院 乌鲁木齐 830046）

样品与标准源质量密度往往不一致。添加等量的放射性核素232Th，制备6个密度梯次分布的食品样品，用高纯锗(HPGe) γ谱仪对232Th子体各谱线分别进行能谱分析，用全能峰面积净计数率比计算样品的相对自吸收校正系数。再用无源效率刻度软件Gammaclib对这6个密度样品进行建模仿真，拟合出各谱线效率，用效率比计算样品的相对自吸收校正系数。两种方法结果表明，食品样品与标准源的密度差异会对实验结果产生影响，需要进行自吸收校正。

高纯锗γ谱仪，自吸收校正，无源效率刻度，探测效率

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。在环境保护、辐射防护，出入境检验检疫等领域有十分广泛的应用。日本福岛“核泄漏”后，各国政府加强了对进口食品的放射性检测，食品放射性污染问题备受关注，不少实验室开展食品放射性检测。

按照GB/T 16145-1995[1]要求，使用HPGe γ谱仪进行实验测量时，标准源必须与待测样品几何形状相同、质量密度相同或相近。实验室在用γ谱仪分析食品样品放射性活度浓度时，几何形状相同容易做到，但待测样品密度与标准源经常不一致。由于不同密度样品γ射线自吸收系数不一样，当密度不一致比较大时，造成的γ射线自吸收差别不能忽略，就需要进行自吸收校正。

通常不必求出绝对自吸收校正因子，只要求出分析样品相对于标准源的自吸收校正系数即可[1]。本文用实验法和无源效率刻度法两种方法分别进行计算，以五种不同的食品作为基质，分别添加等量的含232Th的放射性物质，制备成六种质量密度不同的食品样品，用低本底HPGe γ谱仪分别进行分析。以质量密度为1.0 g·cm-3样品为参照，求不同质量密度样品相对于密度为1.0 g·cm-3的样品的自吸收校正系数为F1.0（也可以根据情况以其它密度样品作为参照，求F值）；用无源效率刻度软件Gammacalib 对各样品进行建模，拟合出不同密度、不同能量谱线相对效率值ε，求出自吸收校正系数F1.0。

1 实验方法

1.1 样品制备

从超市采购饼干、酵母粉、玉米面、绵白糖、杂粮面等质量密度不等的食品各若干。酵母粉、玉米面、绵白糖、杂粮面等粉末状样品直接装样使用。对饼干进行粉碎，过80目筛，制成粉末状装样使用。

由于一般食品样品的放射性活度很低，需要添加一定量的放射性核素以便于进行测试比较研究。选用某含有放射性核素232Th的矿物粉末，过100目筛后混匀使用。

样品罐采用Φ75 mm×70 mm标准圆柱体聚乙烯样品杯，罐体内径70 mm，内高65 mm，体积250 mL。

将各食品样品单独或混合后分别添加放射性矿物粉末(2.000±0.002) g，混合均匀后装入标准圆柱体样品杯内，经过反复压样试验，最终制备成密度从0.6 g·cm-3到1.1 g·cm-3的六个不同的食品测试样品。样品的净重及质量密度如表1所示。

1.2 实验仪器与方法

测量采用ORTEC公司生产的N型低本底HPGe γ能谱仪系统，探测器的型号为GMX40P4。晶体尺寸Φ83.6 mm×77.75 mm，对60Co 1 332 keV γ射线的能量分辨率为1.92 keV，相对探测效率为43%，峰康比为63:1。使用配套的DSPEC-jr数字化谱仪获取食品样品的能谱，并用能谱分析软件GammaVision6.0对获取的能谱进行分析。

表 1 不同质量密度的样品Table1 Samples of different mass density.

