Hidex液闪仪α_β甄别及谱图重建方法_冯孝贵.pdf

第 卷 第期核化学与放射化学 年月 收稿日期：；修订日期：液闪仪甄别及谱图重建方法冯孝贵，袁建华，何千舸，王建晨，陈靖清华大学 核能与新能源技术研究院，北京 摘要：采用液闪技术分析核素和核素的混合样品，甄别是一项非常实用的功能。具有甄别功能的液闪仪分为、两类。类液闪仪可以在样品测量后再确定最优甄别参数，该特点给甄别带来了较大的方便。液闪仪属于类液闪仪，但针对样品测量后重新设置的甄别参数，配套软件没有给出新的液闪谱图（包括谱图和谱图）。本工作分别以 液闪样品和铀液闪样品为例，给出了针对新甄别参数重建液闪谱图的方法。结果表明，采用该法重建的液闪谱图与文献一致。关键词：液闪；甄别；铀；液闪谱图中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，：（），：；液闪法是一种常规的放射性测量方法。由于具有探测效率高、测量精度高、样品制备简单、测量速度快、可同时测量放射性等优点，因此该分析方法在核化学、医学、生物学、考古学以及环境保护等领域中获得了越来越广泛的应用。目前商用液闪仪大多具有甄别功能。甄别的原理是利用不同射线产生的荧光在衰减时间上的差别，即脉冲形状差别，从而实现射线之间的分辨。甄别的效果与甄别参数的设置密切相关，只有在最优甄别参数下，才能得到最好的甄别效果，因此进行甄别离不开最优甄别参数的确定。具有甄别功能的液闪仪分为、两类：类，先判断一个脉冲是来自于射线还是射线，然后存储数据，存储的数据文件中不包含脉冲衰减时间信息；类，存储的数据文件中包含脉冲衰减时间信息，可以在样品测量结束后再判断每个脉冲是来自于射线还是射线。目前市场上具有甄别功能的液闪仪大多属于 类。对 类液闪仪，确定最优甄别参数的方法有两种：一种是交叉曲线法，该法存在的问题是，制作交叉曲线的标准样品与待测样品在介质、核素种类及含量等方面无法做到完全一致，从而导致从标准样品得到的最优甄别参数对于待测样品往往并非最优，因此带来额外的分析误差；另一种是二阶导数法，该法用不同的甄别参数多次测量同一个待测样品，得到计数率与甄别参数的关系曲线，然后以曲线拐点处的甄别参数作为最优值，最优值所对应的计数率即为所求。二阶导数法避免了交叉曲线法的缺点，但一个样品往往需要进行 次左右的测量，工作效率低下。本工作采用的 液闪仪 属于类液闪仪。该仪器除了提供与 类液闪仪一样的“道数计数”和“道数计数”数据文件外，还提供“（道数，）计数”数据文件。其中的 即 ，是一个反映脉冲衰减时间信息的指数，以此为基础的甄别参数称为 。当某个脉冲的 大于 时，该脉冲被认为来自于射线；反之，则被认为来自于射线。由于数据文件记录了每个脉冲的 ，因此可以在样品测量结束后再根据 值的分布来确定最优 ，从而给甄别带来较大的方便。不过，仪器配套软件只提供与预设 对应的液闪谱图，当 改变后，只提供相应的计 数 和计 数，没 有 提 供 新 的 液 闪 谱图，而正确解析样品的液闪谱图是获得样品准确计数的前提，后文将会说明错误解析谱图对样品计数的影响。因此，本工作拟提供一种液闪谱图重建方法，以便可以根据任意 条件下得到的数据文件，获得与最优 对应的液闪谱图，即道数计数图，从而为有谱图之需的 液闪仪用户提供参考。实验部分 仪器和试剂 液闪仪，配套软件 ，芬兰 公司；闪烁瓶，聚乙烯材质，美国 公司。，中国原子能科学研究院；贫铀，中核北方核燃料元件有限公司；闪烁液，美国 公司。实验方法取适量 溶液或铀溶液于 闪烁瓶中，然后加入 闪烁液，摇匀后备测。测量前设置 相 应 的 仪器参数。在 的种选项 、和 中选择 进 行 测 量，其 它 主 要 测 量 参 数 如 下：；：；：；：；本研究 最优值为，再取、这两个值作为对比之用；：。对 液闪样品，用个 进行测量。对铀液闪样品，只用最优 进行测量。测量结束后，用配套软件中的 导出格式为 的数据文件，然后用 进行后续处理。结果与讨论 导出数据文件说明导出数据文件主要包括两个数据模块。