航空伽玛能谱测量系统能谱响应及应用研究

摘要

航空γ能谱测量系统由具备相应探测效率的γ能谱仪、导航仪和高度计等设备，以及相配套的方法技术软件组成。航空γ能谱测量系统安装在航空飞行器上，在飞行过程中测量地表介质中放射性物质和大气放射性物质所放出γ射线，实现地质找矿和辐射环境监测工作。航空γ能谱测量系统的能谱响应是效率、放射性元素（核素）含量和射线剂量等核辐射相关参数刻度的技术关键。我国虽然有完善的天然放射性核素的航空γ能谱测量系统响应的实物刻度模型，但因辐射安全性、造价昂贵和半衰期短等原因，还未形成有效的人工放射性核素的刻度装置，主要是通过数值计算方法解决人工放射性核素的刻度难题，且数值计算方法均基于点探测器的γ场理论，未考虑航空γ能谱仪本身几何形状和材质影响。本文在天然辐射环境条件下，开展航空γ能谱测量系统的能谱响应研究，可为航空γ能谱测量技术在地质找矿和天然辐射环境监测中应用提供理论依据和技术支撑，具有重要实用价值与科学意义。
　　本研究主要内容包括：⑴探讨了航空γ能谱测量系统的γ能谱响应特征。较深入地分析了宇宙射线、仪器设备本底、大气氡子体、地表层天然放射性核素及人工放射性核素的γ辐射来源，并就航空γ能谱测量系统对其响应特征进行深入剖析，为航空γ能谱测量技术在地质找矿和环境辐射测量提供理论支撑。⑵基于无限多源粒子Monte Carlo模拟时无限大地层上空同探测高度的航空γ能谱仪响应谱一致的假设，建立起航空γ能谱仪响应谱的球壳模拟模型，该方法在源抽样粒子数不变的情况下大大提高了模拟精度。同时根据介质互换原理、各能量γ射线单独模拟及地层横纵向模块化的思想，建立了近似无限大地层上空航空γ能谱仪响应谱的组合模拟模型。比对发现，前者模拟时间约为后者的1/510;两者的谱型仅在40keV-350keV能区内存在差异，研究表明该差异主要源于后者模拟的近似无限大地层的外圈提供了更多的远距离散射γ射线，即“谱平衡”成份。依据航空γ能谱探测时的γ辐射来源，建立粒子群与模拟退火混合算法求解的航空γ能谱感兴趣谱段拟合方案。通过对石家庄动态带水域上空不同高度的航空γ能谱的拟合发现在空旷地带可采用仅含平衡天然铀系的地层上空航空γ能谱仪响应谱近似替代大气氡子体的航空γ能谱仪响应谱;并对该动态带陆地上空不同高度的航空γ能谱拟合，结果证明本文所建立的各组分γ辐射的航空γ能谱仪响应谱是正确、有效的。⑶依据窄束γ射线与物质相互作用机理，结合体源“微元”化思想，推导出任意几何形状γ辐射源的航空γ能谱全能峰探测效率数值解析公式。通过不同几何探测效率和探测高度上点源和体源的计算结果验证上述模型的可靠性，实验平台选用AGS-863型航空γ能谱仪（仅采用单箱晶体）。具体为:与下视探测器阵列底面和侧面平行的平面轴线上不同位置137Cs点源全能峰探测效率测量值与计算值在±5％以内符合，点源到下视探测器阵列中心相同距离时圆环面上点源全能峰探测效率计算值与Allyson等人所述的实验分布规律一致，充分证明在不同探测角度上计算结果的可靠性;将该实验平台放置于137Cs与60Co点源正上方不同高空，分析发现测量值与计算值在可探测范围内（源活度大于探测限）以±10％的相对偏差符合，证明该计算方法同样可用于实践中航空γ能谱仪所处的探测高度中去。最后对大小不一、埋深不同的面源和体源的全能峰探测效率进行计算，计算值与MCNP5软件模拟结果在±1.5％以内符合，且无限大体源上1460.83keV、2614.533keVγ射线全能峰探测效率计算值与石家庄动态带上实测值在8.33％-15.82％以内吻合，这些充分证实该数值解析方法适用于任意几何形状γ辐射源的航空γ能谱全能峰探测效率计算。⑷建立自适应峰型切削法与多高斯峰区拟合法的特征γ射线净峰面积提取方法，通过对2条IAEAγ能谱分析算法比对标准谱，发现该方法的净峰面积提取精度在±5％以内，为本文实验数据获取提供可靠的技术支持。⑸在内蒙古白云鄂博牧场上空天然辐射环境的测量中发现，当地表层天然放射性核素含量超过4.0×10-6g/g时，航空γ能谱感兴趣谱段拟合方法得到的eU、eTh和K的结果能与传统分析方法相媲美;而在可探测高度内提取出的人工放射性点源的航空γ能谱与4）中所述拟合方法相比，各自反演得到的全能峰探测效率值在相对偏差±10％以内符合。证明该方案能有效应用于航空γ能谱中各γ辐射源的航空γ能谱仪响应谱的提取。⑹获得了人工放射性核素点源及无限大面源的航空γ能谱探测限计算方法，通过对典型人工放射性核素241Am、131I、137Cs和60Co不同探测高度的航空γ能谱探测限计算发现:同一探测高度上，特征γ射线能量越大探测限越小;对同种放射源而言，探测限随探测高度的升高而增大。具体到各类点源来说，即使飞行高度降低到20m也无法发现最低活度的V类源;最低活度的Ⅳ类源最大探测高度分别约为60m、大于150m、大于150m和大于150m;飞行在150m探测高度也依然能发现最低活度的Ⅲ类源。

