核物探5(伽瑪能譜2011)COPY

1、RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理核地球物理核地球物理主講人主講人 王南萍王南萍 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY地球物理與信息技術學院地球物理與信息技術學院RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理大綱大綱l伽瑪能譜測量基本原理伽瑪能譜測量基本原理l伽瑪能譜測量方法伽瑪能譜測量方法l天然放射性核素填圖校準天然放射性核素填圖校準l質(zhì)量保證質(zhì)量保證l數(shù)據(jù)處理及圖件編制數(shù)據(jù)處理及圖件編制l應用應用RADIAT

2、ION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪能譜測量基本原理伽瑪能譜測量基本原理l伽瑪輻射伽瑪輻射 放射性衰變放射性衰變 伽瑪射線譜伽瑪射線譜 伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用l伽瑪能譜儀伽瑪能譜儀RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理放射性衰變放射性衰變主要放射源主要放射源:lK-40, 豐度豐度:總鉀的總鉀的0.0118%lU-238系列的衰變產(chǎn)物系列的衰變產(chǎn)物(子體子體)lTh-232系列的衰變產(chǎn)物系列的衰變產(chǎn)物(子體子體)l人工核素人工核

3、素l宇宙射線宇宙射線RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理K-40能量計數(shù)率RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪射線譜伽瑪射線譜l展寬了的譜線稱之為光電峰，由儀器展寬了的譜線稱之為光電峰，由儀器的能量分辨率決定。的能量分辨率決定。l為何單能源（為何單能源（K-40）也存在全譜曲線？）也存在全譜曲線？l為何在低能區(qū)間有很高的計數(shù)率？為何在低能區(qū)間有很高的計數(shù)率？l譜線為何有重疊？譜線為何有重疊？l如何識別不同的核素？如何識別不同的核素？l如何測

4、定核素的含量（活度）？如何測定核素的含量（活度）？RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用l伽瑪射線在被儀器記錄之前伽瑪射線在被儀器記錄之前l(fā)與地下介質(zhì)作用與地下介質(zhì)作用l與空氣作用與空氣作用l與探測器的材料作用與探測器的材料作用RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪能譜儀伽瑪能譜儀l探測器探測器l能量區(qū)分與計數(shù)能量區(qū)分與計數(shù)l能量分辨率能量分辨率l能量道與能量窗能量道與能量窗RADIATION &

5、amp; ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測器探測器l1.閃爍探測器閃爍探測器l2.半導體探測器半導體探測器RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l死時間死時間 在脈沖成形時間內(nèi)，不能記錄新的脈沖。在脈沖成形時間內(nèi)，不能記錄新的脈沖。 大晶體探測器要做死時間修正大晶體探測器要做死時間修正l脈沖堆積脈沖堆積 兩個等待處理的脈沖同時到脈沖幅度分兩個等待處理的脈沖同時到脈沖幅度分析器。通常在高計數(shù)率的情況下發(fā)生。析器。通常在高計數(shù)率的情況下發(fā)生。 不能修正。不能修正。 RADI

6、ATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理 NaI(Tl)閃爍計數(shù)器 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理閃爍計數(shù)器1. NaI(Tl)閃爍計數(shù)器RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理閃爍體光電倍增管光導光屏蔽光陰極信號輸出高壓電源閃爍計數(shù)器結(jié)構(gòu)示意圖RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理閃爍計數(shù)器工作原理1.射

7、線與閃爍體物質(zhì)作用，閃爍體原子、分子 電離或激發(fā)；2.電離或受激原子、分子回到基態(tài)，放出光子；3.光子經(jīng)光導打到光電倍增管上；4.經(jīng)過多個打拿級倍增，陽級收集后輸出電流 或電壓。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理光陰極陽極01001000 V打拿級光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理光子打出電子RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)閃爍探測器特性參數(shù)（1 1）發(fā)光效率）發(fā)光效率 C C發(fā)光發(fā)光表示閃爍體將所吸收