模块提供、类液闪仪都有的“道数计数”数据，包括 行列。每行的数据依次为道数（）以及与该道对应的计数 和计数。该模块的数据依赖于测量前预设的 。根据该模块作图，可以得到预设 条件下的液闪谱图，即道数计数图，包括 图和 图，仪器配套软件已经提供了该谱图，后文将会显示这些谱图，这也是 类液闪仪可以提供的谱图。模块提供类液闪仪特有的“（道数，）计数”数据，包括 行 列。行号为 ，第期冯孝贵等：液闪仪甄别及谱图重建方法与脉冲的 值对应；列号为，与道数 对应。需要注意的是，模块的道数 与模块的道数不同，但两者之间存在关联，的一个道与的 个道对应，比如：的道对应的 道，的 道对应的 道。另一个区别是，模块的计数已经区分了计数 和计数，模块的计数没有进行区分，记为 ，。以 为坐标，以 为坐标，以 ，为坐标（以不同颜色表示大小），可以得到如图所示的 图（）。图的作用主要是用来确定该样品的最优 。从图可以看出，的水平直线将该图清晰地分为上、下两个区域，因此，该样品的最优 在 附近。直线上面的区域为区域，直线下面的区域为区域。需要说明的是，与模块依赖于预设 不同，模块与预设 无关。能够提供模块的数据，是类液闪仪区别于类液闪仪的核心所在。图 液闪样品的 图 全域性样品的谱图重建像图这样，在全谱范围即 道内，存在一条水平直线，可以将样品的 图清晰地分为上、下两个区域，则该样品称为全域性样品。对全域性样品，任意 对应的 图和 图可以按照式（）（）进行重建。（），（），（）（）（）式中：，模块中的道数；，模块中的道数；，模 块 中 道 对 应 某 值 的 计 数；，模块中 道的计数；，模块中 道的计数；，模块中 道的计数向模块中道转换后的数值；，模块中 道的计数向模块中道转换后的数值。对上述公式及其用法进行说明：（）由于 只有 个值，而有 个值，即模块的个道对应于模块的 个道，式（）描述了模块和模块横坐标的转换关系。式（）中的“”是因为 个道的一半为个道，本工作以 个道的中间位置作为这 个道的代表位置。（）给定一个 ，以此将模块中的计数区分为计数和计数，小于等于 的计数归入射线贡献，大于 的计数归入射线贡献。对模块中任意一个道，用式（）计算该道计数，用式（）计算该道计数。（）假设 道对应的 个道计数均相同，用式（）计算每个道的计数，用式（）计算每个道的计数。（）作 图和 图。图表明本研究中 液闪样品为全域性样品，可以按照式（）（）进行谱图重建，得到的 图和 图示于图。由图可知，曲线、是谱图，曲线、是谱图。曲线曲线来自于式（）（），数据源为模块，每条曲线由 个点构成。其中，曲线和曲线对应预设的 ，曲线和曲线对应重置的 ，所有重置 均为，即该样品对应的最优 。曲线和曲线直接来自于模块的数据，每条曲线由 个点构成，这也是仪器配套软件提供的谱图。图的曲线共性为：（）曲线、与曲线、均对应相同的 （即均为预设 ），但由于谱图重建中的假设（前文的 道对应的 个道计数均相同）会带来一定误差，在计数变化越大的道处，该假设带来的误差也越大，因此图中曲线均与曲线近乎完全重合，而曲线与曲线在最高峰附近存在可目测的偏离；（）曲 线和 曲 线均 对 应 最 优 ，因 此核化学与放射化学第 卷预设 值：（），（），（）；重置 图 液闪样品的液闪谱图 （）、（）、（）分图中曲线完全相同，个图的曲线也完全相同，曲线与曲线分别与文献中 液闪样品的谱图和谱图趋势相同。曲线来自于 的射线贡献。（）主要的射 线能量 有 （，衰变分支比，下同）、（）、（）和 （）。由于液闪仪对射线的能量分辨能力很低，无法区分这些分支的能量，因此 的谱显示为单峰。曲线来自于 子体 的射线贡献。（）发射最大能量为 （）、（）、（）、（）和 （）的射线。其中，前两个分支是曲线左侧峰的主要来源，后个分支是曲线右侧峰的主要来源。需要说明的是，还同时发射多种能量的内转换电子，由于这些内转换电子与相应的射线之间是符合关系，因此，这些内转换电子主要使谱图向右移动，但基本不改变射线的计数。