第二章第4节就地谱仪1

1、2.4.12.4.1谱谱测量工作原理测量工作原理 探测器探测器 前置放大器前置放大器 主放大器主放大器 多道分析器多道分析器 计算机计算机 LVDC HVDC (MCA)LVDC HVDC (MCA) 计计 数数 阈阈 V V0 0V Vn n 道或能量道或能量88Y60Co137Cs241Am109Cd57Co139Ce203Hg113Sn2.4.22.4.2就地就地谱谱测量技术测量技术l总谱能量法总谱能量法 D D = = 0 0 (E)(a/(E)(a/) EdE) EdE l能带法能带法 4040K(1.46MeV)K(1.46MeV)、238238U U系系(1.76MeV)(1.7

2、6MeV)、232232ThTh系系(2.62MeV)(2.62MeV)l吸收峰法吸收峰法 D Di i N Ni i； A Ai i N Ni i1 1）2020世纪世纪6 60 07070年代，美国年代，美国EMLEML的的BeckBeck等人开发的技术，可就地测量土壤中的等人开发的技术，可就地测量土壤中的A A及其空气中及其空气中D D2 2）就地）就地谱谱技术的主要技术的主要优点优点（与实验室样品（与实验室样品谱测量分析技术比较）：谱测量分析技术比较）： 测量时间短测量时间短。NaI(TlNaI(Tl) )约约101030 min30 min，HPGeHPGe约约303090 min9

3、0 min；实验室欲达到同样；实验室欲达到同样的计数统计精度，约几十几甚至几十小时。的计数统计精度，约几十几甚至几十小时。 测量结果代表性强测量结果代表性强。就地测量的探测器。就地测量的探测器“视阈视阈”半径半径10m10m，土壤样多达几吨；，土壤样多达几吨；实验室样品仅几百克。实验室样品仅几百克。3 3）就地）就地谱谱技术的主要技术的主要弱点：弱点： 对土壤放射性活度浓度的测量，必须事先了解放射性核素在土壤中的分布；对土壤放射性活度浓度的测量，必须事先了解放射性核素在土壤中的分布； 测量精度在较小程度上还依赖于土壤密度、湿度及土壤的组分，目前这些参测量精度在较小程度上还依赖于土壤密度、湿度及

4、土壤的组分，目前这些参数还是通过事先取样分析或接受这些参数的某种假定数还是通过事先取样分析或接受这些参数的某种假定4 4）常用的探测器：）常用的探测器：NaI(TlNaI(Tl) )，HPGeHPGe，Ge(LiGe(Li) )lNaI(TlNaI(Tl)探测效率高，价格便宜，在常温下工作；但能量分辨率较差探测效率高，价格便宜，在常温下工作；但能量分辨率较差( (几几十几百十几百keVkeV)不适合于复杂能谱的测量不适合于复杂能谱的测量lHPGeHPGe很高的能量分辨率很高的能量分辨率( (2keV)2keV)；但探测效率相对于；但探测效率相对于NaI(TlNaI(Tl) )较低较低(3”(3

5、”3” NaI(Tl),1.333MeV3” NaI(Tl),1.333MeV，=10=10180%)180%)，价格昂贵，价格昂贵( (比等效率的比等效率的NaI(TlNaI(Tl) )价格约高一个数量级价格约高一个数量级) )，而且必须在低温下工作，而且必须在低温下工作( (但可在室温下保存但可在室温下保存)可用可用于复杂能谱的测量。于复杂能谱的测量。lGe(LiGe(Li)技术指标与技术指标与HPGeHPGe相当，但必须在低温下保存，基本已淘汰。相当，但必须在低温下保存，基本已淘汰。5 5）就地）就地谱仪的实验校准技术谱仪的实验校准技术 吸收峰测量方法的工作原理吸收峰测量方法的工作原理

6、初级初级光子光子 陆地陆地辐射场辐射场 A A、A A分布、土壤组分、密度、湿度分布、土壤组分、密度、湿度 次级次级光子光子 空气组分空气组分若若 A A分布、土壤组分、密度、湿度、空气组分分布、土壤组分、密度、湿度、空气组分 等因素确定不变，则：等因素确定不变，则： N Nf f(E(E) ) A A N Nf f(E(E) ) D D 吸收峰测量方法的刻度因子吸收峰测量方法的刻度因子 Beck Beck公式公式 ( (N Nf f/A)/A)E E = ( = (N N0 0/) )E E(N Nf f/ /N N0 0) )E E ( (/A)/A)E E (1) (1) ( (N Nf

7、 f/D)/D)E E = ( = (N N0 0/) )E E(N Nf f/ /N N0 0) )E E ( (/D)/D)E E (2) (2) N Nf f某能量某能量射线吸收峰计数率，射线吸收峰计数率，cpmcpm( (或或cpscps) )； A A 某核素的放射性活度浓度，对天然放射性核素，某核素的放射性活度浓度，对天然放射性核素，BqBq/kg/kg；对沉降的人工放；对沉降的人工放射性核素，射性核素，Bq/mBq/m2 2； D D 在探测器处的空气吸收剂量率，在探测器处的空气吸收剂量率，nGy/hnGy/h；( (N Nf f/A)/A)E E 活度浓度刻度因子，活度浓度刻度

