核物探5(伽瑪能譜2014) - 學生用A

核地球物理主講人王南萍npwang@RADIATION&ENVIRONMENTLABARATORY地球物理與信息技術學院大綱1.伽馬能譜儀2.伽馬能譜測量基本原理3.伽馬能譜測量方法4.天然放射性核素填圖校準5.質(zhì)量保證6.數(shù)據(jù)處理及圖件編制7.應用1.伽馬能譜儀伽馬能譜儀的類型-閃爍、半導體能量區(qū)分與計數(shù)儀器譜全能峰儀器能量分辨率能量道與能量窗探測器類型（1）閃爍探測器（2）半導體探測器重點：了解探測器的工作原理。（1）NaI(Tl)閃爍計數(shù)器閃爍體光電倍增管光導光屏蔽光陰極信號輸出高壓電源閃爍計數(shù)器結構示意圖光陰極陽極01001000V打拿級光電倍增管結構及工作原理光子打出電子閃爍計數(shù)器工作原理1.射線與閃爍體物質(zhì)作用，閃爍體原子、分子電離或激發(fā)；2.電離或受激原子、分子回到基態(tài)，放出光子；3.光子經(jīng)光導打到光電倍增管上；4.經(jīng)過多個打拿級倍增，陽級收集后輸出電流或電壓。NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)（1）發(fā)光效率C發(fā)光．表示閃爍體將所吸收的輻射能量轉變?yōu)楣饽艿男阅埽卜Q為以能量轉換效率，常用光輸出S來表示。

S＝n光子／ES的單位是光子數(shù)/MeV。NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)（1）發(fā)光效率C發(fā)光光輸出與發(fā)光效率的關系為：

C發(fā)光＝n光子＊hv平均／E

＝Shv平均。NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)（2）發(fā)光時間單位時間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)稱為發(fā)光強度

I（t）＝dN光子/dt＝N0／τ（e-t/τ)N0為t=0時受激的奶發(fā)光的原子（或分子）數(shù)。工作原理閃爍體特性n光子=E0K1C發(fā)光

/hv平均V=Q0/C=E0K1C發(fā)光

T透明

G收集

K2

Me/hv平均C發(fā)光-發(fā)光效率輸出電壓脈沖-重點兩個過程：核輻射轉換為光（由閃爍體完成）閃爍光轉換為電脈沖（由光電倍增管完成）光電倍增管陽極形成的電流經(jīng)RC電路轉變?yōu)殡妷好}沖

τ-光電倍增管的渡越時間，指光子到達光陰極的瞬間至陽極輸出脈沖達到基某一指定值之間的時間間隔。

NaI(Tl)閃爍計數(shù)器輸出脈沖的輻度與入射射線的能量成正比。輸出脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正比。NaI(Tl)的特性—小結大于150keV時，輸出信號幅度與入射粒子的能量成正比單晶，無色透明，探測效率高受溫度影響容易潮解NaI(Tl)的溫度特性這是譜儀發(fā)生譜漂的主要原因（2）

半導體探測器半導體探測器-固體電離室新型探測元件最大特點：能量分辯率高、雜質(zhì)含量極低固體電離導致電子－空穴對的形成；在外加電場作用下，形成電流。固體電離需要3.3eV。

HPGe探測器工作原理Er-伽瑪射線能量q-電子電荷W-產(chǎn)生電子-空穴電離能Q-輸出電荷V-脈沖幅度CF-反饋電容實測的全能峰的脈沖數(shù)與被測介質(zhì)該核素的放射性活度成正比

半導體探測器輸出脈沖的輻度與入射射線的能量成正比。輸出脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正比。能量區(qū)分與計數(shù)通過對電脈沖的脈沖幅度分析測定入射粒子的能量。利用計數(shù)器記錄一定時間間隔內(nèi)每個能量區(qū)間的脈沖個數(shù)，達到微分測量（進行能譜分析）?，F(xiàn)代脈沖幅度分析：利用ADC和單片機。（說明）死時間

在脈沖成形時間內(nèi)，不能記錄新的脈沖。

大晶體探測器要做死時間修正脈沖堆積兩個等待處理的脈沖同時到脈沖幅度分析器。通常在高計數(shù)率的情況下發(fā)生。

不能修正。

前置放大器甄別器放大器脈沖輻度分析器

液晶顯示接口（RS－232）網(wǎng)卡或藍牙PC機電源及低壓電路高壓電路輔助電路伽馬譜儀工作原理方框圖光電管NaI

探頭數(shù)字電路4芯電纜能譜分析的關鍵電子學電路脈沖幅度分析器如何進行能譜分析???由于譜儀輸出的電脈沖幅度與入射射線能量成正比，因此只需分析輸出電脈沖（通常是電壓脈沖）的高度。輸出電壓脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正比。伽馬能譜儀的儀器譜能量分辯率表示對入射伽馬射線能量區(qū)分的最小能量間隔。FWHM(FullwidthhalfMax

