Question

放射性测量方法

Answer 1

放射性测量方法按放射源不同可分为两大类:一类是天然放射性方法，主要有γ测量法、α测量法等;另一类是人工放射性方法，主要有X射线荧光法、中子法等。表7.1给出了几种放射性测量方法的简单对比。

7.1.2.1 γ测量

γ测量法是利用辐射仪或能谱仪测量地表岩石或覆盖层中放射性核素产生的γ射线，根据射线能量的不同判别不同的放射性元素，而根据活度的不同确定元素的含量。γ测量可分为航空γ测量、汽车γ测量、地面(步行)γ测量和γ测井，其物理基础都是相同的。

根据所记录的γ射线能量范围的不同，γ测量可分为γ总量测量和γ能谱测量。

(1)γ总量测量

γ总量测量简称γ测量，它探测的是超过某一能量阈值的铀、钍、钾等的γ射线的总活度。γ总量测量常用的仪器是γ闪烁辐射仪，它的主要部分是闪烁计数器。闪烁体被入射的γ射线照射时会产生光子，光子经光电倍增管转换后，成为电信号输出，由此可记录γ射线的活度。γ辐射仪测到的γ射线是测点附近岩石、土壤的γ辐射、宇宙射线的贡献以及仪器本身的辐射及其他因素的贡献三项之和，其中后两项为γ辐射仪自然底数(或称本底)。要定期测定仪器的自然底数，以便求出与岩石、土壤有关的γ辐射。岩石中正常含量的放射性核素所产生的γ射线活度称为正常底数或背景值，各种岩石有不同的正常底数，可以按统计方法求取，作为正常场值。

表7.1 几种放射性法的简单对比

续表

(2)γ能谱测量

γ能谱测量记录的是特征谱段的γ射线，可区分出铀、钍、钾等天然放射性元素和铯－137、铯－134、钴－60等人工放射性同位素的γ辐射。其基本原理是不同放射性核素辐射出的γ射线能量是不同的，铀系、钍系、钾－40和人工放射性同位素的γ射线能谱存在着一定的差异，利用这种差异选择几个合适的谱段作能谱测量，能推算出介质中的铀、钍、钾和其他放射性同位素的含量。

为了推算出岩石中铀、钍、钾的含量，通常选择三个能谱段，即第一道:1.3～1.6MeV;第二道:1.6～2.0MeV;第三道:2.0～2.9MeV。每一测量道的谱段范围称为道宽。由于第一道对应⁴⁰K的γ射线能谱，第二道、第三道则分别主要反映铀系中的²¹⁴Bi和钍系中的²⁰⁸Tl的贡献，故常把第一、二、三道分别称为钾道、铀道和钍道。但是，钾道既记录了⁴⁰K的贡献，又包含有铀、钍的贡献。同样，铀道中也包含钍的贡献。当进行环境测量时往往增设¹³⁷Cs，¹³⁴Cs，⁶⁰Co等道。

γ能谱测量可以得到γ射线的总计数，铀、钍、钾含量和它们的比值(U/Th，U/K，Th/K)等数据，是一种多参数、高效率的放射性测量方法。

7.1.2.2 射气测量

射气测量是用射气仪测量土壤中放射性气体浓度的一种瞬时测氡的放射性方法。目的是发现浮土覆盖下的铀、钍矿体，圈定构造带或破碎带，划分岩层的接触界限。

射气测量的对象是²²²Rn，²²⁰Rn，²¹⁹Rn。氡放出的α射线穿透能力虽然很弱(一张纸即可挡住)，但它的运移能力却很强。氡所到之处能有α辐射，用α辐射仪可方便测定。²²²Rn，²²⁰Rn的半衰期分别为3.8d和56s，前者衰变较后者慢得多，以此可加以区分。

