高純鍺γ能譜儀在石材放射性檢測過程中的 不確定度評定研究

韓建，呂旭（核工業二一六大隊，新疆 烏魯木齊 830011）

0 引言

由于社會的不斷發展，人們對生活質量的追求逐漸提升，尤其是對所處環境的安全性要求。對于建筑裝飾材料而言，石材是比較常用的一種，因此人們對其放射性較為關注。現如今有關石材的放射性核素含量是不是超標已經成為社會各界重點關注的內容。對石材的放射性有沒有超標進行確定需要經過核素的定性和定量分析，并且對石材進行等級劃分。比較常用的測量工具是高純鍺γ能譜儀，在多個領域中都有良好的應用。但是因為我國現階段各檢測機構所使用的設備沒有統一化標準，檢測人員的能力也存在差異，對檢測結果評定也會有所不同。因此，需要對石材放射性結果進行不確定度評定，從而為相關檢測提供質量保證。

1 高純鍺γ光譜儀對石材進行放射性檢測的必要性

屬于半導體探測器的高純鍺γ光譜儀是由高純度鍺制成的P-N型光譜儀，由于鍺的純度高，雜質濃度低，因此電阻率高，可以得到更密集的耗盡層，也因為鍺的原子序數很高，適合探測1條輻射線，高純度鍺γ光譜儀是一種利用二次電子電離效應測量輻射的儀器，與鍺原子相互作用的γ光子在更有利的參數下，高純鍺-1光譜儀可以達到很好的能量分辨率，而這是實驗室里的設備，在學生不斷的實驗研究中，由于環境放射性的復雜性，精確拍攝是基礎，在那里我們可以進一步研究地球的環境。地球環境中的放射性由于來源和相關光譜1的多樣性相對復雜，而傳統教學實驗中的閃爍體1光譜儀用于環境測量，因為分辨率的限制會導致多種光譜疊加，難以分析，高純度鍺γ從開始訓練至今，經過三年的學習，得到了學生們的熱烈歡迎，學生們在這次實驗中把被動學習作為一項積極的探索，不僅可以研究譜儀1的工作原理，親自研究譜γ的調試最優工作參數，學會做能量刻度，并通過對測量結果的研究，初步學會做所謂的光譜分析，建立更加科學的環境核輻射問題認識，在培養學生解決實際問題能力的過程中。

近年來，我國的房地產行業發展迅速，從而推動建筑材料市場也得到了良好的發展。由于人們物質生活水平逐漸提高，對建筑裝飾裝修也有了更高的要求，因此，有越來越多的無機非金屬建筑材料被應用在室內外裝修上。其中，應用比較廣泛的是石材、石膏制品、陶瓷以及其他新型材料等。這些材料的應用雖然能夠使家居環境得到美化，但是也增加了有害物質放射性含量，對人體健康造成較大的危害。具有放射性危害的物質通常存在于大理石、花崗巖、瓷磚等建筑材料中。依照JC518—93《天然石材產品放射性防護分類控制標準》，天然石材產品的放射性主要分為：A類、B類、C類以及大于C類[1]。對于放射性比活度超過C類值的石材，通常用于橋墩、海堤等工程中。依照國家的有關規定，市場在流通石材時，需要對石材的類別進行明確標注，然而從實際情況來看，有部分石材廠家并沒有嚴格執行這一規定，同時消費者對此也沒有全面的認識，所以在建筑裝修中就容易使用到放射性超標的石材。因此，對石材進行放射性檢測非常重要。

現階段，我國用于評價有關無機非金屬材料的放射危害性的強制性標準為GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》，并且明確要求了對石材放射性檢測主要使用低本底多道γ能譜儀[2]。其中，能譜儀類型有高純鍺探測器γ能譜儀和碘化鈉探測器γ能譜儀。而高純鍺γ能譜儀具有較高的能量分辨率，而且穩定性和線性都很好，所以具有較為廣泛的應用。

2 試驗材料和方法

2.1 材料與儀器

試驗用的主要材料為石材樣品，將其研磨成粉末狀。用到的儀器主要是高純鍺γ能譜儀(美國CANBERRA公司)，型號為GX5019。

2.2 試驗方法

將試驗用的石材樣品先經過105 ℃烘干，在24小時后對樣品質量進行測量，待達到恒重（誤差在0.1 g范圍內）后，將需要檢測的樣品進行粉碎過篩，其粒徑達到0.16 mm以下，進行稱重之后，再將其裝入到和刻度γ能譜儀的體標準源相一致的樣品盒中，對樣品質量再次進行稱重，接著使用氣密性膠帶進行密封，經過21天的放置，使用高純鍺γ能譜儀對樣品進行放射性核素226Ra、232Th、40K的比活度值測試。

2.3 測量不確定度的來源

依照對測量不確定評定和表示的有關規定，測量不確定度主要包含A類評定和B類評定兩種。其中，有關A類的評定方式較為簡單，使用也較為常見，其余使用非統計法的評定屬于B類不確定度評定。A類不確定度的來源主要通過重復性測量的相對標準方差，其中包含測量人員、環境、流程等因素。從整體上來看，這一不確定度分量也包含了多個用于B類方法評定的分量。所以，利用重復性測量，主要是為了有效簡化測量結果不確定度的評定流程，同時也給出了實際測量的評定方法。對此次試驗過程中測量不確定度的主要來源有：測量重復性的不確定、標定用標準土壤樣品活度不確定、能譜儀系統的不確定、γ能譜儀檢定所使用的計量標準及主要器具的不確定因素[3]。

