馮 碩,王鐵健,田 飛,李彩霞
(核工業(yè)北京地質(zhì)研究院,北京 100029)
自2016年以來,第2 次全國污染源普查伴生放射性礦普查工作全面開展,涉及的伴生放射性礦種共15 種,其中包括鐵礦的采礦、 選礦和冶煉等行業(yè)。 我國鐵礦資源豐富,分布相對集中,主要分布在遼寧、 四川和河北等省,品位在30%~60%之間,以磁鐵礦、鈦鐵礦為主[1]。 此次伴生放射性礦普查對象為原礦、 精礦、 尾礦及廢渣,涉及的放射性核素為238U、232Th 和226Ra,分析方法以高純鍺 γ能譜法為主。 高純鍺γ 能譜法需要借助于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行效率刻度,原則上要求標(biāo)準(zhǔn)源與待測樣品幾何形狀和大小完全相同、 基質(zhì)一樣或類似、 質(zhì)量密度相等。 目前,含238U、232Th 和226Ra 的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)種類較少,基質(zhì)類型較為單一,而樣品的組成及密度影響探測效率[2-5],采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)直接測量難以滿足要求。 因此,采用Angle 3.0 無源效率刻度軟件模擬,研究鐵礦石的組成、 裝樣密度及高度等因素對探測效率的影響,并通過制備含鐵標(biāo)準(zhǔn)體源進(jìn)行驗(yàn)證。
儀器:高純鍺 γ 能譜儀,探測器型號為GMX50P4—83,N 型同軸封端探頭,相對探測效率為50%,分辨率為 1.9 keV (對60Co的 1 332 keVγ 射線),美國 ORTEC 公司。 無源效率刻度軟件,Angle 3.0,美國 ORTEC 公司。
材料:鐵粉,分析純。 鈾鐳平衡粉末源(GBW 04305a),238U:39.5 Bq·g-1,226Ra:38.8 Bq·g-1,核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)。 釷平衡粉末源(GBW 04308),232Th:13.9 Bq·g-1,核工業(yè)北京地質(zhì)研究院生產(chǎn)。 圓柱形塑料裝樣盒,Φ75 mm×35 mm。
Angle3.0 無源效率刻度軟件以點(diǎn)源參考效率曲線為基礎(chǔ),通過效率轉(zhuǎn)換模擬計(jì)算可以得出不同點(diǎn)源、 面源、 體源的探測效率[6]。Angle 3.0 無源效率刻度軟件與本文采用的高純 鍺 γ 能 譜 儀 配 套 使 用 ,對 探 測 器GMX50P4—83 進(jìn)行表征后,可以針對任意材料、 幾何形狀的樣品進(jìn)行模擬計(jì)算。
無源效率刻度模擬采用單一變量的方式,研究主成分組成、 裝樣密度及裝樣高度3 個參數(shù)的影響:1) 主成分組成:O、 Si、 Al、 Fe和 Ca 元素;2) 裝樣密度:1.24、 1.86、 2.48、3.10 和 3.72 g·cm-3;3) 裝樣高度:1.5、 2.0、2.5、 3.0、 3.5、 4.0、 4.5 和 5.0 cm。238U、232Th和226Ra 無源效率刻度模擬選擇發(fā)射幾率較大的特征 γ 射線峰:238U 的 63.3、 1 001 keV,232Th 的 238、 583 和 911 keV,226Ra 的 295、352、 609 和 1 764 keV。
采用Φ75 mm×35 mm 圓柱形塑料裝樣盒裝填摻有鐵粉的標(biāo)準(zhǔn)源,制備不同密度的標(biāo)準(zhǔn)源。 標(biāo)準(zhǔn)源 1:鐵粉 125.0 g,摻入鈾鐳平衡粉末源GBW 04305a 50.0 g、 釷平衡粉末源GBW 04308 50.0 g,均勻混合;標(biāo)準(zhǔn)源 2:鐵粉279.0 g,摻入鈾鐳平衡粉末源GBW 04305a 10.0 g、 釷平衡粉末源 GBW 04308 11.0 g,均勻混合;標(biāo)準(zhǔn)源 3、 4:鈾鐳平衡粉末 源GBW 04305a 150.0 g、 釷 平 衡 粉 末 源GBW 04308 150.0 g 各 1 個,作為對比。 標(biāo)準(zhǔn)源 1、 2、 3、 4 分別裝入 Φ75 mm×35 mm 裝樣盒,密封放置20 d。 將標(biāo)準(zhǔn)源用高純鍺γ 能譜儀測量,計(jì)算得到各 γ 射線峰的探測效率ε。
式中:n—相應(yīng)能量λ 射線的凈計(jì)數(shù)率,cps;m—樣品質(zhì)量,g;a—核素的比活度,Bq·g-1;P—相應(yīng)能量γ 射線的發(fā)射幾率,無量綱。
