ISOTOPIC γ能譜廢物測定

ISOTOPIC為放射性廢物分析和表征應用中遇到的各種伽馬射線測量問題提供了實用的集成解決方案。它可分析高分辨率、高純鍺（HPGe）譜，以及確定大體積樣品的測定結果。

ISOTOPIC可以“開箱即用”，用于作為易操作移動系統（如ORTEC ISO-CART-85）的一部分，或者被集成到自動化系統中，例如，用于退役項目中大型容器的高通量測量。

適用性
適用于以下幾何形狀：

• 箱、桶、管或表面（準直探測器）
• 封閉幾何小容器（例如帶端蓋的瓶子）
• 土壤和地表的大面積測定（非準直探測器：M-1方法）

ISOTOPIC提供了許多標準幾何形狀“模板”，可以從中開發出特定的測量配置。這些模板包括圓柱體（從頂部和側面；包括帶襯里的圓柱體（管道））、箱、點源（遠場）、帶端蓋的封閉幾何小容器和無限平面。ISO-CART-85上的瓶計數選件是“帶端蓋”封閉幾何形狀的一個例子。無限平面（土壤）模式提供沖刷到無限平面內或無限平面上污染、脫落或大面積泄漏的非準直測量，見的是地面上土壤的測量。

方法
在容器模式中，對于包裹、管道和表面的計數，探測器通過單次點源測量進行校準，即使在使用準直器時也是如此。該初級校準符合任何探測器的認證標準，可以外推或建模以匹配樣品的物理狀況、容器幾何形狀、材料和基質組成。模型基于“點 - 核”方法，它將整個測量問題分解為多個源/基質像素，并計算它們對復合譜的貢獻并求和。該方法類似于蒙特卡羅方法，利用用戶提供的探測器參數（晶體直徑、晶體長度、死層和端蓋厚度）作為測量配置的一部分。除了一次點源校準之外，不需要特殊的單獨測量來校準探測器。

ISOTOPIC包括改進的“封閉幾何”算法，其中探測器與容器之間的距離小于15厘米。

對于非準直的大面積土壤計數，可以使用由美國DOE EML2和后來擴展3開發的“1米”方法。它適用于許多情況：

• 對以前使用過的場地進行凈化評估
• 對緊急情況下沉積的核素進行評估
• 核設施附近的常規環境監測

EML方法將復雜的測量問題簡化為三個易確定因子的乘積。伽馬射線峰面積通過三個因子的乘積與特定的核素活度相關。一系列探測器類型和土壤條件的因子已被確定，并在程序內列出。效率校準使用1.33MeV下ANSI/IEEE 325-1996所規定的效率以及晶體長度和直徑確定。

為了提高低能量下的精度，用戶可以使用與容器模式相同的校準來代替EML方法。

不需要探測器的特殊（且昂貴）蒙特卡羅校準。通過選擇土壤類型和核素分布類型來確定衰減校正：近期（表面）沉積物、較舊（沖入）沉積物或自然（均勻）沉積物。能量和峰形校準使用多線源進行，可以自動化。如果您使用ISOTOPIC，則不會出現意外的探測器校準成本。

單個容器的多次測量
在測量任何大型廢物容器時，通常會從不同方向進行多次測量，以確保獲得結果。如果只有一個硬件系統可用，則可以按順序完成測量，如果有多組硬件可用，則可以同時完成測量。ISOTOPIC可以根據用戶定義的加權平均值自動組合所得結果。當同時使用多個探測器時，可以在屏幕上同時顯示每個探測器的實時譜，以確保數據的準確性。

標準和自定義報告
ISOTOPIC可在標準產品中提供靈活的報告。所有可更改的參數都可以包含在標準輸出報告中。分析結果存儲在MS Access兼容數據庫中，便于打印或導出，以供進一步處理成總結報告。自定義的報告可以通過使用水晶報表生成。

硬件兼容性
與所有ORTEC CONNECTIONS應用軟件產品一樣，ISOTOPIC與所有ORTEC MCA硬件兼容。特別是，它非常適合與IDM-200-V一起使用，這是一種完整的耐用型便攜式HPGe譜儀系統，不需要使用液氮。

支持系統集成商
系統集成商通常需要開發自動化系統，其中硬件控制和分析的細節在很大程度上都由人工操作員隱藏在軟件層下，該軟件層旨在提供簡化的用戶界面和/或允許無人值守的操作。標準用戶文檔集包含大量文檔，其中使用示例材料說明了如何從命令行控制分析引擎。分析參數和分析結果將保存到ACCESS兼容數據庫中。它提供了所有必需的文件結構信息，包括ISOTOPIC數據庫文件結構。頻譜或“SPC”文件結構提供在單獨的隨附手冊中。