近年來，我國不斷加大執行強制性國家標準的力度，建筑裝飾材料中放射性核素含量已經成為質量安全控制的重要因素，有關部門也增加了建材放射性核素的監測內容。為了能夠使監測機構為用戶提供更加可靠準確的測量數據，就需要有統一的標準樣品。依照研究，選擇建筑裝飾材料中的石材、陶瓷以及粉煤灰砌塊進行放射性標準樣品研制具有較好的合理性，能夠在放射性核素含量上展示其代表性。經過長時間的研制，確定了標準樣品中226Ra、232Th、40K這幾種核素的標準值和不確定度，這一系列的標準樣品已經列入到國家標準樣品中。

對于標準樣品，需要進行均勻性檢驗、定值數據處理以及穩定性檢驗，以此來驗證標準樣品是否能夠滿足我國建材產品放射性檢測的需要。通過高純鍺γ能譜儀測量樣品中放射性核素226Ra、232Th、40K的比活度，從而確定標準樣品的定值參數。利用方差分析法檢驗其放射性比活度的均勻性，通過檢驗表明，標準樣品的放射性含量具有均勻性。另外，使用低本底高純鍺γ能譜儀進行樣品226Ra、232Th、40K這幾種核素比活度的定值工作，通過數據處理，得到標準值以及標準值的不確定度。對數據進行正態分布檢驗，然后進行等精度分析，計算總平均值和標準偏差，以算術平均值的不確定度的2倍表示測量的不確定度。定值結果主要取算術平均值，由A類不確定度和B類不確定度共同構成標準值的總不確定度。而擴展不確定度主要是算術平均值不確定度的2倍，也就是包含因子k=2。再者，對標準樣品進行穩定性檢驗，外部環境變化不會引起放射性核素自身衰變，然而基質的質量隨著時間變化，其核素比活度穩定性會受到影響。對其穩定性進行檢驗，主要是在相同條件下使用高純鍺γ能譜儀依照一定的時間間隔對同一樣品中的226Ra、232Th、40K核素放射性比活度進行測量。通過平均值一致性檢驗法檢驗。從檢驗結果能夠看出，226Ra、232Th、40K具有可靠的穩定性，其量值具有長期穩定性。標準樣品中所含有的226Ra、232Th、40K放射性核素，涵蓋了建材產品所有要檢測的核素，比活度量級為101～103Bq/kg，總不確定度在10%以下，能夠符合我國建材產品放射性含量監測的需要。

3 不確定度評定

使用定量的方法對其進行評定難以良好的研究每個因素的影響，所以，此次試驗使用簡便方法，也就是在重復性測量的情況下對同一批次的多個試驗樣品進行測量，然后對其標準偏差進行計算，以明確各隨機因素合成重復性不確定度分量。依照國家標準GB 6566—2010《建筑材料放射性核素限量》的標準規定，如果樣品中226Ra、232Th、40K放射性比活度的總和超過37 Bq/kg，就需要進行不確定度評定測量，其中擴展因子k=1，而且測量不確定度在20%以內[2]。該次試驗中主要對石材樣品進行10次獨立的測量，每次測量時間為2小時，對226Ra、232Th、40K的比活度進行分別測量。其中測量的結果如表1所示。

表1 石材樣品226Ra、232Th、40K的比活度值

3.1 A類不確定度

3.2 B類不確定度

關于B類的不確定度主要包含能譜儀檢定中使用的標準計量器具的不確定度、儀器系統的不確定度及實驗標定使用的標準源的不確定度，該類不確定度由計量測試研究院檢定證書提供[4]。依照檢定證書提供的數據，γ能譜儀檢定使用的計量標準不確定度范圍在0.8%～4.0%，其中k=2，相對標準不確定度范圍在0.40%～2.0%，其中ub1取值2.0%，k=1。另外，能譜儀系統不確定度為ub2，取值2.0%，k=1。依照標準放射源測試證書，標定用標準源的不確定度為Ra=6.5%，k=2，Th=6.5%，k=2，K=6.5%，k=2，相對標準不確定度ub3均為3.25%，k=1。

3.3 合成不確定度

各個不確定度分量之間是相互獨立的，不存在相關性，對于A類不確定度和B類不確定度所包含的各分量進行相應的疊加合成，最終形成合成不確定度[5]。

其中，Ra=4.45% Th=4.61% K=4.34%

3.4 擴展不確定度

合成不確定度乘以包含因子就得到擴展不確定度，其中，包含因子k=2，擴展不確定度U=2uc[6]。

URa=2×4.45%=8.90%

UTh=2×4.61%=9.22%

UK=2×4.34%=8.68%

4 結果與討論

石材放射性測量結果為：

226Ra=81.9(Bq/kg)

232Th=108.1(Bq/kg)

40K=1030.2(Bq/kg)

表2 石材樣品226Ra、232Th、40K各類不確定評定結果

根據對石材樣品放射性測量中226Ra、232Th、40K的不確定度評定，依照國家標準GB 6566—2010中的相關規定，樣品中測得的226Ra、232Th、40K比活度總和超過37Bq/kg時，而且測量不確定度（k=2）在20%以內，就說明測量的結果具有可靠性和準確性。

5 結語

綜上所述，由于社會的不斷發展，人們對生活質量的追求逐漸提升，尤其是對所處環境的安全性要求。在建筑裝飾材料中比較常用的就是石材，但由于其中存在鐳、鉀、釷等天然放射性同位素，因此，石材不可避免的具有放射性。如果放射性超標，會對人體健康產生較大的危害，所以，對石材放射性含量的監測和評估非常重要。本文主要通過高純鍺γ能譜儀對石材樣品進行226Ra、232Th、40K比活度值測試，同時對測量結果進行不確定度評定。該評定結果滿足GB 6566—2010標準的要求，說明測量結果具有可靠性，能夠以日常檢測報告的形式提供給相關客戶。而且這一結果也能夠為石材類產品放射性核素限量的有效評定提供良好的綜合效益。