核物探5(伽玛能谱2011)COPY

1、RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理核地球物理核地球物理主讲人主讲人 王南萍王南萍 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY地球物理与信息技术学院地球物理与信息技术学院RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理大纲大纲l伽玛能谱测量基本原理伽玛能谱测量基本原理l伽玛能谱测量方法伽玛能谱测量方法l天然放射性核素填图校准天然放射性核素填图校准l质量保证质量保证l数据处理及图件编制数据处理及图件编制l应用应用RADIAT

2、ION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛能谱测量基本原理伽玛能谱测量基本原理l伽玛辐射伽玛辐射 放射性衰变放射性衰变 伽玛射线谱伽玛射线谱 伽玛射线与物质的相互作用伽玛射线与物质的相互作用l伽玛能谱仪伽玛能谱仪RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理放射性衰变放射性衰变主要放射源主要放射源:lK-40, 丰度丰度:总钾的总钾的0.0118%lU-238系列的衰变产物系列的衰变产物(子体子体)lTh-232系列的衰变产物系列的衰变产物(子体子体)l人工核素人工核

3、素l宇宙射线宇宙射线RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理K-40能量计数率RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛射线谱伽玛射线谱l展宽了的谱线称之为光电峰，由仪器展宽了的谱线称之为光电峰，由仪器的能量分辨率决定。的能量分辨率决定。l为何单能源（为何单能源（K-40）也存在全谱曲线？）也存在全谱曲线？l为何在低能区间有很高的计数率？为何在低能区间有很高的计数率？l谱线为何有重叠？谱线为何有重叠？l如何识别不同的核素？如何识别不同的核素？l如何测

4、定核素的含量（活度）？如何测定核素的含量（活度）？RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛射线与物质的相互作用伽玛射线与物质的相互作用l伽玛射线在被仪器记录之前伽玛射线在被仪器记录之前l与地下介质作用与地下介质作用l与空气作用与空气作用l与探测器的材料作用与探测器的材料作用RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛能谱仪伽玛能谱仪l探测器探测器l能量区分与计数能量区分与计数l能量分辨率能量分辨率l能量道与能量窗能量道与能量窗RADIATION &

5、amp; ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测器探测器l1.闪烁探测器闪烁探测器l2.半导体探测器半导体探测器RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l死时间死时间 在脉冲成形时间内，不能记录新的脉冲。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大晶体探测器要做死时间修正l脉冲堆积脉冲堆积 两个等待处理的脉冲同时到脉冲幅度分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。析器。通常在高计数率的情况下发生。 不能修正。不能修正。 RADI

6、ATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理 NaI(Tl)闪烁计数器 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理闪烁计数器1. NaI(Tl)闪烁计数器RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理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RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理闪烁计数器工作原理1.射

7、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。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理光阴极阳极01001000 V打拿级光电倍增管结构及工作原理光子打出电子RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)闪烁探测器特性参数闪烁探测器特性参数（1 1）发光效率）发光效率 C C发光发光表示闪烁体将所吸收

8、的辐射能量转变为光能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，常用光输的性能，也称为以能量转换效率，常用光输出出S S来表示。来表示。 S Sn n光子光子E E S的单位是光子数/MeV。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)闪烁探测器特性参数闪烁探测器特性参数（1 1）发光效率）发光效率 C C发光发光 光输出与发光效率的关系为：光输出与发光效率的关系为： C C发光发光 n n光子光子hvhv平均平均E E S S hvhv平均平均。RADIATION &

9、; ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)闪烁探测器特性参数闪烁探测器特性参数（2 2）发光时间）发光时间 单位时间内发出的光子数称为发光强度单位时间内发出的光子数称为发光强度 I I（t t）dNdN光子光子/ /dt dt N N0 0（e e- t / - t / ) N N0 0为为t=0t=0时受激的奶发光的原子（或分子）时受激的奶发光的原子（或分子）数。数。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理工作原理工作原理l闪烁体特性闪烁体特性ln光子