8、的輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽鼙硎鹃W爍體將所吸收的輻射能量轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿男阅?，也稱為以能量轉(zhuǎn)換效率，常用光輸?shù)男阅埽卜Q為以能量轉(zhuǎn)換效率，常用光輸出出S S來表示。來表示。 S Sn n光子光子E E S的單位是光子數(shù)/MeV。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)閃爍探測器特性參數(shù)（1 1）發(fā)光效率）發(fā)光效率 C C發(fā)光發(fā)光 光輸出與發(fā)光效率的關系為：光輸出與發(fā)光效率的關系為： C C發(fā)光發(fā)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 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)閃爍探測器特性參數(shù)（2 2）發(fā)光時間）發(fā)光時間 單位時間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)稱為發(fā)光強度單位時間內(nèi)發(fā)出的光子數(shù)稱為發(fā)光強度 I I（t t）dNdN光子光子/ /dt dt N N0 0（e e- t / - t / ) N N0 0為為t=0t=0時受激的奶發(fā)光的原子（或分子）時受激的奶發(fā)光的原子（或分子）數(shù)。數(shù)。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理工作原理工作原理l閃爍體特性閃爍體特性ln光子

10、光子= E0 K1 C發(fā)光發(fā)光 /hv平均平均lV= Q0 /C= E0 K1 C發(fā)光發(fā)光 T透明透明 G收集收集 K2 Me /hv平均平均lC發(fā)光發(fā)光-發(fā)光效率發(fā)光效率RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理輸出電壓脈沖輸出電壓脈沖兩個過程：兩個過程：核輻射轉(zhuǎn)換為光（由閃爍體完成）核輻射轉(zhuǎn)換為光（由閃爍體完成）閃爍光轉(zhuǎn)換為電脈沖（由光電倍增管完閃爍光轉(zhuǎn)換為電脈沖（由光電倍增管完成）成）光電倍增管陽極形成的電流經(jīng)光電倍增管陽極形成的電流經(jīng)RCRC電路轉(zhuǎn)電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷好}沖變?yōu)殡妷好}沖 /()0max()RCQRCVCRAD

11、IATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理- -光電倍增管的渡越時間，指光子到光電倍增管的渡越時間，指光子到達光陰極的瞬間至陽極輸出脈沖達到基達光陰極的瞬間至陽極輸出脈沖達到基某一指定值之間的時間間隔。某一指定值之間的時間間隔。 /()0max()RCQRCVCRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)閃爍計數(shù)器閃爍計數(shù)器輸出脈沖的輻度與入射射線的能量成正輸出脈沖的輻度與入射射線的能量成正比。比。輸出脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正輸出

12、脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正比。比。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測效率l對對粒子的探測效率接近粒子的探測效率接近100%100%l對對射線主要取決于甄別閾射線主要取決于甄別閾l對對射線主要取決于閃爍體的尺寸射線主要取決于閃爍體的尺寸 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)的特性的特性小結(jié)小結(jié)l大于大于150keV時，輸出信號幅度與入時，輸出信號幅度與入射粒子的能量成正比射粒子的能量成正比l單晶，無色透明，探測效率高單晶，

13、無色透明，探測效率高l受溫度影響受溫度影響l容易潮解容易潮解RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)的溫度特性的溫度特性這是譜儀發(fā)生譜漂的主要原因這是譜儀發(fā)生譜漂的主要原因RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理2. 半導體探測器半導體探測器RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理半導體探測器-固體電離室新型探測元件最大特點：能量分辯率高、雜質(zhì)含量極低固體電離導致電子

14、空穴對的形成；在外加電場作用下，形成電流。固體電離需要3.3 eV。 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理半導體探測器分類按材料分：鍺(伽瑪)、硅(alpha)按結(jié)構(gòu)分：P型、N型按制造工藝分：離子注入型、面壘型、擴散型按外形分：同軸型、平面型、井型 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理至高壓P+（面壘或離子注入）至前置放大電路N+（鋰擴散）約為500 m同軸高純鍺結(jié)構(gòu)示意圖RADIATION & ENVIRONMENT LABARAT

15、ORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理HPGe探測器探測器lHPGe 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)l工作原理工作原理l特性參數(shù)特性參數(shù) RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理半導體的基本知識半導體的基本知識 l固體能量理論固體能量理論l本征半導體本征半導體l載流子的產(chǎn)生與復合載流子的產(chǎn)生與復合l載流子與外加電場的關系載流子與外加電場的關系RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理本征半導體l理想的不含雜質(zhì)的半導體在無外界理想的不含雜質(zhì)的半導體在無外界作用時，導帶中的電

16、子和滿帶中的作用時，導帶中的電子和滿帶中的空穴都應由熱激發(fā)產(chǎn)生，而且電子空穴都應由熱激發(fā)產(chǎn)生，而且電子數(shù)目嚴格等于空穴數(shù)目，這樣的半數(shù)目嚴格等于空穴數(shù)目，這樣的半導體材料稱為本征半導體。導體材料稱為本征半導體。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l載流子：電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。載流子：電子和空穴統(tǒng)稱為載流子。l載流子的產(chǎn)生：在光、熱、核輻射作用下產(chǎn)生載流子的產(chǎn)生：在光、熱、核輻射作用下產(chǎn)生l平衡載流子：熱平衡下產(chǎn)生的載流子平衡載流子：熱平衡下產(chǎn)生的載流子l非平衡載流子：由外界（如核輻射）產(chǎn)生，入非平衡載流子：由外界（

