（核技术及应用专业论文）航空γ能谱系统中自动稳谱的研究与实现.pdf

摘 要 i 航空航空 能谱系统中自动稳谱的研究与实现能谱系统中自动稳谱的研究与实现 作者简介：罗耀耀，男，1984 年 4 月生，师从成都理工大学葛良全教授， 2010 年 06 月毕业与成都理工大学核技术及应用专业，获得工学硕士学位。 摘摘 要要 航空 能谱仪已经在矿产普查、 环境调查、 监测与评价、 基础地质调查研究、 核事故应急监测和寻找丢失的辐射源等各个领域展开了应用， 并且取得了重大的 成就。随着我国经济建设的发展，航空 能谱仪应用的研究越来越深入，必将发 挥更大的作用。 课题来源于国家 863 计划重大项目航空伽玛能谱勘查系统研发课题 （项目 编号：2006aa06a207） ，主要研究航空 能谱仪中自动稳谱的方法。针对航空能 谱仪谱线数据的特点， 选定了航空 能谱数据中不容易受到影响的峰作为参考峰， 采用数控增益放大器以及数字能谱技术保证了硬件的稳定性， 应用了峰位的计算 与先进算法相结合的方式来调节增益。该论文中设计了三种算法，其中有基于卡 尔曼滤波器的稳谱方法，基于逐次逼近算法的稳谱方法，以及基于多参考峰的 pid 稳谱方法。 论文分析了能谱仪的谱线的特征， 并且总结了谱漂产生的主要原因以及稳谱 方法。在此基础上，分析了航空 能谱仪系统在非稳谱状态下，谱漂与工作时间 的关系。按照参考峰的选择，谱漂的计算，参数的校正几个方面对现有的几种稳 谱方式进行了阐述。 在硬件部分，本文重点介绍了航空能谱仪系统硬件的几个关键技术，其中有 以乘法器 ad734 为核心的数控增益放大器的设计，以高速 adc、cpld 以及主 控器 stm32 构成的能谱数字化处理部分。 在软件部分， 根据航空 能谱仪谱线的特征， 选定了 k(1.46 mev)， th （2.62 mev）和 u（1.76 mev）三个特征峰作为参考峰的，采用计算峰位与设定的峰位 之间的差值来调节能谱仪的数控增益放大器的放大倍数的基本思路。在论文中， 介绍了基于卡尔曼滤波航空能谱仪的单峰稳谱的基本思路和现实方法。 针对不足 之处，采用了逐次逼近的算法对参数进行调节。为了获得更好的稳谱效果，在设 定的多个参考峰的前提下， 采用数字 pid 算法来调节系统参数， 获得了良好的效 果。 航空 能谱系统已经完成。 论文简述了在多种环境下的测试方法和取得的相 成都理工大学硕士学位论文 ii 应的数据，用于对相应算法所获得的指标进行简要的分析。 本文主要取得了以下几点成果： （1）航空 能谱仪进行了稳定性测试，在非稳谱状态下，获取了工作时间 与 ags-863 航空 能谱仪谱漂之间的关系，为进一步研究航空 能谱仪的谱漂 校正打下良好的基础。 （2）按照航空 能谱仪稳谱的方法，将稳谱分为几个部分，总结了现在的 几种方式，并且比较了这几种方式的优缺点。 （3）按照航空能谱仪的设计要求，设计了软件+硬件+特征峰的结构，采 用了数控增益放大器和多道数字能谱分析器来减少航空 能谱仪中电子元器件 的影响。 （4）在硬件的基础上，设计了多种算法来调节谱漂，通过测试表明，基于 卡尔曼滤波的单峰稳谱方法在静止条件下效果良好，在实验室环境中，以外加的 cs-137 作为参考峰时，能谱仪的峰位在 2（1024 道）道的范围内，在车载条件 下，效果不是很理想。在该稳谱方式基础上，以峰面积法求峰位，采用逐次逼近 算法调节参数，在实验室条件和车载实验中都获得了 1 道（256 道） 。为了加快 谱漂调节的速度， 采用多个参考峰和 pid 调节， 在静态试验中和机载实验中都达 到了 1 道（256 道） 。 经过一系列的测试与改进，最终方案已经应用于 ags-863 航空能谱仪。经 过石家庄航测中心在不同条件下的测试表明， 该稳谱方式得到的结果已经超越了 国外航空能谱仪所采用的稳谱方式所获得的结果。 关键词：航空 能谱测量 谱漂 自动稳谱 abstract iii research and realization on the auto-spectral method for airborne gamma-ray spectrometry system introduction of the author：luo yaoyao, male, was born in march, 1984 whose tutor was professor ge liangquan . he graduated from chengdu university of technology in nuclear technology application major and was granted the master degree in june, 2008. abstract airborne gamma-ray spectrometry has be used in many fields such as mineral