8、因子，cpm/(cpm/(Bq/kgBq/kg) )或或cpm/(cpm/(Bq/cmBq/cm2 2) )；( (N Nf f/D)/D)E E 吸收剂量刻度因子，吸收剂量刻度因子，cpm/(cpm/(nGy/hnGy/h) )；( (N N0 0/) )E E 探测效率因子，探测效率因子，cpm/(1/cmcpm/(1/cm2 2s)s)( (N Nf f/ /N N0 0) ) E E 角响应校正因子，无量纲；角响应校正因子，无量纲；(圆柱形探测器，并非各向同性圆柱形探测器，并非各向同性) )(/A) /A) E E 注量活度比：土壤中单位活度浓度放射源，在地面上注量活度比：土壤中单位活

9、度浓度放射源，在地面上H H高度处的高度处的 能量为能量为E E的初级的初级光子注量率，光子注量率， (1/cm(1/cm2 2s)/(s)/(Bq/kg)Bq/kg)或或 (1/cm(1/cm2 2s)/(s)/(Bq/mBq/m2 2) )(/D) /D) E E 注量剂量率比：探测器处产生单位空气剂量率的能量为注量剂量率比：探测器处产生单位空气剂量率的能量为E E的初级的初级 光子注量率，光子注量率， (1/cm(1/cm2 2s)/(s)/(nGy/h)nGy/h)l( (N N0 0/) )E E、( (N Nf f/ /N N0 0) )E E 、(/A)/A)E E 、(/D)/

10、D)E E f f1 1( (E E) )l( (N Nf f/ /N N0 0) )E E、(/A)/A)E E 、(/D)/D)E E f f2 2( (、s s、airair、组分、组分、湿度湿度) )l(N(N0 0/) )E E、( (N Nf f/ /N N0 0) )E E f f3 3( (探测器几何探测器几何) )(/A)/A)E E 、(/D)/D)E E 理论计算获取理论计算获取(N(N0 0/) )E E、( (N Nf f/ /N N0 0) )E E 实验测量得到实验测量得到 初级初级光子注量率光子注量率的计算的计算l放射性核素在土壤中的分布，大体可分为三种情况：放

11、射性核素在土壤中的分布，大体可分为三种情况： a)a)新近沉降的落下灰新近沉降的落下灰面分布面分布 /s s = = b) b)随时间推移，沉降核素向深部迁移随时间推移，沉降核素向深部迁移指数分布指数分布 0 0 /s s c) c)天然放射性核素天然放射性核素均匀分布均匀分布 /s s = 0 = 0l/s s放射性核素随土壤深度的分布参数，放射性核素随土壤深度的分布参数，cm2/g 张弛长度的倒数，张弛长度的倒数，1/cm 其物理意义：其物理意义：放射性活度减少至表面活度的放射性活度减少至表面活度的e-1的土壤深度的土壤深度l计算公式的推导计算公式的推导( (以指数分布为例以指数分布为例)

12、 ) 探测器探测器)设土壤表面的活度浓度为设土壤表面的活度浓度为A A0 0(Bq/kg)(Bq/kg)，则，则z z深度处：深度处： P P A = A A = A0 0ee-(/s)-(/s)s zs z (Bq (Bq/kg) /kg) (3)(3)探测器灵敏中心位于地面上方探测器灵敏中心位于地面上方P P点，距地面点，距地面H(cmH(cm) ) 以以P P点为系统球坐标原点点为系统球坐标原点 )在在z z深度处深度处Q Q点点( (距球坐标原点距球坐标原点r(cmr(cm)取取 单位体积元单位体积元dVdV: : H/cosH/cos r r dV dV = r = r2 2sins

13、indrdr d dd d (4)(4) H H)体积元体积元dVdV内的放射性活度内的放射性活度dd: : d d = A = As sdVdV = A = A0 0ee-(/-(/s)(rcoss)(rcos-H)-H)s ss sdVdV (5)(5)利用点源公式求取利用点源公式求取P P点的光子注量率点的光子注量率 d = d/(4 d = d/(4r r2 2) ) z z = 1 /(4= 1 /(4r r2 2) A) A0 0ee-(/s)-(/s)s(rcoss(rcos-H)-H) Q Qs s e e-(/)a-(/)aa(H/cosa(H/cos) )r r2 2sin

14、sindrdr d dd d (6)(6) ) 将将(6)(6)式在整个半无限空间土壤积分式在整个半无限空间土壤积分 r r：00，)；：0,0,/2/2；：0,20,2 得到得到P P点的初级点的初级光子总注量率光子总注量率 = = 0 0/2/2(A(A0 0/2)sin/(/2)sin/(/s s)cos)cos+(/+(/) )s see-ta/cos-ta/cosdd (7)(7) t ta a = (/ = (/) )a aa aHH，无量纲，是以初级，无量纲，是以初级光子在空气中的平均自由程为光子在空气中的平均自由程为单位表示探测器到地面的高度单位表示探测器到地面的高度 AaAa