工作时，先在测点位置打取气孔，深约0.5～1m，再将取气器埋入孔中，用气筒把土壤中的氡吸入到仪器里，进行测量。测量完毕，应将仪器中的气体排掉，以免氡气污染仪器。

7.1.2.3 Po－210测量

Po－210法，也写作²¹⁰Po法或钋法，它是一种累积法测氡技术。²¹⁰Po法是在野外采取土样或岩样。用电化学处理的方法把样品中的放射性核素²¹⁰Po置换到铜、银、镍等金属片上，再用α辐射仪测量置换在金属片上的²¹⁰Po放出来的α射线，确定²¹⁰Po的异常，用来发现深部铀矿，寻找构造破碎带，或解决环境与工程地质问题。

直接测氡，易受种种因素的影响，结果变化较大。测量²¹⁰Pb能较好地反映当地²²²Rn的平均情况。²¹⁰Po是一弱辐射体，不易测量，但其后²¹⁰Bi(半衰期5d)的子体²¹⁰Po却有辐射较强的α辐射，半衰期长(138.4d)。因此，测²¹⁰Po即可了解²¹⁰Pb的情况，并较好地反映²²²Rn的分布规律。²¹⁰Po是²²²Rn的子体，沿有钍的贡献。这是和γ测量、射气测量、α径迹测量的不同之处。只测量²¹⁰Po的α射线，而测不到Po的其他同位素放出的α射线，是因为它们的半衰期不同的缘故。

7.1.2.4 活性炭测量

活性炭法也是一种累积法测氡技术，灵敏度高，效率亦高，而技术简单且成本低，能区分²²²Rn和²²⁰Rn，适用于覆盖较厚，气候干旱，贮气条件差的荒漠地区。探测深部铀矿或解决其他有关地质问题。

活性炭测量的原理是在静态条件下，干燥的活性炭对氡有极强的吸附能力，并在一定情况下保持正比关系。因此，把装有活性炭的取样器埋在土壤里，活性炭中丰富的孔隙便能强烈地吸附土壤中的氡。一定时间后取出活性炭，测定其放射性，便可以了解该测点氡的情况，以此发现异常。

埋置活性炭之前，先在室内把活性炭装在取样器里，并稍加密封，以免吸附大气中的氡。活性炭颗粒直径约为0.4～3mm。每个取样器里的活性炭重约数克至数十克，理置时间约为数小时至数十小时，一般为5d。时间可由实验确定最佳值，埋置时间短，类似射气测量;埋置时间长，类似径迹测量，但径迹测量除有氡的作用外，其他α辐射体也会有贡献。活性炭测量只有氡的效果。也有把活性炭放在地面上来吸附氡的测量方法。

为了测量活性炭吸附的氡，可采取不同方法:①测量氡子体放出的γ射线;②测量氡及其子体放出的α射线。

7.1.2.5 热释光法

工作时，把热释光探测器埋在地下，使其接受α，β，γ射线的照射，热释光探测器将吸收它们的能量。一定时间后，取出探测器，送到实验室，用专门的热释光测量仪器加热热释光探测器，记录下相应的温度和光强。探测器所受辐射越多，其发光强度愈强。测定有关结果即可了解测点的辐射水平及放射性元素的分布情况，进而解决不同的地质问题。

自然界的矿物3/4以上有热释光现象。常温条件下，矿物接受辐射获得的能量，是能长期积累并保存下来的。只有当矿物受热到一定程度，贮存的能量才能以光的形式释放出来。根据矿物样品的发光曲线，可以推算该矿物过去接受辐射的情况、温度的情况等。

7.1.2.6 α测量法

α测量法是指通过测量氡及其衰变子体产生的α粒子的数量来寻找放射性目标体，以解决环境与工程问题的一类放射性测量方法。氡同位素及其衰变产物的α辐射是氡气测量的主要物理基础。

工程和环境调查中用得较多有α径迹测量和α卡测量方法。

(1)α径迹测量法

当α粒子射入绝缘体时，在其路径上因辐射损伤会产生细微的痕迹，称为潜迹(仅几纳米)。潜迹只有用电子显微镜才能看到。若把这种受过辐射损伤的材料浸泡在强酸或强碱里，潜迹便会蚀刻扩大，当其直径为微米量级时，用一般光学显微镜即可观察到辐射粒子的径迹。能产生径迹的绝缘固体材料称为固体径迹探测器。α径迹测量就是利用固体径迹探测器探测径迹的氡气测量方法。