exploration, environmental investigation, basic geological research, nuclear accident emergency radiation monitoring, environmental radiation monitoring and radioactive source search applications. and it has made the significant progress. with the development of chinas economic construction, the applications study of airborne gamma-ray spectrometric will play a more important role, and will be more and more in-depth. this thesis has got financial support by national 863 high-tech research project: research of airborne gamma-ray spectrometry exploration system (serial number of the project: 2006aa06a207),major research aviation spectrometry method in the auto-spectrum. focusing on the data of airborne gamma-ray spectrometry, the peaks which is not easy to be affected were selected as reference peak. the system which was applied the digital control gain amplifier and the digital spectroscopy technology to ensure stability. and the method combined with the search the peak and the advanced algorithms and to adjust the gain was used. in this paper three methods to achieve goals, which based on the kalman filter application and the successive approximation was adopted and multi-peak position with the pid to realize auto spectrum stabilization in airborne spectrum. at first the paper analyzes the characteristics of airborne gamma-ray spectral data. the mainly reason and methods for spectrum stabilization were summed up. on the model of non-stable we analyses relationship on spectral drift related with working time and temperature of the crystals. there were several parts to describe accordance with the choice of reference peak, the calculation of spectral drift, calibration parameters. 成都理工大学硕士学位论文 iv there were several key technology to be introduced in this paper which were contain the digital control gain amplifier designed by ad734 and the digital spectroscopy technology designed by high speed adc and cpld and the principal controller comprised by stm32. on the part of software, the peaks position of potassium，thorium and uranium were selected. we designed the method