ORTEC硬件控制通過所謂的UMCBI實現，它為所有受支持的譜硬件提供通用API。程序員工具包作為選件可向系統集成商提供有關如何從他/她自己開發的程序輕松控制MCA硬件的說明。通常，基本的ISOTOPIC程序用于設置系統硬件和校準，然后集成商的應用程序將在常規的操作周期內控制系統。利用這些工具和提供的文檔級別，系統集成商可以輕松開發復雜的測量系統。

使用ISOTOPIC
ISOTOPIC有兩種模式：管理員和操作員。操作員只需要從管理員定義的系統選項的最小子集中做出選擇。管理員模式用于定義允許操作員執行的操作。向導將指導管理員設置操作員程序。向導在邏輯分組的屏幕上顯示參數，并強調方法的可行性。

管理員/操作員分區使即使是半熟練的操作員也能在現場收集良好的數據，同時減少浪費的重復時間（每個測量項目的成本更低）。當然，熟練的用戶可以選擇運行兩種模式。

管理員可校準系統，創建庫，定義樣品幾何形狀、基質、準直器以及其他功能供操作員以后使用。管理員還可以定義允許操作員訪問的功能。

操作員主屏幕由管理員授予的權限決定，比管理員屏幕簡單很多。在日常使用中，對于容器分析，操作員只需要啟動采集，選擇配置（的標準容器配置），然后輸入“記錄數據”，例如容器ID、類型、重量和關鍵測量數據（如探測器到容器的距離）。

標準容器配置和準直器配置由管理員定義和指定。容器配置包括默認尺寸、材料和基質細節。在需要時，操作員可以指定和調用任何數量的這些配置。

分析工具
交互式結果圖
分析完成后，操作員可以通過使用核素圖調整容器/基質物理參數（例如基質密度或容器壁厚），以優化結果。

該圖顯示了校正測量活度與所計算的每個核素參考峰值活度之間的百分比差異。管理員可選擇參考峰值。操作員可以優化分析，調整容器、基質和鈾的重量分數，以優化結果。如果來自多峰核素的點在“零線”附近呈正態分布，這意味著具有良好的結果。在分析鈾時，如果已知U-235濃縮，則可以輸入該值，以便更準確地計算含有弱鈾活度樣品中的U-238和U-234值。通過該方法可以以更高的精度分析均勻和不均勻的樣品。對于材料分布不均勻的包裹，用戶將獲得可使一些核素活度圖變得較為平坦的參數組合。該圖與譜圖一起可以構成輸出報告的一部分。

視場計算器
探測器視場是測量中的重要參數。軟件算法根據準直器視場中“看到”的內容進行“校正”或調整，以分析整個容器的內容。一般情況下，選擇視場以使其被容器填充，遠于此位置將降低譜中的信噪比，近于此位置將導致測量更容易受到局部不均勻性的影響（通過在不同方向進行多次測量，可以進一步減小影響）。方便的視場計算器使操作員能夠評估容器的哪個部分實際上在準直探測器的視場內。

報告
完成微調后，操作員可為每個顯示活度和重量的核素選擇報告。然后打印這些結果并存檔。報告文件可以以數據庫摘要或完整報告的形式寫入，完整報告將顯示所有輸入和校正信息。使用報告生成器選項可以生成自定義報告。誤差估計的組件表格可用于幫助減少總體不確定性，例如，通過延長計數時間或重新定位探測器。如果任何校正看起來過大，用戶也會收到警告。計算每種核素的最小可檢測活性（MDA）。多次測量的活性、U或Pu的克數或MDA可報告為加權平均值。加權可由用戶定義。

結果的準確性
單次測量的基本假設是整個物體包含與被測部分體積相同的基質和比活度。通過從物體表面上的不同點進行多次測量并比較相似性，可以減少由于該假設不正確導致的不準確性。這些比較可用于開發單個物體的測量策略，從而減少此類系統誤差。如果需要，ISOTOPIC可以提供加權平均報告，包括相關的最小可檢測活性。

總體而言，結果準確性的主要影響因素是：統計和計數時間、校準不確定性、對單個物體進行的重復測量次數（隨機不確定性）、基質密度和核素分布的不均勻性以及從不同方向對單個物體進行的測量次數（系統誤差）。

