本文主要是介绍16140-2018 水中放射性核素的γ能谱分析方法，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！
声明
本文是学习GB-T 16140-2018 水中放射性核素的γ能谱分析方法. 而整理的学习笔记,分享出来希望更多人受益,如果存在侵权请及时联系我们
1 范围
本标准规定了使用高纯锗(HPGe)γ 能谱仪测定水中γ放射性核素的方法。
本标准适用于在实验室测量水样品中γ射线能量大于40 keV 且活度不低于0.4 Bq
的放射性核素。
2 γ能谱仪
2.1 Y 能谱仪的组成
本标准推荐的谱仪系统主要包括探测器、多道脉冲幅度分析器(简称多道分析器，MCA)、
数据存储
器、永久数据存储设备、屏蔽室和其他电子学设备。
2.2 探测器
高纯锗(HPGe) 探测器的灵敏体积一般在50 cm³~150 cm³之间，对 Co1332.5 keV
γ射线的能
量分辨力(FWHM) 应不大于2.5 keV,
低噪声电荷灵敏前置放大器应和探测器组装在一起。
2.3 屏蔽室
探测器应置于厚度至少10 cm
铅当量的铅或钢铁作屏蔽物质的外辐射屏蔽室中，屏蔽室内壁距探
测器灵敏体积表面的距离至少13 cm。 当铅制屏蔽室内壁与探测器的距离小于25
cm 时，在屏蔽室的
内表面应有原子序数逐渐递减的多层内屏蔽。内屏蔽从外向里依次衬有厚度不小于1.6
mm 的镉或
锡、不小于0.4 mm 的铜以及厚度为2 mm～3mm
的有机玻璃，以减少不同材料产生的特征 X 射线的
影响。
2.4 高压电源
高压电源在0 V～5000V、1μA～100μA
范围内连续可调。稳定度优于0.1%,纹波电压不大于
0.01%。
2.5 谱放大器
应与前置放大器和多道分析器相匹配。
2.6 数据获取和存储设备
2.6.1 多道分析器
利用单独的多道分析器或计算机软件控制下的模-数转换器(ADC)
执行γ能谱仪的数据获取功能。
对于高分辨γ能谱仪，多道分析器不少于8192道。
2.6.2 数据存储器
数据存储器要有足够的数据存储和将谱数据的任一部分向一个或多个内、外终端设备(I/O)
传输
的能力，这些终端设备可以是打印机、硬盘、移动存储设备、USB、
串或并接计算机接口。
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2.7 数据处理系统
应配有用于γ能谱分析的各种常规程序，具备能量刻度、效率刻度、谱光滑、寻峰、峰面积计算和重
峰分析等功能。
2.8 测量容器
根据测量样品的体积和探测器的形状、大小选择不同形状和尺寸的测量容器。容器应由天然放射
性核素含量低、无人工放射性污染的材料制成。
3 γ能谱仪的刻度
3.1 刻度前的准备
3.1.1 Y 能谱仪的调试
按照使用说明书的要求安装和调试整个γ能谱仪系统，使之处于正常工作状态。
MCA 应调节到
能覆盖所关心的能区。对于能区为40 keV～2000 keV
的情况，应调节系统增益使13 Cs 661.6 keV光
峰处于全谱的近约三分之一处。
3.1.2 样品源与刻度源容器要求
准备测量几何条件能准确重复的样品源和刻度源容器。容器应具有良好的密封性，以保证不会污
染工作环境和人员。样品源容器和刻度源容器应相同。
3.1.3 用于能量刻度的系列标准源
3.1.3.1
刻度源的能量范围应覆盖所需能量区间(通常为40 keV～2000keV),
适于作能量刻度的发射
单能或多能γ射线的核素可参见附录 A。
3.1.3.2
用于能量刻度的刻度源，其外表面应无放射性污染，其活度应使特征峰的每秒计数达到100。
3.1.4 制备或购置用于效率刻度的系列刻度源(或标准源)
3.1.4.1
效率刻度源的核素选取取决于拟采用的γ能谱分析方法。当采用效率曲线法求解样品中核素
的活度时，可采用附录 A
中所列的发射单能或多能γ射线的核素；当采用相对比较法时，刻度源的核素
要与样品中的核素一一对应。
3.1.4.2
效率刻度源的体积、形状、基质等主要物理化学特性以及容器应与待测样品相同。
3.1.4.3
制备效率刻度源的标准溶液应由国家法定计量部门认定或可溯源到国家法定计量部门的计量
基准。标准溶液活度的标准偏差绝对值应<3.5%,刻度源的活度在40 Bq～10000
Bq之间。
3.1.4.4
效率刻度源由模拟基质加特定核素的标准溶液制备而成，它应满足核素含量准确、稳定，容器
密封等要求。本标准推荐以二次蒸馏水作为水样品模拟基质并采取适当措施以减少壁吸附。配置好的
体刻度源的不均匀性正负偏差应<2%。
3.2 能量刻度
3.2.1 高纯锗γ能谱仪的能量-道址转换系数，对能区为40 keV～2000
keV,8192 道的谱仪可调到每
道约0.25 keV。
3.2.2
能量刻度至少应包括4个能量均匀分布在所需刻度能区的刻度点。将特征γ射线能量和相应
的全能峰峰位道址在直角坐标纸上作图或对数据作最小二乘法直线或抛物线拟合，并给出能量刻度系
数和表达式。高纯锗γ能谱仪的非线性不应超过0.5%。
3.2.3
能量刻度完成以后，应经常注意能量-道址关系的变化。如果斜率和截距的变化不超过0.5%,则
GB/T 16140—2018
用已有的刻度数据，否则应重新刻度。
3.3 效率刻度
3.3.1