15、 = = 0 0s sAA0 0ee-(/s)-(/s)s z s z dzdz = A = A0 0/(/(/s s) ) 表示单位截面积无限深柱状土壤的总放射性活度，表示单位截面积无限深柱状土壤的总放射性活度，Bq/cmBq/cm2 2 (7) (7)式可改写为：式可改写为： ( = cos= cos) = = 0 01 1(A(Aa a/2)(/2)(/s s) e) e-ta-ta/(/(/s s)+(/)+(/) )s s d d (8)(8)）当）当/s s ，则为面分布源，则为面分布源，A Aa a就是面源活度浓度就是面源活度浓度(Bq/cm(Bq/cm2 2) )： = = 0

16、 01 1(A(Aa a/2/2) e) e-ta-ta/dd (9)(9) ) 当当/s s 0 0，则为均匀分布源，则为均匀分布源，A A0 0就是均匀分布体源活度浓度就是均匀分布体源活度浓度(Bq(Bq/kg)/kg)： = = 0 01 1(A(A0 0/2)/(/2)/(/) )s see-ta-ta/dd (10)(10) 由公式由公式(8)(8)、(9)(9)、(10)(10)便可得到便可得到BeckBeck公式中的公式中的(/A)/A)l对于均匀分布源，相当于用公式对于均匀分布源，相当于用公式(10)(10)求求 ( (/A/A0 0) ) l对于指数分布源，相当于用公式对于指

17、数分布源，相当于用公式(8)(8)求求 ( (/A/Aa a) ) l对于面分布源，相当于用公式对于面分布源，相当于用公式(9)(9)求求 ( (/A/Aa a) )注：注：参考文献参考文献就地就地HPGeHPGe谱仪刻度及应用谱仪刻度及应用的表的表1 1和表和表3 3中，各核素乘以了中，各核素乘以了光子的发射率光子的发射率类似地，可得到类似地，可得到2 2 半空间无限大土壤中指数分布放射性核素发射的半空间无限大土壤中指数分布放射性核素发射的 光子在光子在P P点产生的空气吸收剂量率：点产生的空气吸收剂量率：其中，其中，D D 地面上高地面上高H H处点处点P P的空气吸收剂量率，的空气吸收剂

18、量率，(MeV/g)/s(MeV/g)/s E E0 0土壤中放射性核素发射的土壤中放射性核素发射的 光子能量，光子能量，MeVMeV t =( t =(/ / ) )s s s s r r以初级以初级 光子在土壤中的自由程为单位表示探测器到土壤中点光子在土壤中的自由程为单位表示探测器到土壤中点Q Q的距离，无量纲的距离，无量纲 s s、enen 分别是土壤的线衰减系数和线能量吸收系数，分别是土壤的线衰减系数和线能量吸收系数，1/cm 1/cm 和和 MeVMeV/cm/cm B(t B(t) )吸收剂量率累积因子，无量纲：吸收剂量率累积因子，无量纲： B(tB(t) = (1 + at) =

19、 (1 + at)，其中，其中 a = 1/y = a = 1/y = enen/s s ( (土壤土壤) ) = lny(y= lny(y1)+1/ln2 y 1)+1/ln2 y 2.82.8 = (y1)/ln2 y = (y1)/ln2 y 2.8 2.8 (12)(12) (/D) = ( (/D) = (/A) / (D/A) /A) / (D/A) (13)(13) 探测效率因子探测效率因子( (N N0 0/) )E E 的实验获取的实验获取l刻度标准源：刻度标准源：241241AmAm、133133BaBa、153153GdGd、137137CsCs、6060CoCo、152

20、152Eu Eu 等等 能量覆盖整个测量范围能量覆盖整个测量范围 (60keV2.62MeV(60keV2.62MeV66.13MeV).13MeV) 1(/)()()000/( )2tsHsHasssttenHsA EDB t dtdeee l 探测器探测器 放射源放射源A A r r 点状放射源，点状放射源，r r 10 10 探测器几何尺寸探测器几何尺寸 近似平行入射射线近似平行入射射线l测量各放射源各特征光子能量测量各放射源各特征光子能量E Ei i的全能峰计数率的全能峰计数率N N0 0 (cps)(cps)l源源探距探距 r r，源活度，源活度 A A，探测器处的初级，探测器处的初

21、级 光子注量率：光子注量率： (14) (14) l求得求得(N(N0 0/ / ) ) l(N(N0 0/ / ) E ) E 的拟合公式的拟合公式 E E 200keV 200keV， lnln (N (N0 0/ / )= )= B B0 0 +B +B1 1 lnElnE (15)(15) E E 200keV200keV， (16)(16)(/)24aarAre900l n (/)( l n)iiiNBE 角响应校正因子角响应校正因子( (N Nf f/ /N N0 0) )的实验获取的实验获取 探测器对各方向的射线并非各向同性探测器对各方向的射线并非各向同性l相对角响应因子的实验获取相对角响应因子的实验获取 探测器形状探测器形状圆柱，圆柱，三维三维二维二维 =0=0 9