10、光子= E0 K1 C发光发光 /hv平均平均lV= Q0 /C= E0 K1 C发光发光 T透明透明 G收集收集 K2 Me /hv平均平均lC发光发光-发光效率发光效率RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理输出电压脉冲输出电压脉冲两个过程：两个过程：核辐射转换为光（由闪烁体完成）核辐射转换为光（由闪烁体完成）闪烁光转换为电脉冲（由光电倍增管完闪烁光转换为电脉冲（由光电倍增管完成）成）光电倍增管阳极形成的电流经光电倍增管阳极形成的电流经RCRC电路转电路转变为电压脉冲变为电压脉冲 /()0max()RCQRCVCRAD

11、IATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理- -光电倍增管的渡越时间，指光子到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。某一指定值之间的时间间隔。 /()0max()RCQRCVCRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)闪烁计数器闪烁计数器输出脉冲的辐度与入射射线的能量成正输出脉冲的辐度与入射射线的能量成正比。比。输出脉冲的个数与入射粒子的个数成正输出

12、脉冲的个数与入射粒子的个数成正比。比。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测效率l对对粒子的探测效率接近粒子的探测效率接近100%100%l对对射线主要取决于甄别阈射线主要取决于甄别阈l对对射线主要取决于闪烁体的尺寸射线主要取决于闪烁体的尺寸 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)的特性的特性小结小结l大于大于150keV时，输出信号幅度与入时，输出信号幅度与入射粒子的能量成正比射粒子的能量成正比l单晶，无色透明，探测效率高单晶，

13、无色透明，探测效率高l受温度影响受温度影响l容易潮解容易潮解RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)的温度特性的温度特性这是谱仪发生谱漂的主要原因这是谱仪发生谱漂的主要原因RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理2. 半导体探测器半导体探测器RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理半导体探测器-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

14、空穴对的形成；在外加电场作用下，形成电流。固体电离需要3.3 eV。 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理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 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理至高压P+（面垒或离子注入）至前置放大电路N+（锂扩散）约为500 m同轴高纯锗结构示意图RADIATION & ENVIRONMENT LABARAT

15、ORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理HPGe探测器探测器lHPGe 结构结构l工作原理工作原理l特性参数特性参数 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理半导体的基本知识半导体的基本知识 l固体能量理论固体能量理论l本征半导体本征半导体l载流子的产生与复合载流子的产生与复合l载流子与外加电场的关系载流子与外加电场的关系RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理本征半导体l理想的不含杂质的半导体在无外界理想的不含杂质的半导体在无外界作用时，导带中的电

16、子和满带中的作用时，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。导体材料称为本征半导体。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l载流子：电子和空穴统称为载流子。载流子：电子和空穴统称为载流子。l载流子的产生：在光、热、核辐射作用下产生载流子的产生：在光、热、核辐射作用下产生l平衡载流子：热平衡下产生的载流子平衡载流子：热平衡下产生的载流子l非平衡载流子：由外界（如核辐射）产生，入非平衡载流子：由外界（

17、如核辐射）产生，入射粒子射入半导体中，产生很多电子射粒子射入半导体中，产生很多电子- -空穴对空穴对。l非平衡载流子与平衡载流子一样，在半导体内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，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。俘获对核辐射探测来说是不希望的。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理

18、l载流子在外加电场的作用下用漂移运载流子在外加电场的作用下用漂移运动，电子和空穴的漂移动，电子和空穴的漂移We和和Wh速度速度与电场强度的关系为：与电场强度的关系为：lWe=eElWh=hERADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理半导体探测器的基本原理半导体探测器的基本原理l若能量为若能量为E E0 0的核辐射粒子，其能量全部损的核辐射粒子，其能量全部损失在半导体探测器的灵敏体积内，所产生失在半导体探测器的灵敏体积内，所产生的电子的电子- -空穴对数目为：空穴对数目为：lN=EN=E0 0/W/Wlw-w-平均电离能平均电

19、离能l在半导体中产生一个电子在半导体中产生一个电子- -空穴对所需要空穴对所需要的平均电离能的平均电离能W W约为约为3 eV3 eV。l（气体中约（气体中约30 eV30 eV）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l由于探测器加反向偏压，探测器灵敏体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，在介小；有入射粒子，它们损失能量，在介质内就产生电子质内就产生电子-空穴