效率刻度测量(包括刻度源能谱测量和模拟基质本底能谱测量)时的谱仪状态应与能量刻度时
相同。刻度源(包括本底测量时的容器)与探测器的相对几何位置应是严格可重复的。
3.3.2 根据刻度的精度要求确定刻度的全能峰计数，
一般要求每个特征峰全能峰的累积计数不应小于
10000。在较短半衰期核素进行长时间测量时，如果测量活时间大于核素半衰期的5%,则应对计数作
衰变校正。
3.3.3 γ射线全吸收峰探测效率ε用式(1)计算：
………………………… (1)
式 中 ：
ε — — γ射线全吸收峰探测效率；
Rnet—— 所考虑的全能峰的净计数率，单位为计数每秒(计数/s);
R,—
已作过衰变校正的该能量γ射线的发射率，单位为光子数每秒(光子数/s),且有式(2)。
R,=A×I (2)
式 中 ：
A— 核素每秒的衰变数(放射性活度),单位为贝可(Bq);
I — 该能量 γy 射线的发射概率。
3.3.4
以γ射线能量为横坐标，γ射线全吸收峰探测效率为纵坐标，用计算机软件对实验数据作对数最
小二乘法拟合求效率曲线，在40 keV～2000 keV
范围内效率曲线可用式(3)表示：
(3)
式 中 ：
ε — — γ射线全吸收峰探测效率；
Ey— 相应的γ射线能量，单位为千电子伏(keV);
a;— 拟合常数。
高纯锗(HPGe)γ 能谱仪的典型效率曲线如图1所示。
能量/keV
图 1 高纯锗 Y 能谱仪的 一组典型效率曲线
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3.3.5
γ射线全吸收峰探测效率确定以后，如果探测器的分辨力、测量的几何条件和系统配置等没有变
化，则不必再刻度。
4 样品制备
4.1 一次测量所需水样的量
一次测量所需水样的量Vup 由式(4)计算：
式中：
Vup— LLD—
AC —
—
一次测量所需用满足"探测下限"的水量，单位为升(L); γ
能谱系统的探测下限(见附录 B), 单位为贝可(Bq);
样品中核素的预计活度浓度，单位为贝可每升(Bq/L);
预处理过程中核素回收率。
…………………………
(
如果要求作N 个平行样，需要的总水量为 N ·Vup 升。
4.2 水样的直接测量
当水样中的放射性核素活度浓度大于1 Bq/L 时，可以直接量取体积大于400 mL
的样品于测量容
器内，密封待测，否则应进行必要的预处理。
4.3 水样品的预处理
4.3.1 淡水的预处理
4.3.1.1
河水、井水等淡水样品的制备可使用蒸发浓缩、离子交换、沉淀分离等方法。
4.3.1.2 淡水样品蒸发浓缩法的操作程序如下：
a) 将所采样品转移至蒸发容器(如瓷蒸发皿或烧杯)中；
b)
使用电炉或沙浴加热蒸发容器，在70℃下蒸发，避免碘等易挥发元素在蒸发过程中的损失。
当液体量减少一半时，加入剩余样品，继续浓缩但注意留出少量样品洗涤所用容器；
c)
液体量很少时，将其转移至小瓷蒸发皿中浓缩。使用过的容器用少量蒸馏水或部分样品洗涤，
并加入浓缩液中。遇到器壁上有悬浮物等吸附时，用淀帚仔细擦洗，洗涤合并入浓缩液；
d) 将浓缩后的液体转移至测量容器，用c) 的方法洗涤使用过的容器；
e) 转移至测量容器后，如有继续浓缩的必要，可用红外灯加热，蒸发浓缩至20
mL 。在有悬浮物
或析出物的情况下，沉淀后分离出水相和固相，这时应一直浓缩到水相几乎消失。塑料测量容
器遇强热有时会变形，所以应注意灯和样品的距离不要太近；
f) 冷却后盖上测量容器盖，注意密封(必要时使用粘合剂),即可用于测量。
4.3.2 海水的预处理
4.3.2.1
本标准推荐磷钼酸铵-二氧化锰吸附分离法。向酸性样品中加入磷钼酸铵，搅拌吸附铯，其滤
液呈碱性后，加入二氧化锰粉末并搅拌，则锰、铁、钴、锌、锆、铌、钌、铈等元素的放射性核素被吸附。
4.3.2.2 试剂及仪器如下：
a) 浓盐酸；
b) 浓氨水；
c) 磷钼酸铵；
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d) MnO₂(100 目～200目);
e) 搅拌器；
f) 过滤装置(和测量盘直径大体相同)和布氏漏斗；
g) 抽滤装置；
h) pH 计 或 pH 试纸。
4.3.2.3 海水样品的操作程序如下：
a) 每升样品中加入浓盐酸1 mL, 使样品呈酸性；
b) 把样品转移到搪瓷或塑料容器或烧杯中。盛过样品液体的容器用3 mol/L
盐酸(以20 mL 为 宜)洗涤，洗液并入样品溶液中；
c) 以 1 L 样品中加入磷钼酸铵粉末0.5 g 的比例加入磷钼酸铵搅动30 min,
放置过夜；
d)
上清液用倾斜法，转移至其他容器中，沉淀用装有滤纸的漏斗或布氏漏斗分离，用0.1
mol/L
盐酸溶液洗涤。用抽滤装置尽可能去除沉淀中的水分，滤液、洗涤液均加入到溶液中去；
e) 向分离出铯的上清液中加氨水，pH 值调节到8.0～8.5;
f) 以 1 L 溶液加入 MnO₂ 粉 末 2 g 的比例加入 MnO₂ 搅 动 2 h,
放置过夜；
g)
上清液用倾斜法倾出倒掉。沉淀用装有滤纸的漏斗或布氏漏斗过滤，用少量水洗沉淀。使用
抽滤装置除去沉淀中的水分。将载有 MnO₂ 的滤纸放到 d)
中得到的磷钼酸铵沉淀之上转移 到测量容器中；
h) 测量容器的盖盖好密封后，即可测量。
5 测量
5.1
