某地矽卡巖的γ能譜測量

劉海琴 王強 祝美英

摘 要：用低本底γ能譜測量法測量某地的矽卡巖的U、Th、K等天然放射性。對比HPGe譜儀的探測結果，分析表明在對精度要求不高，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能譜測量系統代替HPGeγ能譜儀使用。

關鍵詞：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普遍的現象，幾乎所有的物質都具有放射性，其來源主要是Th、U衰變系列中放射性核素輻射出的伽瑪射線。γ能譜測量方法是一種非常重要的核地球物理方法，常常被用來解決地球科學和環境科學等有關問題，它不僅能獲得伽瑪輻射總量、鈾、釷、鉀等元素的含量，還能進行油氣勘測、巖性分析、鈾礦勘探及環境的輻射監測等。低本底γ能譜儀因裝置簡單、成本低、使用和維護方便、探測效率高而廣泛應用于野外γ能譜測量。

1 實驗方法與設備

1.1 實驗設備與測量條件

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Cs-137的662Kev的γ射線的能量分辨率為9.8%，可探測γ射線的能量范圍為：50-3000Kev[1]。其結構框圖如圖1所示。用HPGe和NaI（Tl）伽馬能譜測量系統分別對某地矽卡巖進行測量，測量巖石中的U、Th、K的活度，將樣品放入測量盒中壓實、密封，減少誤差。將樣品盒放置在鉛室中測量，較少環境因素的干擾，NaI伽馬譜儀測量時間為3000s，HPGe伽馬譜儀放置在空調房中連續測量10h。

1.2 測量原理

低本底伽瑪能譜測量是通過碘化鈉γ能譜儀測量放射性輻射體的伽瑪射線譜，以此來確定輻射體的放射性元素的含量分布。在伽瑪能譜測量中，測定鈾、釷、鉀三種元素的含量或活度時，通常需要選取鈾、釷、鉀元素的特征峰的三個能譜段的計數率來進行計算。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，對應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，對應的釷峰能量段分別為0.530～0.630keV、0.840～1.040MeV和2.490～2.770MeV[2-3]。

計算樣品中的鈾、釷、鉀的含量或活度可采用絕對法和相對法兩種計算方法，絕對法通過直接計算峰面積后代入公式計算求得，不需要與標準樣對比，但是比較難得到，相對法分單標法和對標，本次實驗NaI譜儀采用多標法計算含量，首先需要測定儀器的標定系數，標定系數通過測量的三個已知含量和活度的標準模型，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數率；aij（i=1～3，j=1～3）分別為標準模型的換算系數，IK、IU、ITh分別為測量對象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：計數率矩陣；C：活度矩陣；A：系數矩陣；A-1為A的逆矩。換算系數矩陣包括：aij（i=1～3，j=1～3），9個變量，確定這9個變量的方法是用標準模型對儀器進行標定，換算系數確定后，根據測量的計數率，求得測量對象中K、U、Th的活度。換算系數經標定后得到鉀、鈾、釷活度的表達式如下：

（3）

計算核素放射性比活度的表達式為：

（4）

其中C'K、C'U、C'Th就是K、U、Th的比活度[4-6]。

2 結果與討論

2.1 測量結果

用HPGe譜儀和NaIγ能譜儀分別對待測的16個樣品進行測量，NaI低本底伽馬能譜儀所測數據由公式（1）、公式（2）、公式（4）算出鈾、釷、鉀的比活度。將計算所得比活度與HPGe譜儀測量所得活度進行對比分析，見圖2、3、4。

從圖2、3、4中可以看出，HPGe測量結果中2、6、10和13號樣品中鈾的比活度較高，3、8、11和14號樣品鈾的比活度較低，2、6、10和13號樣品釷的比活度較高，3、7、11和14號樣品釷的比活度較低，2、4、7、13和15號樣品鉀比活度較高，3、8和16號樣品鉀比活度較低。NaI測量結果絕大部分還是符合HPGe所測的比活度的高低變化規律，其中異常點有：圖2中，11和14號樣品鈾比活度為負值，其原因為11和14號樣品中的鈾含量太低，低于NaI能譜儀的檢出限。圖3中，7號樣品釷比活度為負值，3號樣品釷的比活度僅為0.73，13號樣品的比活度要低于HPGe所測的比活度。圖4中，6和8號樣品中鉀的比活度低于HPGe譜儀的測量結果。

圖2中14和11號樣品中比活度為負值，其原因為該兩個樣品中的鈾含量過低，低于儀器的檢出限，還有可能是含量過低，測量的計數率低于本底計數率。同理，圖3中7號樣品由于釷含量過低，低于儀器的檢出限。6號和8號樣品鉀的比活度要明顯低于HPGe譜儀的測量結果，這可能是由于放射性的統計漲落所引起的誤差，使測量的結果要低于HPGe譜儀的測量結果。

整體上，NaI測量得出的比活度值要高于HPGe探測器，這是因為NaI伽馬能譜儀的分辨率和精度都要低于HPGe伽馬譜儀，這就導致NaI所測的譜線會被本多因素干擾，使測量的計數率增加。雖然NaI測量得出的比活度值要高于HPGe探測器測量的比活度，但是碘化鈉低本底γ能譜測量系統測量的結果和HPGe測量結果的大體趨勢是相同的，能較好的反應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 結論

雖然高純鍺伽馬譜儀能量分辨率好，精度高，能好的識別不同的放射性元素，但是HPGe譜儀的測量時間較長，而且對環境的溫度要求較高，要在空調房中保持一定的溫度在實際操作中比較麻煩，從文章中可看出低本底γ譜儀對樣品的分析效果較好，且測量簡單快捷，能有效的節省時間，提高工作效率。因此在精度要求不高，不需要準確得出樣品鈾、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

[1]賴萬昌，葛良全，吳永鵬，等.新型便攜式微機多道γ能譜儀的研制[J].核電子學與探測技術，2004，1：37-40+33.

[2]姜贊成，方方，丁衛撐，等.低功耗手持式一體化多道γ能譜儀的設計[J].核電子學與探測技術，2008，6：1223-1225.

[3]劉海生.土壤中鈾系不平衡對地面伽馬能譜測量的影響[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[D].成都理工大學，2012.

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

[6]樊衛花，王衛萍，侯勝利.低本底多道γ能譜儀解譜應用軟件的開發及應用[J].巖礦測試，2006，1：31-34.

作者簡介：劉海琴（1990-），女，四川內江人，碩士生，專業：輻射防護與環境保護。