吳和喜 葛良全 魏強(qiáng)林 楊 波 羅耀耀 劉義保1, 余 飛1（東華理工大學(xué) 核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 南昌 001）

2（東華理工大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院 南昌 330013）

3（成都理工大學(xué) 成都 610059）

航空γ能譜儀無源效率刻度方法研究

吳和喜1,2,3葛良全3魏強(qiáng)林2楊 波2羅耀耀3劉義保1,2余 飛21（東華理工大學(xué) 核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心 南昌 330013）

2（東華理工大學(xué) 核科學(xué)與工程學(xué)院 南昌 330013）

3（成都理工大學(xué) 成都 610059）

因人工放射性核素的航空γ能譜儀實(shí)物刻度模型匱乏，導(dǎo)致難以依據(jù)航空γ能譜準(zhǔn)確反演地面人工放射性核素的含量。本文基于窄束γ射線指數(shù)衰變規(guī)律與微積分的思想建立了任意形狀的γ輻射源上空航空γ能譜儀無源效率刻度的數(shù)值計(jì)算模型。通過低空探測(cè)實(shí)驗(yàn)、高空變化趨勢(shì)分析、5-100 m高空探測(cè)實(shí)驗(yàn)證明該模型適用于任意位置點(diǎn)源航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率數(shù)值計(jì)算。同時(shí)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在低空探測(cè)時(shí)不同γ輻射的面源與體源的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率與MCNP5模擬值的相對(duì)偏差在±1.5%以內(nèi)，且含1 460.83 keV或2 614.533 keV γ射線的無限大體源90-150 m探測(cè)高空計(jì)算結(jié)果與石家莊動(dòng)態(tài)帶上的實(shí)驗(yàn)值相對(duì)偏差為8.33%-15.82%。上述實(shí)驗(yàn)充分證實(shí)該無源效率刻度計(jì)算模型適用于航空γ能譜探測(cè)實(shí)踐，為利用航空γ能譜儀尋找丟失放射源及核事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)提供技術(shù)支持。

航空γ能譜儀，無源效率刻度，數(shù)值計(jì)算

航空γ能譜探測(cè)的實(shí)質(zhì)是將航空飛行器作為運(yùn)載工具，裝載具備相應(yīng)探測(cè)效率的γ能譜儀對(duì)環(huán)境γ輻射進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來，國(guó)內(nèi)外專家已將其作為核事故應(yīng)急監(jiān)測(cè)和尋找丟失的強(qiáng)放射源的有效手段[1-6]，且在我國(guó)《國(guó)家核應(yīng)急計(jì)劃》中明確規(guī)定“航空測(cè)量是核應(yīng)急輻射監(jiān)測(cè)中的一個(gè)重要手段，一旦需要時(shí)緊急調(diào)用，實(shí)施快速、高效和大面積的應(yīng)急監(jiān)測(cè)”[7]。目前航空γ場(chǎng)理論是建立在點(diǎn)探測(cè)器的基礎(chǔ)上[6]，未考慮探測(cè)設(shè)備本身的幾何形狀及材質(zhì)的影響，僅能運(yùn)用于相對(duì)規(guī)律的研究，須先建立起基準(zhǔn)刻度模型。但大量人工核素的半衰期都較短，不可能都制作成面源用于刻度[7]（如我國(guó)僅制作了邊長(zhǎng)為1 m的正六邊形137Cs和60Co刻度模型各一塊[8]）。怎樣才能給出更加精確的定量結(jié)果是急需解決的問題[9]，關(guān)鍵在于有效獲得感興趣放射性核素的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率值。