17、如核輻射）產(chǎn)生，入射粒子射入半導體中，產(chǎn)生很多電子射粒子射入半導體中，產(chǎn)生很多電子- -空穴對空穴對。l非平衡載流子與平衡載流子一樣，在半導體內(nèi)非平衡載流子與平衡載流子一樣，在半導體內(nèi)會自發(fā)地遷移可在外電場作用下漂移，直到它會自發(fā)地遷移可在外電場作用下漂移，直到它們被收集在電極上，或發(fā)生電子和空穴復合，們被收集在電極上，或發(fā)生電子和空穴復合，以及電子和空穴俘獲。非平衡載流子的復合和以及電子和空穴俘獲。非平衡載流子的復合和俘獲對核輻射探測來說是不希望的。俘獲對核輻射探測來說是不希望的。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理

18、l載流子在外加電場的作用下用漂移運載流子在外加電場的作用下用漂移運動，電子和空穴的漂移動，電子和空穴的漂移We和和Wh速度速度與電場強度的關系為：與電場強度的關系為：lWe=eElWh=hERADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理半導體探測器的基本原理半導體探測器的基本原理l若能量為若能量為E E0 0的核輻射粒子，其能量全部損的核輻射粒子，其能量全部損失在半導體探測器的靈敏體積內(nèi)，所產(chǎn)生失在半導體探測器的靈敏體積內(nèi)，所產(chǎn)生的電子的電子- -空穴對數(shù)目為：空穴對數(shù)目為：lN=EN=E0 0/W/Wlw-w-平均電離能平均電

19、離能l在半導體中產(chǎn)生一個電子在半導體中產(chǎn)生一個電子- -空穴對所需要空穴對所需要的平均電離能的平均電離能W W約為約為3 eV3 eV。l（氣體中約（氣體中約30 eV30 eV）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l由于探測器加反向偏壓，探測器靈敏體由于探測器加反向偏壓，探測器靈敏體積內(nèi)部形成電場區(qū)。在沒有核輻射粒子積內(nèi)部形成電場區(qū)。在沒有核輻射粒子入射時，由于絕緣電阻很大，漏電流很入射時，由于絕緣電阻很大，漏電流很?。挥腥肷淞Ｗ?，它們損失能量，在介??；有入射粒子，它們損失能量，在介質(zhì)內(nèi)就產(chǎn)生電子質(zhì)內(nèi)就產(chǎn)生電子-空穴

20、對，在外電場作用空穴對，在外電場作用下運動，從而在電極上出現(xiàn)感應電荷，下運動，從而在電極上出現(xiàn)感應電荷，電荷在電容電荷在電容C上積累而形成上積累而形成電壓脈沖。電壓脈沖。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l光子入射光子入射-固體電離（產(chǎn)生電子固體電離（產(chǎn)生電子-空穴對）空穴對）-在外電場作用下漂移在外電場作用下漂移-電極上出現(xiàn)感應電荷電極上出現(xiàn)感應電荷-在電容在電容C上積累而形成電壓脈沖上積累而形成電壓脈沖RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理

21、HPGe探測器工作原理探測器工作原理FQVCQ-輸出電荷V-脈沖幅度CF-反饋電容Er-伽瑪射線能量q-電子電荷W-產(chǎn)生電子-空穴電離能E qQWRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理半導體探測半導體探測器器輸出脈沖的輻度與入射射線的能量成正輸出脈沖的輻度與入射射線的能量成正比。比。輸出脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正輸出脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正比。比。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理能量區(qū)分與計數(shù)能量區(qū)分與計數(shù)l譜儀的儀器方框圖譜儀的儀

22、器方框圖RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理前置放大器 甄別器放大器脈沖輻度分析器 液晶顯示接口（RS232）PC 機電源及低壓電路高壓電路輔助電路伽瑪譜儀工作原理方框圖伽瑪譜儀工作原理方框圖光電管NaI半導體探測器-HPGeRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理能譜分析的關鍵電子學電路能譜分析的關鍵電子學電路l脈沖幅度分析器脈沖幅度分析器l如何進行能譜分析如何進行能譜分析?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATO

23、RY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l由于譜儀輸出的電脈沖幅度與入射射由于譜儀輸出的電脈沖幅度與入射射線能量成正比，因此只需分析輸出電線能量成正比，因此只需分析輸出電脈沖（通常是電壓脈沖）的高度。脈沖（通常是電壓脈沖）的高度。l輸出電壓脈沖的個數(shù)與入射粒子的個輸出電壓脈沖的個數(shù)與入射粒子的個數(shù)成正比。數(shù)成正比。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l利用計數(shù)器記錄一定時間間隔內(nèi)每個利用計數(shù)器記錄一定時間間隔內(nèi)每個能量區(qū)間的脈沖個數(shù)，達到微分測量能量區(qū)間的脈沖個數(shù)，達到微分測量（進行能譜分析）。（進行能譜分析）。l現(xiàn)代

24、脈沖幅度分析：利用現(xiàn)代脈沖幅度分析：利用ADC和單片和單片機。（說明）機。（說明）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理Ge半導體譜儀的能量分辯率半導體譜儀的能量分辯率lFWHM（60Co, 1332keV)RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理能量道與能量窗能量道與能量窗RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理能量道與能量窗能量道與能量窗-野外儀器野外儀器l鉀窗：鉀窗：137

25、0-1570keVl鈾窗：鈾窗：1660-1860keVl釷窗：釷窗：2410-2810keVl總道：總道：410-2810keV（航空）（航空）l 850-2810keV（地面）（地面）l宇宙射線：宇宙射線：3000-RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)閃爍探測器特性參數(shù)閃爍探測器特性參數(shù)能量響應能量響應 NaI(Tl)NaI(Tl)在伽瑪射線能量大于在伽瑪射線能量大于150 150 keVkeV時是時是線性的。線性的。 RADIATION & ENVIRONMENT LABARA

26、TORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪譜分析伽瑪譜分析l探測器響應函數(shù)探測器響應函數(shù)l峰位與峰面積峰位與峰面積RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測器響應函數(shù)探測器響應函數(shù)l單能射線如何導致譜的復雜化單能射線如何導致譜的復雜化?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測器響應函數(shù)探測器響應函數(shù)l由于射線與物質(zhì)的相互作用導致了射由于射線與物質(zhì)的相互作用導致了射線譜的復雜化。實測的脈沖幅度（高線譜的復雜化。實測的脈沖幅度（高度）分布表明：

27、全能吸收峰高能的邊度）分布表明：全能吸收峰高能的邊緣，并由于能量沉淀、康普頓效應、緣，并由于能量沉淀、康普頓效應、電子對效應或其他作用向低能方向分電子對效應或其他作用向低能方向分布。布。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測器響應函數(shù)探測器響應函數(shù)-康普頓本底的形康普頓本底的形成成l探測器內(nèi)發(fā)生的單一康普頓效應導致了探測器內(nèi)發(fā)生的單一康普頓效應導致了從零至康普頓能量邊緣的連續(xù)康普頓分從零至康普頓能量邊緣的連續(xù)康普頓分布。布。 Ec=E1-1(1+2E/E0)l式中：式中：E0是電子的剩于能量（是電子的剩于能量（511

28、keV).多次散射導致擴展到全能峰。多次散射導致擴展到全能峰。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測器響應函數(shù)探測器響應函數(shù)-電子對效應電子對效應l晶體中的電子對效應導致單逃逸峰，晶體中的電子對效應導致單逃逸峰， E-E0l雙逃逸峰雙逃逸峰 E-2E0RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測器響應函數(shù)探測器響應函數(shù)-其他其他l在探測器非靈敏體積內(nèi)的康普頓效應在探測器非靈敏體積內(nèi)的康普頓效應也能被記錄。在脈沖幅度上通常顯示也能被記錄。在脈沖幅度

29、上通常顯示為為“背散射背散射”，最大能量為，最大能量為l E/（1+2E/E0）l探測器周圍材料中的電子對效應會導探測器周圍材料中的電子對效應會導致致511keV的能量峰的能量峰RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理探測器響應函數(shù)探測器響應函數(shù)l綜上，探測器的響應綜上，探測器的響應(測得的信號測得的信號)可可以表示為以表示為l式中式中, DE (E)與能量為與能量為E光子在探測器光子在探測器內(nèi)沉積能量內(nèi)沉積能量E成正比成正比, 單位單位:/E注量注量lGv (E)與單位脈沖高度與單位脈沖高度(沉積能量沉積能量E導致增加的