测量(本底测量和样品测量)时相对探测器的几何条件和谱仪状态应与刻度时完全一致。
5.2
由于电子仪器的限制，对全谱每秒计数率超过1000的测量应采取适当措施予以避免。
5.3 应测量模拟基质本底谱和空样品盒本底谱。
5.4 测量时间应按要求的计数误差控制。
6 γ能谱分析方法
6.1 全能峰面积确定
根据所用 Y
能谱系统的硬、软件的配置情况选用相应的解谱方法确定谱中各特征峰的峰位和全能
峰面积。确定样品谱、刻度源谱中各特征峰的面积可用函数拟合法、逐道最小二乘拟合法和全能峰面积
法。求刻度源全能峰净面积时，应将刻度源全能峰计数减去相应模拟基质本底计数；求样品谱中全能峰
净面积时，应扣除相应空样品盒本底计数。
6.2 根据γ射线全吸收峰探测效率求核素活度浓度
6.2.1 适用于没有待测核素效率刻度源可以利用的情况。
6.2.2
在重峰干扰不严重的情况下，根据效率曲线或效率曲线的拟合函数求出各相应能量
y 射线的
γ射线全吸收峰探测效率值，然后用式(5)计算水样中核素的活度浓度：
………………………… (5)
式中：
AC—— 水样中核素的活度浓度，单位为贝可每升(Bq/L);
Rne— 所考虑的全能峰的净计数率，单位为计数每秒(计数/s);
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e — γ 射线全吸收峰探测效率；
— 被测样品的体积，单位为升(L);
I —— 该能量γ射线的发射概率；
DF — 放射性核素衰变校正因子。
6.2.3 核素活度浓度的合成标准不确定度 u 。(AC) 计算见式(6):
……
(6)
式中：
u(Rme()—— 全能峰净计数率的标准不确定度；
u(ɛ)
|
|---|
|
I
— 探测效率的相对标准不确定度；
—— 被测样品体积的相对标准不确定度；
— — 发射概率的相对标准不确定度；
u() ——放射性核素衰变校正因子的相对标准不确定度。
6.2.4 净计数率Re 和计数不确定度 u(Rnet) 的计算见式(7)、式(8):
……………………
(7)
式中：
R,—
R,——
全能峰净计数率，单位为计数每秒(计数/s);
本底计数率，单位为计数每秒(计数/s);
………
… … ( 8)
C、 ——全能峰计数；
Ch—— 本底计数；
n 、——全能峰的道数；
ni—— 本底扣除的道数；
t 、—— 样品源测量时间，单位为秒(s)。
6.3 相对比较法求解核素活度浓度
6.3.1 适用于有待测核素效率刻度源的情况。
6.3.2
在获取了效率刻度源和样品的γ能谱并求解出其中各特征光峰的全能峰面积之后，按式(9)计
算各个刻度源的刻度系数 K:
式中：
…………………………
(9)
K;—— 各个刻度源的刻度系数；
S,- 第 j 种核素效率刻度源的活度，单位为贝可(Bq);
Ajs 第 j 种核素效率刻度源的第i
个特征峰的计数率，单位为计数每秒(计数/s)。
6.3.3 被测样品中第j 种核素的活度浓度可用式(10)计算：
…………………………
(10)
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式中：
A 样品谱中第j 种核素的第i 个特征峰的计数率，单位为计数每秒(计数/s);
Ajh— 本底谱中第j 种核素的第i 个特征峰的计数率，单位为计数每秒(计数/s);
V — 被测样品的体积，单位为升(L);
DF;— 放射性核素j 的衰变校正因子。
6.3.4
样品中核素活度浓度的总不确定度的主要来源是计数统计误差、标准源误差、样品体积误差、衰
变校正误差等，合成不确定度可根据误差传递原理由式(6)进行误差合成求出。
6.4 干扰和影响因素
6.4.1
当两种或两种以上核素发射的γ射线能量相近，全能峰重叠或不能完全分开时，彼此形成干扰；
在核素的活度相差很大或能量高的核素在活度上占优势时，对活度较小、能量较低的核素的分析也带来
干扰。数据处理时应尽量避免利用重峰进行计算以减少由此产生的附加分析不确定度。
6.4.2
复杂γ能谱中，曲线基底和斜坡基底对位于其上的全能峰分析构成干扰；只要有其他替代全能
峰，就不应利用这类全能峰。
6.4.3
级联γ射线在探测器中产生级联加和现象。增加样品源(或刻度源)到探测器的距离，可减少级
联加和的影响。
6.4.4 应将全谱每秒计数率限制到小于1000,使随机符合相加损失降到1%以下。
6.4.5
应使效率刻度源的密度与被分析样品的密度相同或尽量接近，以避免或减少密度差异的影响。
6.5 核素识别
根据γ能谱中能峰的能量、各能峰的相对关系、核素的特征能量和其他参数以及被测样品的属性
等识别核素。水中可能存在的主要核素的γ射线能量、半衰期和发射概率列在附录C
中 。
7 结果表述
7.1 常规测量结果报告可根据要求报告样品中超过探测下限的所有核素的以 Bq/L
为单位的活度浓 度及计数不确定度[AC±u(Rne)],
对于低于探测下限的核素其活度浓度以"小于 LLD" 表示。
7.2 γ能谱分析的探测下限计算见附录B。
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附 录 A
(资料性附录)
适于作能量刻度的 Y 放射性核素
适于作能量刻度的发射单能或多能γ射线的核素见表 A.1。