根據(jù)微積分思想，在網(wǎng)格劃分足夠精細(xì)的情況下，任意形狀人工輻射源的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率等于所劃分的各“微體積源”對(duì)應(yīng)探測(cè)效率之和。此時(shí)，“微體積源”可近似為特征γ射線均從中心位置發(fā)射的點(diǎn)源，所以解決上述問題的核心在于建立任意位置點(diǎn)源的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率計(jì)算方法。Grasty等[5]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單根晶體的航空γ能譜儀中心外同一圓環(huán)面上移動(dòng)γ輻射源，全能峰探測(cè)效率與偏移垂直方向的夾角余弦值成線性函數(shù)關(guān)系，并基于此線性規(guī)律和航空γ場(chǎng)理論給出了地表面任意位置點(diǎn)源的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率值的計(jì)算公式。這也是點(diǎn)源代替體源進(jìn)行航空γ能譜儀刻度的基礎(chǔ)，近年來劉新華[3]和胡明考[8]的研究小組也相繼開展了相應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)該模型的缺點(diǎn)在于點(diǎn)源位置擺放差異對(duì)結(jié)果的影響較大、工作量繁重以及對(duì)工作人員造成較大的輻射危害。

在γ能譜分析領(lǐng)域Monte Carlo模擬軟件在近距離探測(cè)時(shí)效率刻度的可靠性已廣泛被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[10]。但在約100 m遠(yuǎn)的距離探測(cè)時(shí)，由于模擬粒子進(jìn)入探測(cè)器的概率過低導(dǎo)致結(jié)果偏離真實(shí)。而目前商業(yè)化的無源效率刻度軟件僅可用于圓柱體探測(cè)器[11]，無法計(jì)算裝載長(zhǎng)方體型探測(cè)器的航空γ能譜儀。

針對(duì)上述問題，本文在考慮航空γ能譜儀探測(cè)器的尺寸（長(zhǎng)方體）和材質(zhì)等因素影響的基礎(chǔ)上，建立一套航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率無源刻度數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)其可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 點(diǎn)源探測(cè)效率數(shù)值計(jì)算模型的建立

目前航空γ能譜探測(cè)單元多為裝載長(zhǎng)方體（長(zhǎng)a=40.64 cm、寬b=10.16 cm、高c=10.16 cm）型NaI(Tl)晶體，如圖1(a)中長(zhǎng)方體ABCDEFGH（中心為坐標(biāo)軸X′Y′Z′的原點(diǎn)O′）所示。因長(zhǎng)方體沿中心坐標(biāo)軸及對(duì)角線（沿CH線和DG線）對(duì)稱，所以公式推導(dǎo)僅需考慮點(diǎn)源P坐標(biāo)滿足Z′≥0、X′≥Y′/cos(45°)≥0的情形。在上述情況下，點(diǎn)源P發(fā)射的特征γ射線可能從頂面CDHG、側(cè)面EFHG和ADHF進(jìn)入圖1(a)中NaI(Tl)晶體（P點(diǎn)距上述三個(gè)面的垂直距離分別為d、k和j）。

假設(shè)從P點(diǎn)出射的γ射線與PW線成θ角，其在CDHG面上的投影線與CD線的夾角為φ。倘若該γ射線從頂面HGH′入射，此時(shí)φ∈[∠GTU,∠HTU]。此時(shí)∠GTU=φ1=arctan[k/(b+j)]，∠HTU=φ2=arctan(k/j)。

而在每一個(gè)φ方向上，當(dāng)入射方向與HG線有交點(diǎn)時(shí)，θ角取最小值θ1=arctan[k/(d·sinφ)]，當(dāng)入射方向與CG線有交點(diǎn)時(shí)，θ角取最大值θ2=arctan[(b+j)/(d·cosφ)]；入射方向與BE線相交為該γ射線是從底面ABEF還是側(cè)面BCGE出射的判據(jù)，此時(shí)θ3=arctan{(b+j)/[(c+d)·cosφ)]}。

在j≤b·d/c時(shí)，θ1＜θ3≤θ2，φ≤φ3=arctan{k·(c+d) /[d·(b+j)]}。說明φ∈[φ1, φ3]時(shí)所有進(jìn)入NaI(Tl)晶體

后未與其發(fā)生相互作用的入射γ射線均從側(cè)面BCGE（在NaI(Tl)晶體內(nèi)的衰減長(zhǎng)度為l1=(b+j) /(sinθ·cosφ)-d/cosθ）出射；而φ∈[φ3, φ2]時(shí)，當(dāng)入射角為θ∈[θ1, θ3]的γ射線均從底面ABEF（在NaI(Tl)晶體內(nèi)的衰減長(zhǎng)度為l2=c/cosθ）出射，同時(shí)入射角為θ∈[θ3, θ2]的γ射線均從側(cè)面BCGE出射。在j＞b·d/c時(shí)，θ1＜θ2≤θ3。說明φ∈[φ1, φ2]所有進(jìn)入NaI(Tl)晶體后未與其發(fā)生相互作用的入射γ射線均從側(cè)面BCGE出射。根據(jù)上述分析可知，從頂面HGH′入射γ射線的全能峰探測(cè)效率計(jì)算公式η1為：

