核物探5(伽玛能谱2011)COPY

核地球物理主讲人王南萍npwang@RADIATION&ENVIRONMENTLABARATORY地球物理与信息技术学院大纲伽玛能谱测量基本原理伽玛能谱测量方法天然放射性核素填图校准质量保证数据处理及图件编制应用伽玛能谱测量基本原理伽玛辐射

放射性衰变

伽玛射线谱

伽玛射线与物质的相互作用伽玛能谱仪放射性衰变主要放射源:K-40,丰度:总钾的0.0118%U-238系列的衰变产物(子体)Th-232系列的衰变产物(子体)人工核素宇宙射线K-40能量计数率伽玛射线谱展宽了的谱线称之为光电峰，由仪器的能量分辨率决定。为何单能源（K-40）也存在全谱曲线？为何在低能区间有很高的计数率？谱线为何有重叠？如何识别不同的核素？如何测定核素的含量（活度）？伽玛射线与物质的相互作用伽玛射线在被仪器记录之前与地下介质作用与空气作用与探测器的材料作用伽玛能谱仪探测器能量区分与计数能量分辨率能量道与能量窗探测器1.闪烁探测器2.半导体探测器死时间

在脉冲成形时间内，不能记录新的脉冲。

大晶体探测器要做死时间修正脉冲堆积两个等待处理的脉冲同时到脉冲幅度分析器。通常在高计数率的情况下发生。

不能修正。

NaI(Tl)闪烁计数器闪烁计数器1.NaI(Tl)闪烁计数器闪烁体光电倍增管光导光屏蔽光阴极信号输出高压电源闪烁计数器结构示意图闪烁计数器工作原理1.射线与闪烁体物质作用，闪烁体原子、分子电离或激发；2.电离或受激原子、分子回到基态，放出光子；3.光子经光导打到光电倍增管上；4.经过多个打拿级倍增，阳级收集后输出电流或电压。光阴极阳极01001000V打拿级光电倍增管结构及工作原理光子打出电子NaI(Tl)闪烁探测器特性参数（1）发光效率C发光．表示闪烁体将所吸收的辐射能量转变为光能的性能，也称为以能量转换效率，常用光输出S来表示。

S＝n光子／ES的单位是光子数/MeV。NaI(Tl)闪烁探测器特性参数（1）发光效率C发光光输出与发光效率的关系为：

C发光＝n光子＊hv平均／E

＝Shv平均。NaI(Tl)闪烁探测器特性参数（2）发光时间单位时间内发出的光子数称为发光强度

I（t）＝dN光子/dt＝N0／τ（e-t/τ)N0为t=0时受激的奶发光的原子（或分子）数。工作原理闪烁体特性n光子=E0K1C发光

/hv平均V=Q0/C=E0K1C发光

T透明

G收集

K2

Me/hv平均C发光-发光效率输出电压脉冲两个过程：核辐射转换为光（由闪烁体完成）闪烁光转换为电脉冲（由光电倍增管完成）光电倍增管阳极形成的电流经RC电路转变为电压脉冲

τ-光电倍增管的渡越时间，指光子到达光阴极的瞬间至阳极输出脉冲达到基某一指定值之间的时间间隔。

NaI(Tl)闪烁计数器输出脉冲的辐度与入射射线的能量成正比。输出脉冲的个数与入射粒子的个数成正比。探测效率对α粒子的探测效率接近100%对β射线主要取决于甄别阈对γ射线主要取决于闪烁体的尺寸

NaI(Tl)的特性—小结大于150keV时，输出信号幅度与入射粒子的能量成正比单晶，无色透明，探测效率高受温度影响容易潮解NaI(Tl)的温度特性这是谱仪发生谱漂的主要原因2.半导体探测器半导体探测器-固体电离室新型探测元件最大特点：能量分辩率高、杂质含量极低固体电离导致电子－空穴对的形成；在外加电场作用下，形成电流。固体电离需要3.3eV。