20、对，在外电场作用空穴对，在外电场作用下运动，从而在电极上出现感应电荷，下运动，从而在电极上出现感应电荷，电荷在电容电荷在电容C上积累而形成上积累而形成电压脉冲。电压脉冲。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l光子入射光子入射-固体电离（产生电子固体电离（产生电子-空穴对）空穴对）-在外电场作用下漂移在外电场作用下漂移-电极上出现感应电荷电极上出现感应电荷-在电容在电容C上积累而形成电压脉冲上积累而形成电压脉冲RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理

21、HPGe探测器工作原理探测器工作原理FQVCQ-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E qQWRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理半导体探测半导体探测器器输出脉冲的辐度与入射射线的能量成正输出脉冲的辐度与入射射线的能量成正比。比。输出脉冲的个数与入射粒子的个数成正输出脉冲的个数与入射粒子的个数成正比。比。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理能量区分与计数能量区分与计数l谱仪的仪器方框图谱仪的仪

22、器方框图RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理前置放大器 甄别器放大器脉冲辐度分析器 液晶显示接口（RS232）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伽玛谱仪工作原理方框图光电管NaI半导体探测器-HPGeRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理能谱分析的关键电子学电路能谱分析的关键电子学电路l脉冲幅度分析器脉冲幅度分析器l如何进行能谱分析如何进行能谱分析?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATO

23、RY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l由于谱仪输出的电脉冲幅度与入射射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。脉冲（通常是电压脉冲）的高度。l输出电压脉冲的个数与入射粒子的个输出电压脉冲的个数与入射粒子的个数成正比。数成正比。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l利用计数器记录一定时间间隔内每个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，达到微分测量能量区间的脉冲个数，达到微分测量（进行能谱分析）。（进行能谱分析）。l现代

24、脉冲幅度分析：利用现代脉冲幅度分析：利用ADC和单片和单片机。（说明）机。（说明）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理Ge半导体谱仪的能量分辩率半导体谱仪的能量分辩率lFWHM（60Co, 1332keV)RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理能量道与能量窗能量道与能量窗RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理能量道与能量窗能量道与能量窗-野外仪器野外仪器l钾窗：钾窗：137

25、0-1570keVl铀窗：铀窗：1660-1860keVl钍窗：钍窗：2410-2810keVl总道：总道：410-2810keV（航空）（航空）l 850-2810keV（地面）（地面）l宇宙射线：宇宙射线：3000-RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)闪烁探测器特性参数闪烁探测器特性参数能量响应能量响应 NaI(Tl)NaI(Tl)在伽玛射线能量大于在伽玛射线能量大于150 150 keVkeV时是时是线性的。线性的。 RADIATION & ENVIRONMENT LABARA

26、TORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛谱分析伽玛谱分析l探测器响应函数探测器响应函数l峰位与峰面积峰位与峰面积RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测器响应函数探测器响应函数l单能射线如何导致谱的复杂化单能射线如何导致谱的复杂化?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测器响应函数探测器响应函数l由于射线与物质的相互作用导致了射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（高线谱的复杂化。实测的脉冲幅度（高度）分布表明：

27、全能吸收峰高能的边度）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、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电子对效应或其他作用向低能方向分布。布。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测器响应函数探测器响应函数-康普顿本底的形康普顿本底的形成成l探测器内发生的单一康普顿效应导致了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从零至康普顿能量边缘的连续康普顿分布。布。 Ec=E1-1(1+2E/E0)l式中：式中：E0是电子的剩于能量（是电子的剩于能量（511

28、keV).多次散射导致扩展到全能峰。多次散射导致扩展到全能峰。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测器响应函数探测器响应函数-电子对效应电子对效应l晶体中的电子对效应导致单逃逸峰，晶体中的电子对效应导致单逃逸峰， E-E0l双逃逸峰双逃逸峰 E-2E0RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测器响应函数探测器响应函数-其他其他l在探测器非灵敏体积内的康普顿效应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也能被记录。在脉冲幅度

