γ能谱测量方法

核地球物理勘查结课论文

《γ能谱测量方法》

作者学号：[1**********]7

作者姓名：侯凡

0 引言

γ能谱测量是最为成熟的天然核方法之一，目前，除在地面应用以外， γ能谱测量技术尚被应用于航空测量、井下测量，形成了航空γ能谱测量技术、γ能谱测井技术。由于γ射线含有关于核素特征的重要信息，因此γ射线能谱的测量是核辐射探测的一项重要工作。在核物理研究究中，测量原子核激发能级、研究核衰变纲图、测定短的核寿命、进行核反应实验等都离不开γ射线的测量。在放射性分析方面，如进行放射性矿石分析、测定堆燃料元件的燃耗、建筑材料的天然放射性分析、中子活化分析等都是基于γ射线照射量率和能量的测量。在放射性同位素的工业、农业，医疗和科学研究的各种应用中也经常使用γ射线和要求进行γ射线照射量率和能量的各种测量。在实际测量中，γ射线照射量率的测量实际上是测定某一特定能量的γ射线或者某特定能量区间内的γ射线照射量率。首先将介绍γ射线能谱学的基本原理、引起γ射线仪器谱复杂化的干扰因素；然后介绍γ能谱仪的标定；最后介绍其野外工作方法。

1 γ能谱的测量原理

1.1 概述

γ射线能谱测量是采用携带式γ能谱仪，通过现场同时测量岩石中铀、钍、钾含量来勘查矿产和解决地质问题的方法，简称为“γ能谱测量”。与自然γ 总量测量方法不同，γ能谱方法测量记录的是铀、钍、钾特征谱段的γ射线，因此可区分铀、钍、钾，故能解决较多的地质问题。

与带电粒子不同，γ射线光子是不带电的，它通过物质时不能直接使物质产生电离或激发。γ射线的探测主要依赖于使γ射线光子进行一次相互作用，将全部或部分光子能量传递给吸收物质中的一个电子。该电子的最大能量等于入射γ光子的能量，而且将以任何其它快电子(如β粒子) 的同一方式慢化并损失它们的能量。

因此，用于探测γ射线的探测器必须有两个特殊的功能。首先它必须起一个转换介质的作用，入射γ射线在探测器中有适当的相互作用几率产生一个或更多的快电子。第二，它对于这些次级电子来说必须起普通探测器的作用。 在γ射线能谱测量中有实际意义的γ射线与物质相互作用的形式主要有三种机制：光电吸收，康普顿散射和电子对生成。对低能γ射线(直到数百keV) 光电吸收占优势，对高能γ射线(5—10MeV 以上) 电子对生成占优势，而康普顿散射是介于以上两个极端情况的整个能量范围内最可能发生的过程。作用介质的原子序数对这三种作用的相对几率有明显的影响，其中变化最显著的有光电吸收截面，它大体随Z4.5而变化[1]。

1.2 原理

铀系、钍系和钾所释放的γ射线的能量具有显著差别。铀系释放的1.76MeV 的γ射线、钍系释放的2.62MeV 的γ射线、钾释放的1.46MeV 的γ射线对铀、钍、钾来说是特征的，即这三种特征能量的γ射线可以作为分别识别和测定铀、钍、钾的标志。

图1-1 岩石上实测铀系、钍系和钾的γ射线能谱图

对于同时含有铀、钍、钾的岩石，采用能谱仪，设置测定1.76、2.62、1.46MeV 的三个能窗进行测量，各能窗测量的计数可以表征为：

I U =a 1w U +b 1w Th +c 1w K

I Th =a 2w U +b 2w Th +c 2w K

（1－1） I K =a 3w U +b 3w Th +c 3w K

I a b c W ⎛U ⎫⎛ 111⎫⎛U ⎫ ⎪ ⎪ ⎪ （1－2）

I Th ⎪= a 2 I ⎪ a ⎝K ⎭⎝3b 2b 3c 2⎪W Th ⎪⎪c 3⎪⎭⎝W K ⎭

式中：ai 、bi 、ci （i ＝1，2，3）称为换算系数，分别表示单位含量的平衡铀、平衡钍、钾在不同测量窗内产生的计数率（单位分别为cpm/10-6U、cpm/10-6Th和cpm/%K），可以通过在铀、钍、钾三种标准模型上刻度时获得的9个方程来确定[2]。