which used the differential value between the peak which established on the form and the peak location of spectrum data to adjust the gain of the digital control gain amplifier. in this paper, kalman filter algorithm was adopted to smooth the noise based on the single peak position within the airborne spectrum. the method adopted by successive approximation was enacted to solving is existent of shortage on previous method. to obtained good results, the method with digital pid algorithm and multi-peak position to adjust the system parameters airborne gamma-ray spectrometry system was completed. the method under the various environments for test the airborne gamma-ray spectrometry and the correspond result were describe. the main production and innovation are: (1) the experiment for airborne gamma-ray spectrometry system was carried on. under the model of non-stabilize， the relationship between work time and spectral drift was obtain to lay the foundation for the correction of the spectral drift on airborne gamma-ray spectrometry. (2) the method to realize auto spectrum stabilization was divided into several parts in airborne spectrum. the methods to realize auto spectrum stabilization was summed and the advantages and disadvantages in these method ware compare. (3) in order to satisfy the requirements of airborne gamma-ray spectrometry system, the structure under software + hardware + characteristic peaks was designed. the digital control gain amplifier and the digital spectroscopy technology were designed to reduce the influence come from the parameter change the electronic components (4) on the foundation of the good hardware, three algorithms were designed to regulate the parameter of system. it showed good effect by using the method which applied the kalman filter to smooth the noise. the result is: spectrum drift less than 2channel when resolution is 1024 channels under the static conditions in the laboratory environment that taken the cs-137 as reference peak . but the result is not good when the system work in vehicle. when the adopted the method which