29、上通常显示为为“背散射背散射”，最大能量为，最大能量为l E/（1+2E/E0）l探测器周围材料中的电子对效应会导探测器周围材料中的电子对效应会导致致511keV的能量峰的能量峰RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理探测器响应函数探测器响应函数l综上，探测器的响应综上，探测器的响应(测得的信号测得的信号)可可以表示为以表示为l式中式中, DE (E)与能量为与能量为E光子在探测器光子在探测器内沉积能量内沉积能量E成正比成正比, 单位单位:/E注量注量lGv (E)与单位脉冲高度与单位脉冲高度(沉积能量沉积能量E导致增加的

30、脉冲高度导致增加的脉冲高度)成正比。（高成正比。（高斯分布）斯分布）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理峰位与峰面积峰位与峰面积l伽玛能谱分析程序的任务是寻找和确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。定全能峰并求解峰面积。l全能峰的峰位表示特征伽玛射线的能全能峰的峰位表示特征伽玛射线的能量（定性分析），净峰面积与核素活量（定性分析），净峰面积与核素活度成正比（定量分析）。度成正比（定量分析）。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理

31、l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lROI region of interestedl RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理毛面积毛面积Ag（ Gross area）l由全能峰（ROI）覆盖的所有道的计数的总和为总面积计数 hgii lACRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理 净面积净面积An（ net

32、 area）l全能峰的净面积就是可变总面积减去可变计算的本底 (5)1nagB hlAAhl RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理能量刻度能量刻度l谱仪如何确定能量？谱仪如何确定能量？RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理1.识别核素识别核素l能量刻度确定MCA道数与能量的关系0NnnnEA C式中，C是能量为E ( keV或MeV)的射线全能峰峰位的道址，无量纲；An为拟合参数，keV；RADIATION & ENVIRONMENT L

33、ABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l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；刻度用射线能量的分布和精度、谱仪系统的能量和稳定性。lNaI (T1) 谱仪能量较差，宜用单能射线源进行刻度，但单能源较少，有时也选择几种能量且能量相差较大的射线源，一般用137Cs源。lHPGe通常采用152Eu源RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理能量分辨率能量分辨率RADIATION & ENVIRO

34、NMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)闪烁探测器闪烁探测器或谱仪的或谱仪的特性参数特性参数能量分辨率能量分辨率 表示对入射伽玛射线能量区分的最小能量表示对入射伽玛射线能量区分的最小能量间隔。（对间隔。（对137137CsCs的的0.662 0.662 MeVMeV 而言）而言） = FWHM/E (%)= FWHM/E (%) Full width half Max RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理2.活度测定活度测定l效率刻度，通常用相对比较法效率刻度，通

35、常用相对比较法l求得单位时间、单位活度仪器的响应求得单位时间、单位活度仪器的响应（特征全能峰）（特征全能峰）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛能谱测量方法伽玛能谱测量方法l测线垂直于地质体（构造或岩本）走向测线垂直于地质体（构造或岩本）走向l测点间距：取决于地质勘查的详细程度测点间距：取决于地质勘查的详细程度（测网）（测网）l测量高度：定高或贴地测量高度：定高或贴地l采样时间：取决于测量精度和活度水平采样时间：取决于测量精度和活度水平l附属设备：附属设备：GPSRADIATION & ENVIRONMEN

36、T LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理天然放射性核素填图及校准天然放射性核素填图及校准RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理地面伽马能谱测量基本原理地面伽马能谱测量基本原理l伽玛射线与物质的相互作用伽玛射线与物质的相互作用l基本原理图基本原理图-半无限原理图半无限原理图l仪器谱仪器谱RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛射线与物质的相互作用伽玛射线与物质的相互作用0rII eI0和I分别表示特定放射性核素和二次产物产生的伽

37、玛射线与经过与物质作用后的注量率线吸收系数 质量吸收系数 /混合物：/(/)iiiiW RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l粒子注量粒子注量：l假若以辐射场中某点假若以辐射场中某点p p为中心，给出一小为中心，给出一小的球形区域，如果球体截面积为的球形区域，如果球体截面积为dada，从各，从各个方向射入该球体的总粒子数为个方向射入该球体的总粒子数为dNdN，则，则dNdN除以除以dada而得到的商定义为而得到的商定义为P P点处的粒子注点处的粒子注量率。量率。dNdaRADIATION & ENVIRONME

