第二章第4節(jié)就地譜儀1

1、2.4.12.4.1譜測量工作原理譜測量工作原理 探測器探測器 前置放大器前置放大器 主放大器主放大器 多道分析器多道分析器 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) LVDC HVDC (MCA)LVDC HVDC (MCA) 計(jì)計(jì) 數(shù)數(shù) 閾閾 V V0 0V Vn n 道或能量道或能量88Y60Co137Cs241Am109Cd57Co139Ce203Hg113Sn2.4.22.4.2就地就地譜測量技術(shù)譜測量技術(shù)l總譜能量法總譜能量法 D = D = 0 0 (E)(a/) EdE (E)(a/) EdE l能帶法能帶法 4040K(1.46MeV)K(1.46MeV)、238238U U系系(1.76MeV)(1.

2、76MeV)、232232ThTh系系(2.62MeV)(2.62MeV)l吸收峰法吸收峰法 D Di i N Ni i； A Ai i N Ni i1 1）2020世紀(jì)世紀(jì)60607070年代，美國年代，美國EMLEML的的BeckBeck等人開發(fā)的技術(shù)，可就地測量土壤中的等人開發(fā)的技術(shù)，可就地測量土壤中的A A及其空氣中及其空氣中D D2 2）就地）就地譜技術(shù)的主要譜技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)（與實(shí)驗(yàn)室樣品（與實(shí)驗(yàn)室樣品譜測量分析技術(shù)比較）：譜測量分析技術(shù)比較）： 測量時(shí)間短測量時(shí)間短。NaI(Tl)NaI(Tl)約約101030 min30 min，HPGeHPGe約約303090 min90

3、min；實(shí)驗(yàn)室欲達(dá)到同樣；實(shí)驗(yàn)室欲達(dá)到同樣的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)精度，約幾十幾甚至幾十小時(shí)。的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)精度，約幾十幾甚至幾十小時(shí)。 測量結(jié)果代表性強(qiáng)測量結(jié)果代表性強(qiáng)。就地測量的探測器。就地測量的探測器“視閾視閾”半徑半徑10m10m，土壤樣多達(dá)幾噸；，土壤樣多達(dá)幾噸；實(shí)驗(yàn)室樣品僅幾百克。實(shí)驗(yàn)室樣品僅幾百克。3 3）就地）就地譜技術(shù)的主要譜技術(shù)的主要弱點(diǎn)：弱點(diǎn)： 對土壤放射性活度濃度的測量，必須事先了解放射性核素在土壤中的分布；對土壤放射性活度濃度的測量，必須事先了解放射性核素在土壤中的分布； 測量精度在較小程度上還依賴于土壤密度、濕度及土壤的組分，目前這些參測量精度在較小程度上還依賴于土壤密度、濕度及土壤

4、的組分，目前這些參數(shù)還是通過事先取樣分析或接受這些參數(shù)的某種假定數(shù)還是通過事先取樣分析或接受這些參數(shù)的某種假定4 4）常用的探測器：）常用的探測器：NaI(Tl)NaI(Tl)，HPGeHPGe，Ge(Li)Ge(Li)lNaI(Tl)NaI(Tl)探測效率高，價(jià)格便宜，在常溫下工作；但能量分辨率較差探測效率高，價(jià)格便宜，在常溫下工作；但能量分辨率較差( (幾幾十幾百十幾百keV)keV)不適合于復(fù)雜能譜的測量不適合于復(fù)雜能譜的測量lHPGeHPGe很高的能量分辨率很高的能量分辨率( (2keV)2keV)；但探測效率相對于；但探測效率相對于NaI(Tl)NaI(Tl)較低較低(3”(3”3”

5、 NaI(Tl),1.333MeV3” NaI(Tl),1.333MeV，=10=10180%)180%)，價(jià)格昂貴，價(jià)格昂貴( (比等效率的比等效率的NaI(Tl)NaI(Tl)價(jià)格約高一個(gè)數(shù)量級價(jià)格約高一個(gè)數(shù)量級) )，而且必須在低溫下工作，而且必須在低溫下工作( (但可在室溫下保存但可在室溫下保存)可用可用于復(fù)雜能譜的測量。于復(fù)雜能譜的測量。lGe(Li)Ge(Li)技術(shù)指標(biāo)與技術(shù)指標(biāo)與HPGeHPGe相當(dāng)，但必須在低溫下保存，基本已淘汰。相當(dāng)，但必須在低溫下保存，基本已淘汰。5 5）就地）就地譜儀的實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)技術(shù)譜儀的實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)技術(shù) 吸收峰測量方法的工作原理吸收峰測量方法的工作原理 初級初