目录

声明

摘要

1．1 科学意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 航空γ能谱测量系统响应规律研究现状

1．2．2 航空γ能谱解谱方法研究现状

1．3 主要研究内容与创新

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 创新点

第2章 航空γ能谱响应特征

2．1 宇宙射线及仪器设备本底的航空γ能谱响应特征

2．2 大气氡及其子体的航空γ能谱响应特征

2．2．1 大气氡的来源及分布规律

2．2．2 响应特征

2．3 地表浅层天然放射性核素航空γ能谱响应特征

2．3．1 天然γ射线的来源

2．3．2 天然放射性核素分布特征

2．3．3 响应特征

2．4 人工放射性核素的航空γ能谱响应特征

2．4．1 人工放射性核素来源

2．4．2 响应特征

第3章 航空γ能谱响应的MC模拟

3．1．2 航空γ能谱刻度参数

3．2 常规模拟方法

3．2．1 直接模拟

3．2．2 点探测器

3．3 球壳模型

3．4 组合模型

3．4．1 介质互换法模拟

3．4．2 地层模块化抽样

3．5 模拟效果比对

3．5．1 两种方案MC模拟结果的差异分析

3．5．2 MC模拟航空γ能谱仪响应谱的可行性验证

第4章 航空γ能谱全能峰探测效率数值解析方法研究

4．1．1 探测器正上方点源探测效率

4．1．2 点源投影位于探测器顶面边线延长线时的探测效率

4．1．3 点源投影位于其它区域时的探测效率

4．2 面源与体源航空γ探测器探测效率数值解析方法

4．3 航空γ能谱全能峰净峰面积获取方法

4．3．1 自适应峰形切削全谱本底扣除法

4．3．2 净峰面积的多高斯峰区拟合法

4．4 点源航空γ探测效率数值解可靠性验证

4．4．1 近距离探测实验验证

4．4．2 不同探测高度下实验验证

4．5 面源与体源航空γ探测效率数值解可靠性验证

第5章 应用结果与讨论

5．1 天然辐射环境下的应用效果研究

5．1．1 比对测线选择

5．1．2 比对测线及周围岩性分布

5．1．3 比对测线地面γ能谱测量

5．1．4 应用效果与讨论

5．2 含人工放射性γ辐射环境下的应用效果与讨论

5．2．2 人工放射性核素的航空γ能谱仪探测限

第6章 结论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果

附录