成理工核辐射测量方法讲义05 γ射线测量方法.docx

第5章射线测量方法5.1 不同形状Y辐射体Y照射量率的计算不同形状Y辐射体的Y射线照射量率的计算是Y射线测量方法、辐射防护和屏蔽设计的基础。在资源勘查和环境评价的实际工作中，分析不同几何形态的Y辐射体形成的Y辐射场的特征，可以评价野外射线测量工作中所预期的异常的大小和幅度，以及选择Y测量的条件。下文对辐射体Y照射量率的计算将只考虑辐射体放出的原始Y射线的贡献。对体源的Y辐射场进行精确计算时，应该考虑多次散射射线贡献，有关该问题将在下一节中予以介绍。对于丫射线总量测量，计算原始Y照射量率，可以确定丫异常形态，而不评估异常幅度；在丫能谱测量时则可给出异常幅度的大致评价。不均匀吸收介质内的形态复杂的辐射体在空间某一点产生的原始Y照射量率的计算可看作是点状源产生的Y照射量率在该点的叠加，在点源和测点之间的距离内，点源原始Y射线照量率按指数规律衰减，其衰减系数为不均匀介质的有效吸收系数。5.1.1 点源Y照射量率的计算在实际工作中，人们使用最多的是点状丫辐射源。点源是指辐射源的线度远小于源至空间感兴趣点的距离的辐射源。显然，点源的大小实际上是一个相对的量。一般，从计算点到源的距离，比源的线度大10倍（也有人认为大5-7倍）以上就可的辐射源当点状源处理。任何其他形状的辐射源，都可视为若干点源的叠加。因此，点状Y辐射源的Y照量率的计算，是其他任何形状的Y源照量率的计算的基础。在进行点源Y照量率的计算之前，先介绍表征源的活度与照射量率之间的常数一一Y照射量率常数o一、Y照射量率常数Y照射量率常数的物理意义是距离1居里的Y点源1米处，在1小时内所产生的照射量率。严格定义为：发射光子的某种放射性核素的照射量率常数是/画/"）$除以力而得的商，其中画/A九是在距离放射性活度为A的这种IICRU第38号报告中，建议用空气比释动能率常数取代放射性核素的丫照射量率常数，符号仍用表示。核素的点源/处由能量大于6的光子所产生的照射率。即(5.1)Y照射量率常数的SI单位为库仑平方米每千克，用符号库仑米2/千克(C-Irfkg)表示，其专用单位为伦米7小时居里，或此值的任何适当的倍数。下面我们进一步推导Y照射量率常数的计算公式。设Y放射性核素点源的活度为A贝可，每次核转变放射出m种不同能量的光子，Ey.io为放射出的第i种光子的能量(焦耳)，1焦耳=6.242X10'电子伏，n为每次核转变放射出，能量为房.，的那种光子的百分数。由第二章可知，照射量等于空气中比释动能的电离当量。因此，放射性活度为4贝可的丫点源在距离米处产生的照射量率可由(5.2)式得：A贝可S-Y光子(Pm米2X尸焦耳X6.242XlO*电子伏1.6021xIOT'库仑4M米2马"转变IQl千克W光子焦耳3371电子伏3"势囹4千劈秒(5式中，俄在空气中形成一对离子所消耗的电离能(W=33.73电子伏)；e：电子电荷，e=1.6021X10”库仑;(J1.2_).P'能量为Em的光子在空气中的质量吸收系数(米2/千克)。上式中，表示离Y点源1米处发射能量为E.小的那种光子的注量率。将(5.2)式代入(5.1)式，得Y照射量率常数为在进行单位换算时，1伦米2/居里小时=1.937X10"库仑米2/千克。例题5.1已知60Co的Y辐射组分如下：E.=1.33248兆电子伏=2.1312X103焦耳，m=100%,Q=2.623X1OT米2/千克;E丫,2=1.17323兆电子伏=1.8768X10”焦耳，n2=100%,修2P=2.701XKr3米2/千克。