某地矽卡巖的γ能譜測(cè)量

劉海琴 王強(qiáng) 祝美英

摘 要：用低本底γ能譜測(cè)量法測(cè)量某地的矽卡巖的U、Th、K等天然放射性。對(duì)比HPGe譜儀的探測(cè)結(jié)果，分析表明在對(duì)精度要求不高，需要快速、方便的得出樣品中的放射性的條件下可以用低本底γ能譜測(cè)量系統(tǒng)代替HPGeγ能譜儀使用。

關(guān)鍵詞：低本底γ；能譜儀；比活度；HPGe譜儀

天然放射性在地球上是一種相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，幾乎所有的物質(zhì)都具有放射性，其來(lái)源主要是Th、U衰變系列中放射性核素輻射出的伽瑪射線。γ能譜測(cè)量方法是一種非常重要的核地球物理方法，常常被用來(lái)解決地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等有關(guān)問(wèn)題，它不僅能獲得伽瑪輻射總量、鈾、釷、鉀等元素的含量，還能進(jìn)行油氣勘測(cè)、巖性分析、鈾礦勘探及環(huán)境的輻射監(jiān)測(cè)等。低本底γ能譜儀因裝置簡(jiǎn)單、成本低、使用和維護(hù)方便、探測(cè)效率高而廣泛應(yīng)用于野外γ能譜測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)方法與設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與測(cè)量條件

采用IED-3000B型低本底多道射線γ能譜儀的主要組成：鉛屏蔽室由低本底鉛加工而成，鉛室壁厚度10cm。探測(cè)器由碘化鈉晶體[NaI（Tl）]和光電倍增管組成，碘化鈉晶體為直徑75mm×75mm為了降低儀器本底采用低鉀光電倍增管，對(duì)Cs-137的662Kev的γ射線的能量分辨率為9.8%，可探測(cè)γ射線的能量范圍為：50-3000Kev[1]。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。用HPGe和NaI（Tl）伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)某地矽卡巖進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量巖石中的U、Th、K的活度，將樣品放入測(cè)量盒中壓實(shí)、密封，減少誤差。將樣品盒放置在鉛室中測(cè)量，較少環(huán)境因素的干擾，NaI伽馬譜儀測(cè)量時(shí)間為3000s，HPGe伽馬譜儀放置在空調(diào)房中連續(xù)測(cè)量10h。

1.2 測(cè)量原理

低本底伽瑪能譜測(cè)量是通過(guò)碘化鈉γ能譜儀測(cè)量放射性輻射體的伽瑪射線譜，以此來(lái)確定輻射體的放射性元素的含量分布。在伽瑪能譜測(cè)量中，測(cè)定鈾、釷、鉀三種元素的含量或活度時(shí)，通常需要選取鈾、釷、鉀元素的特征峰的三個(gè)能譜段的計(jì)數(shù)率來(lái)進(jìn)行計(jì)算。由于鉀-40放射出單一能量（1.460MeV）的伽瑪射線，故各能量段組合中鉀峰能量段只取1.340～1.570MeV，其特征峰能量為1.460MeV；選取U子體放射出的0.352MeV、0.609MeV和1.76MeV的伽瑪射線能量峰，對(duì)應(yīng)的鐳峰能量段分別為0.300～0.380MeV、0.542～0.662MeV和1.660～1.860MeV；選取Th子體放射出0.581MeV、0.908MeV和2.62MeV的伽瑪射線能量峰，對(duì)應(yīng)的釷峰能量段分別為0.530～0.630keV、0.840～1.040MeV和2.490～2.770MeV[2-3]。

計(jì)算樣品中的鈾、釷、鉀的含量或活度可采用絕對(duì)法和相對(duì)法兩種計(jì)算方法，絕對(duì)法通過(guò)直接計(jì)算峰面積后代入公式計(jì)算求得，不需要與標(biāo)準(zhǔn)樣對(duì)比，但是比較難得到，相對(duì)法分單標(biāo)法和對(duì)標(biāo)，本次實(shí)驗(yàn)NaI譜儀采用多標(biāo)法計(jì)算含量，首先需要測(cè)定儀器的標(biāo)定系數(shù)，標(biāo)定系數(shù)通過(guò)測(cè)量的三個(gè)已知含量和活度的標(biāo)準(zhǔn)模型，得到以下方程：

（1）

其中CK、CU、CTh別為鉀道、鐳道、釷道扣除儀器本底后的計(jì)數(shù)率；aij（i=1～3，j=1～3）分別為標(biāo)準(zhǔn)模型的換算系數(shù)，IK、IU、ITh分別為測(cè)量對(duì)象K、U、Th的活度。

方程組用逆矩陣表示為：

（2）

I=AC

C=A-1I

式中，I：計(jì)數(shù)率矩陣；C：活度矩陣；A：系數(shù)矩陣；A-1為A的逆矩。換算系數(shù)矩陣包括：aij（i=1～3，j=1～3），9個(gè)變量，確定這9個(gè)變量的方法是用標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定，換算系數(shù)確定后，根據(jù)測(cè)量的計(jì)數(shù)率，求得測(cè)量對(duì)象中K、U、Th的活度。換算系數(shù)經(jīng)標(biāo)定后得到鉀、鈾、釷活度的表達(dá)式如下：