10至50％的準確度范圍應被視為具有代表性，范圍更小的是均勻和輕質基質中明確定義的幾何形狀。

分析庫管理器
ISOTOPIC包含一個用于構建自定義分析庫的綜合庫編輯器。編輯器允許操作員從主庫中剪切和粘貼核素和峰，向各個峰添加識別標記（單個逃逸峰、X射線或其他）和分析（關鍵線或從活度計算中排除），并將庫另存為任何名稱。它還集成了完整的Nuclide Navigator（核素導航器）庫工具。ISOTOPIC將使用“核素導航器”，讀取Microsoft Access數據庫格式的“核素導航器”庫（無需轉換），并以數據庫格式保存庫以供“核素導航器”使用。

質量保證
ISOTOPIC的質量保證符合ANSI N13.30的要求。對于每個探測器，會監測以下內容：

• 探測器總本底
• 所有校準核素的總（衰變校正）活度
• 平均FWHM比（譜與校準標準）
• 平均FW1/10M比（譜與校準標準）
• 與庫值的平均峰值偏移
• 實際峰值中心能量

計算細節

容器的同位素模式方法綜述
容器中同位素的活度由下式給出：

其中

A_isotope = 報告的同位素活度（Bq/μCi）。

PA_meas = 所測得的同位素參考伽馬射線的峰面積計數率（c/s）。該數量可直接從譜和采集活時時間確定。如果存在短半衰期同位素或流動樣品中的樣品活性快速變化，ORTEC的ZDT死時間校正算法將非常有用。

CF_item = 容器、基質和樣本自衰減校正因子。ISOTOPIC根據配置中提供的物理數據計算這些數據。

CF_col= 準直器校正因子。一些伽馬射線將穿透鍺探測器周圍的準直器。準直器校正因子在很大程度上取決于準直器的直徑、準直的深度和準直器的壁厚以及輻射的角度及其能量。

通過先計算未被準直器遮蔽的活度部分，然后計算剩余活度穿透準直器的長度，可以確定準直器校正因子。這針對被測物品的每個體素確定。

如果沒有準直器，則設置為1。

BR?ray = 伽馬射線分支比。該信息包含在核素庫中。

det = 使用NIST可追蹤點源測得的探測器效率（cps/Bq、μCi）。典型的校準距離是30厘米，在該距離處，探測器和源可以被視為點對象。在近距離處，不能忽視探測器長度和直徑尺寸。通過在校準過程中提供這些尺寸，可以自動校正簡單的“點探測器”假設。ISOTOPIC管理員手冊1中描述了封閉幾何形狀的校正。

當需要報告同位素的克數量Mass_isotope時，這些由下式給出：


其中
N = 報告同位素的原子數。
λ_isotope = 報告同位素的衰變常數 (秒–1)。
At = 被測量同位素的原子序數（g/Av）。
Av = 阿伏伽德羅常數。

平均多次測量的結果
將多次測量結果組合在一起后，可根據下式計算加權平均值：

A_average = ∑ A_i w_i/∑w_i

其中
A_i = 各活度（克或MDA）結果。
w_i = 用戶定義的加權因子。

土壤方
比活度A (Bq/m2或Bq/g) 與凈峰值計數率Nf 有關：

其中
N_f /N₀ = 對于土壤中給定源分布，探測器在該能量下的角度校正因子。
N₀ /Φ = 對于垂直于探測器面入射的峰值能量的平行伽馬射線束，每單位未經碰撞通量的峰值計數率 (cpm/γ s^–1)。
Φ/A = 每單位庫存在峰值能量下到達探測器的總未經碰撞通量或土壤中的核素濃度 (γ cm^–2 s^–1)  或 (γ g^–1 s^–1)。

估算校準因子的方法使用了有關探測器的信息和被測放射性核素的分布：

• 探測器效率（表示為％）
• 探測器方向（向上或向下）
• 探測器長寬比（以晶體長度/晶體直徑計算）
• 沉積剖面參數α/ρ值

對于所有自然發射體，假設α/ρ為0（均勻分布）。對于原狀土上的沉降，假設α/ρ為無窮大（僅用于表面分布）。

通過計算每個校準參數的值，在ISOTOPIC中應用Beck方法。將對所有被識別核素的每個伽馬射線進行計算。
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1Hagenauer，R.C.，“對表征不佳放射性同位素的無損檢測定量分析”，第四次無損檢測和非破壞性廢物表征會議論文集，鹽湖城，1995年。