using the abstract v peak area to search the peak position, using successive approximation algorithm to adjusting parameters and in-vehicle experiments. the result is: spectrum drift less than 1channel when resolution is 256 channels. to improve the speed of the adjustment， the method which were used multiple reference peaks and the pid regulator. the result is: spectrum drift less than 1channel when resolution is 256 channels. after tests and improvement, the method had been applied to ags-863 airborne gamma-ray spectrometry system. it show that ags-863 airborne gamma-ray spectrometry system is more better than the same kind product from the foreign. key words: airborne gamma-ray spectrometry auto spectrum spectral drift 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 成都理工大学 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的人员对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 成都理工大学 有关保留、 使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和 借阅。本人授权 成都理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 学位论文作者签名： 学位论文作者导师签名： 年 月 日 第 1 章 引 言 1 第第 1 章章 引引 言言 1.1 研究意义研究意义 航空能谱测量,简要地说就是将航空能谱仪和闪烁探测器安装在飞行器上, 在测量地区上空按照预先设计的测线和高度对岩石和地层中天然放射性核素岩 石或矿石品位进行测量的地球物理-地球化学方法1，在扣除本底和大气氡的影 响后，在根据在标准模型上测定的换算系数得到地面岩石或者土壤中的铀、钍、 钾的含量2。 该方法最早应用于1932年，在我国始于1954年，1955年正式投入使用。最早 采用nai(tl)探测器做总量测量， 后做成4道能谱仪， 现改进为多道测量系统(512 道或更多道)，高纯锗(hpge)、半导体探测器、nai(t1)闪烁探测器都可用于空中 飞行测量。我国的航空能谱测量过去多限于铀矿资源的勘查，据不完全统计， 全国已发现铀矿床中的1/3都是由航空放射性测量直接发现的，如我国最大的相 山铀矿床就是其中之一。近年来随着计算机技术的发展、测量仪器的改进和地球 物理技术的发展，航空能谱测量的资料处理、成图和解释技术得到了很大的进 步，其应用领域也越来越宽泛3。 在航空能谱测量中，多在100米左右的高空进行飞行，此时的辐射剂量率很 低， 为了确保航空能谱仪的探测效率， 一般采用的是多条大尺寸晶体进行测量， 然后按照晶体所放的位置，分别对上视晶体和下视晶体进行合成，得到上视合成 谱和下视合成谱，然后发送给收录系统。收录系统收到gps数据，温度数据，高 度数据之后将这些数据结合在一起，这就是我们通常所说的航空能谱勘查系统。 在获得航空能谱数据之后，在扣除本底，宇宙射线，氡气影响，康普顿散射影响 以及高度校正之后，通过对合成谱的数据进行分析，结合勘查信息系统中的其他 数据，获得最终的结果，得出异常等相关信息，得到相应的图件。在该过程中， 为了保证航空能谱勘查系统结果的准确性， 需要保证每条晶体的谱线数据具有完 全相同的能量线性关系。但是在实际工作中，由于工作环境的变化，温度的改变 都会使晶体的谱线的能量线性关系发生改变，而且，每条晶体和能谱仪的电子元 件对温度改变所引起的变化也是不同的， 这将给谱线合成带来极大的灾难。 为此， 如何克服航空能谱仪的谱线漂移， 提高系统的稳定性和测量精度是航空伽玛能谱 仪需要研究的一个很重要的问题。 成都理工大学硕士学位论文 2 1.2 国内外研究动态国内外研究动态 航空能谱测量的优点是效率高，本底低，适于大面积的地质调查和环境调 查4。