6、級光子光子 陸地陸地輻射場輻射場 A A、A A分布、土壤組分、密度、濕度分布、土壤組分、密度、濕度 次級次級光子光子 空氣組分空氣組分若若 A A分布、土壤組分、密度、濕度、空氣組分分布、土壤組分、密度、濕度、空氣組分 等因素確定不變，則：等因素確定不變，則： N Nf f(E)(E) A A N Nf f(E)(E) D D 吸收峰測量方法的刻度因子吸收峰測量方法的刻度因子 Beck Beck公式公式 ( (N Nf f/A)/A)E E = ( = (N N0 0/)/)E E(N Nf f/ /N N0 0) )E E (/A) (/A)E E (1) (1) ( (N Nf f/D)

7、/D)E E = ( = (N N0 0/)/)E E(N Nf f/ /N N0 0) )E E (/D) (/D)E E (2) (2) N Nf f某能量某能量射線吸收峰計(jì)數(shù)率，射線吸收峰計(jì)數(shù)率，cpmcpm( (或或cpscps) )； A A 某核素的放射性活度濃度，對天然放射性核素，某核素的放射性活度濃度，對天然放射性核素，Bq/kgBq/kg；對沉降的人工放；對沉降的人工放射性核素，射性核素，Bq/mBq/m2 2； D D 在探測器處的空氣吸收劑量率，在探測器處的空氣吸收劑量率，nGy/hnGy/h；( (N Nf f/A)/A)E E 活度濃度刻度因子，活度濃度刻度因子，cp

8、m/(cpm/(Bq/kg)Bq/kg)或或cpm/(cpm/(Bq/cmBq/cm2 2) )；( (N Nf f/D)/D)E E 吸收劑量刻度因子，吸收劑量刻度因子，cpm/(cpm/(nGy/h)nGy/h)；( (N N0 0/)/)E E 探測效率因子，探測效率因子，cpm/(1/cmcpm/(1/cm2 2s)s)( (N Nf f/ /N N0 0) ) E E 角響應(yīng)校正因子，無量綱；角響應(yīng)校正因子，無量綱；(圓柱形探測器，并非各向同性圓柱形探測器，并非各向同性) )(/A) (/A) E E 注量活度比：土壤中單位活度濃度放射源，在地面上注量活度比：土壤中單位活度濃度放射源

9、，在地面上H H高度處的高度處的 能量為能量為E E的初級的初級光子注量率，光子注量率， (1/cm(1/cm2 2s)/(s)/(Bq/kg)Bq/kg)或或 (1/cm(1/cm2 2s)/(s)/(Bq/mBq/m2 2) )(/D) (/D) E E 注量劑量率比：探測器處產(chǎn)生單位空氣劑量率的能量為注量劑量率比：探測器處產(chǎn)生單位空氣劑量率的能量為E E的初級的初級 光子注量率，光子注量率， (1/cm(1/cm2 2s)/(s)/(nGy/h)nGy/h)l( (N N0 0/)/)E E、( (N Nf f/ /N N0 0) )E E 、(/A)(/A)E E 、(/D)(/D)E

10、 E f f1 1( (E E) )l( (N Nf f/ /N N0 0) )E E、(/A)(/A)E E 、(/D)(/D)E E f f2 2( (、s s、airair、組分、組分、濕度濕度) )l(N(N0 0/)/)E E、( (N Nf f/ /N N0 0) )E E f f3 3( (探測器幾何探測器幾何) )(/A)(/A)E E 、(/D)(/D)E E 理論計(jì)算獲取理論計(jì)算獲取(N(N0 0/)/)E E、( (N Nf f/ /N N0 0) )E E 實(shí)驗(yàn)測量得到實(shí)驗(yàn)測量得到 初級初級光子注量率光子注量率的計(jì)算的計(jì)算l放射性核素在土壤中的分布，大體可分為三種情況：