30、脈沖高度導致增加的脈沖高度)成正比。（高成正比。（高斯分布）斯分布）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理峰位與峰面積峰位與峰面積l伽瑪能譜分析程序的任務是尋找和確伽瑪能譜分析程序的任務是尋找和確定全能峰并求解峰面積。定全能峰并求解峰面積。l全能峰的峰位表示特征伽瑪射線的能全能峰的峰位表示特征伽瑪射線的能量（定性分析），凈峰面積與核素活量（定性分析），凈峰面積與核素活度成正比（定量分析）。度成正比（定量分析）。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 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體（耗盡層）里，形成的脈沖峰lROI region of interestedl RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理毛面積毛面積Ag（ Gross area）l由全能峰（ROI）覆蓋的所有道的計數(shù)的總和為總面積計數(shù) hgii lACRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理 凈面積凈面積An（ net

32、 area）l全能峰的凈面積就是可變總面積減去可變計算的本底 (5)1nagB hlAAhl RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理能量刻度能量刻度l譜儀如何確定能量？譜儀如何確定能量？RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理1.識別核素識別核素l能量刻度確定MCA道數(shù)與能量的關系0NnnnEA C式中，C是能量為E ( keV或MeV)的射線全能峰峰位的道址，無量綱；An為擬合參數(shù)，keV；RADIATION & ENVIRONMENT L

33、ABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l能譜儀的能量刻度是指確定能譜儀中多道分析器的道址與射線能量的關系。在能譜儀系統(tǒng)測量條件確定的情況下，能量刻度的精度主要取決于標準（刻度）源的特性和活度；刻度用射線能量的分布和精度、譜儀系統(tǒng)的能量和穩(wěn)定性。lNaI (T1) 譜儀能量較差，宜用單能射線源進行刻度，但單能源較少，有時也選擇幾種能量且能量相差較大的射線源，一般用137Cs源。lHPGe通常采用152Eu源RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 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 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理NaI(Tl)NaI(Tl)閃爍探測器閃爍探測器或譜儀的或譜儀的特性參數(shù)特性參數(shù)能量分辨率能量分辨率 表示對入射伽瑪射線能量區(qū)分的最小能量表示對入射伽瑪射線能量區(qū)分的最小能量間隔。（對間隔。（對137137CsCs的的0.662 0.662 MeVMeV 而言）而言） = FWHM/E (%)= FWHM/E (%) Full width half Max RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理2.活度測定活度測定l效率刻度，通常用相對比較法效率刻度，通

35、常用相對比較法l求得單位時間、單位活度儀器的響應求得單位時間、單位活度儀器的響應（特征全能峰）（特征全能峰）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪能譜測量方法伽瑪能譜測量方法l測線垂直于地質(zhì)體（構(gòu)造或巖本）走向測線垂直于地質(zhì)體（構(gòu)造或巖本）走向l測點間距：取決于地質(zhì)勘查的詳細程度測點間距：取決于地質(zhì)勘查的詳細程度（測網(wǎng)）（測網(wǎng)）l測量高度：定高或貼地測量高度：定高或貼地l采樣時間：取決于測量精度和活度水平采樣時間：取決于測量精度和活度水平l附屬設備：附屬設備：GPSRADIATION & ENVIRONMEN

36、T LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理天然放射性核素填圖及校準天然放射性核素填圖及校準RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理地面伽馬能譜測量基本原理地面伽馬能譜測量基本原理l伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用l基本原理圖基本原理圖-半無限原理圖半無限原理圖l儀器譜儀器譜RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用伽瑪射線與物質(zhì)的相互作用0rII eI0和I分別表示特定放射性核素和二次產(chǎn)物產(chǎn)生的伽

37、瑪射線與經(jīng)過與物質(zhì)作用后的注量率線吸收系數(shù) 質(zhì)量吸收系數(shù) /混合物：/(/)iiiiW RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l粒子注量粒子注量：l假若以輻射場中某點假若以輻射場中某點p p為中心，給出一小為中心，給出一小的球形區(qū)域，如果球體截面積為的球形區(qū)域，如果球體截面積為dada，從各，從各個方向射入該球體的總粒子數(shù)為個方向射入該球體的總粒子數(shù)為dNdN，則，則dNdN除以除以dada而得到的商定義為而得到的商定義為P P點處的粒子注點處的粒子注量率。量率。dNdaRADIATION & ENVIRONME