半导体探测器分类按材料分：锗(伽玛)、硅(alpha)按结构分：P型、N型按制造工艺分：离子注入型、面垒型、扩散型按外形分：同轴型、平面型、井型

同轴高纯锗结构示意图HPGe探测器HPGe结构工作原理特性参数半导体的基本知识

固体能量理论本征半导体载流子的产生与复合载流子与外加电场的关系本征半导体理想的不含杂质的半导体在无外界作用时，导带中的电子和满带中的空穴都应由热激发产生，而且电子数目严格等于空穴数目，这样的半导体材料称为本征半导体。载流子：电子和空穴统称为载流子。载流子的产生：在光、热、核辐射作用下产生平衡载流子：热平衡下产生的载流子非平衡载流子：由外界（如核辐射）产生，入射粒子射入半导体中，产生很多电子-空穴对。非平衡载流子与平衡载流子一样，在半导体内会自发地迁移可在外电场作用下漂移，直到它们被收集在电极上，或发生电子和空穴复合，以及电子和空穴俘获。非平衡载流子的复合和俘获对核辐射探测来说是不希望的。载流子在外加电场的作用下用漂移运动，电子和空穴的漂移We和Wh速度与电场强度的关系为：We=μeEWh=μhE半导体探测器的基本原理若能量为E0的核辐射粒子，其能量全部损失在半导体探测器的灵敏体积内，所产生的电子-空穴对数目为：N=E0/Ww-平均电离能在半导体中产生一个电子-空穴对所需要的平均电离能W约为3eV。（气体中约30eV）由于探测器加反向偏压，探测器灵敏体积内部形成电场区。在没有核辐射粒子入射时，由于绝缘电阻很大，漏电流很小；有入射粒子，它们损失能量，在介质内就产生电子-空穴对，在外电场作用下运动，从而在电极上出现感应电荷，电荷在电容C上积累而形成电压脉冲。光子入射-固体电离（产生电子-空穴对）-在外电场作用下漂移-电极上出现感应电荷-在电容C上积累而形成电压脉冲HPGe探测器工作原理Q-输出电荷V-脉冲幅度CF-反馈电容Er-伽玛射线能量q-电子电荷W-产生电子-空穴电离能半导体探测器输出脉冲的辐度与入射射线的能量成正比。输出脉冲的个数与入射粒子的个数成正比。能量区分与计数谱仪的仪器方框图前置放大器甄别器放大器脉冲辐度分析器

液晶显示接口（RS－232）PC机电源及低压电路高压电路辅助电路伽玛谱仪工作原理方框图光电管NaI半导体探测器-HPGe能谱分析的关键电子学电路脉冲幅度分析器如何进行能谱分析???由于谱仪输出的电脉冲幅度与入射射线能量成正比，因此只需分析输出电脉冲（通常是电压脉冲）的高度。输出电压脉冲的个数与入射粒子的个数成正比。利用计数器记录一定时间间隔内每个能量区间的脉冲个数，达到微分测量（进行能谱分析）。现代脉冲幅度分析：利用ADC和单片机。（说明）Ge半导体谱仪的能量分辩率FWHM（60Co,1332keV)能量道与能量窗能量道与能量窗-野外仪器钾窗：1370-1570keV铀窗：1660-1860keV钍窗：2410-2810keV总道：410-2810keV（航空）850-2810keV（地面）宇宙射线：3000-∞NaI(Tl)闪烁探测器特性参数能量响应

NaI(Tl)在伽玛射线能量大于150keV时是线性的。

伽玛谱分析探测器响应函数峰位与峰面积探测器响应函数单能射线如何导致谱的复杂化?探测器响应函数由于射线与物质的相互作用导致了射线谱的复杂化。实测的脉冲幅度（高度）分布表明：全能吸收峰高能的边缘，并由于能量沉淀、康普顿效应、电子对效应或其他作用向低能方向分布。探测器响应函数-康普顿本底的形成探测器内发生的单一康普顿效应导致了从零至康普顿能量边缘的连续康普顿分布。Ec=E[1-1(1+2E/E0)]式中：E0是电子的剩于能量（511keV).多次散射导致扩展到全能峰。探测器响应函数-电子对效应晶体中的电子对效应导致单逃逸峰，E-E0双逃逸峰E-2E0探测器响应函数-其他在探测器非灵敏体积内的康普顿效应也能被记录。在脉冲幅度上通常显示为“背散射”，最大能量为E/（1+2E/E0）探测器周围材料中的电子对效应会导致511keV的能量峰探测器响应函数综上，探测器的响应(测得的信号)可以表示为式中,DE(E)与能量为E光子在探测器内沉积能量E’成正比,单位:/E’注量Gv(E’)与单位脉冲高度(沉积能量E’导致增加的脉冲高度)成正比。（高斯分布）峰位与峰面积伽玛能谱分析程序的任务是寻找和确定全能峰并求解峰面积。全能峰的峰位表示特征伽玛射线的能量（定性分析），净峰面积与核素活度成正比（定量分析）。全能（吸收）峰：光子的能量都阻止在晶体（耗尽层）里，形成的脉冲峰ROIregionofinterested