2H.L.Beck等人，“原位Ge（Li）和NaI（Tl）γ射線能譜測量”，美國能源部，環境測量實驗室，HASL-258，9月（1972）。

3I.K.Helfer和K.M.Miller，“用于現場光譜測定的Ge探測器的校準因子”，健康物理，第55卷，第1號，第15-29頁（1988）。

42012年NPL核工業能力測試練習。NPL報告IR 30 2013（英國國家物理實驗室）。ORTEC系統在其中的編號為9。

5對于M-1模式下的土壤表征，建議使用晶體長度/直徑在0.5到1.3范圍內的HPGe。80％的HPGe探測器符合此標準。ORTEC PROFILE M系列探測器非常適合這種和ISOTOPIC容器測量。規格-

一般規格
采集控制和定量分析功能被整合在一個簡練的程序包中，適用于基于PC的原位γ光譜測量系統，可測定容器、物體、表面和土壤的放射性含量。

操作系統
Windows 7 64位硬件兼容性適用于所有使用USB和TCP/IP連接協議的ORTEC儀器。Windows 7和XP 32位操作系統也支持這些儀器以及其他傳統硬件。

譜測量硬件支持
建議將ISOTOPIC與ORTEC IDM-V-200集成HPGe譜儀結合使用。但它與所有ORTEC MCB（過去和現在）以及受ORTEC CONNECTIONS支持的所有其他設備兼容。支持高級操作（需要硬件支持）：放大器增益/整形控制、自動PZ、“優化”和InSight™模式、digiDART現場模式、MCB頻譜穩定器的圖形設置和統計不確定性峰值。一般建議將IDM-200-V用于現場測量。

支持的文件格式
ORTEC .SPC和.CHN以及ASCII“.SPE”為文件保存、調用和比較功能中的標準格式。可以使用A49-B32 Data Master導入其他文件格式。

定量譜分析方法

峰值搜索
指定核素按庫方向的峰值搜索以及非指定核素的Mariscotti峰值搜索，主庫和補充（“可疑”）庫都被使用。

交互式批量樣本參數調整
交互式基質和容器調整以及新基質的自動衰減校正。易于使用的相關分析結果的圖形顯示，可顯示基質。

解卷積方法
峰值查找器和庫都可用于指導解卷積過程。在可能的情況下，根據識別的峰值自動重新校準能量/通道。

選擇檢測限形式

• ORTEC傳統
• ORTEC臨界水平
• 無MDA（如果低于MDA則報告為零）
• KTA規則
• 檢測限2西格瑪 - 日本
• 檢測限3西格瑪 - 日本
• 居里檢測限
• RISO MDA
• ORTEC LLD
• 峰面積
• 空氣監測 - Gimrad方法
• 監管指南4.16方法
• 計數實驗室 - 美國
• DIN 25 482.5檢出限
• DIN 25 482.5檢測限
• GTN5/CEA/EDF（法國）
• Nureg 0472

衰變校正

• 對任何日期/時間進行后退或前進的衰變校正

譜校正

• 峰值本底校正
• 隨機求和（高速率計數損失）
• 基于庫的峰值干擾校正

報告
選擇ORTEC標準報告選項：

• 直接打印
• 自動寫入數據庫
• 以Crystal Report的格式輸出
• 以HTML格式報告。可以從那里將它保存為磁盤文件。

校準

能量校準

• 多點，能量和FWHM的二次方
• 自動能量校準（號6,006,162）

半經驗效率校準擬合選項：

同位素模式
通過以下其中一種方法建立點源校準：

• 單功能多項式（x點）
• “拐點”上方和下方的插值
• 用戶設置“拐點”上方或下方的二次方
• 用戶設置“拐點”上方或下方的線性

通過程序內部的點源內核計算，將點源校準外推到基質物理幾何形狀的情況。

無限平面模式（適用于土壤和表面：非準直探測器）
Beck21米方法可擴展到大型探測器尺寸3，由美國能源部環境測量實驗室（EML）使用。EML方法基于探測器尺寸和IEEE效率值生成效率曲線。土壤密度和衰減在用戶可編輯的α/ρ文件中指定。

土壤衰減因子
在土壤中，衰減取決于土壤厚度和密度，其由參數α/ρ建模（其中α是弛豫長度的倒數，定義為將特定能量下的通量減少e倍所需的土壤厚度，ρ是土壤密度，單位為gm/cc）。對于表面分布，α/ρ為無窮大，而對于均勻（自然發射體）分布，α/ρ為0。在0.05到0.5范圍內的α/ρ值被發現能夠準確地描述真實的沉降分布，時間更久的沉降由更小的α/ρ值表示。

α/ρ值與特定核素有關，存儲在表中，該表可以由用戶編輯以反映測量條件。