式中：μ1為γ射線在NaI(Tl)晶體中的光電效應(yīng)線衰減系數(shù)（源自文獻(xiàn)[12]所述XCOM軟件）；f為γ射線到達(dá)NaI(Tl)晶體前的衰減規(guī)律（在同一材料內(nèi)的連續(xù)路徑上服從指數(shù)衰變規(guī)律[5-6]），如點(diǎn)源在土壤內(nèi)埋深為L(zhǎng)、NaI(Tl)晶體上有厚為h的屏蔽層時(shí)f=exp{-[μ2·(d-h-L)+μ3·h+μ4·L]/cosθ}，此時(shí)μ2為γ射線在空氣中的總線衰減系數(shù)，μ3為γ射線在NaI(Tl)晶體外屏蔽層中的總線衰減系數(shù)，μ4為γ射線在土壤中的總線衰減系數(shù)。

圖1 單晶體航空γ能譜儀外任意位置點(diǎn)源的全能峰探測(cè)效率計(jì)算示意圖(a) 從頂面CDHG進(jìn)入探測(cè)器，(b) 從左側(cè)面EFHG進(jìn)入探測(cè)器，(c) 從前側(cè)面ADHF進(jìn)入探測(cè)器Fig.1 Schematic view of one detector of AGS irradiated by a point source placed at arbitrary position. (a) Top-surface CDHG, (b) Left facet EFHG, (c) Front ADHF

依據(jù)上述推導(dǎo)方法，同理可得到γ射線從頂面H′HC′C和CC′D入射時(shí)的全能峰探測(cè)效率計(jì)算公式η2和η3分別如下：

式中：φ4=arctan[(a+k)/(b+j)]；φ5=arctan[j/(a+k)]；φ6= arctan{[j·(c+d)]/[d·(a+k)]}；θ4=arctan[j/(d·cosφ)]；θ5= arctan[j/(d·sinφ)]；θ6=arctan[(a+k)/(d·cosφ)]；θ7=arctan {(a+k)/[(c+d)·cosφ]}；l3=(a+k)/(cosφ·sinθ)-d/cosθ。根據(jù)上述推導(dǎo)可知，點(diǎn)源P出射的γ射線從頂面CDHG進(jìn)入探測(cè)器的全能峰探測(cè)效率公式為：

從圖1(b)與圖1(a)的比較發(fā)現(xiàn)，僅需將式(4)中參數(shù)a與c、k與d互換，即ηT(c,b,a,k,d,j)為點(diǎn)源P出射的γ射線從側(cè)面EFHG進(jìn)入探測(cè)器的全能峰探測(cè)效率公式；同理，圖1(c)也直觀顯示ηT(a,c,b,j,k,d)為點(diǎn)源P出射的γ射線從側(cè)面ADHF進(jìn)入探測(cè)器的全能峰探測(cè)效率公式。注意，如果點(diǎn)源在土壤中埋深L＞0，那么在上述變換前應(yīng)將f函數(shù)改成f1=exp{-[μ2·(d-h-L/tanθ)+μ3·h]/cosθ+μ4·L/sinθ}。

綜上所述，任意位置點(diǎn)源P發(fā)射的特征γ射線在航空γ能譜探測(cè)單元內(nèi)全能峰探測(cè)效率數(shù)值計(jì)算公式為：

2 點(diǎn)源計(jì)算結(jié)果可靠性驗(yàn)證

對(duì)式(5)而言，遠(yuǎn)距離探測(cè)與近距離探測(cè)的不同點(diǎn)在于μ2是否準(zhǔn)確可行。而近距離探測(cè)實(shí)驗(yàn)需驗(yàn)證在不同立體角（真空環(huán)境下，源發(fā)射的γ射線進(jìn)入探測(cè)器的幾率）下計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確。