NaI(Tl):Cs-662keV

η=FWHM/E(%)

Ge半導體譜儀的：FWHM（60Co,1332keV)能量道與能量窗能量道與能量窗-野外儀器鉀窗：1370-1570keV鈾窗：1660-1860keV釷窗：2410-2810keV總道：410-2810keV（航空）850-2810keV（地面-FD3022）宇宙射線：3000-∞NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)能量響應

NaI(Tl)在伽馬射線能量大于150keV時是線性的。

2.伽馬能譜測量基本原理伽馬輻射

放射性衰變

伽馬射線譜

伽馬射線與物質(zhì)的相互作用放射性衰變主要放射源:K-40,豐度:總鉀的0.0118%U-238系列的衰變產(chǎn)物(子體)Th-232系列的衰變產(chǎn)物(子體)人工核素宇宙射線伽馬射線譜展寬了的譜線稱之為光電峰，由儀器的能量分辨率決定。為何單能源（K-40）也存在全譜曲線？為何在低能區(qū)間有很高的計數(shù)率？譜線為何有重疊？如何識別不同的核素？如何測定核素的含量（活度）？伽馬射線與物質(zhì)的相互作用伽馬射線在被儀器記錄之前與地下介質(zhì)作用與空氣作用與探測器的材料作用伽馬射線與物質(zhì)的相互作用I0和I分別表示特定放射性核素和二次產(chǎn)物產(chǎn)生的伽馬射線與經(jīng)過與物質(zhì)作用后的注量率線吸收系數(shù)μ質(zhì)量吸收系數(shù)μ/ρ混合物：地面伽馬能譜測量基本原理

伽馬射線與物質(zhì)的相互作用基本原理圖---半無限原理圖儀器譜-重點教材:P113圖5-2-4分析特征粒子注量Φ：假若以輻射場中某點p為中心，給出一小的球形區(qū)域，如果球體截面積為da，從各個方向射入該球體的總粒子數(shù)為dN，則dN除以da而得到的商定義為P點處的粒子注量率。粒子注量率φ：單位時間內(nèi)粒子注量的增量?；驹韴D

半無限原理圖點源粒子注量計算單能粒子注量計算公式總粒子注量計算α-假設源活度為指數(shù)分布的張馳長度的倒數(shù)，cm-1S0-面源的活度（人工核素的活度隨深度呈指數(shù)分布）對于天然放射性核素，α/ρ=0IAEABeijingNovember2009地面伽馬能譜關鍵點與測量高度有關!R(50%)=1.6xHR(90%)=6.9xH儀器死時間探測深度:0-30cm影響面積:地面伽馬能譜測量地表放射性核素的分布儀器設備儀器校準野外測量方法室內(nèi)資料處理影響因素有效性及局限性

IAEABeijingNovember2009地面放射性測量

兩類儀器總量能譜儀儀器設備

FD-3022全譜(DigiDART)(CD-10)FD-3022微機四道伽馬能譜儀探測器結構能量分辨和計數(shù)系統(tǒng)能量分辨率能量道和能量窗測量參數(shù)儀器操作探測器結構能量分辨和計數(shù)系統(tǒng)NaI(T1)探測器：Ф75×75晶體(GDB-76F)能量分辨率：7.8%(對137Cs的662keV伽馬射線)具有實時自動穩(wěn)譜裝置（用137Cs穩(wěn)譜）。能量道和能量窗能量窗核素能量(MeV)能量范圍（MeV）備注鉀窗40K（1.46）1.38-1.56鈾窗214Bi(1.76)1.66-1.90釷窗208Tl(2.62)2.44-2.77總道(Tc)0.85-3.00銫窗137Cs穩(wěn)譜用儀器結構NaI(Tl)探頭穩(wěn)譜137Cs源主機為何要穩(wěn)譜?測量參數(shù)Tc(850-3000keV)10s歸一eU(10-6)(ppm)100s歸一eTh(10-6)(ppm)100s歸一K(%)100s歸一儀器操作電源檢查選擇計數(shù)或含量擋選擇計數(shù)時間擋啟動測量測量結果循環(huán)顯示注意:隨時觀測自動穩(wěn)譜電位器隨時檢查電源如何校準儀器校準校準設施校準方法(P.171)模型校準方法宇宙射線和儀器本底測量方法能量刻度