毛面积Ag（Grossarea）由全能峰（ROI）覆盖的所有道的计数的总和为总面积计数

净面积An（netarea）全能峰的净面积就是可变总面积减去可变计算的本底

能量刻度谱仪如何确定能量？1.识别核素能量刻度确定MCA道数与能量的关系式中，C是能量为E(keV或MeV)的γ射线全能峰峰位的道址，无量纲；

An为拟合参数，keV；γ能谱仪的能量刻度是指确定能谱仪中多道分析器的道址与γ射线能量的关系。在能谱仪系统测量条件确定的情况下，能量刻度的精度主要取决于标准（刻度）源的特性和活度；刻度用γ射线能量的分布和精度、谱仪系统的能量和稳定性。NaI(T1)γ谱仪能量较差，宜用单能γ射线源进行刻度，但单能γ源较少，有时也选择几种能量且能量相差较大的γ射线源，一般用137Cs源。HPGe通常采用152Eu源能量分辨率NaI(Tl)闪烁探测器或谱仪的特性参数能量分辨率表示对入射伽玛射线能量区分的最小能量间隔。（对137Cs的0.662MeV

而言）

η=FWHM/E(%)

FullwidthhalfMax2.活度测定效率刻度，通常用相对比较法求得单位时间、单位活度仪器的响应（特征全能峰）伽玛能谱测量方法测线垂直于地质体（构造或岩本）走向测点间距：取决于地质勘查的详细程度（测网）测量高度：定高或贴地采样时间：取决于测量精度和活度水平附属设备：GPS天然放射性核素填图及校准地面伽马能谱测量基本原理

伽玛射线与物质的相互作用基本原理图---半无限原理图仪器谱伽玛射线与物质的相互作用I0和I分别表示特定放射性核素和二次产物产生的伽玛射线与经过与物质作用后的注量率线吸收系数μ质量吸收系数μ/ρ混合物：粒子注量Φ：假若以辐射场中某点p为中心，给出一小的球形区域，如果球体截面积为da，从各个方向射入该球体的总粒子数为dN，则dN除以da而得到的商定义为P点处的粒子注量率。粒子注量率φ：单位时间内粒子注量的增量。基本原理图

半无限原理图点源粒子注量计算单能粒子注量计算公式总粒子注量计算α-假设源活度为指数分布的张驰长度的倒数，cm-1S0-面源的活度（人工核素的活度随深度呈指数分布）对于天然放射性核素，α/ρ=0地面伽玛能谱测量地表放射性核素的分布仪器设备仪器校准野外测量方法室内资料处理影响因素有效性及局限性

天然放射性核素散落灰地表放射性核素的分布地面伽玛能谱测量的两个基本假设分布均匀处于放射性平衡?散落灰

呈指数分布仪器设备

FD-3022全谱(DigiDART)(CD-10)FD-3022微机四道伽玛能谱仪探测器结构能量分辨和计数系统能量分辨率能量道和能量窗测量参数仪器操作探测器结构能量分辨和计数系统NaI(T1)探测器：Ф75×75晶体(GDB-76F)能量分辨率：7.8%(对137Cs的662keV伽玛射线)具有实时自动稳谱装置（用137Cs稳谱）。能量道和能量窗能量窗核素能量(MeV)能量范围（MeV）备注钾窗40K（1.46）1.38-1.56铀窗214Bi(1.76)1.66-1.90钍窗208Tl(2.62)2.44-2.77总道(Tc)0.85-3.00铯窗137Cs稳谱用仪器结构NaI(Tl)探头稳谱137Cs源主机为何要稳谱?测量参数Tc(850-3000keV)10s归一eU(10-6)(ppm)100s归一eTh(10-6)(ppm)100s归一K(%)100s归一仪器操作电源检查选择计数或含量挡选择计数时间挡启动测量测量结果循环显示注意:随时观测自动稳谱电位器随时检查电源如何校准仪器校准校准设施校准方法(P.171)模型校准方法宇宙射线和仪器本底测量方法模型校准方法换算系数的测定式中Ik、Iu、ITh分别为钾窗、铀窗和钍窗扣除本底后的净计数率，Ck、Cu、CTh分别为模型中钾、铀、钍的含量。