测量铀、钍、钾1.76、2.62、1.46MeV 的三个能窗一般设置为：1.66～1.87MeV ；

2.41 ～2.81MeV ；1.37 ～1.57MeV 。

2 标定和标准模型

2.1标定

γ能谱仪的标定，实质上是确定道灵敏度（ai 、bi 、ci ）和换算系数（Ai 、Bi 、Ci ）以及康普顿散射修正系数。以常用的四道谱仪综合剥谱法为例，其标定过程可以归结为求解如下两个方程组：

⎧N 1=a 1Cu +b 1C Th +c 1C k ⎪N =a Cu +b C +c C ⎪ 2 2 2 Th 2 K ⎨⎪N 3=a 3Cu +b 3C Th +c 3C K

⎪N 总道＝k U Cu +k Th C Th +k k C K ⎩ （2－1）

⎧Cu =A 1N 1+B 1N 2+C 1N 3 ⎪⎨C Th =A 2N 1+B 2N 2+C 2N 3 ⎪ （2－2） ⎩C k =A 3N 1+B 3N 2+C 3N 3

2.2标准模型

为把仪器地测量结果直接表示成含量单位（g/t,ppm 等），以及测定γ能谱仪的换算系数，需要制备γ射线达到饱和厚度的标准源。这类标准源具有一定的体积，习惯上称为标准模型。

标准模型实际上是一个人造辐射体，它是用铁皮制成的圆柱形或立方体形的密封箱子，箱内装含量已准确测定的铀（或钍等）矿粉，这类标准模型称为密封模型。近年来采用下列方法制作密封模型：将矿粉加水泥等粘固剂使矿粉固结成块状，然后在成型地矿粉块表面涂以环氧树脂薄层，使矿粉块密封。这种混凝土固结地模型快可制成大块的，（整个模型是一块），也可制成小块的。若是小块的则可将多个模型块堆积成大块饱和模型，这种模型称为积木式模型。根据制作模型裁量地不同，密封模型可分为平衡铀模型、钍模型、铀-钍混合模型、钾模型及零值模型等五种，其中：

平衡铀模型——由达到放射性平衡地纯铀矿石制成，不含钍（Th/U

钍模型——由纯钍矿石制成，不含铀（Th/U>50）；

铀-钍混合模型——由铀、钍矿石混合加工而成，只要用于检验仪器换算系 数测定地准确性；

钾模型——用钾盐等制成；

“零值”模型——用放射性核素含量极低的石英砂制成，用于测定仪器底数。 对于不同用途的标准模型，其大小规格，制作模型地矿粉及其含量等都有不同地要求。

国际原子能机构推荐的，制作模型的标准参数列于表3-1，供各国同行在制作标准模型时参考。

根据模型制作质量上地差别，标准模型分为Ⅰ级模型（国家级标准）、Ⅱ级模型、Ⅲ级模型．．．．．．等。我国已建立一套用于标定地面γ能谱仪、γ能谱测井仪和航空γ能谱仪地饱和标准模型（Ⅰ级模型）、制作模型地有关参数及用途列于表2-1 及表2-2 中。

表 2-1 IAEA 推荐的标准模型参数

表2-1 中列出地各类模型，体积较大，满足γ射线饱和层的条件，称为饱和模型。这类模型制作较困难，成本高，不宜搬运，只能固定在某一地点使用。在野外工作时为方便使用可用体积较小的模型（不饱和模型）代替大模型（饱和模型）测定和检查辐射仪的换算系数。能源部核工业总公司地质局制造的小模型尺

寸为40×40×40cm2。分为铀模型、钍模型、铀-钍混合模型三种。它们的饱和度（小模型上测到的换算系数与饱和模型上测到的换算系数的比值称为模型的饱和度）约为30～40%。当用小模型测定仪器的换算系数后，将实测数据做模型饱和度修正，即可得到相当与饱和（标准）模型条件下测到的换算系数值[3]。