地殼中主要組成元素含量由高到低依次為 O、 Si、 Al、 Fe 和 Ca,不同樣品其組成元素及比例各不相同,而鐵礦石中元素含量最高的可能是Fe。 假定裝樣密度一致,采用無源效率刻度軟件分別對 O、 Si、 Al、 Fe 和 Ca單一元素進(jìn)行模擬計(jì)算,得到不同元素對探測效率的影響,如圖1 所示。
由圖 1 可見,在238 keV 以上的能量區(qū)域,各元素對探測效率的影響一致。 63.3 keV射線的探測效率隨原子序數(shù)增加而降低,F(xiàn)e元素尤為明顯。
圖1 不同元素對探測效率的影響Fig. 1 Effect of different elements on detection efficiency
γ 能譜裝填的對象為粉末,裝樣密度受組成成分、 粒度及粒度分布、 壓實(shí)程度等影響[7],比真密度小。 鈾鐳平衡粉末源的基質(zhì)材料為花崗巖,真密度 2.6~3.3 g·cm-3,裝樣密度 1.24 g·cm-3(即 Φ75 mm×35 mm 裝樣盒裝樣150 g 左右)。 鐵礦石的真密度大多在 5.0 g·cm-3左右 (赤鐵礦 4.9~5.4 g·cm-3,硫鐵礦4.9~5.2 g·cm-3,菱鐵礦 3.7~4.0 g·cm-3,磁鐵礦 5.5~6.5 g·cm-3)。 鐵礦石的品位不同也影響裝樣密度。 無源效率刻度軟件可以模擬不同裝樣密度的樣品,設(shè)定裝樣密度分別為1.24、 1.86、 2.48、 3.10 和 3.72 g·cm-3,考察裝樣密度對探測效率的影響,結(jié)果如圖2 所示。
由圖2 可見,探測效率隨裝樣密度增大而減小。 在低能區(qū)(63.3 keV)探測效率下降尤為明顯;在中、 高能區(qū)(238~1 764 keV),下降趨勢減小。 對9 個能量峰分別以探測效率y對裝樣密度 x(g·cm-3)作圖,擬合結(jié)果呈線性關(guān)系,線性參數(shù)如表1 所示。 結(jié)果表明,不同裝樣密度樣品的探測效率可以通過線性回歸方程修正。
圖2 不同裝樣密度對探測效率的影響Fig. 2 Effect of different density on detection efficiency
表1 裝樣密度與探測效率的線性關(guān)系Table 1 Linear relationship between loading density and detection efficiency
圖3 不同裝樣高度對探測效率的影響Fig. 3 Effect of different loading height on detection efficiency
保持裝樣密度(ρ=1.24 g·cm-3)不變,對不同裝樣高度 1.5、 2.0、 2.5、 3.0、 3.5、 4.0、4.5 和5.0 cm 進(jìn)行無源效率刻度模擬計(jì)算,結(jié)果如圖 3 所示。 對比 3.0、 3.5、 4.0 cm 的裝樣高度對探測效率的影響,結(jié)果如表2 所示。
由圖4 可見,樣品的裝樣高度增加,樣品距探頭的平均距離增加,立體角減小,導(dǎo)致探測效率降低。 由表 2 可見,裝樣高度3.5 cm 變化±15%,低能區(qū)的探測效率變化超過10%,中高能區(qū)的探測效率變化在10%以內(nèi),裝樣高度對探測效率的影響明顯。 為減小測量誤差,裝樣時應(yīng)盡可能保持裝樣高度一致。
表2 3.0、 3.5、 4.0 cm 的裝樣高度對探測效率影響的比較Table 2 Comparison of 3.0,3.5 and 4.0 cm sample height on detection efficiency
將摻鐵標(biāo)準(zhǔn)體源、 鈾鐳平衡體源和釷平衡體源分別在高純鍺γ 能譜儀上測量,計(jì)算出探測效率。 與無源效率刻度軟件模擬計(jì)算出的探測效率相比較,所得結(jié)果如表3 所示。
由表3 可見,63.3 keV 處探測效率的實(shí)測值與擬合值相差較大,主要原因是低能區(qū)效率受組分和密度雙重影響,若組分未知,易出現(xiàn)較大偏差。 與 63.3 keV 相比,238U 的測定采用1 001 keV 更穩(wěn)定可靠。 其他γ 射線探測效率的實(shí)測值與擬合值相對偏差在7%以內(nèi)。
表3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Verification of measurement results
通過對鐵礦石的組成成分、 裝樣密度及裝樣高度采用無源效率刻度軟件模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知,1)238U 的測定在 63.3 keV 受組分和密度影響大,若組分未知,選擇1 001 keV效果更好。 2) 裝樣時應(yīng)保持裝樣高度一致。3) 裝樣密度與探測效率呈線性關(guān)系,在樣品與標(biāo)準(zhǔn)源裝樣密度不一致的情況下,可通過密度修正計(jì)算探測效率。