2.1 不同立體角下計(jì)算結(jié)果可靠性驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用課題組自制的AGS-863型航空γ能譜儀（單箱晶體內(nèi)下視探測(cè)陣列由4個(gè)平行排布的探測(cè)單元組成），現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2所示。以下視探測(cè)陣列NaI(Tl)晶體中心為原點(diǎn)O（在墻面上的投影為Q）、橫切面為XOY面，墻面為PTQ面。并假設(shè)點(diǎn)源P和O點(diǎn)的連線與Z軸夾角為τ、其在XOY面上的投影線OT與Y軸夾角為φ。

首先將下視探測(cè)陣列按右側(cè)面平行于墻面（如圖2擺放）、OQ=100 cm固定，將活度A0=8.78×105Bq的137Cs源用膠帶紙貼在墻壁上P點(diǎn)。獲得P點(diǎn)在TQ線上（即τ=90°）、PQ分別為0 cm、10 cm、20 cm、40 cm、60 cm、90 cm、120 cm、150 cm、200 cm、250 cm和300 cm時(shí)下視探測(cè)陣列在t=120 s內(nèi)的累積γ能譜。采用高斯函數(shù)Levenberg- Marquardt擬合算法[13]提取特征γ射線峰的凈面積，反算得到下視探測(cè)陣列對(duì)137Cs的661.657 keV特征γ射線全能峰探測(cè)效率隨φ變化如圖3(a)所示。其次，維持X軸不變，將下視探測(cè)陣列逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，依然在上述點(diǎn)位放置137Cs源進(jìn)行120 s測(cè)量，相當(dāng)于在原始坐標(biāo)下φ=0°、改變?chǔ)訒r(shí)全能峰探測(cè)效率變化規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(b)所示。可以看出，在φ和τ僅一個(gè)量改變時(shí)引起的立體角變化下，航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率實(shí)驗(yàn)值與上述數(shù)值模型計(jì)算結(jié)果均在±5%的相對(duì)偏差范圍以內(nèi)，初步證實(shí)上述方案適用于不同立體角下點(diǎn)源全能峰探測(cè)效率的計(jì)算。

圖2 AGS-863型航空γ譜儀單箱晶體的137Cs點(diǎn)源全能峰探測(cè)效率實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖Fig.2 Experimental arrangements for full-energy peak efficiency in one box of AGS-863 irradiated by a point source of137Cs.

圖3 AGS-863型航空γ譜儀單箱晶體的137Cs點(diǎn)源全能峰探測(cè)效率結(jié)果比對(duì)(a) 下視探測(cè)陣列右側(cè)面平行于墻面，(b) 下視探測(cè)陣列頂面平行于墻面Fig.3 Full-energy peak efficiencies in one box of AGS-863 irradiated by a point source of137Cs. (a) The wall surface parallel to the right side of the downward-looking detectors, (b) The wall surface parallel to the top of the downward-looking detectors

最后計(jì)算單箱晶體的航空γ能譜儀外不同OP、φ和τ值下構(gòu)成的圓環(huán)面上點(diǎn)源全能峰探測(cè)效率，結(jié)果如圖4所示。Grasty 等[5]認(rèn)為在OP和φ不變時(shí)，不同τ下全能峰探測(cè)效率值ητ的變化規(guī)律如下：

式中：η0為τ=0°時(shí)的全能峰探測(cè)效率值；p和q為待擬合參數(shù)。采用式(6)對(duì)圖4數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)

擬合優(yōu)度均在0.992以上，充分說明上述方案能可靠應(yīng)用于計(jì)算不同立體角下點(diǎn)源的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率。

圖4 航空γ譜儀單箱晶體的全能峰探測(cè)效率變化規(guī)律Fig.4 Change rules of full-energy peak efficiencies in one box of AGS irradiated by a point source.