求值为多少？解：将已知值代入(5.3)式得=2.361×103(1X2.1312×10u×2.623×103+1×1.18768X1013×2.701XIO3)=2.52×IO18库仑米2/千克一般文献资料中，用符号(省去脚码6)表示。近期的文献用Ky表示丫照射量常数，但它们并不是同一个量，其区别在于KY常数不包括发射X射线的照射量率，而值包括有丫光子和Y光子的内转换电子所引起的内部初致辐射和特征X辐射。在铀矿勘探中，Y照射量率常数又称为常数,用符号K表示，在数值上被定义为质量为Ig的点状源在距离ICm处的照射量率。Ra、U、Th、K等核素的K分别为：KRe=4.92×10,Ccm2(kgsgRa)Kl=2.05×10,0Ccm2/(kgsgU)Kh=8.82×10,Ccm2/(kgsgTh)K=5.132×10',4Ccm7(kgsgK)不同类型仪器测量时，K值稍有变化。用于Y辐射仪照射量率标定的放射性核素标准源也常用丫常数来标记，其数值为距该标准源Inl处的照射量率。二、点源Y照量率的计算设点源的活度为A居里，由(5.1)式，离源铢处的照射量率的计算公式为:AKR2式中，X的单位为库仑/千克秒(C/(kgs),或者伦/秒或者伦/小时；K为丫常数。当点源处于均匀介质中时，在介质内部距离质量为加的点源砚的Y照射量率为：式中，加为放射性物质的质量(g)；为介质对Y射线的线衰减系数(CnI)；K为丫常数。当点源Y射线通过几种不同介质时，在距离R处的丫照射量率为：I=K26一"肉-的T"四(5.5)P2式中，出为丫射线通过第i种介质中的线衰减系数(CnIT)；R；为丫射线通过第i种介质的距离。例题5.1假设放射性物质的质量为m的点源处于非放射性岩石中，距地表深度为h,求空气中任一点的照射量率？解：据题意如图5.1,则地面上空任意一点P(%Bh+ib处的照射量率IP为:I-K也-«-(向+4后)PR2'(5.6)-K-伫7Hth+MH)1x2+y2+(h+nf/(+W)X2+y2+(h+H)2式中，Pof/为空气和岩石对Y射线的线衰减系数。图5.2表示了出露地表(h=0)的点源在不同高度上产生的异常曲线。由(5.6)式可以看出，点状源产生的丫照射量率随高度的变化依赖于两项因素：一项是按照观测点离源的距离平方成反比地衰减，一项是服从空气吸收的指数规律衰减。图5.1例题5.2图示用NIB褥地和!一<>)的点货在不X图5.2出露地表(h=0)的点源在不同高度上产生的丫异常曲线5.1.2线状源Y照量率的计算线状源是指长条形辐射体的横向直径远小于长条形辐射体的长度，且远小于观测点到辐射体的距离。如放射性管道、放射性矿带等。设线源长度为1.厘米，放射性物质沿线源均匀分布，总放射性活度为A贝可。那么，单位长度内的放射性活度为A/1.。又设源的丫照射量率常数为，并忽略线源本身的自吸收。下面分三种情况进行讨论，如图5.3所示。PI点设Pl点垂直于线源的端点，距离为&在£上取长度%,使以«,故可把d1.视为点源，此点源活度为G4/勿或。月点到d1.的距离r=asec久则点源d1.在口点产生的照射量率为：(al)dX=_-61.=(二"H"(5.7)(asec)'因为，d£=亦ecJdJ,代入上式得:<ix=三rda(5.8)上式对整个戊R分，即只要从角O到,积分，便可得B点的照射量率为：Xa/".d1.=arctan(5.9)1.aa图5.3线状源Y照射量率计算示意图式中，照射量率X的单位为库仑/千克秒(或伦/秒，伦/小时),下面各式中照射量率X的单位都与此式相同。