38、NT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l粒子注量率粒子注量率：l单位时间内粒子注量的增量。单位时间内粒子注量的增量。2dd NdtdadtRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理基本原理图基本原理图l半无限原理图半无限原理图RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l点源粒子注量计算点源粒子注量计算l单能粒子注量计算公式单能粒子注量计算公式l总粒子注量计算总粒子注量计算24rser22020/( , )2exp (/)sinexp

39、(/) exp( /)4sahsrz ru rhuhdrdr 21()EEEd EcosRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l-假设源活度为指数分布的张驰长度假设源活度为指数分布的张驰长度的倒数，的倒数，cm-1S 0-面源的活度（人工核素的活度随深面源的活度（人工核素的活度随深度呈指数分布）度呈指数分布）对于天然放射性核素，对于天然放射性核素，/=0RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理地面伽玛能谱测量地面伽玛能谱测量l地表放射性核素的分布地表

40、放射性核素的分布l仪器设备仪器设备l仪器校准仪器校准l野外测量方法野外测量方法l室内资料处理室内资料处理l影响因素影响因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理天然放射性核素天然放射性核素散落灰散落灰地表放射性核素的分布RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理地面伽玛能谱测量的两个基本假设地面伽玛能谱测量的两个

41、基本假设l分布均匀分布均匀l处于放射性平衡处于放射性平衡?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理散落灰散落灰l呈指数分布呈指数分布RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理仪器设备仪器设备FD-3022全谱全谱(DigiDART) (CD-10)FD-3022微机四道伽玛能谱仪微机四道伽玛能谱仪l探测器结构探测器结构l能量分辨和计数系统能量分辨和计数系统l能量分辨率能量分辨率l能量道和能量窗能量道和能量窗l测量参数测量参数l仪器操作仪器操作RADIAT

42、ION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l探测器结构探测器结构l能量分辨和计数系统能量分辨和计数系统lNaI(T1)探测器：探测器：7575晶体晶体(GDB-76 F)l能量分辨率：能量分辨率：7.8%(对对137Cs的的662 keV伽玛伽玛射线射线)l具有实时自动稳谱装置（用具有实时自动稳谱装置（用137Cs稳谱）。稳谱）。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l能量道和能量窗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）

43、 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RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理仪器结构仪器结构lNaI(Tl)探头探头l稳谱稳谱137Cs源源l主机主机为何要稳谱?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理测量参数测量参数lTc (850-3000keV) 10s归一归一leU (10-6) (ppm) 100s归一归一leTh (

44、10-6) (ppm) 100s归一归一lK (%) 100s归一归一RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理仪器操作仪器操作l电源检查电源检查l选择计数或含量挡选择计数或含量挡l选择计数时间挡选择计数时间挡l启动测量启动测量l测量结果循环显示测量结果循环显示l注意注意: 随时观测自动稳谱电位器随时观测自动稳谱电位器l 随时检查电源随时检查电源 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理如何校准如何校准RADIATION & ENVIRONMEN

45、T LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理仪器校准仪器校准l校准设施校准设施l校准方法校准方法(P.171)模型校准方法模型校准方法 宇宙射线和仪器本底测量方法宇宙射线和仪器本底测量方法RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理模型校准方法模型校准方法l换算系数的测定换算系数的测定l式中式中Ik、Iu、ITh分别为钾窗、铀窗和钍窗扣除本底后的净计分别为钾窗、铀窗和钍窗扣除本底后的净计数率，数率，Ck、Cu、CTh分别为模型中钾、铀、钍的含量。分别为模型中钾、铀、钍的含量。111213kkuThIa Ca C

46、a C 212223ukuThIa Ca Ca C 313233ThkuThIa Ca Ca CRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l方程组用矩阵表示：方程组用矩阵表示：lI=AC11 1213122122233313233kuTha a aCIIa a aCIa a aCRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理逆矩阵解谱法l步骤：步骤：l将仪器放在模型中心，分别在饱和纯铀、纯钍、纯钾模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