2.2 μ2準(zhǔn)確性驗(yàn)證

在一處約500 m×500 m的平整地面上，將裝載單箱晶體的航空γ能譜儀懸掛在兩個(gè)氫氣艇連桿之下，通過控制自帶長(zhǎng)度刻度繩索收放來調(diào)節(jié)航空γ能譜儀的探測(cè)高度d（實(shí)驗(yàn)時(shí)d取5-100 m、間隔5m）。實(shí)驗(yàn)中固定航空γ能譜儀在地面上的投影點(diǎn)，并在其中心分別擺放點(diǎn)源137Cs（活度為2.588×109Bq）和60Co（活度為1×108Bq），并利用§2.1所述方法計(jì)算得到點(diǎn)源正上方不同探測(cè)高度航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率，結(jié)果如圖5所示?？闯鲈诳商綔y(cè)范圍內(nèi)（源活度大于此時(shí)探測(cè)高度下的探測(cè)限），實(shí)驗(yàn)值與相應(yīng)尺寸模型下的計(jì)算結(jié)果間相對(duì)偏差均在±10%以內(nèi)，證明所采用的γ射線在空氣中的總線衰減系數(shù)μ2是準(zhǔn)確、可行的。充分說明前述計(jì)算方案適用于實(shí)際航空γ能譜測(cè)量飛行高度。

圖5 137Cs和60Co點(diǎn)源正上方不同探測(cè)高度AGS-863型航空γ譜儀單箱晶體全能峰探測(cè)效率結(jié)果比對(duì)(a) 661.657 keV，(b) 1 173.237 keV，(c) 1 332.501 keVFig.5 Full-energy peak efficiencies in one box of AGS-863 irradiated by directly below point source of137Cs and60Co. (a) 661.657 keV, (b) 1 173.237 keV, (c) 1 332.501 keV

3 體源無源效率刻度計(jì)算方案

因γ射線與地層介質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)射線強(qiáng)度按指數(shù)規(guī)律衰減，導(dǎo)致航空γ能譜探測(cè)深度約為地表層1.5 m[14]。假設(shè)有如圖6所示自地表向下深K、半徑為R的放射性核素均勻分布圓柱體地層，地面上任意一點(diǎn)M和中心O連線MO與X軸間成ζ角。先在Z軸方向依間隔ΔK厚將其分成u=K/ΔK層；對(duì)每一層，以ΔR間隔化分成v=R/ΔR個(gè)圓環(huán)，對(duì)每一個(gè)圓環(huán)以Δζ度角為間隔均分成w=360/Δζ份，則上述圓柱體地層總共被劃分成u·v·w份。

對(duì)第g層中m圓環(huán)（從中心往外數(shù)）內(nèi)第n份（按角度從小到大數(shù)）“微體積源”來說，其中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的式(5)中參數(shù)如下：

圖6 網(wǎng)格劃分圓柱源示意圖Fig.6 Schematic view of cylinder source divided by a grid partition method.

聯(lián)立式(5)與式(7)可得上述地層上d探測(cè)高空的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率如下：

式中：NK,R為上述地層單位時(shí)間發(fā)射待分析能量的特征γ射線總數(shù)目；Ng,m,n為上述地層中第g層中m圓環(huán)內(nèi)第n份“微體積源”單位時(shí)間發(fā)射待分析能量的特征γ射線數(shù)目。

首先設(shè)計(jì)以下兩個(gè)近距離探測(cè)模型來驗(yàn)證上述網(wǎng)格劃分的可行性：1) K=50 cm、R=15 cm和d=300cm的放射性均勻分布圓面源；2) K=50 cm、R=250 cm和d=100 cm的圓柱體源（內(nèi)部填充Beck土壤，化合物組成見文獻(xiàn)[14]）。探測(cè)設(shè)備采用裝載單箱晶體的航空γ能譜儀，取ΔK=ΔR=1 cm、Δζ=5°網(wǎng)格化地層得到的計(jì)算結(jié)果如表1所示，與MCNP5軟件模擬結(jié)果（不確定度小于0.5%）的相對(duì)偏差均在±1.5%以內(nèi)，證明上述計(jì)算模型適用于面源與體源上空航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率計(jì)算。

表1 近距離探測(cè)時(shí)航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率結(jié)果比對(duì)Table1 Full-energy peak efficiencies of AGS near the no-point source.