11、放射性核素在土壤中的分布，大體可分為三種情況： a)a)新近沉降的落下灰新近沉降的落下灰面分布面分布 /s s = = b) b)隨時(shí)間推移，沉降核素向深部遷移隨時(shí)間推移，沉降核素向深部遷移指數(shù)分布指數(shù)分布 0 0 / /s s c) c)天然放射性核素天然放射性核素均勻分布均勻分布 /s s = 0 = 0l/s s放射性核素隨土壤深度的分布參數(shù)，放射性核素隨土壤深度的分布參數(shù)，cm2/g 張弛長度的倒數(shù)，張弛長度的倒數(shù)，1/cm 其物理意義：其物理意義：放射性活度減少至表面活度的放射性活度減少至表面活度的e-1的土壤深度的土壤深度l計(jì)算公式的推導(dǎo)計(jì)算公式的推導(dǎo)( (以指數(shù)分布為例以指數(shù)分布

12、為例) ) 探測器探測器)設(shè)土壤表面的活度濃度為設(shè)土壤表面的活度濃度為A A0 0(Bq/kg)(Bq/kg)，則，則z z深度處：深度處： P P A = A A = A0 0ee-(/s)s z-(/s)s z (Bq/kg) (Bq/kg) (3)(3)探測器靈敏中心位于地面上方探測器靈敏中心位于地面上方P P點(diǎn)，距地面點(diǎn)，距地面H(cm)H(cm) 以以P P點(diǎn)為系統(tǒng)球坐標(biāo)原點(diǎn)點(diǎn)為系統(tǒng)球坐標(biāo)原點(diǎn) )在在z z深度處深度處Q Q點(diǎn)點(diǎn)( (距球坐標(biāo)原點(diǎn)距球坐標(biāo)原點(diǎn)r(cm)r(cm)取取 單位體積元單位體積元dV: dV: H/cos rH/cos r dV = r dV = r2 2si

13、ndr ddsindr dd (4)(4) H H)體積元體積元dVdV內(nèi)的放射性活度內(nèi)的放射性活度d:d: d = A d = As sdVdV = A = A0 0ee-(/s)(rcos-H)s-(/s)(rcos-H)ss sdV dV (5)(5)利用點(diǎn)源公式求取利用點(diǎn)源公式求取P P點(diǎn)的光子注量率點(diǎn)的光子注量率 d = d/(4r d = d/(4r2 2) ) z z = 1 /(4r= 1 /(4r2 2) A) A0 0ee-(/s)s(rcos-H)-(/s)s(rcos-H) Q Qs s e e-(/)aa(H/cos)-(/)aa(H/cos)r r2 2sindr

14、ddsindr dd (6)(6) ) 將將(6)(6)式在整個(gè)半無限空間土壤積分式在整個(gè)半無限空間土壤積分 r r：00，)；：0,0,/2/2；：0,20,2 得到得到P P點(diǎn)的初級點(diǎn)的初級光子總注量率光子總注量率 = = 0 0/2/2(A(A0 0/2)sin/(/2)sin/(/s s)cos+(/)cos+(/)s see-ta/cos-ta/cosd d (7)(7) t ta a = (/) = (/)a aa aHH，無量綱，是以初級，無量綱，是以初級光子在空氣中的平均自由程為光子在空氣中的平均自由程為單位表示探測器到地面的高度單位表示探測器到地面的高度 Aa = Aa =

15、0 0s sAA0 0ee-(/s)s z -(/s)s z dz = Adz = A0 0/(/(/s s) ) 表示單位截面積無限深柱狀土壤的總放射性活度，表示單位截面積無限深柱狀土壤的總放射性活度，Bq/cmBq/cm2 2 (7) (7)式可改寫為：式可改寫為： ( = cos) ( = cos) = = 0 01 1(A(Aa a/2)(/2)(/s s) e) e-ta/-ta/(/(/s s)+(/)+(/)s s d d (8)(8)）當(dāng)）當(dāng)/s s ，則為面分布源，則為面分布源，A Aa a就是面源活度濃度就是面源活度濃度(Bq/cm(Bq/cm2 2) )： = = 0 0

16、1 1(A(Aa a/2) e/2) e-ta/-ta/d d (9)(9) ) 當(dāng)當(dāng)/s s 0 0，則為均勻分布源，則為均勻分布源，A A0 0就是均勻分布體源活度濃度就是均勻分布體源活度濃度(Bq/kg)(Bq/kg)： = = 0 01 1(A(A0 0/2)/(/)/2)/(/)s see-ta/-ta/d d (10)(10) 由公式由公式(8)(8)、(9)(9)、(10)(10)便可得到便可得到BeckBeck公式中的公式中的(/A)(/A)l對于均勻分布源，相當(dāng)于用公式對于均勻分布源，相當(dāng)于用公式(10)(10)求求 (/A (/A0 0) ) l對于指數(shù)分布源，相當(dāng)于用公式