该方法最初是一种寻找铀矿的方法。随着该方法应用的不断扩大，后来又 用于地质填图，寻找与放射性核素伴生或共生的金属矿(铝、钼、金、稀土等)及 钾盐、磷灰岩等其它矿产资源5；自1986年切尔诺核电站事故以来，瑞典，俄罗 斯等欧洲国家开始采用航空伽玛能谱快速测定并圈定沉积的人工放射性核数和 种类的活度，这是将航空能谱测量用于人工核素测量的开始。于是有人将这种 方法用于土壤侵蚀调查和137cs填图6。近年来也将该方法用于环境评价，比如陆 地地表伽玛空气吸收剂量率评价，以及环境电离辐射评价7-8，寻找丢失的放射 源9等。 随着我国核技术应用产业的快速发展以及核电建设的加速推进， 我国相关的 部门也制定了相关的法规和政策， 但是在生产的过程中也常常出现这样或者那样 的问题。为应对种种挑战，我国成立了国家核应急响应中心等部门，制定了国家 核应急预案，并且举行了核应急演习，以应对各种变化和挑战，其中就将航空 能谱系统作为核应急监测的一个重要组成部分。 在2009年11月的首次国家核演习 中我国新一代的703-核应急航空监测系统就集成了航空能谱系统10-12。 航空 能谱测量开始于 1932 年， 我国是于 1955 年从前苏联引进以盖革计数 管为探测器的航空 辐射仪开始的，刚开始仅仅用于总量测量。直到 70 年代研 制出我国第一台四道航空 能谱仪（fd-123)，装有高度计和六笔记录仪，扩大 了航测资料的信息量，以纸带方式进行模拟记录，扩大了航测资料的信息体，可 以给出铀、钍、钾含量及比值等较多的地质信息。该仪器采用了参考源的稳谱 技术，但是未考虑大气氡的修正。 1988 年我国已经成功的将 gr-800d 航空 能谱仪用于环境本底辐射测量。 gr-800d采用的是恒温的稳谱方式， 在工作前需要通电保持工作状态很长时间， 然后根据谱线漂参数手动的调节参数。在仪器使用过程中由于多个方面的问题， 使系统保温变差等， 所以国内有单位在 gr-800d 的基础上加上硬件稳谱的结构， 也取得了一定的效果。 当前国际上以 exploranium 公司和加拿大的 scintrex 公司为代表分别开发了 新一代的 gr-820 型13256 道和 grs16 型(grs10 型)256/512 道航空 能谱测量 系统，利用天然 谱中的特征峰，采用软、硬件相结合的数字化稳谱技术分别对 单条晶体进行自动稳谱， 确保每条晶体和所有晶体的总谱， 其钍峰漂移 1 道， 测量结果数字输出、硬盘记录，较为轻便。 过去大多数航空能谱仪中除去采用恒温稳谱， 基本上都采了参考源稳谱方 法。 参考源稳谱方式是根据参考源放出的单能 射线在仪器谱中形成一个不受 第 1 章 引 言 3 干扰的参考峰，通过建立参考峰的峰形，计数率和峰位的关系；当发生谱线漂 移的时候，通过该关系式来调节相关的参数，来达到稳谱的目的。但是该方法也 存在以下几点不足， 一是由于参考源产生的射线对闪烁体的发光效率会随温度和 时间而变化，造成参考源参考峰的漂移，影响谱仪系统的稳谱效果；二是参考源 的等效 峰能量分辨较差，对稳谱的精度有所限制。三是由于仪器内附加的放射 性核素源产生的伽玛射线会严重影响被测对象的伽玛射线谱， 同时放射源还给环 境、运输、使用带来安全隐患14。因此，现在一般采用了无放射性参考源的计 算机软件稳谱技术。 在我国航空 能谱测量领域，五十年来，无论是测量仪器、数据解释还是应 用领域等各方面都取得了长足的发展，就方法、技术及其应用而言我国有不少创 新， 基本能追踪世界发展的发展趋势。但目前在仪器研发方面同世界上技术先进 的国家相比仍存在较大的差距。 1.3 选题的来源选题的来源与与主要研究的内容主要研究的内容 本课题源于863 计划 重大项目航空地球物理勘察技术系统中课题 7航 空伽玛能谱勘查系统的研发（项目编号：2006aa06a207） ，其主要研究的内容 包括： （1）在理论以及实验上对航空能谱系统单条晶体的谱漂和箱体类温度以及 时间的变化关系进行了说明， 了解ags-863航空能谱系统与开机工作时间关系， 给出实际生产中最佳的预热时间的指标； （2）将现有的稳谱方法进行总结分析，并且确定 ags-863 航空能谱仪的稳 谱方式； （3）按照航空能谱仪的设计要求，结合现有的技术，确定了软件+硬件+ 参考峰稳谱结构，对航空能谱仪系统的关键部分：数字能谱仪，数控增益放大 器； （4）总结了在航空能谱仪自动稳谱系统中所采取的调节谱漂的几种算法和 取得的成果。并且在不同的环境下，对稳谱的效果进行了测试与分析。 经过一系列的测试与改进，本方案已经用于 ags-863 航空能谱仪经过石家 庄航测中心在不同环境下的测试，其结果表明，该稳谱方式已经超越了国外航空 能谱仪所采用的稳谱方式。 成都理工大学硕士学位论文 4 第第 2 章章 航空航空 能谱能谱仪仪基本原理与基本原理与 ags-863 组成组成 2.1 航空航空 能谱能谱仪仪的基本原理的基本原理 航空 能谱测量的基本原理仍然是 射线与物质的相互作用。 