航空γ能谱仪基础知识以及应用

丘安顺 毛伟业 杨钢 马俊腾 罗航 翟刚

摘 要：航空γ能谱仪测量系统由碘化钠晶体（NaI）和光电倍增管为主要部件航空γ能谱测量系统，多采用4条下测晶体和1条上测晶体组合成航空γ能谱测量系统的探头，设计了温度传感器、电流反馈型前置放大器等，实现了γ光子与核信号的转换；通过高速ADC与数据采集系统实现模拟核信号的数字化。

关键词：航空γ能谱仪测量；γ能谱仪；应用

中图分类号：P631 文献标志码：A 文章编号：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能谱仪测量原理

航空γ能谱测量，简要地说就是将航空γ能谱仪安装在飞行器上，在测量地区上空按照预先设计的测线和高度对岩石和地层中天然放射性核素岩石或矿石品位进行测量的地球物理-地球化学方法。

自然界中存在着放射性物质，它能时刻自发的进行衰变，在衰变过程中，放射出α、β、γ粒子，形成α射线、β射线、γ射线。α、β射线自身能量很低，不易测量，γ射线具有一定的能量，可以穿透一定厚度的物质，如：土壤、岩层等。进入大氣层中，我们就可以使用航空γ能谱仪，来测量γ射线的强度，达到寻找放射性矿床的目的。

2 航空γ能谱仪组成及主要指标

2.1 航空γ能谱仪组成

目前，无论国外航空γ能谱，还是国内航空γ能谱基本组成包括碘化钠晶体（NaI）、光电倍增管、A/D转换器、数据采集系统、数据传输系统、温湿度传感器、GPS等。其中，碘化钠晶体（NaI）和光电倍增管是整套仪器数据采集的主要部件。

碘化钠晶体（NaI）分为多晶（热压式）、单晶（生长式）。我们使用的为多晶（热压式），工作正常的碘化钠晶体

（NaI）是无色透明的，颜色变黄时，晶体性能就下降了，需要更换。单晶只要有一个小的裂隙就不能使用了，多晶可以有少量的小裂隙。晶体的均匀性及磨光度十分重要。

2.2 能谱仪的主要指标

（1）灵敏度

仪器系统灵敏度除取决于晶体体积大小外，还和γ射线的修正有关，γ射线能谱仪测量数据的修正值有：死时间修正，飞机本底修正，康普顿散射效应的修正，对铀道的大气氡的修正。

（2）分辨率

对每块晶体及系统均要使用137Cs、Tl208标准源进行测试。

对137Cs分辨率要小于10%，对Tl208分辨率要小于6%。

（3）γ射线能谱仪的稳定性

放射性测量是以每秒计数方式表示测量结果的，是一个统计脉冲涨落的一个过程，它必须符合统计规律，即泊松规律。具体测试方法是，将γ射线能谱仪放在本底稳定的环境中，仪器连续工作7个小时，每小时记录一组数据，每组数据取出10分钟的记录数据参加计算，参加计算的七组数据中，取其最大的和最小的两组数据与另外五组数据的平均值相比较，其变化不超过±5%，即为仪器稳定性合格。

N最大/N平均<5%，N最小/N平均<5%，其中：N最大为最大的一组记录的平均值；N最小为最小的一组记录的平均值；N平均为另外五组记录的平均值。

3 应用

近年来在进行航空物探项目过程中，通过使用由加拿大RMS公司生产的RSX-5航空γ能谱仪，总结出如何在测试过程中判断航空γ能谱仪故障的方法。

加拿大RMS公司生产的RSX-5航空γ能谱仪采用4条下测晶体和1条上测晶体组合成航空γ能谱测量系统的探头，使用137Cs标准源测试。在项目进行过程中，我们使用1024道模式输出，137Cs中心峰为220道，峰位范围为218道-222道。

3.1 初步判断

在项目进行中，在外界温度和湿度不变的情况下，使用137Cs进行测试过程中，发现将137Cs放在晶体的不同位置，137Cs的中心峰位出现了较大的偏移。

上图显示数据是将137Cs标准源放置在晶体尾部，可以看出137Cs中心峰位在218道，已基本偏出峰位范围。

图2显示数据是将137Cs标准源放置在晶体顶部，可以看出137Cs中心峰位在224道，已偏出峰位范围。

图3显示数据是将137Cs标准源放置在晶体中心位置，可以看出137Cs中心峰位在220道，在峰位范围内。

3.2 进一步确认

图4显示数据是在使用137Cs进行测试中，采集到的能谱数据已经出现了较大的台阶。对今后数据的采集产生了较大的影响。

3.3 最终确认

最终将能谱仪晶体打开后，晶体整体还比较通透，未出现发黄、气泡等现象，但是发现在晶体一角已经出现了裂纹，从而影响了数据的采集质量。

4 当前发展趋势

当前，航空γ能谱仪在航空物探已经得到了越来越广泛的使用，由前几年的一台航空γ能谱仪作业到目前的两台甚至三台航空γ能谱仪同时作业。而且，当前的航空物探作业多使用直升机进行作业，飞行高度降低，采集数据质量得到了提升，从而对航空γ能谱仪的工作状态有了更为严格的要求。所以在作业前和作业后对航空γ能谱仪的调试提出了更为严格的要求。以前航空γ能谱仪的衡量标准单纯要求分辨率小于12%即可进行工作，但是目前仅仅通过对分辨率的要求进行衡量已完全不能够满足项目要求。通过多年来多个项目的实施，对航空γ能谱仪调试总结了一套合理的处置方法，对今后各个项目的顺利实施提供了有力保障。

参考文献：

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