用60Co、137Cs、及發(fā)射多種γ射線的152Eu等能量刻度源刻度γ譜儀系統(tǒng)的能量響應，將道數(shù)與能量一一對應起來,能量刻度首先要識別核素，再確定MCA道數(shù)與能量的關系C是能量為E的γ射線全能峰峰位道址，無量綱，An為擬合參數(shù)，單位為keV模型示意圖模型校準方法換算系數(shù)的測定式中Ik、Iu、ITh分別為鉀窗、鈾窗和釷窗扣除本底后的凈計數(shù)率，Ck、Cu、CTh分別為模型中鉀、鈾、釷的含量。

方程組用矩陣表示：I=AC逆矩陣解譜法步驟：將儀器放在模型中心，分別在飽和純鈾、純釷、純鉀模型測定各能量窗的計數(shù)率，采用高精度測量(計數(shù)統(tǒng)計誤差不大于2%)；在本底模型上測定各能量窗的計數(shù)率；用各能量窗扣除本底后的計數(shù)率建立9個方程組（模型上各能量窗與本底模型相應的能量窗計數(shù)率之差）；用矩陣解法求得剝譜系數(shù)；在鈾、釷混合模型上測量，用逆矩陣解譜法求其U、Th、K的含量，驗證各系數(shù)是否適用（實測的含量與模型U、Th、K含量相比，誤差是否符合規(guī)范要求。被測介質(zhì)中鉀,鈾,釷含量計算C=AI

能量（MeV）3.02.01.000102030208Tl-2.62208Tl-0.583214Bi-0.609214Bi-0.61214Bi-1.12214Bi-1.7640K-1.46E1E2E3Eo計數(shù)/秒每12keV《地面γ能譜測量技術規(guī)程》

DZ／T0205－1999模型校準誤差要求地面伽馬能譜測量

地表放射性核素的分布儀器設備儀器校準野外測量方法室內(nèi)資料處理影響因素有效性及局限性

伽馬能譜測量方法技術準備工作→測網(wǎng)實施→野外測量（測量本底，選擇基準點，選定測量時間，儀器性能檢查，野外觀測，現(xiàn)場記錄，異常點帶處理，精測）→采樣→質(zhì)量檢查→資料前期處理地面伽馬能譜測量方法測線垂直于地質(zhì)體（構造或巖本）走向測點間距：取決于地質(zhì)勘查的詳細程度（測網(wǎng)）測量高度：定高或貼地采樣時間：取決于測量精度和活度水平附屬設備：GPS準備工作儀器性能檢查宇宙射線及儀器本底測定長期穩(wěn)定性檢查儀器性能檢查漲落性短期穩(wěn)定性(一天8小時)

宇宙射線及儀器本底測定I自=I宇+I儀器方法:沒有污染的大水面水中法鉛屏法(P.163)長期穩(wěn)定性檢查選擇基準參考點野外觀測方法技術測網(wǎng)布置測量方式選擇(貼地,齊膝)(點測,連續(xù))野外觀測異常處理采樣質(zhì)量檢查資料前期處理(在野外觀測中發(fā)現(xiàn)γ能譜異常點(帶)時，應做如下工作：a.重復測量，以確定異常的存在；b.追索異常。采用“十”字剖面法或加密測網(wǎng)的辦法，圈定異常范圍，點線距視具體情況而定；c.觀察地質(zhì)現(xiàn)象，描述異常位置及賦存的地質(zhì)體、巖性、構造、圍巖蝕變、礦化特征；d.在異常極大值部位或異常有利部位(礦化、蝕變等)采集巖石或土壤樣品，供室內(nèi)研究之用；e.異常點(帶)應及時登記造冊，進行初步評價，并提出進一步處理意見。質(zhì)量檢查（1）檢查點布置原則a.檢查測量工作量不得少于總工作量的10%，但總點數(shù)不少于30；b.對有礦化及有地質(zhì)意義的異常點(帶)100%要進行檢查，一般異常點(帶)做50%的檢查，并追索到背景場3～5個測點;c.檢查線應布置在地質(zhì)上有意義或工作質(zhì)量有疑問的剖面，以互檢或自檢方式進行?！鳎絴Q1－Q2|地面伽馬能譜測量

地表放射性核素的分布儀器設備儀器校準野外測量方法室內(nèi)資料處理影響因素有效性及局限性

計算鉀,鈾,釷含量計算各參數(shù)平均值及標準偏差不同地質(zhì)單元、不同地層、不同巖性反映的γ場特征不同，應分別統(tǒng)計其鉀、鈾、釷元素含量、比值和總道計數(shù)率的背景平均值（X）、標準偏差(S)和變異系數(shù)(CV)等參數(shù)，計算公式如下：編圖參