（3）

計(jì)算核素放射性比活度的表達(dá)式為：

（4）

其中C'K、C'U、C'Th就是K、U、Th的比活度[4-6]。

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)量結(jié)果

用HPGe譜儀和NaIγ能譜儀分別對(duì)待測(cè)的16個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量，NaI低本底伽馬能譜儀所測(cè)數(shù)據(jù)由公式（1）、公式（2）、公式（4）算出鈾、釷、鉀的比活度。將計(jì)算所得比活度與HPGe譜儀測(cè)量所得活度進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)圖2、3、4。

從圖2、3、4中可以看出，HPGe測(cè)量結(jié)果中2、6、10和13號(hào)樣品中鈾的比活度較高，3、8、11和14號(hào)樣品鈾的比活度較低，2、6、10和13號(hào)樣品釷的比活度較高，3、7、11和14號(hào)樣品釷的比活度較低，2、4、7、13和15號(hào)樣品鉀比活度較高，3、8和16號(hào)樣品鉀比活度較低。NaI測(cè)量結(jié)果絕大部分還是符合HPGe所測(cè)的比活度的高低變化規(guī)律，其中異常點(diǎn)有：圖2中，11和14號(hào)樣品鈾比活度為負(fù)值，其原因?yàn)?1和14號(hào)樣品中的鈾含量太低，低于NaI能譜儀的檢出限。圖3中，7號(hào)樣品釷比活度為負(fù)值，3號(hào)樣品釷的比活度僅為0.73，13號(hào)樣品的比活度要低于HPGe所測(cè)的比活度。圖4中，6和8號(hào)樣品中鉀的比活度低于HPGe譜儀的測(cè)量結(jié)果。

圖2中14和11號(hào)樣品中比活度為負(fù)值，其原因?yàn)樵搩蓚€(gè)樣品中的鈾含量過(guò)低，低于儀器的檢出限，還有可能是含量過(guò)低，測(cè)量的計(jì)數(shù)率低于本底計(jì)數(shù)率。同理，圖3中7號(hào)樣品由于釷含量過(guò)低，低于儀器的檢出限。6號(hào)和8號(hào)樣品鉀的比活度要明顯低于HPGe譜儀的測(cè)量結(jié)果，這可能是由于放射性的統(tǒng)計(jì)漲落所引起的誤差，使測(cè)量的結(jié)果要低于HPGe譜儀的測(cè)量結(jié)果。

整體上，NaI測(cè)量得出的比活度值要高于HPGe探測(cè)器，這是因?yàn)镹aI伽馬能譜儀的分辨率和精度都要低于HPGe伽馬譜儀，這就導(dǎo)致NaI所測(cè)的譜線會(huì)被本多因素干擾，使測(cè)量的計(jì)數(shù)率增加。雖然NaI測(cè)量得出的比活度值要高于HPGe探測(cè)器測(cè)量的比活度，但是碘化鈉低本底γ能譜測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果和HPGe測(cè)量結(jié)果的大體趨勢(shì)是相同的，能較好的反應(yīng)出樣品中的放射性的高低。因此在野外使用碘化鈉低本底γ能譜儀是很方便的，能很大程度提高野外工作效率。

2.2 結(jié)論

雖然高純鍺伽馬譜儀能量分辨率好，精度高，能好的識(shí)別不同的放射性元素，但是HPGe譜儀的測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，而且對(duì)環(huán)境的溫度要求較高，要在空調(diào)房中保持一定的溫度在實(shí)際操作中比較麻煩，從文章中可看出低本底γ譜儀對(duì)樣品的分析效果較好，且測(cè)量簡(jiǎn)單快捷，能有效的節(jié)省時(shí)間，提高工作效率。因此在精度要求不高，不需要準(zhǔn)確得出樣品鈾、釷、鉀含量與活度的情況下，使用低本底γ譜儀能替代高純鍺伽馬譜儀，快速的得出樣品是否含有放射性及放射性的多少。

參考文獻(xiàn)

[1]賴萬(wàn)昌，葛良全，吳永鵬，等.新型便攜式微機(jī)多道γ能譜儀的研制[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2004，1：37-40+33.

[2]姜贊成，方方，丁衛(wèi)撐，等.低功耗手持式一體化多道γ能譜儀的設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2008，6：1223-1225.

[3]劉海生.土壤中鈾系不平衡對(duì)地面伽馬能譜測(cè)量的影響[J].物探與化探，2002，3：207-208.

[4]謝希成.低本底γ能譜分析軟件的研發(fā)[D].成都理工大學(xué)，2012.

[5]湯月里，朱國(guó)義，岳忠厚，等.用NaI（Tl）γ譜儀測(cè)定地層鈾系、釷系和鉀-40γ照射量率的逆矩陣法[J].輻射防護(hù)，1985，6：422-427.

[6]樊衛(wèi)花，王衛(wèi)萍，侯勝利.低本底多道γ能譜儀解譜應(yīng)用軟件的開發(fā)及應(yīng)用[J].巖礦測(cè)試，2006，1：31-34.

作者簡(jiǎn)介：劉海琴（1990-），女，四川內(nèi)江人，碩士生，專業(yè)：輻射防護(hù)與環(huán)境保護(hù)。