关于核法勘探仪器介绍

[拼音]：hefa kantan yiqi

[外文]：nuclear prospecting instrument

测量地质体中天然放射性元素发出的，或通过人工激发由非放射性元素发出的射线的核探测仪器。在核法勘探中,用于放射性矿床和某些非放射性矿床的勘查,以及解决某些地学问题。

基本原理及探测器

探测的基本原理是粒子或射线通过构成探测器的物质时，直接或经次级效应产生的电离、激发效应使其能量转换为可观测的物理量信号，用电子线路或特定的设备处理这些信号，以便测定。核法勘探仪器的种类繁多，性能、功能各异，然而它们通常都是由探测器、信号处理、分析、显示、输出等部件构成，其中最重要的、决定仪器基本性能的是探测器，常用的有以下几类。

包括电离室、正比计数器、盖革-弥勒计数器（G- M计数器）等。大多是由圆柱状阴极和中央丝状阳极构成，其间为气体介质，并加有稳定电压，形成电场。带电粒子 α、β可直接使气体电离;X、γ射线通过与阴极等物质的次级效应产生的高能电子使气体电离,n与所充的 *** (BF3)、氦(3He)、氢(H)等气体的核反应产生带电粒子，使气体电离。电离形成的电子和正离子在电场中漂移。在阳极上产生感应电荷，从而把射线能转换为平均电流或脉冲信号输出。

正比计数器电极间电场强度大，电子在其漂移的路径中可引起次级电离，阳极上感应的电荷量比初始电离电荷量大，形成“气体放大”现象。对确定的电场强度，其放大倍数基本为定值。输出的脉冲信号幅度与入射射线的能量成正比。

G-M计数器电极间电场强度更大,次级电离形成雪崩现象，大量正离子产生了空间电荷效应，减弱了电场强度，使阳极上的感应电荷量基本饱和，其输出脉冲信号幅度大，但与入射射线能量无关。

由闪烁体和光电倍增管构成。可做为闪烁体的已知物质有固体、液体、气体，以及有机物、无机物等多种多类，其中广为应用的是无机透明固体碘化钠（铊）〔NaI(Tl)〕闪烁体，常用于 γ射线探测器。闪烁体吸收射线后的次级效应产生的电子使闪烁体受激发射光子，光子通过光电倍增管转换为电子，并倍增约105～108倍，被阳极收集,输出脉冲信号。其幅度与被吸收的射线能量成正比，单位时间的脉冲计数与入射射线强度相关。

锗酸铋（Bi4Ge3O12）闪烁体对 γ射线的吸收能力是NaI(Tl)的2.3倍,高能响应好,可用于高能γ探测器。然而其发光温度系数较大，对野外现场能谱测量不利。硫化锌（银）〔ZnS(Ag)〕闪烁体常用于 α粒子探测器。

半导体探测器与电离室相似，不同的是半导体中不是空气介质,而是其P-N结区(耗尽区)或补偿区的高电阻率固体介质。常用的有金硅面叠型、硅(锂)〔Si(Li)〕、锗(锂)〔Ge(Li)〕、高纯锗(HpGe)等，后3种对X、γ射线有极好的能量分辨率，是能谱测量的最佳探测器，但需在低温下工作，限制了其在野外现场的应用。化合物半导体碲化镉(CdTe)、碘化汞(HgI2)在高温下也具有良好的能量分辨率，然而其晶体生长困难，尺寸大小约 2立方厘米。但随着材料科学的进展仍不失为有前景的一类探测器。

α 粒子可使具有很低阈值的硝酸纤维绝缘片产生辐射损伤，损伤面只能在数万倍电子显微镜下观察到。通常对有辐射损伤的绝缘片进行强酸或强碱的化学蚀刻，形成直径约200纳米的蚀坑,用数十倍的光学显微镜观测蚀坑数量。这种探测观测方法常用来测量氡浓度。

仪器

野外地质勘查中常用的仪器有以下几类。

测量γ射线计数率，经刻度可反映照射量率或当量铀含量的仪器。早期仪器的探测器为 G-M计数器,目前高灵敏度测量的仪器绝大多数用NaI(Tl)闪烁探测器，闪烁体灵敏体积一般为15～20立方厘米。