同時(shí)用上述模型計(jì)算含1 kBq·kg-1的40K（特征γ射線能量1 460.83 keV）或208Tl（特征γ射線能量2614.533 keV）、R=800 m和K=1.5 m的圓柱體地層（土壤成分見文獻(xiàn)[15]，可認(rèn)為近似無限大地層[14]）上空不同探測(cè)高度上的兩箱晶體的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率如表2所示?？梢钥闯鲇?jì)算結(jié)果均比在石家莊黃碧水庫動(dòng)態(tài)帶（天然放射性核素分布較均勻，為我國(guó)航空γ能譜儀不同探測(cè)高度校正系數(shù)的刻度模型[16]）陸地上空相應(yīng)高度的300 s累積測(cè)量譜的分析結(jié)果高8.33%-15.82%，分析發(fā)現(xiàn)差異的主要原因在于上述模型未考慮實(shí)測(cè)過程中直升飛機(jī)底板材料對(duì)γ射線的衰減。而底板材料多采用復(fù)合材料，難以獲得其元素組成及密度來計(jì)算它對(duì)γ射線的線衰減系數(shù)，在后續(xù)實(shí)踐應(yīng)用中可現(xiàn)場(chǎng)利用點(diǎn)源衰減實(shí)驗(yàn)獲得。

表2 無限大體源上90-150 m高空航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率結(jié)果比對(duì)Table2 Full-energy peak efficiencies of AGS 90-150 m away from infinite volume source.

4 結(jié)語

本文依據(jù)窄束γ射線的指數(shù)衰減規(guī)律，推導(dǎo)建立任意位置點(diǎn)源的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率計(jì)算方法。不同立體角下探測(cè)的驗(yàn)證分析發(fā)現(xiàn)：?jiǎn)蜗渚w的航空γ能譜儀底面及側(cè)面外平行軸線上不同位置的137Cs點(diǎn)源全能峰探測(cè)效率計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)偏差均在±5%以內(nèi)；不同半徑(60-120 m)和角度的圓環(huán)面上多種核素點(diǎn)源的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率變化規(guī)律與Grasty等[5]的實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致。同時(shí)利用氫氣球?qū)蜗渚w的航空γ能譜儀升至5-100 m高空探測(cè)地面上的137Cs和60Co點(diǎn)源，結(jié)果證實(shí)上述數(shù)值解析方法可應(yīng)用于實(shí)測(cè)高度中去。

采用微積分思想將任意形狀的γ輻射源網(wǎng)格化成多個(gè)“微體積源”，利用點(diǎn)源計(jì)算模型得到各個(gè)“微體積源”的航空γ能譜儀全能峰探測(cè)效率值，通過疊加原理建立任意形狀的γ輻射源上空航空γ能譜儀無源效率刻度計(jì)算模型。該模型在低空探測(cè)時(shí)的計(jì)算結(jié)果與MCNP5模擬結(jié)果在±1.5%的相對(duì)偏差范圍內(nèi)符合，而在90-150 m高空對(duì)1460.83 keV和2614.533 keV的γ射線計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相差8.33%-15.82%，說明本文所述的無源效率刻度方法可有效應(yīng)用于航空γ能譜探測(cè)實(shí)踐。為提高模型的精確度，在今后的實(shí)踐中應(yīng)提前測(cè)量各現(xiàn)場(chǎng)材料的線衰減系數(shù)，尤其是飛機(jī)底板。

致謝 感謝中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心的萬建華高工提供的石家莊動(dòng)態(tài)帶實(shí)測(cè)航空γ能譜測(cè)量數(shù)據(jù)，感謝曾為該數(shù)據(jù)付出辛勞的全體成員。

1 王南萍, 熊盛青, 周錫華, 等. 航空伽瑪能譜儀對(duì)137Cs點(diǎn)源響應(yīng)特征及全譜數(shù)據(jù)的提取技術(shù)[J]. 核技術(shù), 2005, 28(4): 313-318 WANG Nanping, XIONG Shengqing, ZHOU Xihua, et al. Spectra characteristics of airborne spectrometer to137Cs sources and extraction of full abstraction peak[J]. Nuclear Techniques, 2005, 28(4): 313-318