添加核素为天然放射性核素232Th，半衰期为1.405 0×1010a，选取232Th子体212Pb的238.63 keV和子体228Ac的338.32 keV、911.07 keV和969.11keV γ射线作为分析谱线。

考虑到232Th为长半衰期天然放射性核素，母子体放射性平衡后，样品中232Th子体各能量γ射放射性活度A可以简化用式(1)表示[1]：

式中，n为相应能量γ射线全能峰面积净计数率；F为样品相对于刻度源的γ射线自吸收校正系数；ε为相应能量γ射线的全能峰效率；P为相应能量γ射线的发射几率。

本文求的是相对自吸收校正系数，6个食品样品是在同一全能峰效率(ε)曲线的情况下进行测量。样品添加了等质量的放射性矿物粉末，因此各样品放射性活度A相等。实验以质量密度为1.0 g·cm-3的样品为参照，求不同质量密度样品相对于密度为1.0 g·cm-3的样品的自吸收校正系数F1.0。由式(1)可知，A、ε、P相同情况下，F与n成正比。则：

1.3 实验结果和分析

在同一全能峰效率(ε)曲线情况下，用γ能谱仪测量密度梯度为0.6–1.1 g·cm-3的6个食品测试样品，测量时间均为7 h，死时间不大于0.5%。实验测得各谱线全能峰面积净计数率n以及由式(2)计算所得的相对自吸收校正系数F1.0见表2。

表2 不同密度的样品活度和F1.0Table2 Activity and F1.0 of the samples in different density.

各谱线F1.0与密度关系曲线如图1所示。由图1看出，添加等质量放射性矿物粉末的食品样品，其相对自吸收校正系数F1.0与样品密度基本成反比关系，这是由于不同密度样品对γ射线自吸收系数不同造成的，同时可以看出，随着谱线能量增加，密度对自吸收的影响变小。因此，在密度差别比较大时，特别是所测谱线能量较低时，需要进行自吸收校正。

2 Gammacalib模拟仿真

2.1 Gammacalib软件简介

无源效率刻度是基于蒙特卡罗模拟算法(MCNP)和点源刻度技术开发的放射性检测设备的效率刻度技术。它需要对每台探测器进行单独表征，利用MCNP方法建立探测器模型，并进行计算获得探测器周围空间点源效率分布。在应用中可以不需要标准刻度源，直接拟合探测器效率曲线[2]。

图 1 各谱线F1.0与密度关系曲线Fig.1 Curve of F1.0 and density with different energy.

无源效率刻度软件必须与所使用的探测器相匹配，匹配的核心在于对探测器的表征(利用探测器对多核素点源测量建立其空间模型数据库)和验证[3]。

无源效率刻度软件Gammacalib与本文所用的HPGe γ谱仪系统配套使用，已对探测器GMX40P4进行表征。Gammacalib软件包含探测器GMX40P4的表征参数和材料的吸收系数。

Gammacalib采用CAD软件UG NX4.0进行建模。由于UG NX软件可实现对任意形状体源三维可视化快速建模，因此，Gammacalib软件可对任意材料、任意形状样品的效率曲线进行软件模拟。

2.2 理论模型和方法

设置罐体和食品样品参数如下所述。

罐体：屏蔽物、凸面体、回转对称；材料：聚乙烯，密度0.94 g·cm-3，壁厚1.5 mm。

样品：Gamma源、凸面体、回转对称；材料：碳水化合物，密度0.6–1.1 g·cm-3。

根据样品罐的尺寸和放在探头测试位置，用UG NX4.0程序建立如图2所示模型。

图2 探头及样品模型图Fig.2 Illustration model of probe and sample.

无源效率刻度软件Gammacalib可直接拟合出不同质量密度食品样品的效率曲线并且计算出各全能峰的效率ε，因此相对于密度为1.0 g·cm-3样品的相应全能峰自吸收校正系数F1.0为：

2.3 实验结果和分析

不同能量下F1.0随密度的变化如图3，无源效率软件拟合效率ε和F1.0计算结果见表3。

图 3 不同能量下F1.0随密度的变化Fig.3 Curve of F1.0 and density with different energy.

表3 无源效率软件拟合结果Table3 Simulation results by Gammacalib.