虽然这个过程 可能会有变化，但是基本原理没有变化。在所有的相互作用中，其中最为主要的 就是光电效应、康普顿效应和电子对效应15-16。 2.1.1 射线的探测原理 （1）光电效应 射线穿过物质，与物质原子相互碰撞，可能将全部的能量传递给原子，入 射的 光子全部消失。能量在原子中重新分配，使结合能适当的电子获得能量克 服原子核的束缚而发射出去，并且使原子受到反冲。这样的过程称为光电效应， 发射的电子叫光电子。这一过程的示意图如图 2-1 所示。 图图 2-1 光电效应示意图 由于原子的质量远大于电子的质量，所以原子的反冲动能是很小的，可以忽 略不计。则根据动能守恒定律，光电子的动能 ee： = （21） 式中 ee 是入射 射线的能量， en 是核外电子壳层 （n 为 k 层， l 层或 n 层） 的结合能。光电子能量与入射 射线的能量有关。 在光电效应中，因为动量守恒的要求，除入射光子和光电子外，还必需有第 三者参加，即原子核，严格的讲是发射光电子之后余下的整个原子。所以自由电 子不能产生光电效应， 而且原子的内层电子由于受到原子核的强束缚更容易满足 动量守恒更容易发射光电子。一般的说，如果入射光子的能量超过 k 层电子结 第 2 章 航空 能谱仪基本原理与 ags-863 仪器组成 5 合能，那么，大约 80%的光电吸收发生在 k 层电子上。 当发生光电效应时，从内壳层上打出电子，因此，此壳层上就会留下空位， 而原子处于激发态。由于这种状态是不稳定的，它通过两种方式来退激，一种是 外层电子向内层跃迁，以填补这个空位，使原子恢复到较低的能量状态；另一种 将原子的激发能交给外壳层的电子，使它从原子中发射出来，这电子被称为俄歇 电子。因此，在发射光电子的同时，还伴随着原子发射的特征 x 射线或俄歇电 子。 （2）康普顿散射 射线通过物质的时候除了产生光电效应以外，还有一部分的光子与物质原 子的相互作用，产生两种方式的散射。一种是散射后能量不变，仅仅改变运动方 向的弹性散射（又称相干散射） ，另一种是能量和运动方向都发生变化的散射， 称为康普顿散射（又称非相干散射） 。前者是指 光子入射之后，与原子发生弹 性散射，由于是瑞利首先观察发现的，所以该现象有叫瑞利散射。该散射主要发 生在低能区段（ 60 kev ） 。当入射光子的能量加大， 射线的粒子效应逐渐 显著，康普顿效应成为主要的特征。即入射 射线与原子的壳层电子相碰撞，将 一部分能量传给电子，使获得能量的电子成为反冲电子发射出去。同时，散射光 子的能量和运动方向发生变化。其反应的示意图如下所示。 图图 2-2 康普顿散射示意图 康普顿散射与光电效应不同。光电效应中光子本身消失，能量完全转移给电 子； 康普顿效应中光子只损失掉一部分能量。光电效应发生在束缚得最紧的内层 电子上；康普顿效应总是发生在束缚得最松的外层电子上。外层电子的结合能入 射 光子的能量相比， 可以忽略， 同时外层电子轨道运动速度也远远小于光速， 因此，康普顿散射可以认为是 光子与静止状态的自由电子之间的弹性碰撞。 （3）电子对效应 当入射 光子的能量大于 2 mc2（即 1.02mev）的时候，入射 在库伦力场 的作用下能量被完全吸收， 电子从负能级状态跃迁到正能级， 同时放出正负电子， 成为电子对效应。 电子和正电子的动能，一般是不相同的，可以有不同的组合，其能量关系是 成都理工大学硕士学位论文 6 = e+e+2e2 （22） 式中：2mc2=1.022mev；ee、ee+、e分别为电子，正电子、入射 射线的能 量。正电子很快和电子结合而消失，放出 0.511mev 的 射线，称为正电子的湮 没。 由于天然放射性元素中的 射线最大能量为 2.65mev， 发生电子对的效应占 很小的比例，在岩石等轻物质中几乎可以忽略。 显然，对于一定能量的入射光子，电子对产生效应的正电子和负电子的动能 之和为常量。但是，电子和正电子的能量分配是任意的，它的动能在 0（ -2mec2）之间都是可能的。由于动量守恒关系，电子和正电子的发射几乎都是沿 着光子的入射方向前倾的。入射光子能量越大，正负电子的发射方向越是前。 在不同情况下 射线。与物质相互作用的三种表现不同。光电效应在低能高 原子序数区占优势，康普顿散射在中能低原子序数区占优势，电子对产生效应在 高能高原子序数区占优势。但是无论光电效应、康普顿效应还是产生电子对，入 射光子都把能量转化或传递给电子，产生具有一定能量的次级电子。当然在上述 过程中也产生一些能量较低的光子。 这些较低能量的光子会继续与物质相互作用， 产生更多的次级电子。 数目众多的次级电子导致的电离和激发远远超过 射线直 接产生的作用。 由于光电效应和电子对产生效应所产生的次级电子的能量与 射 线能量有单一对应的关系，所以测定次级电子的能量可得到 射线的能量。 图图 2-3 按光子能量和原子序数表示的三种相互作用占优势的区域 2.1.2 航空 能谱测量的原理 （1） 辐射场的分布的基本理论 高为 l、半径为 r 的圆锥台，矿体出露于地面。