47、的计数率，采用高精度测量型测定各能量窗的计数率，采用高精度测量(计数统计误计数统计误差不大于差不大于2%)；l在本底模型上测定各能量窗的计数率；在本底模型上测定各能量窗的计数率；l用各道净计数率建立用各道净计数率建立9个方程组（模型上各道计数率与个方程组（模型上各道计数率与本底模型相应道计数率之差）；本底模型相应道计数率之差）；l用矩阵解法求得剥谱系数；用矩阵解法求得剥谱系数；l在铀、钍混合模型上测量，用逆矩阵解谱法求其在铀、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

48、规范要求。含量相比，误差是否符合规范要求。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理被测介质中钾被测介质中钾, 铀铀, 钍含量计算钍含量计算 111kkuThCa Ib Ic I 333ThkuThCa Ib Ic I333ThkuThCa Ib Ic IRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理能量（MeV）3.02.01.000102030208Tl-2.62208Tl-0.583214Bi-0.609214Bi-0.61214Bi-1.12 214B

49、i-1.7640K-1.46 E1E2E3Eo计数/秒每12keVRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理地面地面能谱测量技术规程能谱测量技术规程DZT 02051999 模型校准误差要求模型校准误差要求 允允 许许 误误 差差 元元 素素 模模 型型 含含 量量 范范 围围 绝绝 对对 误误 差差 相相 对对 误误 差差 K K 1 1% % 0 0. .3 3 % %K K 1 1% % 1 10 0% % e eU U 1 10 0 1 10 0- -6 6 1 1 1 10 0- -6 6e eU U 1 10 0

50、 1 10 0- -6 6 3 3% % e eT Th h 2 25 5 1 10 0- -6 6 1 1. .5 5 1 10 0- -6 6e eT Th h 2 25 5 1 10 0- -6 6 5 5% % RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理地面伽玛能谱测量地面伽玛能谱测量l地表放射性核素的分布地表放射性核素的分布l仪器设备仪器设备l仪器校准仪器校准l野外测量方法野外测量方法l室内资料处理室内资料处理l影响因素影响因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT L

51、ABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理伽玛能谱测量方法技术伽玛能谱测量方法技术 l准备工作准备工作 测网实施测网实施 野外测野外测量量 （测量本底，选择基准点，选定（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，现场记录，异常点带处理，精测）测） 采样采样 质量检查质量检查 资资料前期处理料前期处理RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理准备工作l仪器性能检查仪器性能检查l宇宙射线及仪器本底测定宇宙射线及仪器本底测定l长期稳定性检查长

52、期稳定性检查RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理仪器性能检查仪器性能检查l涨落性涨落性l短期稳定性短期稳定性 (一天一天8小时小时)21()1nXiXsnsXRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l宇宙射线及仪器本底测定宇宙射线及仪器本底测定lI 自自=I 宇宇+I 仪器仪器l方法方法: 没有污染的大水面没有污染的大水面l 水中法水中法l 铅屏法铅屏法(P.163)RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛

53、能谱测量 核地球物理核地球物理l长期稳定性检查长期稳定性检查l选择基准参考点选择基准参考点RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理野外观测方法技术野外观测方法技术 l测网布置测网布置l测量方式选择测量方式选择(贴地贴地,齐膝齐膝)(点测点测,连续连续) l野外观测野外观测l异常处理异常处理l采样采样 l质量检查质量检查 l资料前期处理资料前期处理(RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理矿矿 产产 勘勘 查查 工工 作作 比比 例例 尺尺 测测 网网

54、密密 度度 ( (m m) ) 区区 域域 地地 质质 调调 查查 1 1： 1 10 00 00 00 00 0 1 1： 5 50 00 00 00 0 1 10 00 00 0 ( (5 50 0 2 20 00 0) ) 5 50 00 0 ( (5 50 0 1 10 00 0) ) 普普 查查 1 1： 2 25 50 00 00 0 1 1： 1 10 00 00 00 0 1 10 00 0 ( (2 20 0 5 50 0) ) 详详 查查 1 1： 2 20 00 00 0 1 1： 5 50 00 00 0 1 1： 1 10 00 00 0 5 50 0 ( (1 10