下面以曲线和曲线为比较基准，对图进行进一步说明：对图（），预设 ，即图的水平直线往下移动了 个单位，这会导致一部分计数误计为计数，从而使曲线和曲线比曲线高出一部分，而曲线和曲线比曲线低出一部分；对图（），预设 ，即为最优 ，因此曲线和曲线完全重合，曲线和曲线完全重合；对图（），预设 ，即图中的水平直线往上移动了 个单位，这会导致一部分计数误计为计数，从而使曲线和曲线比曲线低，而曲线和曲线比曲线高。上述结果表明：对全域性样品，不管测量时采用的 是否是最优值，通过事后谱图重建，总可以得到最优 条件下谱图和谱图以及相应的计数，从而得到满意的甄别效果。局域性样品的谱图重建所谓局域性样品，是相对于全域性样品而言。铀液闪样品的 图示于图。由图可知：在 道范围内找不到图中那样的水平直线，但如果将直线的作用范围缩小，比如缩小至图中 道即两条竖线之间的范围，则该直线仍然可以将该道数范围内的计数和计数分开。本工作将具有这种特点的样品称为局域性样品。图铀液闪样品的 图 实际 上，局 域 性 样 品 并 不 少 见，原 因 示 于图。图是 液闪仪定义甄别参数 时给出的原理图，虽然该图第期冯孝贵等：液闪仪甄别及谱图重建方法有脉冲衰减时间信息，但由于 液闪仪是类液闪仪，因此该仪器给出的数据文件中并不包含脉冲衰减时间信息。对比图与图可知：图的纵坐标与图相同，均为脉冲长度，表示脉冲衰减时间的长短，在 液闪仪中对应的参数为 ，脉冲长度越大，则 越大；横坐标为脉冲高度，与图的道数相对应，脉冲高度越大，则道数越大；图 中 道的趋 势与图基本相同。由图可知：对同类射线，能量越高，脉冲高度越大，在脉冲高度相同的条件下，射线的 值高于射线的 值；的作用与 相同，不过，由于 液闪仪对脉冲长度进行了相对于脉冲高度的归一化处理，即 综合考虑了射线种类以及脉冲高度对脉冲长度的影响，因此，的作用效果相当于图中斜线的分隔效果，而不是图中水平直线的分隔效果，比 能在更宽的能量范围内对脉冲进行清晰地甄别。图脉冲高度对脉冲长度的影响 对局域性样品的液闪谱图重建，需要对不同区域内的计数进行不同的处理。对图中两条竖线所夹区域内的计数，按式（）（）进行处理；对其它区域内的计数，全部归入射线的贡献。这是因为：射线的液闪谱图通常分布在比较窄的道数范围内，比如图中两条竖线所夹区域，对该区域以外的道，射线的贡献可以忽略。由图可知，该液闪样品的最优 ，因样品活度较低，需要进行长时间测量，因此对该铀液闪样品测量，并采用不同方法处理数据，得到液闪谱图示于图。其中，按对全域性样品的方法处理数据模块，得到曲线和曲线；按对局域性样品的方法处理数据模块，得到曲线和曲线；直接由数据模块作图，得到曲线和曲线，曲线和曲线也是仪器配套软件提供的谱图。由图可知：曲线与曲线近乎完全重合，曲线与曲线在最高峰附近存在可目测的偏离；道，曲线和曲线完全重合，曲线和曲线完全重合，这是因为该范围内的数据均由式（）（）得到；道以下、道以上，曲线与曲线和曲线有明显区别，曲线与曲线和曲线有明显区别，这是因为曲线和曲线采用了对局域性样品的处理方法，曲线和曲线采用了对全域性样品的处理方法。图铀液闪样品的液闪谱图 曲线是铀液闪样品的谱图，来自于 、和 的贡献。（）主要的射 线 能 量 有 （）和 （）。（）主要的射线 能 量 有 （）、（）、（）、（）。（）主要的射线能量有 （）和 （）。由于 和 的射线能量差达到 以上，尽管液闪仪对射线的能量分辨能力很低，但还是能进行一定程度的区分。不过，因为本工作采用的是贫铀样品，所以曲线在 道显示为带右肩的峰（即左峰高、右峰低），而不像天然铀样品那样是基本等高的双峰。曲线是铀液闪样品的谱图，主要来自于核化学与放射化学第 卷 子体的贡献。的一级子体 （）发射最大能量为 （）、（）、（）的射线，对应曲线左侧的峰。的二级子体 （）发射最大能量为 （）的射线，对应曲线右侧的峰。另外，的一级子体 （）发射最大能量为 （）、（）、（）、（）的射线，其对曲线的贡献叠加在 子体的谱图中。由于贫铀和天然铀的贡献均主要来自于 子体的贡献