由图3可以看出，自吸收校正系数F1.0在相同能量下，密度越大，F1.0逐渐由大于1.0变到小于1.0；随着能量增加，F1.0变化越来越小，即谱线能量越高，密度变化引起的自吸收效应越小。这与图2的结果符合得比较好，其中的差异来源于能谱测量的统计误差、制样误差和模拟软件的拟合误差。

3 结语

对不同质量密度的食品样品，采用能谱分析结果计算出各能量谱线自吸收校正系数F1.0和采用无源效率刻度软件拟合计算F1.0，两种方法计算结果均表明，食品样品与标准源的密度不一致会对测量结果产生影响，影响大小与密度差异程度和谱线能量有关。

在实验室检测中，应尽量使用与待测样品密度差异不大的标准源，否则就需要自吸收校正。这对检测样品种类复杂的实验室是个非常繁琐的工作，本文的方法可以作为一个参考。

无源效率刻度方法可以拟合不同密度和组分食品样品的效率曲线，因此无需考虑样品自吸收校正问题，是实验室检测工作非常好的一个补充，但目前该方法还没有取得国内计量部门的认可，只能作为技术研究和跟踪[4]。

本文假定标准源密度为1.0 g·cm-3来计算相对自吸收校正系数F1.0，实际应用时，要根据所用的标准源密度计算相应的自吸收校正系数。

1 GB/T 16145-1995. 生物样品中放射性核素的γ能谱分析方法[S]. 1995

GB/T 16145-1995. Gamma spectrometry method of analyzing radionuclides in biological samples[S]. 1995

2 曾奕, 徐彬, 陈立. 实验室无源效率刻度技术的准确性检验[J]. 四川环境, 2011, 6(3): 5–9

ZENG Yi, XU Bin, CHEN Li. Calibration check for efficiency scale of sourceless detection in laboratory[J]. Sichuan Environment, 2011, 6(3): 5–9

3 朱文凯, 陈军, 熊建平, 等. ISOCS系统的无源效率刻度测量方法的准确性检验[J]. 核电子学与探测技术, 2005, 25(3): 286–290

ZHU Wenkai, CHEN Jun, XIONG Jianping, et al. Test of accuracy for ISOCS measurement method by efficiency calibration without a radioactive source[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 2005, 25(3): 286–290

4 周程, 王凤英, 朱晓翔. 无源效率刻度方法的实验验证和分析[J]. 核技术, 2011, 34(8): 604–607

ZHOU Cheng, WANG Fengying, ZHU Xiaoxiang. Source-free efficiency calibration and verification of a γ-ray spectral system[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(8): 604–607

CLCTL814

Effects of food sample density on detecting results of HPGe γ-spectrometer

WAN Yongliang1TIE Lieke1ZHU Xia1LIU Mohan2LIU Jinhao1
1(Xinjiang Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau, Urumqi 830063, China) 2(School of Physics Science and Technology, Xinjiang University, Urumqi 830046, China)

Background: According to the requirements of GB/T 16145-1995, the sample must be of the same mass density with standard source in the measurement of radiation activity with HPGe γ-ray spectrometer, but the density of the sample is hardly consistent with the standard source in laboratory. Purpose: The aim is to study the effect of the samples in different densities on measurement results. Methods: Firstly, the net count rates (n) of the six samples in various mass densities are measured using HPGe γ-ray spectrometer, and the respective self-absorption coefficients are calculated. Secondly, the sample-model is established using sourceless efficiency calibration software-Gammaclib. And then the detection efficiency and self-absorption coefficient are obtained. Results: The detection results show that with the raise of density, the self absorption coefficients are decreased. Conclusion: The results by both methods indicate that the differences of the density between sample and standard source have obvious influences on the measurement results and need self-absorption correction.

HPGe γ-ray spectrometer, Self-absorption correction, Sourceless efficiency calibration method, Detecting efficiency

TL814

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010205

万永亮，男，1973年出生，2013年于兰州大学获硕士学位，研究领域：放射性检测

2013-09-04，

2013-10-12