某地矽卡岩的γ能谱测量

刘海琴 王强 祝美英

摘 要：用低本底γ能谱测量法测量某地的矽卡岩的U、Th、K等天然放射性。对比HPGe谱仪的探测结果，分析表明在对精度要求不高，需要快速、方便的得出样品中的放射性的条件下可以用低本底γ能谱测量系统代替HPGeγ能谱仪使用。

关键词：低本底γ；能谱仪；比活度；HPGe谱仪

天然放射性在地球上是一种相当普遍的现象，几乎所有的物质都具有放射性，其来源主要是Th、U衰变系列中放射性核素辐射出的伽玛射线。γ能谱测量方法是一种非常重要的核地球物理方法，常常被用来解决地球科学和环境科学等有关问题，它不仅能获得伽玛辐射总量、铀、钍、钾等元素的含量，还能进行油气勘测、岩性分析、铀矿勘探及环境的辐射监测等。低本底γ能谱仪因装置简单、成本低、使用和维护方便、探测效率高而广泛应用于野外γ能谱测量。

1 实验方法与设备

1.1 实验设备与测量条件

采用IED-3000B型低本底多道射线γ能谱仪的主要组成：铅屏蔽室由低本底铅加工而成，铅室壁厚度10cm。探测器由碘化钠晶体[NaI（Tl）]和光电倍增管组成，碘化钠晶体为直径75mm×75mm为了降低仪器本底采用低钾光电倍增管，对Cs-137的662Kev的γ射线的能量分辨率为9.8%，可探测γ射线的能量范围为：50-3000Kev[1]。其结构框图如图1所示。用HPGe和NaI（Tl）伽马能谱测量系统分别对某地矽卡岩进行测量，测量岩石中的U、Th、K的活度，将样品放入测量盒中压实、密封，减少误差。将样品盒放置在铅室中测量，较少环境因素的干扰，NaI伽马谱仪测量时间为3000s，HPGe伽马谱仪放置在空调房中连续测量10h。

1.2 测量原理

低本底伽玛能谱测量是通过碘化钠γ能谱仪测量放射性辐射体的伽玛射线谱，以此来确定辐射体的放射性元素的含量分布。在伽玛能谱测量中，测定铀、钍、钾三种元素的含量或活度时，通常需要选取铀、钍、钾元素的特征峰的三个能谱段的计数率来进行计算。由于钾-40放射出单一能量（1.460MeV）的伽玛射线，故各能量段组合中钾峰能量段只取1.340～1.570MeV，其特征峰能量为1.460MeV；选取U子体放射出的0.352MeV、0.609MeV和1.76MeV的伽玛射线能量峰，对应的镭峰能量段分别为0.300～0.380MeV、0.542～0.662MeV和1.660～1.860MeV；选取Th子体放射出0.581MeV、0.908MeV和2.62MeV的伽玛射线能量峰，对应的钍峰能量段分别为0.530～0.630keV、0.840～1.040MeV和2.490～2.770MeV[2-3]。

計算样品中的铀、钍、钾的含量或活度可采用绝对法和相对法两种计算方法，绝对法通过直接计算峰面积后代入公式计算求得，不需要与标准样对比，但是比较难得到，相对法分单标法和对标，本次实验NaI谱仪采用多标法计算含量，首先需要测定仪器的标定系数，标定系数通过测量的三个已知含量和活度的标准模型，得到以下方程：

（1）

其中CK、CU、CTh别为钾道、镭道、钍道扣除仪器本底后的计数率；aij（i=1～3，j=1～3）分别为标准模型的换算系数，IK、IU、ITh分别为测量对象K、U、Th的活度。

方程组用逆矩阵表示为：

（2）

I=AC

C=A-1I

式中，I：计数率矩阵；C：活度矩阵；A：系数矩阵；A-1为A的逆矩。换算系数矩阵包括：aij（i=1～3，j=1～3），9个变量，确定这9个变量的方法是用标准模型对仪器进行标定，换算系数确定后，根据测量的计数率，求得测量对象中K、U、Th的活度。换算系数经标定后得到钾、铀、钍活度的表达式如下：