它的密度为，放射性物质 的质量为 m，放射性元素的含量为 q，矿体和空气的吸收系数分别为 和 0。圆 锥台矿体上空一点 p 的 照射量率18,如图所示。 第 2 章 航空 能谱仪基本原理与 ags-863 仪器组成 7 图图 2-4 梯形辐射体上空一次辐射计算图 那么，地面上空某一 p 点产生的 辐射强度为： 21101 0 () () 2 rrrrr dm dike r （23） 用金格函数表示为： 00000 000 2 ()cos(sec)() cos ()sec kq ihhlh lh （24） 在几种特殊情况下的： a) 没有非放射性岩土盖层，即 h=0。 00000 000 2 ()cos(sec)() cos ()sec kq ihhlh lh （25） b) 出露地表的无限厚辐射圆盘上空，l时, 2/ 0 )sec(cos)( 2 0000 hh ck i （26） c) 出露地表的无限大辐射层（厚度有限）上空 辐射强度。 0000 2 ()cos(sec) k c ihh （27） d) 出露地表的半无限大辐射层上空 射线辐射强度，即: 0cos, 2/, 00 rl （28） 得： 0 2 () k c ih （29） （2）无限大介质 射线的能量迁移方程 对于无限介质中射线源均匀分布的散射光子达到平衡条件的能量谱线。 可以 用下列方程式表达: 成都理工大学硕士学位论文 8 = 0 0 0, + 0, (0,) 0 （210） 式子中：e0为源的发出光子能量；i0（e0）为无限介质中任一点能量为 e0 的初始化光子计数率。 w(e0,e)和 w(e,e)为伽玛射线散射后能量降到 e 的几率， 即康普顿散射截面。i(e)为介质中任意点散射光子的计数率。 上式中右边第一项表示由第一次 射线产生的散射的几率， 第二项表示表示 多次散射产生的几率，两项之和等于散射光子产生的几率。 对于上式，一般将它分为 3 个能量段来考虑：即（1）能量 e400 kev 的高能区， （3）250 keve400 kev 区域，由对三个能量 区域的谱线特征进行分析，可以得到谱线的基本特征：每个原子序数介质的散射 射线有特定的极大值，随着原子序数的增大，光电效应变强，使峰值变低，并 向着高能方向移动；高能部分与散射介质的原子序数基本没有关系；散射谱线的 低能部分与原始入射 射线的能量没有关系； 高能部分与初始能量也基本没有关 系。 2.2 航空航空 能谱仪的谱线能谱仪的谱线组成与组成与特征特征 2.2.1 天然 射线的主要成分 在地球上，天然放射性是一种普遍现象，几乎所有的物质或多或少都有放射 性。天然伽玛射线产生的主要四个源泉：宇宙射线、钍和铀的衰变产物以及放射 性钾。 宇宙射线在伽玛能谱成分中占有相当的比重，钍的衰变产物和放射性钾不 是大气中的放射源，铀衰变产生的氡气，氡衰变形成伽玛辐射体 214bi，而214bi 在大气中占有可观的比重。 天然伽玛射线源有以下几种形式： 40k、u 和 th 的衰变；核爆炸的产物中包 含有伽玛辐射体；原始宇宙射线对大气的轰击产生不同的二次辐射，其中包括 射线；用中子轰击原子，就能激发伽玛射线，岩石中的天然中子流来源于二次宇 宙射线、 以及 238u和232th的自发裂变和天然放射性元素的射线 （-中子反应） ； 质子与伽玛反应也可能发生，但产生的伽玛射线甚微；电子在核子的库伦静电场 中减速而产生的辐射称为韧致辐射等。 2.2.2 空中 能谱的来源与组成 在飞机上测得的 射线总强度为14： iiiiii 异空宇岩机 （211） 第 2 章 航空 能谱仪基本原理与 ags-863 仪器组成 9 式中 i空空气中的放射性核素引起的 射线强度； i机仪器和机体产生的 射线强度； i宇宇宙射线的强度。 i异、i岩由岩石、矿石中正常和异常含量的放射性核素产生的 射 线的强度。 其具体构成可简述如下： (1) 空空气中放射性和数产生的 射线的强度，其主要成分是由空气中的放 射性核素氡的衰变子体 214bi 引起，由于 bi 的含量受高度、大气稳定性、雷暴雨 等诸多因素影响； (2) 机仪器和机体产生的 射线强度，这部分的 主要是由机体、航测仪表 和探测器本身的放射性核素所引起的，为了减小机，仪器的探头部分应该装在 机尾。尽量减少仪表荧光物质对探测器的影响； (3) i宇宇宙射线的强度，随地区的海拔高度而变化，海拔越高，宇值越大， 原始宇宙辐射与大气层成分相互作用并经散射之后，对整个 能谱造成干扰； (4)岩异为岩石中放射性核素引起的计数， 通常分为正常值和异常值， 正 常值是由岩石中正常含量放射性物质引起的计数， 异常值是由岩石中较高含量放 射性物质引起的计数。 2.2.3 航空 能谱仪的谱成分与特征 伽玛能谱是指伽玛射线的强度随能量的分布。在航应用航空放射性测量，寻 找地表可见矿体的过程中，一般采用总量和三窗法（k1.46mev，u1.76mev， th2.62mev）来对矿体进行普查。