方程组用矩阵表示：I=AC逆矩阵解谱法步骤：将仪器放在模型中心，分别在饱和纯铀、纯钍、纯钾模型测定各能量窗的计数率，采用高精度测量(计数统计误差不大于2%)；在本底模型上测定各能量窗的计数率；用各道净计数率建立9个方程组（模型上各道计数率与本底模型相应道计数率之差）；用矩阵解法求得剥谱系数；在铀、钍混合模型上测量，用逆矩阵解谱法求其U、Th、K的含量，验证各系数是否适用（实测的含量与模型U、Th、K含量相比，误差是否符合规范要求。被测介质中钾,铀,钍含量计算

能量（MeV）3.02.01.000102030208Tl-2.62208Tl-0.583214Bi-0.609214Bi-0.61214Bi-1.12214Bi-1.7640K-1.46E1E2E3Eo计数/秒每12keV《地面γ能谱测量技术规程》

DZ／T0205－1999模型校准误差要求地面伽玛能谱测量

地表放射性核素的分布仪器设备仪器校准野外测量方法室内资料处理影响因素有效性及局限性

伽玛能谱测量方法技术准备工作→测网实施→野外测量（测量本底，选择基准点，选定测量时间，仪器性能检查，野外观测，现场记录，异常点带处理，精测）→采样→质量检查→资料前期处理准备工作仪器性能检查宇宙射线及仪器本底测定长期稳定性检查仪器性能检查涨落性短期稳定性(一天8小时)

宇宙射线及仪器本底测定I自=I宇+I仪器方法:没有污染的大水面水中法铅屏法(P.163)长期稳定性检查选择基准参考点野外观测方法技术测网布置测量方式选择(贴地,齐膝)(点测,连续)野外观测异常处理采样质量检查资料前期处理(在野外观测中发现γ能谱异常点(带)时，应做如下工作：a.重复测量，以确定异常的存在；b.追索异常。采用“十”字剖面法或加密测网的办法，圈定异常范围，点线距视具体情况而定；c.观察地质现象，描述异常位置及赋存的地质体、岩性、构造、围岩蚀变、矿化特征；d.在异常极大值部位或异常有利部位(矿化、蚀变等)采集岩石或土壤样品，供室内研究之用；e.异常点(带)应及时登记造册，进行初步评价，并提出进一步处理意见。质量检查（1）检查点布置原则a.检查测量工作量不得少于总工作量的10%，但总点数不少于30；b.对有矿化及有地质意义的异常点(带)100%要进行检查，一般异常点(带)做50%的检查，并追索到背景场3～5个测点;c.检查线应布置在地质上有意义或工作质量有疑问的剖面，以互检或自检方式进行。△＝|Q1－Q2|地面伽玛能谱测量

地表放射性核素的分布仪器设备仪器校准野外测量方法室内资料处理影响因素有效性及局限性

计算钾,铀,钍含量计算各参数平均值及标准偏差不同地质单元、不同地层、不同岩性反映的γ场特征不同，应分别统计其钾、铀、钍元素含量、比值和总道计数率的背景平均值（X）、标准偏差(S)和变异系数(CV)等参数，计算公式如下：编图参数统计图（直方图）平面剖面图平面等值线图(平均值加均方误差)

背景场（正常场）、偏高场、高场、异常场综合剖面图（地质物探综合剖面图）作图软件Graphersurfer参数统计样本数平均值标准偏差最小值最大值U（10-6g/g）1106.341.792.4710.98Th（10-6g/g）15121.324.7910.1940.72K（10-2g/g）1562.580.720.904.71K/Th(104)1430.120.050.020.25U/Th1240.34U/K(10-4)1012.300.680.903.97地面伽玛能谱测量地表放射性核素的分布仪器设备仪器校准野外测量方法室内资料处理影响因素有效性及局限性

宇宙射线地形散射体降雨覆盖层(雪层,植被…)湿度分布不均匀温度(影响NaI(Tl))地面伽玛能谱测量

地表放射性核素的分布仪器设备仪器校准野外测量方法室内资料处理影响因素有效性及局限性

高准确性快速探测深度有限(地下50cm)质量保证内部质量保证-文件测量步骤仪器和软件测试刻度日常检定程序活度测量标准源（标准物质）的可溯源性-追溯到国家或国际标准外部质量保证不同实验室之前的比对应用第四章伽玛能谱测量4.1地质基础4.2空间伽玛辐射场4.3闪烁探测器4.4航空伽玛能谱测量原理4.5航空伽玛能谱测量方法技术4.6天然放射性核素地质填图仪器刻度