17、對于指數(shù)分布源，相當(dāng)于用公式(8)(8)求求 (/A (/Aa a) ) l對于面分布源，相當(dāng)于用公式對于面分布源，相當(dāng)于用公式(9)(9)求求 (/A (/Aa a) )注：注：參考文獻(xiàn)就地參考文獻(xiàn)就地HPGeHPGe譜儀刻度及應(yīng)用的表譜儀刻度及應(yīng)用的表1 1和表和表3 3中，各核素乘以了中，各核素乘以了光子的發(fā)射率光子的發(fā)射率類似地，可得到類似地，可得到2 2 半空間無限大土壤中指數(shù)分布放射性核素發(fā)射的半空間無限大土壤中指數(shù)分布放射性核素發(fā)射的 光子在光子在P P點(diǎn)產(chǎn)生的空氣吸收劑量率：點(diǎn)產(chǎn)生的空氣吸收劑量率：其中，其中，D D 地面上高地面上高H H處點(diǎn)處點(diǎn)P P的空氣吸收劑量率，的空氣

18、吸收劑量率，(MeV/g)/s(MeV/g)/s E E0 0土壤中放射性核素發(fā)射的土壤中放射性核素發(fā)射的 光子能量，光子能量，MeVMeV t =( t =(/ ) )s s s s r r以初級以初級 光子在土壤中的自由程為單位表示探測器到土壤中點(diǎn)光子在土壤中的自由程為單位表示探測器到土壤中點(diǎn)Q Q的距離，無量綱的距離，無量綱 s s、enen 分別是土壤的線衰減系數(shù)和線能量吸收系數(shù)，分別是土壤的線衰減系數(shù)和線能量吸收系數(shù)，1/cm 1/cm 和和 MeV/cmMeV/cm B(t) B(t)吸收劑量率累積因子，無量綱：吸收劑量率累積因子，無量綱： B(t) = (1 + at) B(t)

19、 = (1 + at)，其中，其中 a = 1/y = a = 1/y = enen/s s ( (土壤土壤) ) = lny(y1)+1/ln2 y = lny(y1)+1/ln2 y 2.8 2.8 = (y1)/ln2 y = (y1)/ln2 y 2.8 2.8 (12)(12) (/D) = (/A) / (D/A) (/D) = (/A) / (D/A) (13)(13) 探測效率因子探測效率因子( (N N0 0/)/)E E 的實(shí)驗(yàn)獲取的實(shí)驗(yàn)獲取l刻度標(biāo)準(zhǔn)源：刻度標(biāo)準(zhǔn)源：241241AmAm、133133BaBa、153153GdGd、137137CsCs、6060CoCo、1

20、52152Eu Eu 等等 能量覆蓋整個(gè)測量范圍能量覆蓋整個(gè)測量范圍 (60keV2.62MeV(60keV2.62MeV66.13MeV).13MeV) 1(/)()()000/( )2tsHsHasssttenHsA EDB t dtdeee l 探測器探測器 放射源放射源A A r r 點(diǎn)狀放射源，點(diǎn)狀放射源，r r 10 10 探測器幾何尺寸探測器幾何尺寸 近似平行入射射線近似平行入射射線l測量各放射源各特征光子能量測量各放射源各特征光子能量E Ei i的全能峰計(jì)數(shù)率的全能峰計(jì)數(shù)率N N0 0 (cps)(cps)l源源探距探距 r r，源活度，源活度 A A，探測器處的初級，探測器處

21、的初級 光子注量率：光子注量率： (14) (14) l求得求得(N(N0 0/ /) ) l(N(N0 0/ /) E ) E 的擬合公式的擬合公式 E E 200keV 200keV， ln (Nln (N0 0/ / )= )= B B0 0 +B +B1 1 lnE lnE (15)(15) E E 200keV200keV， (16)(16)(/)24aarAre900l n (/)( l n)iiiNBE 角響應(yīng)校正因子角響應(yīng)校正因子( (N Nf f/ /N N0 0) )的實(shí)驗(yàn)獲取的實(shí)驗(yàn)獲取 探測器對各方向的射線并非各向同性探測器對各方向的射線并非各向同性l相對角響應(yīng)因子的實(shí)驗(yàn)獲取相對角響應(yīng)因子的實(shí)驗(yàn)獲取 探測器形狀探測器形狀圓柱，圓柱，三維三維二維二維 =0 =0 90 90，每，