HJ 1129-2020 就地高纯锗谱仪测量土壤中γ 核素技术规范

1 适用范围

本标准规定了用于测量土壤中核素放射性活度浓度和放射性沉降灰沉积通量的就地高纯锗谱仪测量方法。

本标准适用于核事故应急监测时地表土壤人工放射性核素的测定，辐射环境质量监测可参照执行。

对于新沉降的放射性沉降灰，本标准测定的137Cs 活度浓度探测下限为 100 Bq/m2。

2 规范性引用文件

本标准引用了下列文件或其中的条款。凡是不注日期的引用文件，其有效版本适用于本标准。

GB/T 27418 测量不确定度评定和表示

ISO 18589-7 环境放射性的测量–土壤–第 7 部分：核素的就地测量（Measurement of radioactivity in the environment - Soil - Part 7: In situ measurement of gamma-emitting radionuclides）

3 术语和定义

下列术语和定义适用于本标准。

3.1 相对探测效率 relative detection efficiency

在点源至探测器前表面距离为 25cm 时，高纯锗探测器和标准圆柱形 NaI闪烁体探测器（直径 7.62 cm，高度 7.62 cm）测量 60Co 源 1332.5 keV射线的全能吸收峰探测效率之比。

注：标准圆柱形 NaI闪烁体晶体对 1332.5 keV 射线的全能吸收峰探测效率理论值为1.2×10-3。

3.2 能量分辨力 energy resolution

探测器分辨能量不同却又非常相近的入射 γ 射线的能力。能量分辨力与入射 γ 射线能量有关，对于指定能量的单能γ 射线，常用该能量的全能吸收峰的半高宽来表示，keV。

3.3 半高宽 full width at half maximum

在脉冲高度谱中，单峰峰值一半处两点的横坐标之间的距离， keV。半高宽又记作FWHM。

注：如果能谱中的峰由几个峰叠加组成，则每个峰都有一个半高宽。

3.4 探测器的视阈 field-of-view of a detector

表征探测器测量地表土壤范围的量，即探测器测量到 90%的非散射γ射线来源于该范围内的土壤。一般用测量土壤范围的半径表示，m。

3.5 探测下限 lower limit of detection （LLD）

在给定的置信度下，就地高纯锗谱仪可探测到低的活度浓度值或小沉积通量。

3.6 就地测量 in-situ measurement

不对待测对象做任何物理或化学性质处理或改变，在其所处的现场进行的测量。

3.7 探测器高度 detection height

高纯锗晶体几何中心距地表的垂直高度，m。

3.8 活度浓度 activity concentration

单位质量待测物质中放射性核素的活度，Bq▪g-1。

3.9 沉积通量 sedimentation flux

放射性沉降灰在单位面积上沉降的特定放射性核素的活度，Bq▪m-2。

3.10 就地高纯锗谱仪的探测效率 detection efficiency of in-suit HPGe Spectrometry

探测器高度为 1m 时，就地高纯锗谱仪测量能量为 E 的特征γ射线计数率与土壤中发射该射线的放射性核素的沉积通量或活度浓度之比，s-1▪-1或 s-1▪-1。

3.11 有效前面积 effective front area

表征探测器全能吸收峰探测效率的参数，即能量为 E 的γ 射线束沿探测器轴向平行入射的情况下，单位注量率所产生的全能吸收峰计数率，m2。

3.12 角度修正因子 angle correction factor

对于能量为 E 的γ射线，就地高纯锗谱仪在野外地表实际测量时与测量沿探测器轴向平行入射时，单位γ射线注量率所得全能吸收峰计数率之比，量纲一的量。

3.13 注量活度比 fluence activity ratio

土壤中单位活度浓度或单位沉积通量的放射性核素发射能量为 E 的γ射线，在地面上方 h 高度处的初级γ射线注量率，▪-1或▪ -1。

3.14 张弛深度 relaxation depth

描述放射性核素随土壤深度变化的数学参数，表示活度浓度减少至表面活度浓度的 e-1（37%）时，距离土壤表面的深度，cm。

3.15 质量张弛深度 relaxation mass per unit area

地表至待测放射性核素的张弛深度范围内，单位面积土壤的质量，g▪cm-2。

3.16 等效表面沉积通量 equivalent surface sedimentation flux

对于放射性沉降灰中的核素，假设质量张弛深度为 0 g▪cm-1时，计算得到的沉积通量即为等效表面沉积通量，Bq▪m-2。

4 方法原理

地表γ射线的注量率与土壤中放射性核素的活度浓度（沉积通量）、核素在土壤中的深度分布，以及土壤的组分、含水率等因素有关。探测器高度为 1 m 时，就地高纯锗谱仪测量的全能吸收峰计数率与土壤中放射性核素的活度浓度成正比。