（3）

计算核素放射性比活度的表达式为：

（4）

其中C'K、C'U、C'Th就是K、U、Th的比活度[4-6]。

2 结果与讨论

2.1 测量结果

用HPGe谱仪和NaIγ能谱仪分别对待测的16个样品进行测量，NaI低本底伽马能谱仪所测数据由公式（1）、公式（2）、公式（4）算出铀、钍、钾的比活度。将计算所得比活度与HPGe谱仪测量所得活度进行对比分析，见图2、3、4。

从图2、3、4中可以看出，HPGe测量结果中2、6、10和13号样品中铀的比活度较高，3、8、11和14号样品铀的比活度较低，2、6、10和13号样品钍的比活度较高，3、7、11和14号样品钍的比活度较低，2、4、7、13和15号样品钾比活度较高，3、8和16号样品钾比活度较低。NaI测量结果绝大部分还是符合HPGe所测的比活度的高低变化规律，其中异常点有：图2中，11和14号样品铀比活度为负值，其原因为11和14号样品中的铀含量太低，低于NaI能谱仪的检出限。图3中，7号样品钍比活度为负值，3号样品钍的比活度仅为0.73，13号样品的比活度要低于HPGe所测的比活度。图4中，6和8号样品中钾的比活度低于HPGe谱仪的测量结果。

图2中14和11号样品中比活度为负值，其原因为该两个样品中的铀含量过低，低于仪器的检出限，还有可能是含量过低，测量的计数率低于本底计数率。同理，图3中7号样品由于钍含量过低，低于仪器的检出限。6号和8号样品钾的比活度要明显低于HPGe谱仪的测量结果，这可能是由于放射性的统计涨落所引起的误差，使测量的结果要低于HPGe谱仪的测量结果。

整体上，NaI测量得出的比活度值要高于HPGe探测器，这是因为NaI伽马能谱仪的分辨率和精度都要低于HPGe伽马谱仪，这就导致NaI所测的谱线会被本多因素干扰，使测量的计数率增加。虽然NaI测量得出的比活度值要高于HPGe探测器测量的比活度，但是碘化钠低本底γ能谱测量系统测量的结果和HPGe测量结果的大体趋势是相同的，能较好的反应出样品中的放射性的高低。因此在野外使用碘化钠低本底γ能谱仪是很方便的，能很大程度提高野外工作效率。

2.2 结论

虽然高纯锗伽马谱仪能量分辨率好，精度高，能好的识别不同的放射性元素，但是HPGe谱仪的测量时间较长，而且对环境的温度要求较高，要在空调房中保持一定的温度在实际操作中比较麻烦，从文章中可看出低本底γ谱仪对样品的分析效果较好，且测量简单快捷，能有效的节省时间，提高工作效率。因此在精度要求不高，不需要准确得出样品铀、钍、钾含量与活度的情况下，使用低本底γ谱仪能替代高纯锗伽马谱仪，快速的得出样品是否含有放射性及放射性的多少。

参考文献

[1]赖万昌，葛良全，吴永鹏，等.新型便携式微机多道γ能谱仪的研制[J].核电子学与探测技术，2004，1：37-40+33.

[2]姜赞成，方方，丁卫撑，等.低功耗手持式一体化多道γ能谱仪的设计[J].核电子学与探测技术，2008，6：1223-1225.

[3]刘海生.土壤中铀系不平衡对地面伽马能谱测量的影响[J].物探与化探，2002，3：207-208.

[4]谢希成.低本底γ能谱分析软件的研发[D].成都理工大学，2012.

[5]汤月里，朱国义，岳忠厚，等.用NaI（Tl）γ谱仪测定地层铀系、钍系和钾-40γ照射量率的逆矩阵法[J].辐射防护，1985，6：422-427.

[6]樊卫花，王卫萍，侯胜利.低本底多道γ能谱仪解谱应用软件的开发及应用[J].岩矿测试，2006，1：31-34.

作者简介：刘海琴（1990-），女，四川内江人，硕士生，专业：辐射防护与环境保护。