地球物理测井实验：伽马能谱测量原理

1.放射性核素和核衰变

所有物质的元素由化学性质相同的原子组成，而元素的原子由原子核及围绕核运行的电子组成。元素（X）的原子核由质子（Z）和中子（N）构成。原子核的质量数（A）等于质子和中子数量之和。

核素是指原子核中具有一定数目的质子和中子，并处在同一能态上的同类原子（或原子核），同一核素的原子核中，质子数和中子数都分别相等。核素的表达式为同位素是指具有相同原子序数的同一化学元素的两种或多种原子之一，它们在元素周期表中占同一位置。即Z值相同，A值不同，如1H、2H和3H互为同位素。

原子核结合能处于最低能量状态（基态），是所有稳定原子核的状态。高于基态的能量状态，为不稳的激发态。自然界有一些原子核处于不稳定的状态，能自发地发生变化，由一种原子核转变为另一种原子核，并伴随着放出一种特殊射线，这种现象称为核衰变，这种发生核衰变的元素称为放射性核素。原子核不能自发地变为另一种核素的原子核称为稳定核素。

核衰变过程中，原子核放出的特殊射线主要有3种：α、β和γ射线。α射线中放射的粒子是电荷数为2、质量数为4的氦核（He），β射线中放射的粒子是带负电的电子，γ射线是波长很短的电磁波。α射线具有最强的电离作用，穿透本领很小。β射线，电离作用较弱，穿透本领较强。γ射线，电离作用最弱，穿透本领最强。

这里以核素为例说明其β和γ衰变过程。核素的γ衰变所占比例大约为11%，β衰变所占比例大约为89%。这两种衰变过程分别如下所示：

2.天然放射性核素及能谱

目前为止，总共有118种元素被发现，94种存在于地球上，已发现的天然核素约有330多种，其中273种为稳定核素，60余种为放射性核素。质量数小于209（质子数大于82）的大多数是稳定核素，只有少数是放射性核素，如K40、Co60、Cs137、I131。而质量数大于209（质子数大于82）的全部是放射性核素。质量数大于209的放射性核素构成3个放射系，即铀系、钍系和锕铀系。由于地面伽马能谱勘查主要测量岩石或土壤的铀、钍、钾元素的含量，因此主要介绍铀系和钍系。

放射系是指连续衰变时放射性核素所构成的系列。钍系是从232Th开始的，到208Pb结束，它的半衰期为1.41×1010年。钍系的连续衰变过程如图8-1所示。子核放射性活度等于母核放射性活度，因此图中相同衰变类型的任一对母核与子核间的曲线斜率相同。

图8-1　钍系衰变图

铀系从238U开始，到206Pb结束，238U的半衰期为4.47×109年。铀系的连续衰变过程如图8-2所示。

钍系和铀系连续衰变使其放射出的伽马射线具有不同的能量，进而形成一系列的初始能谱，如图8-3所示。钍系中最重要的γ辐射体是208Tl（钛），伽马能谱测量中选择208Tl发射的2.62Mev的伽马射线来识别钍。铀系中最重要的γ辐射体是214Bi，选择214Bi发射的1.76Mev的伽马射线来识别铀。40K产生的伽马射线是单能的，能量为1.46Mev。

图8-4为放射性核素衰变过程中产生的伽马射线能谱图，分别利用能量为1.46Mev、1.76Mev和2.62Mev的伽马射线识别钾、铀和钍元素。

图8-2　铀系衰变图

图8-3　钾、钍系和铀系伽马射线能谱图

图8-4　放射性核素衰变形成的伽马射线能谱图

3.伽马射线与物质发生的作用

在地面伽马能谱测量中，地面物质放出的γ射线经岩石、土壤和空气的散射和吸收作用后其谱成分发生变化，使得在探测器实际得到的谱线发生变形。这些作用的主要形式有光电效应、康普顿效应和电子对效应。

γ射线发生上述作用都具有一定的几率，用反应截面（σ）表示，截面大小与γ射线能量和靶物质性质有关。总的反应截面是各种作用截面之和，即

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式中：δγ为总反应截面；δph为光电效应截面；δc为康普顿效应截面；δp为电子对效应截面。

光电效应：伽马光子与原子核外的束缚电子作用，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去（光电子），而光子本身被吸收。在光电效应中，入射γ射线能量必须大于电子的结合能，同时越靠近原子核的电子放出光电子的几率越大。

图8-5　3种效应占优势区域对比图

康普顿效应：伽马光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而光子（散射光子）的能量和运动方向发生变化。

电子对效应：当伽马光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场的作用下，伽马光子转变为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应。发生电子对效应要求入射光子能量大于1.02MeV。

3种效应对于吸收物质的原子序数和入射光子能量都有一定的依赖关系，因而对于不同的吸收物质和能量区域，3种效应的相对重要性是不同的。图8-5中给出了各种效应占优势的区域，图中两条曲线分别表示δph=δc和δc=δp时的Z与E的关系。

对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优；对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿效应占优；对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优。

由此可见，在实际伽马能谱测量过程中所测谱线并不是单能的离散的能量峰，而是一条连续谱，称为伽马射线的仪器谱，如图8-6所示。在铀、钍、钾特征射线的能量附近开启窗口，根据窗口的计数率计算铀、钍、钾的含量。实际测量时，需要等待仪器的稳谱状态。如果仪器未达到稳谱状态，即能谱发生漂移，由于设置的能量窗不变，测量的铀、钍、钾含量将不可靠。

图8-6　伽马射线的仪器谱

3.伽马能谱仪工作原理

伽马能谱仪采用的是闪烁探测器。γ射线进入碘化钠（NaI）晶体或其他晶体，通过3种效应产生次级电子。次级电子使闪烁体激发，退激时产生荧光光子。将光子收集到光电倍增管的光阴极（原子序数大的材料）上，产生光电子（光电效应）。光电子在光电倍增管中数量增加几个数量级，形成的电子流在阳极负载上产生电信号。电信号经电子仪器处理、记录。如果γ射线能量大，在闪烁体中，产生的光子数多，则产生的信号脉冲幅度大。因此，根据信号脉冲幅度大小可以分辨不同γ射线并记录。闪烁探测器示意图如图8-7所示。

图8-7　闪烁探测器示意图

4.放射性测量单位

（1）放射性活度与比活度

活度是指一定量的放射性核素在单位时间内发生衰变的核数。其单位为“贝可勒尔”，简称“贝可”，符号为Bq。放射性活度的大小反应了放射性核素量的多少，由于核衰变是一个随机过程，活度是统计分布的期望值，它是随时间变化的。

单位质量物质中放射性核素的活度称为比活度，其单位用Bq／kg或Bq／g。一般用于固体物质和液体样品。

（2）放射性辐射剂量单位

辐射吸收剂量用于表示辐射对人体组织的能量沉积。在国际单位制中，使用的吸收剂量单位是戈瑞（Gy）。每1千克受照物质吸收1焦耳核辐射能时，其核辐射剂量称为1戈瑞。

西弗（Sv）用于衡量核辐射对生物组织的伤害，定义1西弗=1焦耳（辐射能量）／公斤。

吸收剂量没有时间概念，为此引入剂量率。剂量率表示单位时间内吸收的剂量。剂量率的单位是Sv／h、mSv／h、nSv／h或Gy／h、mGy／h、nGy／h。