表 A.1 适于作能量刻度的发射单能或多能 Y 射线的核素
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| 241 Am |
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| 1 Ce |
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| 22 Na |
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| 152 Eu |
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GB/T 16140—2018
附 录 B
(规范性附录)
Y 能谱分析的探测下限
B. 1 Y 能谱的探测下限(lower limit of detection,或 LLD)
是在给定置信度情况下该系统可以探测到的
最低活度。
B.2 探测下限可以近似表示为式(B. 1):
LLD≈(K,+Kg)S 。 ……………… ……… (B.1)
式中：
K 。——
与预选的错误判断放射性存在的风险几率α相应的标准正态变量的上限百分位数值；
Kp—— 与探测放射性存在的预选置信度(1- β)相应的值；
S 。-— 样品净放射性的标准偏差，单位为贝可(Bq)。
如果α和β值在同一水平上，则 K 。=K 。=K, 探测下限近似表示为式(B.2):
LLD～ 2KS 。 … … … … … … … … … …(B.2)
如果总样品放射性与本底接近，则可进一步简化，见式(B.3):
LLD≈2√2KSh=2.83K/t√N, … … … … … … … … … …(B.3)
式中：
Sb— 本底计数率的标准偏差，单位为计数每秒(计数/s);
t,—— 本底谱测量时间，单位为秒(s);
N,— 本底谱中相应于某一全能峰的本底计数。
对于不同的α和β值，K 值如表B.1 所列。
表 B.1 对应于不同α和1- β值的K 值
| 1- β |
| 2 √2K |
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B.3 式 (B.3)
中探测下限是以计数率为单位。考虑到核素特性、探测效率、用样量，可计算以活度浓度
表示的探测下限，见式(B.4):
式中：
… … … … … … … … … …(B.4)
LLD—— 探测下限，单位为贝可每升(Bq/L);
η - — 所考虑核素的γ射线全吸收峰绝对效率；
r — 所考虑核素的预处理回收率，%;
V — 所考虑核素的用样量，单位为升(L)。
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附 录 C
(资料性附录)
水中可能存在的 Y 放射性核素
水中可能存在的γ放射性核素见表C.1。
表 C.1 水中可能存在的 Y 放射性核素
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| 2H Am |
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| 234 Th |
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| 133 Ba |
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| 133 Xe |
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| 147 Nd |
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| 152 Eu |
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| 154 Eu |
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| 10' Rh |
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| 99 Mo |
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GB/T 16140—2018
表 C.1 ( 续 )
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|---|---|---|---|
| 139 Ce |
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| 101 Rh |
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| 133m Xe |
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| 224 Ra |
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| 203 Hg |
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| 101 Rh |
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| 196 Au |
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| 228 Ac |
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| 152 Eu |
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| 196 Au |
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GB/T 16140—2018
表 C.1 ( 续 )
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|---|---|---|---|
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| 188 Au |
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| 103 Ru |
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| 208 TI |
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| 103 Ru |
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| 108m Ag |
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| 10m Ag |
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GB/T 16140—2018
表 C.1 ( 续 )
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|---|---|---|---|
| 108m Ag |
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| 99 Mo |
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| 208 T1 |
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| 154 Eu |
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| 110m Ag |
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| 228 Ac |
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| 110m Ag |
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| 15 Eu |
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| 228 Ac |
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| 234m Pa |
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| 152 Eu |
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GB/T 16140—2018
表 C.1 ( 续 )
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| 182 Ta |
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| 154 Eu |
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| 22 Na |
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| 24 Na |
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| 110m Ag |
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| 152 Eu |
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| 110m Ag |
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