表3-3 我国标准模型的几何尺寸及其用途

3 地面伽玛能谱测量野外工作方法

3.1 野外伽玛能谱仪简介

闪烁计数器将γ射线转换为电脉冲，电脉冲的幅度与射线能量成正比，脉冲计数率与射线强弱有关；放大器将探测器给出的脉冲线性放大，成形展宽后送至六个脉冲幅度分析器进行幅度分析；然后信号按幅度分成六路，分别进入六个计数器进行定时计数；计数器将记录的脉冲数送入单片机。六个脉冲幅度分析器中4个用于测量总放射性、铀、钍、钾，2个用于采集稳谱数据。

单片机系统主要包括单片机芯片、程序存储器、数据存储器、接口和总线等，在固化于程序存储器中的应用软件支持下，起着定时、控制、给出稳谱信号、系数保存、含量运算及显示结果等作用。它对四个测量道的计数进行运算，利用液晶显示器给出铀、钍、钾含量及总道的铀当量含量，以便操作者记录。还对两个稳谱道的计数进行比较，比较的结果通过数模变换器输出一直流电压，作为脉冲幅度分析器的阈压，通过调整阈压来实现稳谱[4]。仪器所用的参考源是137Cs γ源。 以FD －3022为例 ，见图3-1。

图3-1 FD －3022γ能谱仪原理框图

3.2 γ能谱仪器刻度基本方法

数学原理：9个未知数至少需要9个方程才可以确定。

I U =a 1w U +b 1w Th +c 1w K

I Th = a 2 w U + b 2 w Th + c 2 w K

（3－1） I K =a 3w U +b 3w Th +c 3w K

在已铀含量为主的铀标准模型、以钍为主的钍模型、以钾为主的钾模型上，分别测量铀道、钍道、钾道的计数，即可获得确定前述方程系数的9个方程。

3.3 对野外能谱仪的基本要求

（1）体积小、重量轻、便于携带。

（2）具有两个以上的测量道。

（3）漂移小。

（4）线性好。

（5）能量分辨率高。

（6）晶体大，灵敏度高。

3.4 野外γ射线全谱测量方法

3.4.1野外γ射线全谱测量的原理

γ射线全谱是研究被测放射性物质成分的的基础。通过γ射线能量特征峰可以确定放射性核素的种类；通过特征峰的计数率可以确定对应核素的含量。

野外γ射线全谱测量，是利用γ射线全谱测量仪器，将30~3000KeV能量的γ射线均匀分布在1024个分析道中，不同分析道中的计数表示不同能量γ射线的强弱。

3.4.2 野外γ射线全谱测量的方法

（1）根据工作任务，在野外现场布置测线和测点。

（2）提前开启仪器数分钟，检查仪器工作状态：灵敏度（总计数率）、特征峰位（刻度测量道数和γ射线能量关系）。

（3）根据实测γ射线谱特征峰峰位，对野外γ射线全谱仪进行能量刻度。

（4）根据测量任务选择合适的测量时间，一般每点测量时间>180秒。

（5）设置测量参数：工作地区（任意20位字符）；测线方位（任意20位字符）；点距（最好使用与测点编号一致的距离为单位）；测线号（任意12位字符，为方便成图，最好以实际距离数字表示测线号）；测点起始编号（最好使用与测线号单位一致的距离数字表示测点编号）；测量时间（秒）；工作者（任意20字符）。并根据工作要求选择测量方式（手动测量、自动测量或自动连续测量）。

（6）逐点测量。

（7）在任意一个测点的测量过程中，都可以随时观察当前测点的测量时间、测点线号、点号、实时显示的拳谱曲线和当前光标对应的测量道址、γ射线能量、计数值等信息，也可以随时查看已有测点的γ射线全谱曲线。以便即使发现异常，实时指导工作，提高工作效率[5]。

参考文献 [1] 葛良全、周四春，核辐射测量方法[M]，成都：成都理工大学核技术与自化工程学院，2007.8

[2] 章晔、华荣洲、石柏慎，放射性方法勘查[M]，北京：原子能出版社，1990

[3] 陈伯显、张智，核辐射物理及探测学[M]，哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2011

[4] 赖万昌，核辐射探测器与核电子学[M]，成都理工大学，2003

[5] 方方，野外地面伽玛射线全谱测量研究[J]，成都理工大学学位论文，2001