P2点P3点i2=1.arctanA1.a2a(5.10)P2点在1.的垂直平分线上，可视为两个长度为1./2的线源在此点所产生的照射量率的叠加，用与上面同样的方法可得此点的照射率为P3点离线源另一端点的投影距离为可视为线源(国乜)在P3点产生的照射率，减去线源团在P3点产生的照射率，因此(5.11)5.1.3面状源Y照射量率计算（圆盘源、碟源）面状源是指圆盘状辐射体的厚度远小于圆盘的横向半径，且远小于观测点到圆盘面上的距离。如大面积的表面放射性污染、用于辐射消毒的大型面源、出露地表的无限大铀矿体等。如图5.4所示，设面状源上放射性物质分布均匀，其分布半径为Ro,单位面积上的活度为A贝可/米2,y照射量率常数为几分两种情况讨论。图5.4无介质面状源丫照射量率计算示意Pi点Pl点离面状源中心点的垂直距离为a,离面状源中心轴的距离为d。在面状源上任取一面积元"S=WrdO,则面积元可视为点源，该面积元源在Pl点的丫照射量率为：1dX=WdSI2rdrdc+d-rcos)+GSin6)-rdrd/+"+户-2Jrcos对半径为RO的圆盘积分，可得它在PI点产生的照射量率:(5.12)对角0积分，得：X=2rJG2+/+/j-(2dr)(5.13)(5.14)对r积分，可得面状源上任一点的丫照射量率:X=An-/+&-/+用+2d)+(6+(5.15)P2点P2点位于源轴心上，在上式中，d=0,于是有:X=JJdX=Ar广阿丁；胆J。JUCr</-广-2drcos0夕=2"A-nV"(5.16)/1当面源处于均匀介质中，计算介质中任一点的Y照射量率时，必需考虑介质对Y射线的衰减。假设均匀介质为空气，以空气中观测点为坐标系原点，如图5.5。因为面状源上面元ds的法线方向与射线方向(即r方向)不重合，存在夹角Oo所以：dscos0=rosinOd0d(5.17)或：dsHro=osn8d8d(5.18)将(5.12)式中ds以心"先代替，可得面状源上面元在空气中£点的照射J三-±里举：dXHre-Wh2d="1.eW"ds(5.19)式中，。为空气对Y射线的线衰减系数(cm/)。对面状源面积积分，可得：X=(1,“产ds=AV11eds(5.20)!?rti若出露地表无限大铀矿体中放射性含量为0,矿体密度为。，矿体对Y射线的线衰减系数为(cm)，伽玛常数为K,则在距地表H高度处Y照射量率为：%=KqPHHS(5.21)n>3-如果出露地表矿体呈长方形，面积元用直角坐标表示：ds=dxdy图5.5介质中面源Y照射量率推导示意图积分限X从-a到山，y自-旗坳那么在P(xO,yf切点的射线照射量率为:X=-Jjbb-e0r,tdxdy0%(5.22)IJIr/1.=I-1.dXdYhrJ-"1.bf,i-7式中，ro=、(x-0)2+(y-y0)2+H2,y为面积元/处的坐标。/=2HKQQ,为出露地表半无限大铀矿层的射线照射量率。°0表5.2列出了不同面积的矿体在不同观测高度上的Y射线照射量率，表中数据是按(5.22)式计算得来的。Y射线照射量率均以与矿层中心1米高处照射量率相对比值百分数表示。由表5.2可以看出，大面积矿体(或正常场)上空了照射量率随高度衰减相对缓慢一些，而小体积矿体(尤其是点状)照射量率随高度衰减得很快。这一点对合理地处理航空放射性测量数据，及分析航测资料是十分重要的。表5.2不同面积的矿体在不同观测高度上的Y射线照射量率飞行高度(m)矿段大小2ax2b(m2)点源1000×1000100×20010×4020×6010×18010×5020×205×801