38、NT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l粒子注量率粒子注量率：l單位時間內(nèi)粒子注量的增量。單位時間內(nèi)粒子注量的增量。2dd NdtdadtRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理基本原理圖基本原理圖l半無限原理圖半無限原理圖RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l點源粒子注量計算點源粒子注量計算l單能粒子注量計算公式單能粒子注量計算公式l總粒子注量計算總粒子注量計算24rser22020/( , )2exp (/)sinexp

39、(/) exp( /)4sahsrz ru rhuhdrdr 21()EEEd EcosRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l-假設源活度為指數(shù)分布的張馳長度假設源活度為指數(shù)分布的張馳長度的倒數(shù)，的倒數(shù)，cm-1S 0-面源的活度（人工核素的活度隨深面源的活度（人工核素的活度隨深度呈指數(shù)分布）度呈指數(shù)分布）對于天然放射性核素，對于天然放射性核素，/=0RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理地面伽瑪能譜測量地面伽瑪能譜測量l地表放射性核素的分布地表

40、放射性核素的分布l儀器設備儀器設備l儀器校準儀器校準l野外測量方法野外測量方法l室內(nèi)資料處理室內(nèi)資料處理l影響因素影響因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 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 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理地面伽瑪能譜測量的兩個基本假設地面伽瑪能譜測量的兩個

41、基本假設l分布均勻分布均勻l處于放射性平衡處于放射性平衡?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理散落灰散落灰l呈指數(shù)分布呈指數(shù)分布RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理儀器設備儀器設備FD-3022全譜全譜(DigiDART) (CD-10)FD-3022微機四道伽瑪能譜儀微機四道伽瑪能譜儀l探測器結(jié)構(gòu)探測器結(jié)構(gòu)l能量分辨和計數(shù)系統(tǒng)能量分辨和計數(shù)系統(tǒng)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(fā)測量參數(shù)測量參數(shù)l儀器操作儀器操作RADIAT

42、ION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l探測器結(jié)構(gòu)探測器結(jié)構(gòu)l能量分辨和計數(shù)系統(tǒng)能量分辨和計數(shù)系統(tǒng)lNaI(T1)探測器：探測器：7575晶體晶體(GDB-76 F)l能量分辨率：能量分辨率：7.8%(對對137Cs的的662 keV伽瑪伽瑪射線射線)l具有實時自動穩(wěn)譜裝置（用具有實時自動穩(wěn)譜裝置（用137Cs穩(wěn)譜）。穩(wěn)譜）。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 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)能量范圍（MeV）備注鉀窗40K（1.46）

43、 1.38-1.56鈾窗214Bi(1.76) 1.66-1.90釷窗208Tl(2.62) 2.44-2.77總道(Tc)0.85-3.00銫窗137Cs穩(wěn)譜用RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理儀器結(jié)構(gòu)儀器結(jié)構(gòu)lNaI(Tl)探頭探頭l穩(wěn)譜穩(wěn)譜137Cs源源l主機主機為何要穩(wěn)譜?RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理測量參數(shù)測量參數(shù)lTc (850-3000keV) 10s歸一歸一leU (10-6) (ppm) 100s歸一歸一leTh (

44、10-6) (ppm) 100s歸一歸一lK (%) 100s歸一歸一RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理儀器操作儀器操作l電源檢查電源檢查l選擇計數(shù)或含量擋選擇計數(shù)或含量擋l選擇計數(shù)時間擋選擇計數(shù)時間擋l啟動測量啟動測量l測量結(jié)果循環(huán)顯示測量結(jié)果循環(huán)顯示l注意注意: 隨時觀測自動穩(wěn)譜電位器隨時觀測自動穩(wěn)譜電位器l 隨時檢查電源隨時檢查電源 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理如何校準如何校準RADIATION & ENVIRONMEN

45、T LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理儀器校準儀器校準l校準設施校準設施l校準方法校準方法(P.171)模型校準方法模型校準方法 宇宙射線和儀器本底測量方法宇宙射線和儀器本底測量方法RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理模型校準方法模型校準方法l換算系數(shù)的測定換算系數(shù)的測定l式中式中Ik、Iu、ITh分別為鉀窗、鈾窗和釷窗扣除本底后的凈計分別為鉀窗、鈾窗和釷窗扣除本底后的凈計數(shù)率，數(shù)率，Ck、Cu、CTh分別為模型中鉀、鈾、釷的含量。分別為模型中鉀、鈾、釷的含量。111213kkuThIa Ca C

46、a C 212223ukuThIa Ca Ca C 313233ThkuThIa Ca Ca CRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l方程組用矩陣表示：方程組用矩陣表示：lI=AC11 1213122122233313233kuTha a aCIIa a aCIa a aCRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理逆矩陣解譜法l步驟：步驟：l將儀器放在模型中心，分別在飽和純鈾、純釷、純鉀模將儀器放在模型中心，分別在飽和純鈾、純釷、純鉀模型測定各能量窗