2 鄧?yán)? 楊亞新, 盧存恒, 等. 一種確定放射性煙羽邊界的新方法[J]. 核技術(shù), 2009, 32(12): 911-914 DENG Lei, YANG Yaxin, LU Cunheng, et al. A new method for boundary determination of radioactive plume[J]. Nuclear Techniques, 2009, 32(12): 911-914

3 劉新華, 張永興, 顧仁康, 等. NaI(Tl)航測(cè)譜儀對(duì)137Cs、60Co點(diǎn)源角響應(yīng)的地面刻度[J]. 輻射防護(hù), 1998, 18(3): 175-184 LIU Xinhua, ZHANG Yongxing, GU Renkang, et al. Calibration of angel response of a NaI(Tl) airborne spectrometer to137Cs and60Co point sources on the ground[J]. Radiation Protection, 1998, 18(3): 175-184

4 Sanderson D C W, Mcleod J J, Ferguson J M. A European bibliography on airborne gamma-ray spectrometry[J]. Journal of Environmental Radioactivity, 2001, 53: 411-422. DOI: 10.1016/s0265-931X(00)00145-4

5 Grasty R L, Kosanket K L, Foote R S. Fields of view of airborne gamma-ray detectors[J]. Geophysics, 1979, 44(8): 1447-1457. DOI: 0016-8033/79/0801-1447

6 盧存恒, 劉慶成, 韓長(zhǎng)青. 空間γ場(chǎng)的彈性變化及應(yīng)用[M]. 北京: 原子能出版社, 2006: 1-25 LU Cunheng, LIU Qingcheng, HAN Zhangqing. Elasticity change of spatial gamma field and application[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 2006: 1-25

7 倪衛(wèi)沖, 顧仁康. 核應(yīng)急航空監(jiān)測(cè)方法[J]. 鈾礦地質(zhì), 2003, 19(6): 366-373. DOI: 1000-0658(2003)06-0366-08 NI Weichong, GU Renkang. Airborne monitor method of nuclear emergency response[J]. Uranium Geology, 2003, 19(6): 366-373. DOI: 1000-0658(2003)06-0366-08

8 胡明考, 張積運(yùn), 王新興, 等. 大型人工核素平面源校準(zhǔn)裝置的研建及應(yīng)用[R]. 中國(guó)科學(xué)技術(shù)進(jìn)展報(bào)告(第一卷), 2009 HU Mingkao, ZHANG Jiyun, WANG Xinxing, et al. Establishment and application of a large calibration device of artificial radionuclide plane source[R]. Progress Report on China Nuclear Science & Technology (Vol.1), 2009

9 韓善彪, 李錦, 陸巍巍, 等. 航空γ譜儀系統(tǒng)校準(zhǔn)的基本內(nèi)容和有關(guān)問題探討[J]. 核安全, 2013, 12(3): 48-52. DOI: 1000-0658(2003)06-0366-08 HAN Shanbiao, LI Jin, LU Weiwei, et al. Basic contents of calibration of airborne γ spectrometry system and discussion on some related issues[J]. Nuclear Safety, 2013, 12(3): 48-52. DOI: 1000-0658(2003)06-0366-08

10 錢楠, 王德忠, 白云飛, 等. HPGe探測(cè)器死層厚度及點(diǎn)源效率函數(shù)研究[J]. 核技術(shù), 2010, 33(1): 25-30 QIAN Nan, WANG Dezhong, BAI Yunfei, et al. Dead layer thickness and efficiency function of point source for HPGe detector[J]. Nuclear Techniques, 2010, 33(1): 25-30

11 周程, 王鳳英, 朱曉翔. 無源效率刻度方法的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和分析[J]. 核技術(shù), 2011, 34(8): 604-608 ZHOU Cheng, WANG Fengying, ZHU Xiaoxiang.