55、 02 20 0) ) 2 20 0 ( (5 5 1 10 0) ) 1 10 0 ( (2 2 5 5) ) RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l在野外观测中发现在野外观测中发现能谱异常点能谱异常点(带带)时，应做如时，应做如下工作：下工作：la.重复测量，以确定异常的存在；重复测量，以确定异常的存在；lb.追索异常。采用追索异常。采用“十十”字剖面法或加密测网的字剖面法或加密测网的办法，圈定异常范办法，圈定异常范l围，点线距视具体情况而定；围，点线距视具体情况而定；lc.观察地质现象，描述异常位置及赋存的地质体

56、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；、岩性、构造、围岩蚀变、矿化特征；ld.在异常极大值部位或异常有利部位在异常极大值部位或异常有利部位(矿化、蚀矿化、蚀变等变等)采集岩石或土壤样品，供室内研究之用；采集岩石或土壤样品，供室内研究之用；le.异常点异常点(带带)应及时登记造册，进行初步评价，应及时登记造册，进行初步评价，并提出进一步处理意见。并提出进一步处理意见。 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理质量检查质量检查l（1） 检查点布置原则检查点布置原则la.检查测量工作量不得少于

57、总工作量的检查测量工作量不得少于总工作量的10%，但，但总点数不少于总点数不少于30；lb.对有矿化及有地质意义的异常点对有矿化及有地质意义的异常点(带带)100%要要进行检查，一般异常点进行检查，一般异常点(带带)做做50%的检查，并追的检查，并追索到背景场索到背景场35个测点个测点;lc.检查线应布置在地质上有意义或工作质量有疑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。问的剖面，以互检或自检方式进行。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理RADIATION & ENVIRONME

58、NT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l|Q1 Q2|1212()100%()/2QQQQRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理地面伽玛能谱测量地面伽玛能谱测量l地表放射性核素的分布地表放射性核素的分布l仪器设备仪器设备l仪器校准仪器校准l野外测量方法野外测量方法l室内资料处理室内资料处理l影响因素影响因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l计算钾计算钾,铀铀,钍含量钍含量l计算各参数平均值

59、及标准偏差计算各参数平均值及标准偏差l不同地质单元、不同地层、不同岩性不同地质单元、不同地层、不同岩性反映的反映的场特征不同，应分别统计其场特征不同，应分别统计其钾、铀、钍元素含量、比值和总道计钾、铀、钍元素含量、比值和总道计数率的背景平均值（数率的背景平均值（X）、标准偏差）、标准偏差(S)和变异系数和变异系数(CV)等参数，计算公等参数，计算公式如下：式如下：RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理11niiXXn21()1nXiXsnRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能

60、谱测量 核地球物理核地球物理编图编图l参数统计图（直方图）参数统计图（直方图）l平面剖面图平面剖面图l平面等值线图平面等值线图(平均值加均方误差平均值加均方误差)l 背景场（正常场）、偏高场、高场、背景场（正常场）、偏高场、高场、异常场异常场l综合剖面图（地质物探综合剖面图综合剖面图（地质物探综合剖面图）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理作图软件作图软件lGrapherlsurferRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理参数统计样本数平均值标准

61、偏差最小值最大值U（10-6 g/g）1106.341.792.4710.98Th（10-6 g/g）15121.324.7910.1940.72K（10-2 g/g）1562.580.720.904.71K/Th (104)1430.120.050.020.25U/Th1240.350.110.160.64U/K (10-4)1012.300.680.903.97RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理地面伽玛能谱测量地面伽玛能谱测量l地表放射性核素的分布地表放射性核素的分布l仪器设备仪器设备l仪器校准仪器校准l野外测量方法野外测量方法l室内资料处理室内资料处理l影响因素影响因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽玛能谱测量 核地球物理核地球物理l宇宙射线宇宙射线l地形地形l散射体散射体l降雨降雨l覆盖层覆盖层(雪层雪层,植被植被)l湿度湿度l分布不均匀分布不均