47、的計數(shù)率，采用高精度測量型測定各能量窗的計數(shù)率，采用高精度測量(計數(shù)統(tǒng)計誤計數(shù)統(tǒng)計誤差不大于差不大于2%)；l在本底模型上測定各能量窗的計數(shù)率；在本底模型上測定各能量窗的計數(shù)率；l用各道凈計數(shù)率建立用各道凈計數(shù)率建立9個方程組（模型上各道計數(shù)率與個方程組（模型上各道計數(shù)率與本底模型相應道計數(shù)率之差）；本底模型相應道計數(shù)率之差）；l用矩陣解法求得剝譜系數(shù)；用矩陣解法求得剝譜系數(shù)；l在鈾、釷混合模型上測量，用逆矩陣解譜法求其在鈾、釷混合模型上測量，用逆矩陣解譜法求其U、Th、K的含量，驗證各系數(shù)是否適用（實測的含量與模型的含量，驗證各系數(shù)是否適用（實測的含量與模型U、Th、K含量相比，誤差是否符合

48、規(guī)范要求。含量相比，誤差是否符合規(guī)范要求。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理被測介質(zhì)中鉀被測介質(zhì)中鉀, 鈾鈾, 釷含量計算釷含量計算 111kkuThCa Ib Ic I 333ThkuThCa Ib Ic I333ThkuThCa Ib Ic IRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 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計數(shù)/秒每12keVRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理地面地面能譜測量技術規(guī)程能譜測量技術規(guī)程DZT 02051999 模型校準誤差要求模型校準誤差要求 允允 許許 誤誤 差差 元元 素素 模模 型型 含含 量量 范范 圍圍 絕絕 對對 誤誤 差差 相相 對對 誤誤 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 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理地面伽瑪能譜測量地面伽瑪能譜測量l地表放射性核素的分布地表放射性核素的分布l儀器設備儀器設備l儀器校準儀器校準l野外測量方法野外測量方法l室內(nèi)資料處理室內(nèi)資料處理l影響因素影響因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT L

51、ABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理伽瑪能譜測量方法技術伽瑪能譜測量方法技術 l準備工作準備工作 測網(wǎng)實施測網(wǎng)實施 野外測野外測量量 （測量本底，選擇基準點，選定（測量本底，選擇基準點，選定測量時間，儀器性能檢查，野外觀測量時間，儀器性能檢查，野外觀測，現(xiàn)場記錄，異常點帶處理，精測，現(xiàn)場記錄，異常點帶處理，精測）測） 采樣采樣 質(zhì)量檢查質(zhì)量檢查 資資料前期處理料前期處理RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理準備工作l儀器性能檢查儀器性能檢查l宇宙射線及儀器本底測定宇宙射線及儀器本底測定l長期穩(wěn)定性檢查長

52、期穩(wěn)定性檢查RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理儀器性能檢查儀器性能檢查l漲落性漲落性l短期穩(wěn)定性短期穩(wěn)定性 (一天一天8小時小時)21()1nXiXsnsXRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l宇宙射線及儀器本底測定宇宙射線及儀器本底測定lI 自自=I 宇宇+I 儀器儀器l方法方法: 沒有污染的大水面沒有污染的大水面l 水中法水中法l 鉛屏法鉛屏法(P.163)RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪

53、能譜測量 核地球物理核地球物理l長期穩(wěn)定性檢查長期穩(wěn)定性檢查l選擇基準參考點選擇基準參考點RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理野外觀測方法技術野外觀測方法技術 l測網(wǎng)布置測網(wǎng)布置l測量方式選擇測量方式選擇(貼地貼地,齊膝齊膝)(點測點測,連續(xù)連續(xù)) l野外觀測野外觀測l異常處理異常處理l采樣采樣 l質(zhì)量檢查質(zhì)量檢查 l資料前期處理資料前期處理(RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理礦礦 產(chǎn)產(chǎn) 勘勘 查查 工工 作作 比比 例例 尺尺 測測 網(wǎng)網(wǎng)

