食品放射性分析中伽马射线能谱法 40K 诱导背景的抑制：一项蒙特卡洛研究

《Applied Radiation and Isotopes》：Suppression of 40K-Induced Background in Gamma-Ray Spectrometry for Food Radioactivity Analysis: A Monte Carlo Study

　　

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  Geant4 模拟量化了伽马射线能谱分析中由 ⁴⁰K 诱导的韧致辐射背景。
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  设计了一种优化的样品容器以屏蔽 ⁴⁰K 背景。
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  提出的容器设计提高了食品样品中低能放射性核素的检测灵敏度。

引言

食品中放射性的评估及其相关的安全监测对公众健康至关重要 [1]。高纯锗 (HPGe) 伽马射线能谱分析由于其卓越的能量分辨率和非破坏性分析能力，已成为该领域的主要技术 [2]，[3]。然而，该技术的准确性常常受到基质诱导背景干扰的挑战，这显著提高了痕量放射性核素的检测限 [4]，[5]。

这一挑战主要源于样品基质中丰富的天然放射性核素 ⁴⁰K [6]。尽管 ⁴⁰K 传统上被排除在官方辐射剂量评估之外，因为其在人体内的积累受稳态控制，但在实验室测量中它仍然是一个主要的分析障碍 [1]。具体而言，⁴⁰K 发射的特征性 1,460 keV 伽马射线在探测器内发生康普顿散射，形成宽阔的康普顿连续谱。此外，来自 ⁴⁰K 的高能 beta 粒子与样品基质及周围屏蔽材料相互作用产生韧致辐射，提高了低能基线 [7]，[8]。根据 IAEA 安全报告，食品安全主要关注的放射性核素包括 ²³⁸U 系列子体（例如 ²¹⁰Pb）、²³²Th 系列子体（例如 ²²⁸Ac）以及如 ¹³⁷Cs 等人造核素，因为它们对内照射剂量有显著贡献 [4]。这种来自 ⁴⁰K 的复杂背景干扰显著重叠了这些关键核素的主要能量区域。因此，目标峰被淹没，净峰面积计算出现误差，并且观察到最低可探测活度 (MDA) 显著增加 [9]。

现有研究探索了一些减轻 ⁴⁰K 干扰的方法，例如化学分离和数学背景扣除。化学预处理，包括酸浸提或磷钼酸铵 (AMP) 共沉淀，可以有效去除样品基质中的 ⁴⁰K，显著提高峰背比 [10]，[11]。然而，此类方法通常繁琐、耗时且具有破坏性，不适合食品安全法规要求的大批量样品快速、非破坏性筛选 [10]。另一方面，数学方法虽然方便且无破坏性，但严重依赖于对谱形的假设。在复杂基质条件或低计数率下，此类方法可能会引入显著的拟合误差和不确定性 [12]。

蒙特卡洛 (MC) 模拟已成为优化辐射探测系统的强大工具，能够详细研究辐射传输和相互作用过程 [13]。虽然以前关于 ⁴⁰K 对人体屏蔽的 MC 模拟研究证实了其在减轻伽马光子效应方面的有效性，但也强调了 beta 诱导的韧致辐射作为一种持续的低能背景辐射来源构成了更大的挑战 [7]。解决这一特定的屏蔽瓶颈，本研究通过优化样品容器的结构设计，在源头抑制 beta 韧致辐射。这种方法将为提高食品样品中核素分析的准确性提供一种新颖可靠的解决方案。

章节摘要

实验装置与蒙特卡洛建模

本研究采用了康宁 (Canberra) 制造的宽能谱高纯锗探测器 (BE 5030)。该探测器对 ⁶⁰Co 1332 keV 伽马射线的相对探测效率为 50.5%，能量分辨率为 1.65 keV。探测器晶体直径为 78.88 mm，厚度为 30.92 mm。其主要结构包括 0.5 mm 厚的碳窗 (1.42 g/cm³)、1.6 mm 厚的铝端盖 (2.7 g/cm³) 和铜冷却指支撑 (8.96 g/cm³)。为了获得

伽马射线光谱分析中 ⁴⁰K 的干扰分析

如图 2、图 3、图 4、图 5 所示，⁴⁰K 的存在显著提高了中低能区的连续康普顿背景。从物理上讲，这种连续谱主要源于 1,460 keV 光子通过康普顿散射的部分能量沉积，以及源自屏蔽材料的多次散射光子的积累 [14]。干扰强度与 ⁴⁰K 的活度呈正相关。对于 46.5 keV 的 ²¹⁰Pb，即使在 1:1

结论

本研究采用 Geant4 蒙特卡洛模拟阐明了 ⁴⁰K 在伽马射线能谱分析中的干扰机制，并开发了一种优化的样品容器。模拟证实，⁴⁰K 的存在会在低至中能范围内产生高强度连续背景，其干扰强度与 ⁴⁰K 活度强相关，并表现出显著的能量依赖性。值得注意的是，揭示出 1,000 keV 以下的背景谱

CRediT 作者贡献声明

张萱: 方法论。杨宝露: 写作 – 审查与编辑，概念化。陈贺婷: 写作 – 初稿，可视化，形式分析，概念化。王红英: 可视化。叶正林: 可视化。孔淑英: 形式分析。秦维浩: 可视化。李泽舒: 方法论。周强: 写作 – 审查与编辑。托飞: 写作 – 审查与编辑

竞争利益声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为影响了本报告中所述的工作。

致谢

这项工作得到了 国家自然科学基金 (项目号 21806156) 的支持

陈贺婷 | 杨宝露 | 张萱 | 托飞 | 周强 | 李泽舒 | 秦维浩 | 孔淑英 | 叶正林 | 王红英