式中：

A —待测放射性核素的活度浓度或沉积通量，Bq▪g-1或Bq▪m-2；

Nf —待测放射性核素的全能吸收峰净计数率，s-1；

ε—就地高纯锗谱仪的探测效率， s-1-1或 s-1-1。

5 仪器和设备

5.1 高纯锗谱仪：由高纯锗探测器、高压电源、主放大器、多道脉冲幅度分析器、制冷单元（液氮或电制冷）、数据处理系统等 6 个主要部分构成。

5.2 支架：能够固定探测器，使探测器高度距地面 1 m 高的支架，应使用低原子序数、低密度的材料制造（如：铝、塑料、木材）。

5.3 卷尺：卷尺的校准长度应大于 1 m，且校准分度不小于 1 mm。

5.4 其它辅助设备：应配备地理定位系统，记录测试时的地理坐标。

6 测量分析步骤

6.1 布点原则

一般情况，选择一个开阔、平坦的区域，而且探测器的视阈 Rs 内应无干扰物体（如建筑物、树林等），探测器的视域 Rs 见附录 A。测量放射性核素的沉积通量时，应选择自放射核素沉积以来，放射性核素在土壤中分布未被破坏的区域（如：没有农业活动）。

6.2 测量条件记录

记录测量点位地理坐标，以及气象条件、地形地貌的描述等。

6.3 仪器状态的检查

测量前，应检查高纯锗探测器的晶体温度是否达到工作温度。处于工作温度后，再打开高纯锗谱仪的偏压电源，检查仪器的能量分辨力。

6.4 就地高纯锗谱仪的安装

在选定的测量区域中间位置，将高纯锗探测器稳定地安装在测量支架上，探测器的端面朝下。调整探测器高度，使之距离地表 1 m。连接高纯锗谱仪电子学仪器的所有电缆。

6.5 测量设置

根据现场测量的待测核素特征峰的全能吸收峰计数率，设置测量时间，使得感兴趣区的计数统计涨落在 10%以内。

6.6 能谱的采集

在预定的时间内采集γ能谱。停止测量后，存储采集到的γ能谱。

6.7γ能谱分析

用γ能谱分析软件查看采集的γ能谱，若能谱中存在可明显辨别的峰，根据峰形特征设置适合的感兴趣区域，读取全能吸收峰的净峰面积；若能谱中无可明显辨别的峰，则根据待测核素的特征峰的能量和探测器的能量分辨力，设置感兴趣区，读取全能吸收峰的积分面积。

7探测效率计算

7.1原理

对于就地高纯锗谱仪而言，很难有已知不同深度分布的大面积γ射线标准场用于探测效率校准。因此，需根据土壤、空气的物理参数，采用放射性核素在土壤中分布的理论模型， 并结合探测器的特征进行探测效率计算。就地高纯锗谱仪的探测效率取决于放射性核素在土壤中的深度分布，探测器高度，探测器的性质，g 射线的能量以及在土壤和空气的吸收性质等因素，可利用如下 Beck 公式进行计算：

ε= F×W×η （2）

式中：

F—注量活度比，×-1或×-1。该物理量由放射性核素在土壤中分布、土壤组分与密度等因素决定，与探测器无关。

W—角度修正因子，由探测器的角响应因子 R和地表γ射线注量率角分布φ共同决定的，量纲一的量。这是因为探测器非标准球体，对不同角度入射的γ射线探测效率并不相同。而探测器所在的位置，γ射线是从土壤表面发射而来的（2π立体角），而非沿探测器轴向平行入射的 γ 射线，故需要进行角度修正。该物理量与探测器几何结构、γ射线能量、放射性核素在土壤的分布有关。