北京放射性核素实验室研发高灵敏度反宇宙射线β-γ符合系统实现氙同位素痕量检测

为解决宇宙射线μ子干扰导致的放射性氙同位素检测灵敏度不足问题，北京放射性核素实验室（CNL06）研发了集成塑料闪烁体β探测器、HPGe γ探测器及宇宙射线否决系统的β-γ符合测量系统。通过24小时测试，该系统对131mXe、133mXe、133Xe和135Xe的最小可探测活度（MDA）分别达0.9 mBq、1.1 mBq、2.2 mBq和2.1 mBq，为《全面禁止核试验条约》（CTBT）核查提供关键技术支撑。

　　

在核不扩散与全球安全监测领域，放射性氙同位素（^131mXe、^133mXe、¹³³Xe、¹³⁵Xe）因其铀/钚裂变产物特性及半衰期适宜，成为地下核试验的"指纹证据"。然而，传统检测技术受宇宙射线μ子干扰，难以满足《全面禁止核试验条约》（CTBT）国际监测系统（IMS）对痕量样本（<1 mBq级）的苛刻要求。北京放射性核素实验室通过创新性整合β-γ符合技术与宇宙射线否决系统，实现了检测灵敏度的突破性提升。

研究团队采用多模态探测器联用策略：1）塑料闪烁体β探测器（BC404）兼具12.5 cm³气体样品腔功能；2）宽能域HPGe γ探测器（Canberra BE5030）保障能谱分辨率；3）主动式宇宙射线否决系统通过离线列表模式数据处理实现μ子本底抑制。样本测试选用含^131mXe/¹³³Xe的混合气体，通过7天空白样本质控验证系统稳定性。

【β-γ coincidence system】
双探测器几何布局优化使符合效率提升16倍，HPGe探测器经多核素（⁶⁰Co、¹³⁷Cs等）校准后能量分辨率达0.2%，塑料闪烁体通过¹³⁷Cs康普顿边缘标定实现β能谱定量解析。

【Minimum detectable activity】
反宇宙符合模式使20-2000 keV能区本底计数降低3.8倍，β门控γ谱本底抑制达16倍。系统对^133mXe的MDA优化至1.1 mBq，较常规模式提升2个数量级。

【Sample measurement】
12154秒实测数据显示，反宇宙模式在保留99.44%（^131mXe）和98.7%（¹³³Xe）特征峰信号前提下，使X/γ射线本底降低3-4倍，证实系统在复杂环境下的鲁棒性。

该研究标志着CTBT核查技术的重要进展：1）首创将宇宙射线否决系统集成于移动式β-γ符合装置；2）建立mBq级氙同位素标准化检测流程；3）为全球16个认证实验室提供技术范本。值得注意的是，系统采用的离线列表模式数据处理策略（list-mode）为未来实现实时核素识别算法开发预留接口。研究团队特别指出，该技术路径可扩展至其他惰性气体裂变产物（如³⁷Ar）监测，为核安保与辐射环境监测提供普适性解决方案。