54、密密 度度 ( (m m) ) 區(qū)區(qū) 域域 地地 質(zhì)質(zhì) 調(diào)調(diào) 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) ) 詳詳 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 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l在野外觀測中發(fā)現(xiàn)在野外觀測中發(fā)現(xiàn)能譜異常點能譜異常點(帶帶)時，應做如時，應做如下工作：下工作：la.重復測量，以確定異常的存在；重復測量，以確定異常的存在；lb.追索異常。采用追索異常。采用“十十”字剖面法或加密測網(wǎng)的字剖面法或加密測網(wǎng)的辦法，圈定異常范辦法，圈定異常范l圍，點線距視具體情況而定；圍，點線距視具體情況而定；lc.觀察地質(zhì)現(xiàn)象，描述異常位置及賦存的地質(zhì)體

56、觀察地質(zhì)現(xiàn)象，描述異常位置及賦存的地質(zhì)體、巖性、構(gòu)造、圍巖蝕變、礦化特征；、巖性、構(gòu)造、圍巖蝕變、礦化特征；ld.在異常極大值部位或異常有利部位在異常極大值部位或異常有利部位(礦化、蝕礦化、蝕變等變等)采集巖石或土壤樣品，供室內(nèi)研究之用；采集巖石或土壤樣品，供室內(nèi)研究之用；le.異常點異常點(帶帶)應及時登記造冊，進行初步評價，應及時登記造冊，進行初步評價，并提出進一步處理意見。并提出進一步處理意見。 RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理質(zhì)量檢查質(zhì)量檢查l（1） 檢查點布置原則檢查點布置原則la.檢查測量工作量不得少于

57、總工作量的檢查測量工作量不得少于總工作量的10%，但，但總點數(shù)不少于總點數(shù)不少于30；lb.對有礦化及有地質(zhì)意義的異常點對有礦化及有地質(zhì)意義的異常點(帶帶)100%要要進行檢查，一般異常點進行檢查，一般異常點(帶帶)做做50%的檢查，并追的檢查，并追索到背景場索到背景場35個測點個測點;lc.檢查線應布置在地質(zhì)上有意義或工作質(zhì)量有疑檢查線應布置在地質(zhì)上有意義或工作質(zhì)量有疑問的剖面，以互檢或自檢方式進行。問的剖面，以互檢或自檢方式進行。RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理RADIATION & ENVIRONME

58、NT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l|Q1 Q2|1212()100%()/2QQQQRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理地面伽瑪能譜測量地面伽瑪能譜測量l地表放射性核素的分布地表放射性核素的分布l儀器設備儀器設備l儀器校準儀器校準l野外測量方法野外測量方法l室內(nèi)資料處理室內(nèi)資料處理l影響因素影響因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l計算鉀計算鉀,鈾鈾,釷含量釷含量l計算各參數(shù)平均值

59、及標準偏差計算各參數(shù)平均值及標準偏差l不同地質(zhì)單元、不同地層、不同巖性不同地質(zhì)單元、不同地層、不同巖性反映的反映的場特征不同，應分別統(tǒng)計其場特征不同，應分別統(tǒng)計其鉀、鈾、釷元素含量、比值和總道計鉀、鈾、釷元素含量、比值和總道計數(shù)率的背景平均值（數(shù)率的背景平均值（X）、標準偏差）、標準偏差(S)和變異系數(shù)和變異系數(shù)(CV)等參數(shù)，計算公等參數(shù)，計算公式如下：式如下：RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理11niiXXn21()1nXiXsnRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能

60、譜測量 核地球物理核地球物理編圖編圖l參數(shù)統(tǒng)計圖（直方圖）參數(shù)統(tǒng)計圖（直方圖）l平面剖面圖平面剖面圖l平面等值線圖平面等值線圖(平均值加均方誤差平均值加均方誤差)l 背景場（正常場）、偏高場、高場、背景場（正常場）、偏高場、高場、異常場異常場l綜合剖面圖（地質(zhì)物探綜合剖面圖綜合剖面圖（地質(zhì)物探綜合剖面圖）RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理作圖軟件作圖軟件lGrapherlsurferRADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理參數(shù)統(tǒng)計樣本數(shù)平均值標準

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 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理地面伽瑪能譜測量地面伽瑪能譜測量l地表放射性核素的分布地表放射性核素的分布l儀器設備儀器設備l儀器校準儀器校準l野外測量方法野外測量方法l室內(nèi)資料處理室內(nèi)資料處理l影響因素影響因素l有效性及局限性有效性及局限性RADIATION & ENVIRONMENT LABARATORY 伽瑪能譜測量 核地球物理核地球物理l宇宙射線宇宙射線l地形地形l散射體散射體l降雨降雨l覆蓋層覆蓋層(雪層雪層,植被植被)l濕度濕度l分布不均勻分布不均