Sourceless efficiency calibration method and analysis of experiments[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(8): 604-608

12 Gerward L, Guilbert N, Jensen K B, et al. WinXCom - a program for calculating X-ray attenuation coefficients[J]. Radiation Physics and Chemistry, 2004, 71(1): 653-654. DOI: 10.1016/ j.radphyschem.2004.04.040

13 Wu H X, Zhang H Q, Liu Q C, et al. Information retrieval methods for high resolution γ-ray spectra[J]. Nuclear Science and Techniques, 2012, 23(6): 332-336

14 Allyson J D. Environmental gamma-ray spectrometry: simulation of absolute calibration of in-situ and airborne spectrometers for natural and anthropogenic sources[D]. Scotland: University of Glasgow, 1994

15 方晟, 曾志, 吳其反, 等. 航空γ譜探測(cè)地層中放射性同位素的Monte Carlo模擬計(jì)算[J]. 清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2007, 47(S1): 1018-1021. DOI: 1000-0054 (2007)S1-1018-04 FANG Sheng, ZENG Zhi, WU Qifan, et al. Monte Carlo simulations of airborne gamma spectrometry of radionuclide in earth[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2007, 47(S1): 1018-1021. DOI: 1000-0054(2007)S1-10 18-04

16 EJ/T 1032-2005: 航空伽瑪能譜測(cè)量規(guī)范[S]. 中華人民共和國(guó)核行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), 2005: 1-25 EJ/T 1032-2005: Specification for airborne gamma-ray spectrometry[S]. The People’s Republic of China Nuclear Trade Standards, 2005: 1-25

Methodology study on the sourceless efficiency calibration of airborne gamma-ray spectrometry

WU Hexi1,2,3GE Liangquan3WEI Qianglin2YANG Bo2LUO Yaoyao3LIU Yibao1,2YU Fei21(Engineering Research Center of Nuclear Technology Application, Ministry of Education, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)
2(School of Nuclear Science and Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)
3(Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Background: It is still difficult to establish all calibration models for significant short-lived artificial radionuclides because of the short half-life periods of most artificial radionuclides, potential radiation hazards, high cost, etc. Therefore, how to obtain more accurate quantitative results from airborne gamma-ray spectrum needs to be solved urgently. Purpose: This study aims to find a calculation model for efficiency calibration of airborne gamma-ray spectrometry (AGS). Methods: Based on the basic thought in calculus, tiny source is divided from gamma radiation on arbitrary shape by a grid partition method and seen as a point source. And the full-energy peak efficiency formula of AGS for a point source is derived in this paper. According to the superposition principle, the sourceless efficiency calibration method of AGS is established. Results: Firstly, the calculation values show an

Airborne gamma-ray spectrometry, Sourceless efficiency calibration, Numerical calculation

WU Hexi, male, born in 1985, graduated from East China University of Technology with a master’s degree in 2010, doctoral student, lecturer, mainly engaged in the research of nuclear detection and data processing

GE Liangquan, E-mail: glq@cdut.edu.cn

TL817+.2

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.120202

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.11505027、No.11665001、No.41604116)、核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心基金(No.HJSJYB2014-7&8)資助

吳和喜，男，1985年出生，2010年于東華理工大學(xué)獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為博士研究生，講師，主要從事核探測(cè)及其數(shù)據(jù)處理研究

葛良全，E-mail: glq@cdut.edu.cn

Supported by National Natural Science Foundation of China (No.11505027, No.11665001, No.41604116), Open-ended Foundation from Engineering Research Center of Nuclear Technology Application, Ministry of Education (No.HJSJYB2014-7&8)

2016-08-31，

2016-09-19

agreement within ±5% error in comparison with measurement values while a point source of137Cs is only a short distance away. Secondly, the calculation response law of different positions by this paper coincides with the experiment of Grasty et al. Finally, the calculation values show an agreement within ±10% error in comparison with measurement values while a point source of137Cs and60Co is put under the AGS-863 for 5-100 m. These prove that the numerical calculation is suitable for computing the full-energy peak efficiency of a point source. Meanwhile, the calculation values of a surface source and a volume source show an agreement within ±1.5% error in comparison with simulation values by MCNP5. And while AGS is 90-150 m away from infinite volume source, the calculation values of 1 460.83 keV and 2 614.533 keV are 8.33%-15.82% bigger than the measurement values. Conclusion: These results verify that the sourceless efficiency calibration method of AGS is accurate and reliable. It gives technical support for monitoring radionuclide deposition after nuclear accidents and locating radioactive sources using AGS.