测量γ射线能谱的仪器，其探测器通常为灵敏体积约300立方厘米的NaI(Tl)闪烁探测器。其输出信号经电子学线路处理、分析后给出γ射线能谱，即多道能谱仪,一般为256道。目前广为应用的是能给出与钾(40K)、铋(214Bi)、钛(208Ti)能量相应的 3个光电峰面积计数率和总计数率的仪器，习惯称为四道能谱仪。

此类仪器的探测器可经电缆拖曳于水下，在船上对海洋、湖泊底部进行测量，寻找铀、钍矿床。也可把整体仪器系统用车载或机载，进行汽车或航空γ能谱测量，用于测定地表的钾、铀、钍元素的含量。运载工具速度愈高，所需采用的闪烁体灵敏度愈高，高灵敏度航空γ能谱仪的灵敏体积可达5万立方厘米。

用放射性核素低能 γ源激发被测物质产生特征X射线,用于现场或样品分析的仪器，一般采用正比计数器或Si(Li)、Ge(Li)、HpGe探测器，信号处理电子学线路的功能与γ能谱仪相似，可给出特征X 射线谱或几个特征峰面积计数率。除可用于现场测量外，还可对海洋、湖泊底部进行测量。近来已有在飞船着陆舱中装置自动测量的X射线荧光分析仪,对空间外星表面进行X荧光测量。

许多元素具有(γ-n)核反应，通常反应阈能较高，铍(Be)的反应阈能最低，为1.66兆电子伏特，是唯一可用放射性核素γ源引起(γ-n)反应的元素。铍量仪仪器由γ源和中子探测器及电子学线路构成，用于铍含量测量。

在坑道或山地工程的壁上或矿体露头上，不用传统的刻槽取样而定量测定放射性元素含量的仪器。与地面γ辐射仪不同的是其探测器有良好的准直器,测量立体角小,能消除周边和本底辐射的影响。用于圈定铀、钍矿体界线，确定铀、钍、钾含量。

用于测量土壤中氡(Rn)、钍(Th)射气的仪器。早期探测系统采用静电计电离室,目前多用ZnS(Ag)闪烁室构成。通常都有一个可插入土壤中的取样器，使射气抽入电离室或闪烁室中，测量α 粒子计数率，经刻度后可给出射气浓度值。用来寻找锂、钍矿床，解决其他地质问题。近来闪烁自动射气仪在地震预报中广为应用。

α 卡硅探测器、氡管仪、活性炭仪等均属此类仪器。前两种是用蒸敷有金属的涤纶薄膜制成取样卡片（或用薄膜）埋于地表土壤中，集附Rn子体。取样卡片或膜取出后在现场置于仪器中，测量子体的辐射计数率。后一种仪器是用活性炭取样瓶吸附氡气体，从土壤中取出后紧闭瓶盖，在室内测量Rn子体的β、γ辐射计数率。

有多种仪器以适应多种测井方法（见钻孔地球物理勘探。其共同点是探测器置于探管中，通过电缆放入钻孔，信号传输到地面电子仪器进行测量。γ辐射仪、γ 能谱仪、X射线荧光分析仪都可构成相应的测井系统。这类仪器用于确定岩石中铀、钍、钾的含量，圈定矿体或划分地层等。

基于γ射线与物质相互作用的γ-γ测井仪,其探管中有铯(137Cs)或镅(241Am)γ源和闪烁探测器，地面电子仪器可测散射γ射线的计数率。用来解决与密度相关的地质问题。

n-γ测井仪和n-n测井仪是利用(n-γ)，(n-n)核反应和中子慢化效应的仪器系统。探管中装有中子源或中子管和相应的γ或中子探测器。根据方法的需要，地面仪器可测量γ射线计数率、能谱或热中子通量及裂变中子通量,也可测量中子寿命。这些仪器可用于γ-γ测井、n-γ能谱测井、中子活化测井、缓发或瞬发中子测井、中子寿命测井等方法。