但在我们研究的铀镭系中，除 1.76mev（分支 比为 16.3%）的主能量峰外，航空伽玛能谱仪响应到的还有其他能量峰，如 1.12 mev （分支比为 16.6%） 、 0.609 mev （分支比为 47.1%） 。 图 2-5 展示了航空 nai(tl) 伽玛能谱仪在航空标准刻度模型上实测的谱线。对于全谱数据， 可认为主要有以 下九个特征能量峰叠加而成， 即 th2615， u2204， u1764， k1460， u1120， th908 960，u769，u609，th583 在有需要的时候，还可以加上 cs-137 窗口。 成都理工大学硕士学位论文 10 图图 2-5 航空 nai(tl)伽玛能谱仪在航空模型上的响应谱线 2.3 航空航空 能谱仪的测量方法能谱仪的测量方法 航空 能谱测量与地面 能谱测量一样、 都是采用 能谱仪通过测量几个谱 段上的 计数率来确定地面上某点的 u、th、的含量。其不同点在于航空 能谱测量是在空中进行 能谱测量， 也就是说它测量的是地面辐射层中的 u、 th、 在空气中产生的射线谱。 空中的 射线是地表的 射线谱通过空气介质的吸收和散射形成的， 因此不 同的高度上谱线有所不同。经过实验表明，在小于 200 米高度的范围内，能谱成 分变化不大，几个特征光电峰依然存在。 根据空中 谱的特点， 我们可以将测量计算率的谱段选在相应的光电峰附近， 于是就可以根据航空 能谱测量结果区分 u、th、并且确定其含量。 为了 能谱测量岩石中的铀， 钍， 钾的含量， 常用以下的能量峰作为中心点， 分别选择三个谱段，通常是: 钾（k）道道宽：1.371.57mev，计数率 i1； 铀道（u）道宽：1.661.87mev，计数率 i2； 钍道(th)道宽：2.412.81mev，计数率为 i3； 总道道宽：0.43.0mev；计数率为 i4； 虽然这三个峰时清晰可见的，但是互有干扰，为了利用各道的计数率算出岩 石中、th 的含量，需要消除影响。由此根据各道计数列出三元一次方程。 1= 11+ 12+ 13 1= 21+ 22+ 23 2= 31+ 32+ 33 （212） 020406080100120140160180200220240 道 0 40 80 120 每 秒 脉 冲 th窗u窗 k窗 图2.3 航 测 谱 仪 在 航 模 上 的 响 应 谱 线 图 例 本 底 k模 型 th模 型 u模 型 0.609mev(47.1%) 1.120mev(16.6%) 1.764mev(16.3%) 2.204mev(5.2%) 1.378、1.403、1.509mev(4.8、4.0、2.2%) 0.769mev(5.3%) 2.620mev(33.7%) 0.908、0.960mev(10、25%) 0.583mev(29.3%) cs窗窗 第 2 章 航空 能谱仪基本原理与 ags-863 仪器组成 11 式子中，i1、i2、i3是 k，u，th 道减去本底（i机+i宇）后的计数率；ck、 cu，cth为岩石中 k，u，th 的含量。a11a13等九个系数，称为换算系数，即 饱和层的厚度条件下，岩石中单位含量所对应的计数率，如 a11是钾道计数率对 应的岩石中钾的含量，a12为铀道中对于相应的铀的含量，余此类推。 将上式改写为矩阵，有： 1 2 3 = 111213 212223 313233 （213） 可以简写为： = 或者 = 1 （214） 其具体的系数一般采用实测的方法，我国的航空放射性基准标准模型有 5 个，用矿石和混凝土制成，分别是钾模型，平衡铀模型，钍模型，混合模型和本 底模型。 将飞机停在每个模型上， 进行测量， 得到kk,iku和 ikt分别是 谱仪钾道， 在平衡铀模型和钍模型上测定的减去本底的计数率。itu、itt为在钍道的平衡铀 和钍道模型上的计数率。由于钾40 的 射线能量 1.46mev 低于铀道和钍道的 能量，对于后者而言，没有影响。铀道同样对钍道没有影响，a21=a31=a32=0 于是 可以知道各个换算的系数 11= ;12= ;11= 22= ;23= 33= （215） 式子中 ck，cu，cth分别是钾，铀，钍模型的平均 k，u，th 含量。将得 到的系数带入就可以得到每个地区的钾、铀、钍的含量。 2.4 ags863 航空航空 能谱勘查系统的组成能谱勘查系统的组成 在航空物探中， 为了充分的利用已有的资源， 一般将航空放射性测量和航磁， 航重等一起测量。单就航空能谱勘查系统而言，主要由航空 能谱仪系统，数据 收录系统和辅助设备组成。每个航空能谱仪的系统组成不尽相同，就 ags863 航空能谱系统而言，其系统组成如图 2-2 所示： 其中辅助设备主要包括 gps、雷达高度计、气压高度计、温度计、电源分配 器等设备。航空 能谱仪一般是由多个探头组成的，一般情况下，采用 5 条晶体 为