在工作地区取得大量α径迹数据后，可利用统计方法确定该地区的径迹底数，并据此划分出正常场、偏高场、高场和异常场。径迹密度大于底数加一倍均方差者为偏高场，加二倍均方差者为高场、加三倍均方差者为异常场。

(2)α卡法

α卡法是一种短期累积测氡的方法。α卡是用对氡的衰变子体(²¹⁸₈₄Po和214₈₄Po等)具有强吸附力的材料(聚酯镀铝薄膜或自身带静电的过氯乙烯细纤维)制成的卡片，埋于土壤中，使其聚集氡子体的沉淀物，一定时间后取出卡片，立即用α辐射仪测量卡片上的α辐射，借此测定氡的浓度。由于测量的是卡片上收集的放射性核素辐射出的α射线，所以把卡片称作α卡，有关的方法就称为α卡法。如果把卡片做成杯状，则称为α杯法，其工作原理与α卡法相同。

7.1.2.7 γ－γ法

γ－γ法是一种人工放射性法，它是利用γ射线与物质作用产生的一些效应来解决有关地质问题，常用来测定岩石、土壤的密度或岩性。

γ－γ法测定密度的原理是当γ射线通过介质时会发生康普顿效应、光电效应等过程。若γ射线的照射量率I₀;γ射线穿过物质后，探测器接受到的数值为I，则I和I₀之间有一复杂的关系。即I=I₀·f(ρ，d，Z，E₀)，其中ρ为介质的密度，d为γ源与探测器间的距离，Z为介质的原子序数，E₀为入射γ射线能量。

在已知条件下做好量板，给出I/I₀与ρ，d的关系曲线。在野外测出I/I₀后，即可根据量板查出相应的密度值ρ。

7.1.2.8 X荧光测量

X射线荧光测量，也称X荧光测量，是一种人工放射性方法，用来测定介质所含元素的种类和含量。其工作原理是利用人工放射性同位素放出的X射线去激活岩石矿物或土壤中的待测元素，使之产生特征X射线(荧光)。测量这些特征X射线的能量便可以确定样品中元素的种类，根据特征X射线的照射量率可测定该元素之含量。由于不同原子序数的元素放出的特征X射线能量不同，因而可以根据其能量峰来区分不同的元素，根据其强度来确定元素含量，且可实现一次多元素测量。

根据激发源的不同，X荧光测量可分为电子激发X荧光分析、带电粒子激发X荧光分析、电磁辐射激发X荧光分析。

X荧光测量可在现场测量，具有快速、工效高、成本低的特点。

7.1.2.9活化法

活化分析是指用中子、带电粒子、γ射线等与样品中所含核素发生核反应，使后者成为放射性核素(即将样品活化)，然后测量此放射性核素的衰变特性(半衰期、射线能量、射线的强弱等)，用以确定待测样品所含核素的种类及含量的分析技术。

若被分析样品中某元素的一种稳定同位素X射线作用后转化成放射性核素Y，则称X核素被活化。活化分析就是通过测量标识射线能量、核素衰变常数、标识射线的放射性活度等数据来判断X的存在并确定其含量。

能否进行活化分析以确定X核素存在与否，并作定量测量，关键在于:①X核素经某种射线照射后能否被活化，并具有足够的放射性活度;②生成的Y核素是否具有适于测量的衰变特性，以利精确的放射性测量。

活化分析可分为中子活化分析、带电粒子活化分析、光子活化分析等。

(1)中子活化分析

根据能量不同，中于可分为热中子、快中子等。热中子同原子核相互作用主要是俘获反应，反应截面比快中子大几个量级。反应堆的热中子注量率一般比快中子的大几个量级，因此热中子活化分析更适应于痕量元素的分析。

(2)带电粒子活化分析

常用的带电粒子有质子、α粒子、氘核、氚核等，也有重粒子。

带电粒子活化分析常用于轻元素，如硅、锗、硼、碳、氮、氧等的分析。

(3)光子活化分析

常用电子直线加速器产生的高能轫致辐射来活化样品。