航空γ能譜儀基礎知識以及應用

丘安順 毛偉業(yè) 楊鋼 馬俊騰 羅航 翟剛

摘 要：航空γ能譜儀測量系統(tǒng)由碘化鈉晶體（NaI）和光電倍增管為主要部件航空γ能譜測量系統(tǒng)，多采用4條下測晶體和1條上測晶體組合成航空γ能譜測量系統(tǒng)的探頭，設計了溫度傳感器、電流反饋型前置放大器等，實現(xiàn)了γ光子與核信號的轉(zhuǎn)換；通過高速ADC與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)模擬核信號的數(shù)字化。

關鍵詞：航空γ能譜儀測量；γ能譜儀；應用

中圖分類號：P631 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）25-0187-02

Abstract： The measurement system of airborne γ spectrometer is mainly composed of sodium iodide crystal （NaI） and photomultiplier tube （PMT）. The probe of airborne γ energy spectrum measurement system is composed of four lower crystals and one upper crystal， and the temperature sensor and current feedback preamplifier are designed to realize the conversion between γ photons and nuclear signals， and the analog nuclear signals are digitized by high-speed ADC and data acquisition system.

Keywords： airborne γ spectrometer measurement； γ spectrometer； application

1 航空γ能譜儀測量原理

航空γ能譜測量，簡要地說就是將航空γ能譜儀安裝在飛行器上，在測量地區(qū)上空按照預先設計的測線和高度對巖石和地層中天然放射性核素巖石或礦石品位進行測量的地球物理-地球化學方法。

自然界中存在著放射性物質(zhì)，它能時刻自發(fā)的進行衰變，在衰變過程中，放射出α、β、γ粒子，形成α射線、β射線、γ射線。α、β射線自身能量很低，不易測量，γ射線具有一定的能量，可以穿透一定厚度的物質(zhì)，如：土壤、巖層等。進入大氣層中，我們就可以使用航空γ能譜儀，來測量γ射線的強度，達到尋找放射性礦床的目的。

2 航空γ能譜儀組成及主要指標

2.1 航空γ能譜儀組成

目前，無論國外航空γ能譜，還是國內(nèi)航空γ能譜基本組成包括碘化鈉晶體（NaI）、光電倍增管、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、溫濕度傳感器、GPS等。其中，碘化鈉晶體（NaI）和光電倍增管是整套儀器數(shù)據(jù)采集的主要部件。

碘化鈉晶體（NaI）分為多晶（熱壓式）、單晶（生長式）。我們使用的為多晶（熱壓式），工作正常的碘化鈉晶體

（NaI）是無色透明的，顏色變黃時，晶體性能就下降了，需要更換。單晶只要有一個小的裂隙就不能使用了，多晶可以有少量的小裂隙。晶體的均勻性及磨光度十分重要。

2.2 能譜儀的主要指標

（1）靈敏度

儀器系統(tǒng)靈敏度除取決于晶體體積大小外，還和γ射線的修正有關，γ射線能譜儀測量數(shù)據(jù)的修正值有：死時間修正，飛機本底修正，康普頓散射效應的修正，對鈾道的大氣氡的修正。

（2）分辨率

對每塊晶體及系統(tǒng)均要使用137Cs、Tl208標準源進行測試。

對137Cs分辨率要小于10%，對Tl208分辨率要小于6%。

（3）γ射線能譜儀的穩(wěn)定性

放射性測量是以每秒計數(shù)方式表示測量結(jié)果的，是一個統(tǒng)計脈沖漲落的一個過程，它必須符合統(tǒng)計規(guī)律，即泊松規(guī)律。具體測試方法是，將γ射線能譜儀放在本底穩(wěn)定的環(huán)境中，儀器連續(xù)工作7個小時，每小時記錄一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)取出10分鐘的記錄數(shù)據(jù)參加計算，參加計算的七組數(shù)據(jù)中，取其最大的和最小的兩組數(shù)據(jù)與另外五組數(shù)據(jù)的平均值相比較，其變化不超過±5%，即為儀器穩(wěn)定性合格。

N最大/N平均<5%，N最小/N平均<5%，其中：N最大為最大的一組記錄的平均值；N最小為最小的一組記錄的平均值；N平均為另外五組記錄的平均值。

3 應用

近年來在進行航空物探項目過程中，通過使用由加拿大RMS公司生產(chǎn)的RSX-5航空γ能譜儀，總結(jié)出如何在測試過程中判斷航空γ能譜儀故障的方法。

加拿大RMS公司生產(chǎn)的RSX-5航空γ能譜儀采用4條下測晶體和1條上測晶體組合成航空γ能譜測量系統(tǒng)的探頭，使用137Cs標準源測試。在項目進行過程中，我們使用1024道模式輸出，137Cs中心峰為220道，峰位范圍為218道-222道。

3.1 初步判斷

在項目進行中，在外界溫度和濕度不變的情況下，使用137Cs進行測試過程中，發(fā)現(xiàn)將137Cs放在晶體的不同位置，137Cs的中心峰位出現(xiàn)了較大的偏移。

上圖顯示數(shù)據(jù)是將137Cs標準源放置在晶體尾部，可以看出137Cs中心峰位在218道，已基本偏出峰位范圍。

圖2顯示數(shù)據(jù)是將137Cs標準源放置在晶體頂部，可以看出137Cs中心峰位在224道，已偏出峰位范圍。

圖3顯示數(shù)據(jù)是將137Cs標準源放置在晶體中心位置，可以看出137Cs中心峰位在220道，在峰位范圍內(nèi)。

3.2 進一步確認

圖4顯示數(shù)據(jù)是在使用137Cs進行測試中，采集到的能譜數(shù)據(jù)已經(jīng)出現(xiàn)了較大的臺階。對今后數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生了較大的影響。

3.3 最終確認

最終將能譜儀晶體打開后，晶體整體還比較通透，未出現(xiàn)發(fā)黃、氣泡等現(xiàn)象，但是發(fā)現(xiàn)在晶體一角已經(jīng)出現(xiàn)了裂紋，從而影響了數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量。

4 當前發(fā)展趨勢

當前，航空γ能譜儀在航空物探已經(jīng)得到了越來越廣泛的使用，由前幾年的一臺航空γ能譜儀作業(yè)到目前的兩臺甚至三臺航空γ能譜儀同時作業(yè)。而且，當前的航空物探作業(yè)多使用直升機進行作業(yè)，飛行高度降低，采集數(shù)據(jù)質(zhì)量得到了提升，從而對航空γ能譜儀的工作狀態(tài)有了更為嚴格的要求。所以在作業(yè)前和作業(yè)后對航空γ能譜儀的調(diào)試提出了更為嚴格的要求。以前航空γ能譜儀的衡量標準單純要求分辨率小于12%即可進行工作，但是目前僅僅通過對分辨率的要求進行衡量已完全不能夠滿足項目要求。通過多年來多個項目的實施，對航空γ能譜儀調(diào)試總結(jié)了一套合理的處置方法，對今后各個項目的順利實施提供了有力保障。

參考文獻：

[1]熊盛青.我國航空物探現(xiàn)狀與展望[J].中國地質(zhì)，1999（9）：18222.

[2]吳慧山，談成龍.我國核地球物理勘查的若干新進展[J].地球物理學報，1997，40（2）：317-325.

[3]程業(yè)勛，汪南萍，侯勝利.核輻射場與放射性勘查[M].北京：地質(zhì)出版社，2005：116.

[4]周錫華，喬廣志.新一代航空多道伽馬能譜儀的引進和初步應用[J].物探與化探，2002，26（4）：318-320.