γ能谱测量方法.doc

核地球物理勘查结课论文

《γ能谱测量方法》

作者学号：201006100107
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。
1γ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：
（1－1）

（1－2）

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：

（2－1）

（2－2）

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